estudo experimental do movimento induzido por vórtices (vim) em plataforma semissubmersível

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


• 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


• 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


• 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


• 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


• 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]


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


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


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


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


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


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]


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]


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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!!

estudo experimental do movimento induzido por vórtices (vim) em plataforma semissubmersível

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