estudo experimental do movimento induzido por vórtices (vim) em plataforma semissubmersível
DESCRIPTION
Seminário apresentado no Departamento de Engenharia Naval e Oceânica da EPUSP. O trabalho pretende apresentar os estudos experimentais do VIM em plataformas semissubmersível. Os resultados dizem respeito as amplitudes de VIM e também de quais aspectos influenciam este fenômeno neste tipo de unidade.TRANSCRIPT
Outubro | 2011
Estudo Experimental do Movimento Induzido por Vórtices (VIM)
em Plataforma Semi-Submersível
Eng. Rodolfo Trentin Gonçalves
Orientador: Prof. Dr. André L. C. Fujarra
Pontos a serem abordados
• Objetivos• Introdução e motivação
– VIM em spar– VIM em monocolunas– VIM em SS
• Infra-estrutura e materiais• Matriz de ensaio• Resultados e discussão
– Movimento transversal– Movimentos no plano XY– Movimento de yaw– Análise espectral
• Conclusões• Pontos futuros a serem abordados
2
Objetivo
• Objetivos da investigação:
– Identificar ocorrência ou não de VIM em SS para:
• Condições diversas de aproamento e calado;
• Presença ou não de ondas;
• Nível extra de amortecimento;
– Colher parâmetros de amplitude e frequência de movimentos e de excitação;
3
VIM VIV
Analytical
ExperimentalNumerical
Introdução
VIV on:
Risers flexíveis
Steel Catenary Risers
Umbilicais
VIM on:
Plataformas spar
Plataformas monocoluna
Plataformas semi-submersíveis
• VIV é usualmente estudado paracilindros rígidos e flexíveis com grande razão de aspecto (L/D), porexemplo no estudo de risers emplataformas offshore
• VIM é estudado em corposrígidos com baixa razão de aspecto (L/D), por exemplo emplataformas do tipo spar e monocolunas
Outubro | 2011
Conhecimento Precedente
Motivação
Motivação para Estudo
• Existência no Golfo do México das Loop/EddyCurrents;
• Plataformas do tipo Spar são plataformas que apresentam um longo corpo cilíndrico;
• Devido as grandes amplitudes oscilatórias é motivo de estudo para o projeto de risers e sistemas de amarração.
7
Motivação para Estudo
• Amplitudes na ordem de 1 diâmetro;
• Acoplamento dos movimentos in-line e transversal: 8-shape;
• Razão de aspecto mais baixas, L/D<0.5;
• Influência da condição de calado;
• Ondas de superfície impactam no VIM.
8
200
400
600
800
1000
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
Motivação para Estudo
• Dimensões das novas plataformas SS aumentaram;
• Maiores lâminas d’água;
• Maiores períodos naturaisno plano horizontal;
• Amplitudes de movimentotransversal na ordem dadimensão das colunas;
• As colunas interferem nageração da esteira de vórtices;
• Movimentos oscilatórios de yaw.
9
Outubro | 2011
Metodologia Investigativa do
VIM na SS
Infra-estrutura e Materiais
• Tanque de Reboque do IPT– Tanque de grande
comprimento (~200m)
• Garante níveis baixíssimos de turbulência;
• Garante maior tempo de ensaio para que o fenômeno de VIM se pronuncie;
– Ensaios com velocidades constantes de deslocamento do carro dinamométrico;
– Rampa de aceleração suave;
– Período de estabilização da velocidade antes da coleta de dados;
11
Infra-estrutura e Materiais
• O modelo da SS
– Escala 1:100;
– Representação dos principais apêndices hidrodinâmicos:
• Suporte de risersnos pontoons;
• Faileads e trechos de amarras nas colunas;
• Hardpipes nas faces internas das colunas.
12
Infra-estrutura e Materiais
• O modelo da SS (1:100)– Dispositivo auxiliar de
amarração• Extremidades das
amarras fixadas ao aro circunscrito às colunas;
• Ganho de tempo entre ensaios;
– Amarração• Quatro molas lineares
emersas;• Buscam semelhança
com a restauração equivalente ao aproamento mais suscetível ao fenômeno de VIM (45°);
13
Infra-estrutura e Materiais
• Instrumentação
– Monitoração da velocidade de correnteza, deslocamentos no plano horizontal e forças nas amarras;
– Deslocamentos: rastreamento por imagens
• Moderno, preciso e não intrusivo;
14
Matriz de Ensaios
15
4 - Efeito do calado
3 - Efeito de ondas
1 – Variação de aproamento
2 – Efeito do amortecimento
Outubro | 2011
Resultados Preliminares
Velocidade Reduzida
• A definição da velocidade reduzida depende do ângulo de incidência da correnteza
• O adimensional possibilita a correção para os aproamentos e restaurações do caso real
17
X
Y
x
y
U
Ɵ
Amplitude Caracaterística de Movimento
• A amplitude característica de movimento é adimensionalizada pelo lado da coluna (L)
• Utilização da metodologia de análise através de Hilbert-Huang Transform para obtenção da amplitude característica de movimento
• Ideal para a análise de sistemas não-lineares e/ou não-estacionários
• VIM é um fenômeno não-estacionário fruto de um sistema não-linear
• Espectro de Hilbert: frequência x amplitude x tempo
18
Time [s]
Fre
qu
en
cy
Hilbert-Huang Spectrum
0 50 100 150 200 250 300 3500
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
A
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 20 40 60 80 100 1200
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Sample Size [peaks]
X / D
Traditional Analysis
HHT Analysis
Resultados Preliminares
19
Time [s]
Fre
qu
en
cy [H
z]
Hilbert-Huang Spectrum
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Y/D
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900-100
-50
0
50
100
Time [s]
y/D
CF94
7050M: Time History
0 100 200 300 400 500 600 700 800-140
-130
-120
-110
-100
Time [s]
x/D
IL94
7050M: Time History
0 100 200 300 400 500 600 700-1.5
-1
-0.5
0
0.5
Time [s]
x/D
YAW94
7050M: Time History
• Vr = 6.03
• Incidência 45 graus
In-L
ine
Tra
nsvers
al
Yaw
Tra
nsvers
al
Resultados Yaw
20
0 5 10 15 200
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Reduced Velocity (Vr)
Ay /
L
0 degree
15 degrees
30 degrees
45 degrees
0 5 10 15 200
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Reduced Velocity (Vr)
Ay /
L
180 degrees
195 degrees
210 degrees
225 degrees
X
Y
x
y
U
Ɵ
• Maiores amplitudesem 45 e 135 graus;
• Menores amplitudes em 0 e 180 graus;
• Faixa de amplificação de amplitudes entre 5 < Vr < 10
Resultados Ay/L
21
0 5 10 15 200
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Reduced Velocity (Vr)
Ay /
L
0 degree
180 degrees
0 5 10 15 200
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Reduced Velocity (Vr)
Ay /
L
15 degrees
195 degrees
0 5 10 15 200
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Reduced Velocity (Vr)
Ay /
L
30 degrees
210 degrees
0 5 10 15 200
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Reduced Velocity (Vr)
Ay /
L
45 degrees
225 degrees
• Influência maior dos apêndices a 0 e 180 graus
• 45 e 135 graus o ponto de separação é bem definido
Movimentos no plano XY – 45 graus
22
Movimentos no plano XY – 15 graus
23
Movimentos no plano XY – 0 grau
24
Movimento no plano XY
• O movimento principal é na direção da diagonal da SS, com exceção do 0 grau;
• Não verifica-se movimento coordenado acima de Vr = 10, com exceção do 0 grau;
• O pico do movimento transversal ocorre em Vr = 10 para 0 grau, já para os outros ângulos o pico acontece em aproximadamente Vr = 7;
• Experimentos com array de cilindros mostram um St menor para 0 grau, o que responderia uma sincronização tardia.
25
Resultados
26
0 100 200 300 400 500 600 700-40
-30
-20
-10
0
10
20
Time [s]
y/D
CF94
7130M: Time History
0 100 200 300 400 500 600-460
-450
-440
-430
-420
-410
-400
Time [s]x/D
IL94
7130M: Time History
0 100 200 300 400 500 600 700-3
-2
-1
0
1
2
Time [s]
x/D
YAW94
7130M: Time History
Time [s]
Fre
qu
en
cy [H
z]
Hilbert-Huang Spectrum
0 100 200 300 400 500 6000
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2ya
w [
degre
e]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Time [s]
Fre
qu
en
cy [H
z]
Hilbert-Huang Spectrum
0 100 200 300 400 500 6000
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Y/D
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
• Vr = 12.06
• Incidência 45 graus
Tra
nsvers
al
Yaw
In-L
ine
Tra
nsvers
al
Yaw
27
Resultados Yaw
X
Y
x
y
U
Ɵ
• Maiores amplitudesem 0 e 180 graus;
• Menores amplitudes em 45 e 135 graus;
• Faixa de amplificação de amplitudes entre 10 < Vr < 20
0 5 10 15 200
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Reduced Velocity (Vr)
Ya
w [d
eg
ree
]
0 degree
15 degrees
30 degrees
45 degrees
0 5 10 15 200
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Reduced Velocity (Vr)
Ya
w [d
eg
ree
]
180 degrees
195 degrees
210 degrees
225 degrees
28
PSD Movimento Transversal
0
0.1
0.2
0.3
0
5
10
15
200
5
10
15
x 104
Frequency [Hz]Reduced Velocity [Vr]
PS
D [m
m2/s
]
fN
Cross-Flow
fN
Yaw
0
0.1
0.2
0.3
0
5
10
15
200
5
10
15
x 104
Frequency [Hz]Reduced Velocity [Vr]
PS
D [m
m2/s
]
fN
Cross-Flow
fN
Yaw
0
0.1
0.2
0.3
0
5
10
15
200
5
10
15
x 104
Frequency [Hz]Reduced Velocity [Vr]
PS
D [m
m2/s
]
fN
Cross-Flow
fN
Yaw
0
0.1
0.2
0.3
0
5
10
15
200
5
10
15
x 104
Frequency [Hz]Reduced Velocity [Vr]
PS
D [m
m2/s
]
fN
Cross-Flow
fN
Yaw
• Movimentos transversais próximos a frequência natural;
• Energiaconcentrada entre 5 < Vr < 10
• Surgimento de energia próximo a frequência nauralde yaw para ângulos menores que 15
PSD Movimento de Yaw
29
0
0.1
0.2
0.3
0
5
10
15
200
100
200
300
400
500
Frequency [Hz]Reduced Velocity [Vr]
PS
D [d
eg
ree
2/s
]
fN
Cross-Flow
fN
Yaw
0
0.1
0.2
0.3
0
5
10
15
200
100
200
300
400
500
Frequency [Hz]Reduced Velocity [Vr]
PS
D [d
eg
ree
2/s
]
fN
Cross-Flow
fN
Yaw
0
0.1
0.2
0.3
0
5
10
15
200
100
200
300
400
500
Frequency [Hz]Reduced Velocity [Vr]
PS
D [d
eg
ree
2/s
]
fN
Cross-Flow
fN
Yaw
0
0.1
0.2
0.3
0
5
10
15
200
100
200
300
400
500
Frequency [Hz]Reduced Velocity [Vr]
PS
D [d
eg
ree
2/s
]
fN
Cross-Flow
fN
Yaw
• Movimentos de yawpróximos a frequência natural;
• Energiaconcentrada entre 10 < Vr < 20
VIY (Vortex-Induced Yaw)
• Ajuste da velocidade reduzida utilizando a frequência natural de yaw;
• Comportamento semelhante ao VIV;
30
0 5 10 15 200
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Reduced Velocity (Vr6
)
Ya
w [d
eg
ree
]
0 degree
15 degrees
30 degrees
45 degrees
180 degrees
195 degrees
210 degrees
225 degrees
• Outros autores disseram que o fenômeno poderia ser um galloping. Este comportamento não foi verificado nestes ensaios;
• Nova denominação VIY (Vortex-Induced Yaw);
Forças
31
0 5 10 15 200
0.5
1
1.5
2
2.5
Reduced Velocity (Vr)
Dra
g C
oe
ffic
ien
t (C
D)
0 degree
15 degrees
30 degrees
45 degrees
180 degrees
195 degrees
210 degrees
225 degrees
0 5 10 15 200
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Reduced Velocity (Vr)
Lift C
oe
ffic
ien
t (C
L)
0 degree
15 degrees
30 degrees
45 degrees
180 degrees
195 degrees
210 degrees
225 degrees
• Coeficientes de forças adimensionalizadospela área projetada a 0 grau;
• Máximos do coeficiente de sustentação em Vraproximadamente 6, com exceção de 0 e 180 graus.
Resultados com amortecimento externo
32
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00
Am
pli
tud
e C
arac
terí
stic
a (A
y/L)
Velocidade Reduzida (Vr)
Amplitude na Direção Transversal (L=Lado da Coluna=19.8m)
45 degree
Damping 1
Damping 2
• Os resultados de VIM diminuem com o aumento do amortecimento.
Resultados com mudança de calado
33
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Am
pli
tud
e C
arac
terí
stic
a (A
y/L)
Velocidade Reduzida (Vr)
Amplitude na Direção Transversal (L=Lado da Coluna=19.8m)
45 degree
45 Degree Low Draft
0 degree
0 degree Low Draft
• Calado de projeto 34 m
• Calado de transporte 16 m
• Não existe VIM para a condição de calado menor. A razão de aspecto submersa das colunas é muito baixa.
Conclusões
• O VIM existe e deve ser considerado no projeto de uma plataforma SS;
• Amplitudes de movimento transversal na ordem de 0.5 L com incidência de 45 graus;
• Movimentos de yaw com amplitudes de até 5 graus para incidência de 0 grau;
• Os apêndices hidrodinâmicos influenciam nas amplitudes de VIM, na maneira que podem perturbar a esteira de vórtices;
• O VIM diminui em muito com a diminuição do calado (ou seja, da razão de aspecto da parte submersa das colunas)
• A inclusão de amortecimento externo diminui o VIM.
34
Próximos Passos
• Como a presença concomitante de ondas e correnteza influencia o VIM?
• Qual é o procedimento para considerar o VIM + ondas no projeto de um sistema offshore?
Regular waves
Sea conditions
PRELIMINARY RESULTS
Outubro | 2011
Dúvidas ou sugestões?
Outubro | 2011
Obrigado!!