Vibración inducida por vórtices

En dinámica de fluidos , las vibraciones inducidas por vórtices ( VIV , por sus siglas en inglés) son movimientos inducidos en cuerpos que interactúan con un flujo de fluido externo , producidos por, o que a su vez producen, irregularidades periódicas en dicho flujo.

Un ejemplo clásico es la vibración inducida por vórtices (VIV) de un cilindro sumergido. Para comprender cómo ocurre esto, basta con introducir un cilindro en el agua (una piscina o incluso un cubo) y moverlo perpendicularmente a su eje. Dado que los fluidos reales siempre presentan cierta viscosidad , el flujo alrededor del cilindro se ralentiza al entrar en contacto con su superficie, formando una capa límite . Sin embargo, en algún momento, esta capa puede separarse del cuerpo debido a su excesiva curvatura. En consecuencia, se forma un vórtice que modifica la distribución de presión a lo largo de la superficie. Cuando el vórtice no se forma simétricamente alrededor del cuerpo (con respecto a su plano medio), se desarrollan diferentes fuerzas de sustentación a cada lado, lo que genera un movimiento transversal al flujo. Este movimiento altera la naturaleza de la formación del vórtice, limitando su amplitud (a diferencia de lo que se esperaría en un caso típico de resonancia ). Este proceso se repite hasta que el caudal cambia sustancialmente.

La vibración inducida por vórtices (VIV) se manifiesta en diversas ramas de la ingeniería, desde cables hasta conjuntos de tubos de intercambiadores de calor . También es un factor clave en el diseño de estructuras oceánicas. Por lo tanto, el estudio de la VIV forma parte de numerosas disciplinas, como la mecánica de fluidos , la mecánica estructural , las vibraciones , la dinámica de fluidos computacional (CFD), la acústica , la estadística y los materiales inteligentes .

Aparecen 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, tuberías ascendentes de perforación y producción en la producción de petróleo, cables de amarre, estructuras amarradas, estructuras sujetas, flotabilidad y cascos tipo spar, 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 surge del desarrollo de recursos de hidrocarburos a profundidades de 1000 m o más. Véase también ^{[ 4 ]} y ^{[ 5 ] .}

La vibración inducida por vórtices (VIV) es una causa importante de daños por fatiga en las tuberías ascendentes de perforación, exportación y producción de petróleo en alta mar, incluidas las tuberías ascendentes catenarias de acero (SCR) y los tendones o amarres de las plataformas de patas de tensión (TLP). Estas estructuras delgadas experimentan tanto el flujo de corriente como los movimientos de la parte superior del buque, lo que genera movimientos relativos entre el flujo y la estructura y provoca vibraciones inducidas por vórtices.

Uno de los problemas clásicos de flujo abierto en mecánica de fluidos se refiere al flujo alrededor de un cilindro circular o, más generalmente, de un cuerpo romo . A números de Reynolds muy bajos (basados ​​en el diámetro del elemento circular), las líneas de corriente del flujo resultante son perfectamente simétricas, como predice la teoría del potencial. Sin embargo, a medida que aumenta el número de Reynolds, el flujo se vuelve asimétrico y se produce la denominada calle de vórtices de Kármán . El movimiento del cilindro generado por el 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 como${\displaystyle {\textrm {St}}=f_{st}D/U}$y recibe su nombre de Čeněk (Vincent) Strouhal (un científico checo). ^{[ 7 ]} En la ecuación f _st es la frecuencia de desprendimiento de vórtices (o frecuencia de Strouhal) de un cuerpo en reposo, D es el diámetro del cilindro circular y U es la velocidad del flujo ambiente.

Durante la última década se han logrado importantes avances, tanto numéricos como experimentales, en la comprensión de la cinemática ( dinámica ) de la VIV, aunque en el régimen de bajo número de Reynolds. La razón fundamental es que la VIV no es una pequeña perturbación superpuesta a un movimiento estacionario medio. Se trata de un fenómeno intrínsecamente no lineal, autogobernado o autorregulado, con múltiples grados de libertad. Presenta características de flujo inestable, manifestadas por la existencia de dos capas de cizallamiento inestables y estructuras a gran escala.

Mucho se conoce y se comprende, y mucho permanece en el ámbito empírico/descriptivo del conocimiento: ¿cuál es la frecuencia de respuesta dominante , el rango de velocidad normalizada , la variación del ángulo de fase (por el cual la fuerza precede al desplazamiento ) y la amplitud de respuesta en el rango de sincronización en función de los parámetros de control e influencia? Las aplicaciones industriales ponen de manifiesto nuestra incapacidad para predecir la respuesta dinámica de las interacciones fluido-estructura. Estas siguen requiriendo la entrada de los componentes en fase y fuera de fase de los coeficientes de sustentación (o la fuerza transversal), los coeficientes de arrastre en línea, las longitudes de correlación, los coeficientes de amortiguación, la rugosidad relativa, la cizalladura, las olas y las corrientes, entre otros parámetros de gobierno e influencia, 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 difundan en la literatura abierta), proporcionarán la comprensión necesaria para cuantificar las relaciones entre la respuesta de una estructura y los parámetros de gobierno e influencia.

Es fundamental recalcar que el estado actual de la técnica en los laboratorios se refiere a la interacción de un cuerpo rígido (principalmente, y sobre todo, un cilindro circular) cuyos grados de libertad se han reducido de seis a menudo a uno (es decir, movimiento transversal) con un flujo separado tridimensional, dominado por estructuras vorticiales a gran escala.

• aleteo aeroelástico
• calle del vórtice de Kármán
• Energía de vórtice
• Desprendimiento de vórtices

• Bearman, PW (1984). "Desprendimiento de vórtices de cuerpos romos oscilantes". Annual Review of Fluid Mechanics . 16 : 195–222 . Bibcode : 1984AnRFM..16..195B . doi : 10.1146/annurev.fl.16.010184.001211 .
• Williamson, CHK; Govardhan, R. ( 2004). "Vibraciones inducidas por vórtices". Annual Review of Fluid Mechanics . 36 : 413–455 . Bibcode : 2004AnRFM..36..413W . doi : 10.1146/annurev.fluid.36.050802.122128 . S2CID 58937745 . 
• Sarpkaya, T. (1979). "Oscilaciones inducidas por vórtices: una revisión selectiva". Journal of Applied Mechanics . 46 (2): 241– 258. Bibcode : 1979JAM....46..241S . doi : 10.1115/1.3424537 .
• Sarpkaya, T. (2004). "Una revisión crítica de la naturaleza intrínseca de las vibraciones inducidas por vórtices". Journal of Fluids and Structures . 19 (4): 389– 447. Bibcode : 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 sobre 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. Vol.  26 (ed. revisada  ). World Scientific. ISBN 978-981-270-039-1.
• Naudascher, Edward; Rockwell, Donald (2005) [1994]. Vibraciones inducidas por el flujo: Una guía de ingeniería . Asociación Internacional para la Investigación Hidráulica (IAHR). Vol.  7 (Reedición corregida de la primera  edición). Mineola, Nueva York, EE. UU. (AA Balkema Publishers, Rotterdam, Países Bajos): Dover Publications . ISBN 978-0-486-44282-2.(Nota: La reedición incluye una lista de erratas adicional en el apéndice).
• Hong, K.-S.; Shah, UH (2018). "Vibraciones inducidas por vórtices y control de tuberías ascendentes marinas: una revisión". Ocean Engineering . 152 : 300–315 . Bibcode : 2018OcEng.152..300H . doi : 10.1016/j.oceaneng.2018.01.086 .

• Repositorio de datos de vibraciones inducidas por vórtices. Archivado el 22/09/2018 en Wayback Machine.
• Curso sobre principios de diseño para vehículos oceánicos, MIT
• eFunda: Introducción a los caudalímetros de vórtice