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
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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
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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
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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
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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
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Outubro | 2011
Conhecimento Precedente
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Motivação
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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
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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
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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
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Outubro | 2011
Metodologia Investigativa do
VIM na SS
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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
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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
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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
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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
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Matriz de Ensaios
15
4 - Efeito do calado
3 - Efeito de ondas
1 – Variação de aproamento
2 – Efeito do amortecimento
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Outubro | 2011
Resultados Preliminares
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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
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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
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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
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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
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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
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Movimentos no plano XY – 45 graus
22
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Movimentos no plano XY – 15 graus
23
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Movimentos no plano XY – 0 grau
24
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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
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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
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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
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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
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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
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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);
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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Outubro | 2011
Dúvidas ou sugestões?
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Outubro | 2011
Obrigado!!