En dinámica de fluidos , las vibraciones inducidas por vórtices ( VIV ) son movimientos inducidos en cuerpos que interactúan con un flujo de fluido externo , producidos por, o el movimiento que produce, irregularidades periódicas en este flujo.
Un ejemplo clásico es el VIV de un cilindro submarino. Se puede ver cómo sucede esto poniendo un cilindro en el agua (una piscina o incluso un balde) y moviéndolo a través del agua en una dirección perpendicular a su eje. Dado que los fluidos reales siempre presentan algo de viscosidad , el flujo alrededor del cilindro se ralentizará mientras esté en contacto con su superficie, formando la llamada capa límite . En algún momento, sin embargo, esa capa puede separarse del cuerpo debido a su excesiva curvatura. Luego se forma un vórtice , cambiando la distribución de la presión a lo largo de la superficie. Cuando el vórtice no se forma simétricamente alrededor del cuerpo (con respecto a su plano medio), diferentes fuerzas de elevaciónse desarrollan en cada lado del cuerpo, lo que lleva a un movimiento transversal al flujo. Este movimiento cambia la naturaleza de la formación del vórtice de tal manera que conduce a una amplitud de movimiento limitada (de manera diferente a lo que se esperaría en un caso típico de resonancia ). Este proceso luego se repite hasta que el caudal cambia sustancialmente.
VIV se manifiesta en muchas ramas diferentes de la ingeniería, desde cables hasta matrices de tubos de intercambiadores de calor . También es una consideración importante en el diseño de estructuras oceánicas. Por lo tanto, el estudio de VIV es parte de muchas disciplinas, incorporando mecánica de fluidos , mecánica estructural , vibraciones , dinámica de fluidos computacional (CFD), acústica , estadística y materiales inteligentes .
Motivación
Ocurren en muchas situaciones de ingeniería, como puentes, chimeneas, líneas de transmisión, superficies de control de aeronaves, estructuras marinas, termopozos, motores, intercambiadores de calor, cables marinos, cables remolcados, elevadores de perforación y producción en la producción de petróleo, cables de amarre, estructuras amarradas, estructuras atadas, cascos de flotabilidad y largueros, tuberías, tendido de cables, elementos de estructuras encamisadas y otras aplicaciones hidrodinámicas e hidroacústicas. [2] El interés más reciente en elementos cilíndricos largos [3] en el agua se deriva del desarrollo de recursos de hidrocarburos en profundidades de 1000 mo más. Ver también [4] y. [5]
La vibración inducida por vórtices (VIV) es una fuente importante de daño por fatiga de los elevadores de producción, exportación y perforación de exploración petrolera en alta mar , incluidos los elevadores de catenaria de acero (SCR) y los tendones o ataduras de la plataforma de patas de tensión (TLP). Estas esbeltas estructuras experimentan tanto el flujo de corriente como los movimientos de los vasos en el extremo superior, que dan lugar a los movimientos relativos de la estructura de flujo y causan VIV.
Uno de los problemas clásicos de flujo abierto en mecánica de fluidos se refiere al flujo alrededor de un cilindro circular, o más generalmente, un cuerpo en forma de acantilado . Con números de Reynolds muy bajos (basados en el diámetro del miembro circular), las líneas de corriente del flujo resultante son perfectamente simétricas como se esperaba de la teoría del potencial. Sin embargo, a medida que aumenta el número de Reynolds, el flujo se vuelve asimétrico y se produce la llamada calle del vórtice de Kármán . El movimiento del cilindro así generado debido al desprendimiento de vórtices puede aprovecharse para generar energía eléctrica. [6]
El número de Strouhal relaciona la frecuencia de desprendimiento con la velocidad del flujo y una dimensión característica del cuerpo (diámetro en el caso de un cilindro). Se define comoy lleva el nombre de Čeněk (Vincent) Strouhal (un científico checo). [7] En la ecuación f st es la frecuencia de desprendimiento de vórtices (o la frecuencia de Strouhal) de un cuerpo en reposo, D es el diámetro del cilindro circular y U es la velocidad del flujo ambiental.
Rango de bloqueo
El número de Strouhal para un cilindro es 0.2 en un amplio rango de velocidades de flujo. El fenómeno de bloqueo ocurre cuando la frecuencia de desprendimiento de vórtices se acerca a una frecuencia fundamental natural de vibración de una estructura. Cuando esto ocurre, pueden producirse vibraciones grandes y dañinas.
Estado actual del arte
Se ha avanzado mucho durante la última década, tanto numérica como experimentalmente, hacia la comprensión de la cinemática ( dinámica ) de VIV, aunque en el régimen de números de Reynolds bajos. La razón fundamental de esto es que VIV no es una pequeña perturbación superpuesta a un movimiento constante medio. Es un fenómeno de múltiples grados de libertad inherentemente no lineal, autogobernado o autorregulado. Presenta características de flujo inestable que se manifiestan por la existencia de dos capas de cizallamiento inestables y estructuras a gran escala.
Hay mucho que se conoce y se comprende y mucho que queda en el ámbito del conocimiento empírico / descriptivo: cuál es la frecuencia de respuesta dominante , el rango de velocidad normalizada , la variación del ángulo de fase (por el cual la fuerza lidera el desplazamiento ), y la amplitud de respuesta en el rango de sincronización en función de los parámetros de control e influencia? Las aplicaciones industriales destacan nuestra incapacidad para predecir la respuesta dinámica de las interacciones fluido-estructura. Continúan requiriendo la entrada de los componentes en fase y fuera de fase de los coeficientes de elevación (o la fuerza transversal), coeficientes de arrastre en línea, longitudes de correlación, coeficientes de amortiguación, rugosidad relativa, cortante, olas y corrientes. , entre otros parámetros que gobiernan e influyen, y por lo tanto también requieren la entrada de factores de seguridad relativamente grandes. Los estudios fundamentales, así como los experimentos a gran escala (cuando estos resultados se difunden en la literatura abierta) proporcionarán la comprensión necesaria para la cuantificación de las relaciones entre la respuesta de una estructura y los parámetros gobernantes e influyentes.
No se puede enfatizar lo suficiente que el estado actual de la técnica de laboratorio se refiere a la interacción de un cuerpo rígido (principalmente y lo más importante para un cilindro circular) cuyos grados de libertad se han reducido de seis a uno a menudo (es decir, movimiento transversal) con un flujo tridimensional separado, dominado por estructuras vorticales a gran escala.
Ver también
Referencias
- ^ Cfm .: Placzek, A .; Sigrist, J.-F .; Hamdouni, A. (2009). "Simulación numérica de un cilindro oscilante en flujo cruzado con bajo número de Reynolds: oscilaciones forzadas y libres" (PDF) . Computadoras y fluidos . 38 (1): 80–100. doi : 10.1016 / j.compfluid.2008.01.007 .
- ^ King, Roger (Ingeniería de fluidos BHRA), Oscilaciones estructurales excitadas por vórtice de un cilindro circular en corrientes estables, OTC 1948, págs. 143-154, Conferencia sobre tecnología oceánica, 6-8 de mayo de 1974, Houston, Texas, Estados Unidos. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-1948-MS
- ^ Vandiver, J. Kim, Coeficientes de arrastre de cilindros flexibles largos, OTC 4490, Conferencia sobre tecnología oceánica, 2 al 5 de mayo de 1983, Houston, Texas, Estados Unidos. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-4490-MS
- ^ Verley, RLP (BHRA), Every, MJ (BHRA), Vibración inducida por ondas de cilindros flexibles, OTC 2899, Conferencia sobre tecnología oceánica, 2-5 de mayo de 1977, Houston, Texas, Estados Unidos. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-2899-MS
- ^ Jones, G., Lamb, WS, La vibración inducida por el vórtice de los elevadores marinos en flujos cizallados y críticos, Avances en tecnología subacuática, ciencia oceánica e ingeniería costa afuera, vol. 29, págs. 209-238, Springer Science + Business Media, Dordrecht 1993.
- ^ Soti AK, Thompson M., Sheridan J., Bhardwaj R., Aprovechamiento de la energía eléctrica de la vibración inducida por vórtice de un cilindro circular, Diario de fluidos y estructuras, vol. 70, páginas 360–373, 2017, DOI: 10.1016 / j.jfluidstructs.2017.02.009
- ↑ Strouhal, V. (1878) "Ueber eine besondere Art der Tonerregung" (Sobre un tipo inusual de excitación sonora), Annalen der Physik und Chemie , tercera serie, 5 (10): 216-251.
Otras lecturas
- Bearman, PW (1984). "Vórtice desprendido de cuerpos de acantilados oscilantes". Revisión anual de mecánica de fluidos . 16 : 195-222. Código Bibliográfico : 1984AnRFM..16..195B . doi : 10.1146 / annurev.fl.16.010184.001211 .
- Williamson, CHK; Govardhan, R. (2004). "Vibraciones inducidas por vórtices". Revisión anual de mecánica de fluidos . 36 : 413–455. Código Bibliográfico : 2004AnRFM..36..413W . doi : 10.1146 / annurev.fluid.36.050802.122128 .
- Sarpkaya, T. (1979). "Oscilaciones inducidas por vórtice: una revisión selectiva". Revista de Mecánica Aplicada . 46 (2): 241-258. Código bibliográfico : 1979JAM .... 46..241S . doi : 10.1115 / 1.3424537 .
- Sarpkaya, T. (2004). "Una revisión crítica de la naturaleza intrínseca de las vibraciones inducidas por vórtices". Revista de fluidos y estructuras . 19 (4): 389–447. Código bibliográfico : 2004JFS .... 19..389S . doi : 10.1016 / j.jfluidstructs.2004.02.005 . hdl : 10945/15340 .
- Sarpkaya, T .; Isaacson, M. (1981). Mecánica de las fuerzas de las olas en estructuras marinas . Van Nostrand Reinhold . ISBN 978-0-442-25402-5.
- Sumer, B. Mutlu; Fredsøe, Jørgen (2006). Hidrodinámica alrededor de estructuras cilíndricas . Serie avanzada sobre ingeniería oceánica. 26 (ed. Revisada). World Scientific. ISBN 978-981-270-039-1.
- Naudascher, Edward; Rockwell, Donald (2005) [1994]. Vibraciones inducidas por flujo: una guía de ingeniería . Asociación Internacional para la Investigación Hidráulica (IAHR). 7 (Reedición corregida de la primera ed.). Mineola, Nueva York, EE. UU. (AA Balkema Publishers, Rotterdam, Países Bajos): Dover Publications . ISBN 978-0-486-44282-2. (NB. La reedición contiene una lista adicional de erratas en el apéndice).
- Hong, K.-S .; Shah, UH (2018). "Vibraciones inducidas por vórtices y control de bandas marinas: una revisión". Ingeniería Oceánica . 152 : 300–315. doi : 10.1016 / j.oceaneng.2018.01.086 .
enlaces externos
- Repositorio de datos de vibraciones inducidas por vórtices
- Curso de Principios de Diseño para Vehículos Oceánicos, MIT
- eFunda: Introducción a los caudalímetros Vortex