avaliação de resultados de simulações dinâmicas com diferentes intervalos de tempo para o...
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Este trabalho apresenta o resultado de simulações realizadas com o framework DOOLINES para a análise de simulações com diferentes intervalos de tempo para a atualização das forças hidrodinâmicas.TRANSCRIPT
CNPq UFALUNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOASPR-REITORIA DE PESQUISA E PS-GRADUAO COORDENAO DE PESQUISA
LABORATRIO DE COMPUTAO CIENTFICA E VISUALIZAO LCCV / UFAL
RELATRIO FINAL (2014)
TTULO DO PLANO DE TRABALHO: AVALIAO DE RESULTADOS DE SIMULAES DINMICAS COM DIFERENTES INTERVALOS DE TEMPO PARA O CLCULO DAS FORAS HIDRODINMICAS.
NOME DO ORIENTADOR: EDUARDO NOBRE LAGES
ACOMPANHAMENTO: FBIO MARTINS GONALVES FERREIRA
TELEFONE: (82) 3214-1293 e-Mail: [email protected]
NOME DO BOLSISTA/COLABORADOR: ALAN BARBOSA COSTA
TELEFONE: (82) 9958-3980 e-Mail: [email protected]
XBOLSISTA LCCV
BOLSISTA UFAL
NOME DA GRANDE REA DO CONHECIMENTO (CNPq): EngenhariasNOME DA SUB-REA DO CONHECIMENTO (CNPq): Estruturas
Projeto Financiado: SIM X NO
rgo financiador dos recursos: CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTFICO E TECNOLGICOMacei AL, Dezembro de 2014RELATRIO FINAL LCCV CNPq/UFAL/FAPEAL1
RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo central o aperfeioamento do framework DOOLINES, advindo da recente incorporao sua estrutura de clculo a contribuio de onda. O framework DOOLINES recentemente incorporou a contribuio de onda (regular e irregular) no clculo de esforos em estruturas offshore, porm tal incorporao demanda um alto custo computacional, fato observado principalmente no caso de ondas irregulares, uma vez que o tempo total de processamento est diretamente relacionado ao nmero de frequncias que formam o espectro discretizado da onda e o nmero de ns da malha.Este trabalho apresenta uma proposta de alterao no intervalo de atualizao das foras hidrodinmicas, j que mantendo-se a fora hidrodinmica constante durante alguns loops e s depois atualizando-a pode-se obter um grande ganho de performance, porm deseja-se tambm a no alterao significativa na resposta do problema, uma vez que performance e preciso devem sempre ser buscadas simultaneamente.
Palavras-chave: DOOLINES, Morison, Ondas.INTRODUO
O framework DOOLINES um framework orientado ao objeto desenvolvido em linguagem C++ utilizado na anlise esttica e dinmica de linhas de ancoragem, risers e mais recentemente mangotes, para a utilizao em sistemas de anlise de estruturas offshore. Recentemente, em virtude do aumento da necessidade de explorao de petrleo em condies cada vez mais severas e dos novos desafios gerados, foi integrado aos mdulos do DOOLINES a contribuio da ao de onda. So realizados clculos para obteno da elevao da superfcie da onda, velocidade e acelerao de cada n da malha, bem como a contribuio no clculo da fora de Morison. Porm, tais clculos demandam um elevado custo computacional, logo faz-se necessrio o estudo de alternativas que diminuam esse atual custo sem comprometer a resposta do problema.Uma alternativa para a diminuio do custo computacional est em se manter as foras hidrodinmicas constantes durante alguns passos na simulao para somente depois realizar a sua atualizao, objetivando-se com isso uma diminuio no tempo de processamento, j que mantendo-se as contribuies hidrodinmicas constantes consegue-se diminuir consideravelmente a quantidade de operaes realizadas, e, consequentemente, o tempo total de processamento, alcanando-se um elevado ganho de performance.Aliado a isso, faz-se necessrio o estudo de quanto a resposta do problema ser alterada, visto que a constncia de tais foras pode alterar sensivelmente a resposta do problema.
OBJETIVOS
GERAIS:
O projeto tem como objetivo central o aperfeioamento do framework DOOLINES a partir do acoplamento da contribuio de onda, proporcionando uma melhor utilizao dos recursos do framework pelos usurios.
ESPECFICOS:
Especificamente, a proposta teve os seguintes objetivos:
a) aprimorar o processo de formao do bolsista, preparando-o para trabalhos futuros dentro do laboratrio;b) complementar o conhecimento do bolsista na rea de mtodos numricos e computacionais, atravs do estudo da linguagem de programao C++ e do DOOLINES, atravs de suas classes, mtodos e relaes entre elas.
METODOLOGIA
Atravs do framework DOOLINES foi localizada a classe responsvel pelo clculo das foras hidrodinmicas, e a partir disso foram estudadas algumas mudanas no intervalo de tempo para a atualizao dessas foras, mantendo-as constantes durante certo perodo, com o intuito de diminuir o custo computacional atual proveniente da anlise com ondas irregulares, j o tempo de processamento encontra-se muito elevado. De posso dessas mudanas no intervalo de tempo, foram realizadas simulaes com diferentes modelos da malha de elementos para que, a partir de disso, fossem realizadas comparaes da resposta do problema no sentido de verificar se a estratgia de mudana apresentou alguma mudana significativa na resposta, e se houve um ganho de performance.
RESULTADOS E DISCUSSO
As caractersticas gerais do modelo utilizado na simulao encontram-se na Tabela 1.Caractersticas do Modelo
Posio N Inicial Prescrita(0;0;6)
Posio N Final Prescrita(0;180;9)
Comprimento (m)200
Rigidez Axial (kN)22500
Nmero de Segmentos1
Densidade do oceano (kg/m)1025
Profundidade (m)2000
Altura significativa da onda (m)5
Perodo Significativo (s)10
Nmero de Frequncias de Onda300
Tabela 1 Caractersticas do Modelo
A Figura 1 mostra o modelo de mangote utilizado nas simulaes.
Figura 1 Modelo de Mangote Utilizado
Foram realizadas simulaes estticas para se obter a configurao inicial da linha, para somente depois se realizar as simulaes dinmicas para obteno dos esforos de trao no mangote. Foram feitas comparaes dos esforos de trao no incio, no meio e no final do mangote, a fim de se obter uma maior qualidade nas anlises.Inicialmente, criou-se o mangote com 100 elementos e 101 ns, e obteve-se os seguintes grficos comparativos de esforos de trao:
Grfico 1 Fora de Trao no Incio do mangote 100 elementos
Grfico 2 Fora de Trao no Meio do mangote 100 elementos
Grfico 3 Fora de Trao no Final do mangote 100 elementos
Os indicadores 1x1, 10x10 e 15x15 indicam durante quantos loops as foras hidrodinmicas esto sendo atualizados, 1x1 indica que a atualizao se d a cada loop; 10x10 indica que a cada 10 loops as foras hidrodinmicas so atualizadas; e 15x15 indica a cada 15 loops. Os grficos 1, 2 e 3 mostram somente os 50 ltimos segundos de simulao, para poder se obter uma percepo a mais longo prazo do efeito das mudanas testadas. Observa-se uma pequena variao na resposta do problema, como pode ser observado pela quase perfeita sobreposio do grfico de Tenso x Tempo com os diferentes passos de atualizao. Isso mostra que a contribuio da onda no varia significativamente com o tempo, e que mantendo-se as foras hidrodinmicas constantes durante alguns passos no obteremos uma grande mudana na resposta do problema. Em contrapartida, tivemos uma elevada reduo no tempo de processamento, como mostrado na Tabela 2.
PassoReduo %
10x1087,65
15x1590,89
Tabela 2 Reduo percentual do tempo de processamento para o modelo de 100 elementos
A reduo do tempo de anlise e o ganho de performance foram muito grandes. O tempo de processamento para 1000 segundos de simulao para a atualizao sendo feita a cada passo foi de 7720 segundos (2h08min40s), j para a atualizao sendo feita a cada 15 passos o tempo de processamento foi de apenas 703 segundos (11min43s).Foram realizadas simulaes tambm para o mesmo modelo porm com 150 elementos e 151 ns, e foram obtidos os seguintes grficos de Tenso x Tempo:
Grfico 4 Fora de Trao no Incio do mangote 150 elementos
Grfico 5 Fora de Trao no Meio do mangote 150 elementos
Grfico 6 Fora de Trao no Final do mangote 150 elementos
Observa-se tambm nesse modelo uma pequena variao na resposta do problema para os diferentes passos de atualizao das foras hidrodinmicas, como pode ser observado nos grficos 4, 5 e 6. Isso mostra que a contribuio da onda no varia significativamente com o tempo, logo mantendo-se as foras hidrodinmicas constantes durante alguns passos no obtivemos uma grande mudana na resposta do problema. Por outro lado, tivemos uma grande reduo no tempo de processamento, como mostrado na Tabela 3. PassoReduo %
20x2092,71
25x2593,51
Tabela 3 Reduo percentual do tempo de processamento para o modelo de 150 elementos
O ganho de performance com as mudanas do passo de atualizao para esse modelo foi muito grande, visto que para a atualizao sendo feita a cada passo o tempo total de processamento para 1000 segundos de simulao foi de 16891 segundos (4h41min31s), e para a atualizao sendo feita a cada 15 passos o tempo de processamento foi de apenas 1096 segundos (18min16s).
Foram realizadas simulaes tambm para o mesmo modelo com 200 elementos e 201 ns, e foram obtidos os seguintes grficos de Tenso x Tempo:
Grfico 7 Fora de Trao no Incio do mangote 200 elementos
Grfico 8 Fora de Trao no Meio do mangote 200 elementos
Grfico 9 Fora de Trao no Final do mangote 200 elementos
Para o modelo de 200 elementos, observou-se resultado semelhante com os dos outros modelos, a diferena na resposta do problema com a variao do passo de atualizao foi muito pequena, como pode ser observado nos grficos 7, 8 e 9. Alm do mais, como mostrado na Tabela 4, obteve-se uma reduo bastante significativa no tempo de processamento para uma simulao de 1000 segundos. Para a atualizao das foras hidrodinmicas sendo realizadas a cada loop, o tempo de processamento foi de 30310 segundos (8h25min10s); j para as foras hidrodinmicas sendo atualizadas a cada 25 loops o tempo total de processamento foi de apenas 1824 segundos (30min24s), uma reduo de 93,98%, como mostrado na Tabela 4, e sem comprometer a resposta do problema.
PassoReduo %
5x577,83
10x1088,17
25x2593,98
Tabela 4 Reduo percentual do tempo de processamento para o modelo de 200 elementos
Por fim, forma realizadas simulaes para o mesmo modelo, porm com uma malha com 400 elementos e 401 ns, obtendo-se os resultados mostrados nos grficos 10, 11 e 12 abaixo:
Grfico 10 Fora de Trao no Incio do mangote 400 elementos
Grfico 11 Fora de Trao no Meio do mangote 400 elementos
Grfico 12 Fora de Trao no Final do mangote 400 elementos
Observa-se tambm para esse ltimo modelo simulado uma pequena variao na resposta do problema, como pode ser observado nos grficos 10, 11 e 12. Isso mostra que a contribuio da onda no varia significativamente com o tempo, logo mantendo-se as foras hidrodinmicas constantes durante alguns passos no obteremos uma grande mudana na resposta do problema. Por outro lado, tivemos uma grande reduo no tempo de processamento, como mostrado na Tabela 5.
PassoReduo %
15x1587,85
20x2091,16
Tabela 5 Reduo percentual do tempo de processamento para o modelo de 400 elementos
O ganho de performance com as mudanas do passo de atualizao para esse ltimo modelo foi muito grande, visto que para a atualizao sendo feita a cada passo o tempo total de processamento para 1000 segundos de simulao foi de 121026 segundos (33h31min06s), e para a atualizao sendo feita a cada 20 passos o tempo de processamento foi de apenas 10693 segundos (2h58min13s).
CONCLUSO
A proposta para se obter ganho de performance foi testada com diversos modelos e os resultados obtidos foram extremamente satisfatrios, sendo um meio para se reduzir o custo para se obter as respostas desejadas. Contudo, observou-se uma limitao para o valor mximo do passo de atualizao, visto que o DOOLINES apresenta estruturas para verificao de erros de clculos que acabam por no permitir um passo muito grande. Tal passo funo do modelo analisado e da malha utilizada, como pde ser observado pelo valor mximo que foi obtido nas simulaes.Uma implementao para se obter o valor do passo de atualizao j foi implementada no framework DOOLINES, tornando o processo de entrada de dados e simulao mais eficiente.Um passo seguinte ser analisar os efeitos dessa proposta em outros tipos de estruturas offshore, contudo os resultados so promissores, uma vez que o mangote flutuador o tipo de linha que mais sofre a ao de onda, j que, como o prprio nome indica, encontra-se flutuando na superfcie da lmina dgua.
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
FERREIRA, F.M.G. Desenvolvimento e Aplicaes de um Framework Orientado a Objetos para Anlise Dinmica de Linhas de Ancoragem e Risers. Dissertao de Mestrado (Mestre em Engenharia Civil) Universidade Federal de Alagoas. Macei/AL, 2005.
Manual Terico do DOOLINES. Macei/AL. LCCV/UFAL, 2014.
PLANO DE TRABALHO INDIVIDUAL DO BOLSISTA
TTULO DO PLANO DE TRABALHO: Avaliao de resultados de simulaes dinmicas com diferentes intervalos de tempo para o clculo das foras hidrodinmicas.
I - RESUMO:
Em virtude do aumento da necessidade de explorao de petrleo em guas profundas e dos diversos novos desafios gerados, a indstria offshore necessita cada vez mais de solues rpidas e precisas. O framework DOOLINES recentemente incorporou ao clculo de foras a contribuio da ao de onda (regular e irregular). So realizados clculos para obteno da elevao da superfcie da onda, velocidade e acelerao para cada n da malha, bem como a contribuio no clculo da fora de Morison. Porm, esses clculos demandam um alto custo computacional, especialmente no caso de ondas irregulares, uma vez que est diretamente relacionado com o nmero de frequncias que formam o espectro discretizado e o nmero de ns da malha da linha. Diante disso, sero estudadas algumas mudanas no intervalo de tempo para a atualizao das foras hidrodinmicas com o intuito de diminuir o custo computacional atual proveniente da anlise com ondas irregulares. Sero realizadas comparaes dos resultados no sentido de verificar se a estratgia comprometeu significativamente o resultado e se houve ganho performance.
II OBJETIVOS SECUNDRIOS:
a)Continuar o processo de formao do bolsista;b)Complementar o conhecimento do bolsista na rea de mtodos numricos;c)Preparar o aluno para trabalhos futuros no LCCV.
III RESULTADOS ESPERADOS:
a)Formao bsica do bolsista/pesquisador com qualificaes cientficas e tecnolgicas para atuao no desenvolvimento do setor em questo;b)Participao em congressos relacionados ao tema: CONECTE 2015 CAIITE 2015 CILAMCE 2015IV MECANISMOS DE ACOMPANHAMENTO:Os resultados alcanados pelo bolsista/pesquisador sero disponibilizados integralmente atravs de reunies semanais de acompanhamento, de seminrios bimestrais de acompanhamento do LCCV e de um relatrio final ao trmino do projeto.
V. ATIVIDADES E CRONOGRAMA DE EXECUO
1. Atividades Principais
1. Estudar o framework DOOLINES A Estudar a bibliografia disponvel acerca do DOOLINES B Estudar a organizao do cdigo (classes, mtodos) C Localizar trecho no cdigo para incorporao das modificaes
2. Estudar a linguagem de programao C++ A Estudar os conceitos bsicos de programao orientada a objetos B Resolver exerccios para fixao do conhecimento
3. Realizar comparaes de resultados AVariar o intervalo de tempo para clculo das foras hidrodinmica BVariar a quantidade de elementos da malha CConstruir grficos comparativos de fora: na base, no meio e no topo da linha
4. Acompanhamento das atividades A Apresentar os desenvolvimentos periodicamente nos seminrios de acompanhamento B Elaborar relatrio final
2. Atividades Complementares
a) Submeter trabalhos a serem apresentados em congressos;b) Apresentar os desenvolvimentos nos seminrios de acompanhamento do LCCV.
3. Cronograma das Atividades
Semanas
123456789101112
1AXXXX
BXXX
CXX
2AXXXXXXXX
BXXXXXX
3AXXXXXX
BXXXXXX
CXXXX
4AXXX
BX