Suppression of vortex-induced vibration of a cylinder with helical strakes

Slender offshore structures of a cylindrical cross section, such as drilling and production risers, are susceptible to vortex-induced vibrations (VIV) when exposed to water currents. The present work presents an experimental investigation of the suppression of VIV of a circular cylinder by means of different types of helical strakes. The geome tries were inspired by recent concepts of bladed strakes: by reversing and inclining the blades while maintaining the pitch of the helix that is wounding the cylinder a total of four helical strakes were designed and evaluated: bladed strakes, inclined bladed strakes at 45°, negative bladed strakes and inclined negative bladed strakes at 45°. Tests were performed at laboratory scale in a free-surface water channel with fixed and free-to-respond models in one degree of freedom. Reynolds number varies from 3500 to 25000 and reduced velocity varied from 2 to 15. The VIV dynamic response showed that the both the bladed strakes are able to reduce the amplitude of vibration down to ≈ 90% of that of a bare cylinder. Inclined bladed strakes at 45°although greatly suppressing the amplitude of vibration still suffered from VIV vibrating at its natural frequency in water for all the synchronisation range. The inverted strakes did not achieve such efficiency and suffered from VIV. Tests with fixed models showed that mean drag was increased for all models but the fluctuating lift force was eliminated only for the bladed strake models. For the inclined bladed strakes at 45°, the presence of VIV even though the amplitude of vibration is small have suggested that the geometry of the blades would allow the flow to separate directly from the cylinder body at regular spanwise intervals causing minor VIV.

Nel campo offshore, strutture snelle con sezione cilindrica, come riser di perforazione e di produzione, possono essere suscettibili a vibrazioni indotte da vortici (VIV) quando esposte a correnti. Il presente lavoro offre un’indagine sperimentale sulla soppressione di VIV di un cilindro circolare mediante diversi tipi di alette elicoidali. Le geometrie sono state ispirate dai recenti concetti di bladed strakes: invertendo e inclinando le pale, mantenendo il pitch dell’elica che sta avvolgendo il cilindro lo stesso, sono stati progettati ed esaminati un totale di quattro alette elicoidali: bladed strakes, twisted bladed strakes, negative bladed strakes and twisted negative bladed strakes. I test sono stati eseguiti in scala di laboratorio in un canale d’acqua a superficie libera con i modelli sia fissati che liberi di rispondere in un grado di liberta`. Il numero di Reynolds varia da 3500 a 25000 e la velocit`a ridotta tra 2 e 15. La risposta dinamica delle VIV ha mostrato che entrambi i bladed strakes sono in grado di ridurre l’ampiezza della vibrazione fino al 90% di quella di un cilindro normale. Gli strappi a lame a percussione, nonostante la grande soppressione dell’ampiezza della vibrazione, soffrivano ancora di vibrazioni VIV alla sua naturale frequenza in acqua per tutto il campo di sincronizzazione. I twisted bladed strakes non hanno raggiunto tale efficienza e hanno sofferto di VIV. I test con i modelli fissati hanno dimostrato che la resistenza fluidodinamica media `e stata aumentata per tutti i modelli, ma la portanza fluttuante `e stata eliminata solo per i modelli provvisti di bladed strakes. Per i twisted bladed strakes, la presenza di VIV, anche se l’ampiezza della vibrazione`e piccola, ha suggerito che la geometria delle pale permetterebbe al flusso di separarsi direttamente dal corpo del cilindro ad intervalli regolari in direzione verticale, causando appunto un VIV minore.