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 la VIV de un cilindro submarino. Cómo sucede esto se puede ver colocando un cilindro en el agua (una piscina o incluso un cubo) y moviéndolo a través del agua en una dirección perpendicular a su eje. Dado que los fluidos reales siempre presentan cierta viscosidad , el flujo alrededor del cilindro se ralentizará mientras esté en contacto con su superficie, formando una llamada capa límite . En algún momento, sin embargo, esa capa puede separarse del cuerpo debido a su curvatura excesiva. Entonces se forma un vórtice , cambiando 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 en cada lado del cuerpo, lo que conduce 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 la velocidad de flujo cambia sustancialmente.
La VIV se manifiesta en muchas ramas diferentes de la ingeniería, desde cables hasta conjuntos de tubos de intercambiadores de calor . También es una consideración importante en el diseño de estructuras oceánicas. Por lo tanto, el estudio de la VIV es parte de muchas disciplinas, que incorporan mecánica de fluidos , mecánica estructural , vibraciones , dinámica de fluidos computacional (CFD), acústica , estadística y materiales inteligentes .
Se presentan 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 de perforación y producción en la producción de petróleo, cables de amarre, estructuras amarradas, estructuras atadas, cascos de flotabilidad y de mástil, tuberías, tendido de cables, miembros de estructuras encamisadas y otras aplicaciones hidrodinámicas e hidroacústicas. [2] El interés más reciente en los miembros cilíndricos largos [3] en el agua surge del desarrollo de recursos de hidrocarburos en profundidades de 1000 m o más. Véase también [4] y. [5]
La vibración inducida por vórtices (VIV) es una fuente importante de daños por fatiga en los risers de perforación, exportación y producción de petróleo en alta mar, incluidos los risers catenarios de acero (SCR) y los tendones o amarres de las plataformas de las patas de tensión (TLP). Estas delgadas estructuras experimentan tanto el flujo de corriente como los movimientos del extremo superior del buque, que dan lugar a los movimientos relativos entre el flujo y la estructura y causan las 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 romo . Con números de Reynolds muy bajos (basados en el diámetro del elemento circular), las líneas de corriente del flujo resultante son perfectamente simétricas, como se esperaba de la teoría de potenciales. Sin embargo, a medida que aumenta el número de Reynolds, el flujo se vuelve asimétrico y se produce la llamada calle de vórtices de Kármán . El movimiento del cilindro así generado debido al desprendimiento de vórtices se puede aprovechar para generar energía eléctrica. [6]
El número de Strouhal relaciona la frecuencia de desprendimiento de vórtices con la velocidad del flujo y una dimensión característica del cuerpo (diámetro en el caso de un cilindro). Se define como Čeněk (Vincent) Strouhal (un científico checo) y recibe su nombre de él . [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 ambiental.
El número de Strouhal de 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.
Durante la última década se han logrado muchos avances, tanto numérica como experimentalmente, en la comprensión de la cinemática ( dinámica ) del VIV, aunque en el régimen de bajo número de Reynolds. La razón fundamental de esto es que el VIV no es una pequeña perturbación superpuesta a un movimiento estable medio. Es un fenómeno inherentemente no lineal, autogobernado o autorregulado, de múltiples grados de libertad. 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 sabe y se entiende y mucho que 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 lidera el desplazamiento ) y la amplitud de respuesta en el rango de sincronización como una función de los parámetros de control e influencia? Las aplicaciones industriales resaltan nuestra incapacidad para predecir la respuesta dinámica de las interacciones fluido-estructura. Siguen requiriendo la entrada de los componentes en fase y fuera de fase de los coeficientes de sustentación (o la fuerza transversal), coeficientes de arrastre en línea, longitudes de correlación, coeficientes de amortiguamiento, rugosidad relativa, cizallamiento, olas y corrientes, entre otros parámetros gobernantes e influyentes, 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 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 del arte de laboratorio concierne a la interacción de un cuerpo rígido (principalmente y más importante para un cilindro circular) cuyos grados de libertad se han reducido de seis a, a menudo, uno (es decir, movimiento transversal) con un flujo separado tridimensional, dominado por estructuras vorticiales de gran escala.
