Supressão passiva de vibrações induzidas pelo escoamento interno utilizando absorvedores não-lineares de vibração: um estudo numérico, analítico e experimental

Resumo

O fenômeno de vibrações induzidas pelo escoamento interno é um dentre muitos problemas de interação fluido-estrutura e está presente em várias aplicações na Engenharia como trocadores de calor, redes de abastecimento de água e na indústria de óleo e gás. Vibrações induzidas pelo escoamento estão em geral associadas à geração de ruído excessivo e falhas mecânicas ocasionadas por excesso de carregamento ou por fadiga, o que as tornam indesejáveis e, portanto, objeto de estudos visando ações mitigadoras. Neste tema, o uso de uma classe de supressores recentemente concebida denominada de absorvedores não-lineares de vibração (NVAs - Non-linear Vibration Absorbers) emerge como uma alternativa promissora. A pesquisa aqui descrita abordará, dos pontos de vista numérico, analítico e experimental, a supressão passiva das vibrações induzidas pelo escoamento interno em um tubo em balanço que ejeta fluido pela sua extremidade livre. O dispositivo a ser utilizado, denominado NVA rotativo, é composto de uma massa conectada à extremidade de uma barra rígida que, por sua vez, acopla-se à estrutura principal (tubo) por meio de uma articulação e um amortecedor rotacional. Os parâmetros que o definem são sua massa, seu raio e sua constante de amortecimento. Para os estudos numéricos e analíticos, um modelo matemático para uma tubulação vertical ejetando fluido acoplada a um NVA rotativo será desenvolvido a partir do princípio estendido de Hamilton. Visando reduzir o número de Graus de Liberdade (GL) do modelo de Ordem Reduzida (MOR), a discretização das equações de movimento será realizada utilizando modos não-lineares de vibração. De posse do MOR, uma análise da sensibilidade da supressão passiva será conduzida considerando os parâmetros que definem o NVA rotativo e também sua posição de instalação ao longo da tubulação. Para tanto, critérios objetivos que permitam avaliar a supressão, assim como a robustez da solução proposta, serão definidos. Para os estudos experimentais, modelos físicos para a tubulação conduzindo fluido e para o NVA rotativo serão concebidos e construídos. A concepção do modelo físico para o NVA rotativo possibilitará a livre alteração de sua massa, raio e constante de amortecimento, assim como de sua posição de instalação. Ao final da pesquisa serão obtidos tabelas, mapas e gráficos mostrando a eficiência da supressão passiva como função dos parâmetros mencionados anteriormente e os resultados numéricos serão correlacionados com aqueles experimentalmente obtidos. Cumpre ressaltar que o problema de supressão passiva aqui abordado, na experiência do autor e do orientador, não foi encontrado na literatura, o que confere caráter inédito à pesquisa aqui proposta. (AU)