1,720,981 research outputs found
Numerical and towing tank experimental assessment of submarine propeller hydrodynamic noise.
Get PDFA discrição acústica é crucial para a sobrevivência e eficácia operacional de submarinos. Entre os diversos tipos de ruído que podem ser emitidos, o ruído hidrodinâmico relaciona-se diretamente à operação do propulsor e à forma do casco e seus apêndices. Este trabalho discorre sobre a validação experimental de um método numérico para avaliar a emissão de ruído hidrodinâmico de um propulsor (MOD5) operando na popa de um modelo de submarino de geometria simplificada. O método utiliza CFD para simular o escoamento e desempenho do propulsor, combinado com a aplicação da analogia acústica de Ffowcs Williams-Hawkings para o cálculo de propagação das ondas acústicas. Em um primeiro momento, é realizada a simulação de um propulsor convencional (INSEAN E779A) em água aberta. Os resultados de empuxo e torque do propulsor, além da pressão acústica calculada em diferentes pontos do escoamento através da analogia acústica, são comparados com outros resultados numéricos disponíveis na literatura, mostrando boa aderência com os mesmos. Em seguida, é planejado e desenvolvido um ensaio experimental para medição acústica do MOD5 em tanque de provas. São realizados ensaios em três posições diferentes do hidrofone com relação ao propulsor. Devido ao alto nível de ruído de fundo, a primeira frequência de passagem das pás pôde ser obtida experimentalmente apenas para duas dessas posições. A pressão acústica calculada numericamente, por sua vez, mostra boa aderência com os valores experimentais. Por fim, empuxo e torque também foram medidos. O empuxo mostrou boa aderência com valor experimental, enquanto o torque é sobrestimado.Acoustic discretion is crucial for the survival and operational effectiveness of submarines. Among the various types of noise that may be emitted, hydrodynamic noise is directly related to the operation of the propeller and the shape of the hull and its appendages. The present work discusses the experimental validation of a numerical method to evaluate the hydrodynamic noise emission of a propeller (MOD5) operating at the stern of a submarine model with simplified geometry. The method uses Computational Fluid Dynamics (CFD) to simulate the flow and performance of the propeller, combined with the application of the Ffowcs Williams-Hawkings acoustic analogy for the calculation of acoustic wave propagation. Initially, simulations of a conventional propeller (INSEAN E779A) in open water are performed. The results of thrust and torque from the propeller, as well as the acoustic pressure calculated at different points of the flow using the acoustic analogy, are compared with other available numerical results from the literature, showing good agreement with them. Subsequently, an experimental test for acoustic measurement of the MOD5 propeller in a towing tank was planned and developed. Tests were conducted in three different positions of the hydrophone relative to the propeller. Due to the high background noise level, the first blade passing frequency could be obtained experimentally only for two of these positions. The acoustic pressure calculated numerically shows good agreement with the experimental values. Finally, thrust and torque were also measured. The thrust showed good agreement with the experimental value, while the torque was overestimated
Abordagem de corpo esbelto para o cálculo de forças de onda de segunda ordem em simulações do comportamento no mar de turbinas eólicas flutuantes.
No full textThis thesis describes the development of METiS, a numerical tool for the seakeeping analysis of floating offshore wind turbines (FOWT). It is based on a slender-body approximation for evaluating the first- and second-order wave loads acting on a floating structure comprised of slender cylinders that combines Raineys equation, which can be seen as an extension of the inertial part of Morisons equation to include nonlinear terms, with Pinksters formulation for the low-frequency second-order loads on floating bodies. This combination is followed to allow the evaluation of the forces considering the mean body position, in such a way that an Inverse Fast Fourier Transform algorithm can be used to efficiently compute the time series of wave kinematics and second-order wave loads in a real sea condition directly in time domain, as opposed to the most common procedure of solving the second-order radiation/diffraction problem in frequency domain and importing the results to time-domain solvers. As a drawback of the approximation, end effects due to the extremities of the cylinder and effects due to wave scattering and radiation are lost, which is acceptable as long as the diameters of the cylinders that compose the structure are small in face of their draft and in face of the length of the incoming waves. These conditions may be too restrictive to modern oil & gas spars and semi-submersibles, which have large diameter columns, but it is satisfied by FOWTs in many significant wave conditions. The slender-body approximation is first verified by analyzing the simple case of a single surface piercing cylinder under the action of bichromatic waves, both bottom mounted and floating, for different combinations of the dimensionless parameters that describe the problem. The results are compared with the ones obtained with diffraction theory and Newmans approximation, evidencing an interesting complementarity between the two approximations and the conditions in which each of them performs the better. The relevance of the second-order terms from Raineys formulation is shown, demonstrating that the common practice of analyzing second-order loads by simply applying Morisons equation with second-order wave kinematics is not strictly correct. The method is then applied to the analysis of a semi-submersible FOWT model, moored by three caternary lines, that was tested at the wave basin of the Numerical Offshore Tank of the University of São Paulo. Three sets of tests are presented: free decays of the moored model; forced oscillations of the hull; and motions under the action of waves (bichromatic, JONSWAP and white-noise) and wind. The results obtained with METiS are compared with the experiments and with WAMIT and OpenFAST, illustrating the capabilities and limitations of each software.Esta tese descreve o desenvolvimento de uma ferramenta numérica, denominada METiS, para a análise do comportamento no mar de turbinas eólicas flutuantes (FOWTs). Ela é baseada em uma aproximação de corpo esbelto para calcular as forças de onda de primeira e segunda ordem em estruturas compostas de cilindros esbeltos que combina a equação de Rainey, que pode ser vista como uma extensão da equação de Morison para incluir termos inerciais não lineares, com a formulação de Pinkster para as forças de segunda ordem em corpos flutuantes. Esta combinação é adotada para permitir a determinação das forças considerando a posição média do corpo, de tal forma que uma Transformada Rápida de Fourier pode ser usada para calcular de forma eficiente as séries temporais de cinemática das ondas e das forças de segunda ordem para um mar real diretamente no domínio do tempo, diferentemente do procedimento usual de resolver o problema de radiação/difração de segunda ordem no domínio da frequência e importar os resultados para códigos no domínio do tempo. Como desvantagem, efeitos de ponta devido às extremidades do cilindro e efeitos de radiação e espalhamento de ondas são perdidos, o que é aceitável desde que os diâmetros dos cilindros que compõem a estrutura sejam pequenos frente ao calado e ao comprimento das ondas. Essas condições podem ser restritivas para plataformas modernas do tipo spar e semissubmersível, que têm colunas de grande diâmetro, mas são satisfeitas por FOWTs em muitas condições de ondas relevantes. A aproximação de corpo esbelto é primeiro verificada para o caso simples de um único cilindro cruzando a superfície livre, tanto fixo quanto flutuante, sob a ação de ondas bicromáticas para diferentes combinações dos adimensionais que descrevem o problema. Os resultados são comparados com os obtidos com a teoria de difração de ondas e a aproximação de Newman, evidenciando uma interessante complementaridade entre as duas aproximações e as condições em que cada uma delas é mais apropriada. Mostra-se a relevância dos termos de segunda ordem da formulação de Rainey, demonstrando-se que a prática usual de calcular forças de segunda ordem pela simples aplicação da equação de Morison com cinemática de ondas de segunda ordem não é estritamente correta. O método é então aplicado à análise de um modelo de uma FOWT do tipo semissubmersível, ancorada por três linhas em catenária, que foi ensaiado no tanque de provas do Tanque de Provas Numérico da Universidade de São Paulo. São apresentados três conjuntos de testes: decaimento livre do modelo ancorado; oscilações forçadas do casco; e movimentos sob a ação de ondas (bicromáticas, JONSWAP e ruído branco) e vento. Os resultados obtidos com o METiS são comparados com os experimentais e com os calculados com os software WAMIT e OpenFAST, ilustrando as capacidades e limitações de cada ferramenta
Development of a tool for parametric optimization of hydrodynamic resistance of sailing yachts through the Delft series.
No full textA avaliação do desempenho de veleiros tem sido realizada por projetistas e arquitetos navais desde o início da navegação através da experiência adquirida e experimentação. A base científica cresceu partindo da identificação dos fatores-chave que mais influenciam o desempenho, como comprimento, boca, deslocamento, para uma compreensão muito mais robusta da complexidade inerente às forças e momentos envolvidos no sistema de equilíbrio que compõe um veleiro. Recentemente, o aumento no poder computacional tornou possível realizar essa avaliação de forma sistemática. Isso inclui o cálculo detalhado de forças para prever o comportamento de um veleiro e, finalmente, seu desempenho sob diferentes condições de operação. Portanto, o objetivo deste estudo foi estabelecer uma metodologia para analisar o desempenho de veleiros em águas calmas e ondas usando a série sistemática de Delft para estimar as forças hidrodinâmicas envolvidas. As forças calculadas são integradas a algoritmos genéticos buscando investigar alternativas para as dimensões do casco a fim de minimizar as forças hidrodinâmicas totais. Por último, essa metodologia é incorporada à uma ferramenta disponibilizada online destinada a avaliar o desempenho de veleiros à vela em uma ampla gama de condições do mar.The evaluation of the performance of sailing yachts has been carried out by naval architects since the very beginning of sailing through experience and experimenting. The scientific basis has grown from identifying key factors that influence performance the most, such as length, beam, displacement, to a much more complete understanding of the inherent complexity in forces and coupling moments involved in the equilibrium system of sailing yachts.In recent years, the advent of computers has made it possible to perform this assessment in a systematic manner. This includes the detailed calculation of forces to predict the behavior of a sailing yacht and ultimately its performance under different conditions of operation. Therefore, the aim of this study was to establish a methodology to analyze the performance of sailing yachts in calm waters and waves using the Delft Systematic Yacht Hull Series to estimate the hydrodynamic forces involved. The forces calculate are coupled with a genetic algorithm to investigate alternative solutions of hull dimensions in order to minimize total hydrodynamic forces. Ultimately, this methodology is incorporated into an online tool capable of assessing the performance of sailing yachts in a wide range of sea states
Bayesian inference of sea waves from motions of a FPSO platform: a new calibration methodology validated with field data and capable of reducing estimation errors.
No full textEstudos de condições oceanográficas tornam-se imperativos a cada dia, tanto no fornecimento de dados para fins de pesquisa quanto para aplicações de engenharia. Tais usos variam desde a validação de modelos de previsão de ondas até a determinação de forças em estruturas offshore, bem como em condições de navegabilidade e operações logísticas. O uso dos movimentos do navio para determinar qual condição de mar os induziu, adotando a embarcação como um sensor, em analogia às boias oceanográficas, é uma das tecnologias disponíveis para a medição das condições oceanográficas. Esta destaca-se pela simplicidade na implementação, além de atender às necessidades da indústria petrolífera, uma vez que o interesse é voltado para eventos de ondas extremas, os quais são bem representados pela tecnologia considerada, como verificado nesta tese. A facilidade de obtenção de dados através da tecnologia mencionada, sem a necessidade de equipamentos adicionais { especialmente no caso de plataformas de petróleo devido à disponibilidade de bases inerciais em muitas embarcações deste tipo { foi essencial para garantir ao presente trabalho um conjunto de dados de campo composto por registros ininterruptos dos movimentos de uma plataforma FPSO durante dois anos, através do qual foi possível realizar estimativas das ondas em intervalos de trinta minutos. Esta rica base de dados, inédita na literatura especializada, aliada às estimativas fornecidas simultaneamente por um sistema de radar de ondas, permitiu um estudo detalhado das características e padrões dos espectros direcionais de onda e uma importante validação da aplicação da tecnologia em campo. Face às incertezas inerentes ao processo, no entanto, observa-se que, para um mesmo registro de movimentos, muitas soluções diferentes e quase equiprováveis podem ser obtidas, uma característica que favorece a aplicação de um método de inferência Bayesiana, afim de fornecer alguma informação a priori sobre as variáveis de estimação. Na presente abordagem, esta informação corresponde a uma suposição de suavidade dos espectros direcionais de onda a serem estimados, cujo grau é controlado pelos chamados hiperparâmetros do processo de inferência - parâmetros dentro do método que controlam a influência da informação a priori sobre a solução. Estudos prévios realizados na EPUSP demonstraram que o uso de hiperparâmetros fixos ou pré-calibrados é vantajoso para tornar o método de estimação operacionalmente aplicável, proporcionando um tempo de execução compatível com aplicações em tempo real. Dada a importância do papel desempenhado pela informação a priori na determinação de soluções viáveis no intervalo de incertezas do método, torna-se patente a necessidade de se definir valores apropriados para estes hiperparâmetros. Assim, neste trabalho, é apresentada uma metodologia de calibração para os hiperparâmetros baseada na dependência destes no período médio de onda e no parâmetro espectral de largura de banda. Esta nova abordagem traz dois aspectos inovadores para a pesquisa: O primeiro é o desenvolvimento de um método iterativo e autossuficiente capaz de identificar erros de estimação causados por incertezas no modelo de previsão de movimentos do navio. O segundo ponto é a capacidade do método de mitigar os erros encontrados, forçando a suavidade espectral ao longo do intervalo de frequências de onda.Studies of oceanographic conditions become imperative every day, both in the provision of data for research purposes and for engineering applications. Such uses range from the validation of wave prediction models to the determination of forces in offshore structures, as well as navigability and logistical operations. The use of vessel movements to determine which is the condition induced by them, adopting the vessel as a sensor, in analogy to oceanographic buoys, is one of the available technologies for the measurement of oceanographic conditions. It stands out for the simplicity of the implementation, in addition it meets the needs of the oil industry, since the interest is focused on extreme wave events, which are well represented by the technology considered, as verified in this thesis. Ease of data attainment through the mentioned technology, without the need for additional equipment - especially in the case of oil platforms due to the availability of inertial bases in many vessels of this type - was essential to guarantee the present work the data set of field the FPSO platform for two years, through which it was possible to make estimates of the waves in intervals of thirty minutes. This rich database, unprecedented in the specialized literature, together with the estimates provided by a wave radar system, allowed a detailed study of the characteristics and patterns of the directional wave spectra and an important validation of the application of the technology in the field. Given the uncertainties inherent in the process, however, it can be observed that, for the same record of movements, many different and almost equiprobable solutions can be obtained, a feature that favors the application of a Bayesian inference method, in order to provide some information on the variables of estimation. In the present approach, this information corresponds to an assumption of smoothness of the directional wave spectra to be estimated, the degree of which is controlled by so-called hyperparameters of the inference process - parameters within the method that control the influence of a priori information on the solution. Previous studies conducted at EPUSP have demonstrated that the use of fixed or precalibrated hyperparameters is advantageous to make the estimation method operationally applicable, providing a runtime compatible with real-time applications. Given the importance of the role played by a priori information in determining viable solutions in the uncertainty range of the method, it becomes clear that it is necessary to define appropriate values for these hyperparameters. Thus, in this work, the calibration methodology for the hyperparameters is presented, based on the dependency of these on wave mean period and on bandwidth spectral parameter. The _rst is the development of an iterative, self-sufficient method, capable of identifying estimations errors caused by uncertainties on the ship\'s motions prediction model. The second is the ability of the method to mitigate the errors found, forcing spectral smoothness throughout the range of wave frequencies
Analysis of Froude-scaling effects on aerodynamic performance of FOWT using CFD.
No full textA busca por energia renovável aumentou significativamente, com parques eólicos maiores e mais difundidos, tanto onshore quanto offshore. Neste cenário, turbinas eólicas flutuantes (FOWTs) são uma opção altamente atrativa para aproveitar o grande potencial de recursos energéticos que existe em águas mais profundas. FOWTs estão, no entanto, expostas a carregamentos mais complexos, que incluem ondas, correnteza, aerodinâmica das pás e a dinâmica do sistema de amarração. Ensaios experimentais em tanque de provas são amplamente empregados na indústria offshore para verificar a dinâmica dos sistemas. Entretanto, devido a incidência de onda e vento, simultaneamente, a modelagem da FOWT é desafiadora. Ao se adotar a Escala de Froude tanto para as ondas e quanto para os ventos, é impossível alcançar, simultaneamente, a semelhança de Reynolds, resultando em um comportamento aerodinâmico das pás distinto nas duas escalas. Ferramentas computacionais eficientes já estão disponíveis para se prever o desempenho das FOWTs. No entanto, a maioria dessas ferramentas é baseada na Teoria da Quantidade de Movimento do Elemento de Pá (BEMT), que não considera aspectos mais detalhados da tridimensionalidade do escoamento ao redor do rotor. Uma descrição mais refinada desse escoamento, como a baseada em um código de Dinâmica dos Fluidos Computacional CFD), pode ser útil para uma melhor compreensão do carregamento e desempenho da FOWT e, portanto, ser uma ferramenta importante para melhorar seu projeto. Neste trabalho, um código CFD comercial baseado nas equações médias de ReynoldsNavier Stokes são empregadas para avaliar e caracterizar o comportamento aerodinâmico da turbina NREL 5MW, tanto em escala real como na escala de modelo, esta adotada conforme aos testes da OC4 FOWT. As simulações foram realizadas para diferentes razões de velocidade de ponta da pá (TSR), variando-se a velocidade angular para uma velocidade constante e uniforme do vento, e os efeitos da escala por Froude na aerodinâmica das pás são apresentados e discutidos. Verifica-se que os resultados, de modo geral, estão de acordo com as análises numéricas prévias apresentadas na literatura. Em particular, a concordância dos resultados numéricos obtidos com os dados experimentais disponíveis é muito boa, mesmo para os coeficientes de potência negativos que podem ocorrer em escala de modelo, algo que trabalhos numéricos anteriores relataram ser difícil de reproduzir.The search for renewable energy continues to increase significantly, leading to larger and more widespread wind farms, both onshore and offshore. In this scenario, floating offshore wind turbines (FOWTs) are a highly attractive option for taking advantage of the large energy resource potential that exists in deeper waters. FOWTs are, nonetheless, exposed to more complex patterns of environmental loading, which include waves, currents and their interactions with the dynamics and aerodynamics of the blades. Basin-model testing are often used for valitating offshore systems behavior. However, due to wind and wave loading, simultaneuosly, FOWT\'s model test is challenging. By adopting a Froude scaling law to both wind and waves, the Reynolds Similitude is not achieved. Due to the very different scales of model and full-scale, the air flow regimes can be very dissimilar and the performance of the turbines at model-scale may deteriorate. Efficient computational tools are already available for predicting the FOWTs performance, such as FAST. However, most of these tools are based on Blade-Element-MomentumTheory (BEMT), which does not consider more subtle aspects of the three-dimensional flow patterns. A more refined description of the flow, such as the one based on aComputational Fluid Dynamics (CFD) solver, may be useful for a better understanding of the FOWT\'s loading and performance, and, therefore, be an invaluable tool for improving their design. In this work, a commercial CFD code based on Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations is used in order to evaluate and characterize the aerodynamic behavior of the NREL\'s 5MW turbine, both in full-scale and in the model-scale adopted for the wave basin tests of the OC4 FOWT. The simulations are carried out for different tip-speed ratios, varying angular velocity for a constant wind velocity, and the effects of Froude scaling on the aerodynamics of the blades are presented and discussed. It is found that results are generally in accordance with previous numerical analyses presented in literature. In particular, it is shown that a very good agreement with available experimental data could be obtained, even for the negative power coefficients that may happen in model-scale, something that previous numerical works reported to be difficult to reproduce
Análise de downtime ambiental de dragas de sucção e recalque.
No full textThe dredging activity is increasing worldwide due to ships that require bigger drafts, and consequently deeper navigation channels. Some dredging projects requires the operation of cutter suction dredgers on open waters, once these are capable of removing compact sediments and rocks while still maintaining a good productivity. These facts motivated the creation of a weather driven downtime prediction software for this type of operation, based on simplified calculations of the main dredging systems of a CSD. The motions caused by waves, and the forces and moments caused on these dredgers by winds, waves and currents were analyzed in order to evaluate the influence of each parameter magnitude and direction on the behavior of the vessel. The main criteria of the dredger influenced by this conditions were determined by a literature review as being the swing winch required power, the interaction between the cutterhead and the soil, and the anchoring system resistance, this that can be both a spud pole system stress or the Christmas tree cable tension. In this research, only the spud pole system bending stress was considered. Three mathematical models were developed to represent those systems. Since the non-linearity of the relation between the reaction forces of the dredger and the soil was not an object of the study, this process is represented by a constant user defined reaction force and a horizontal cutterhead velocity model. The efficiency of these models were tested by applying them on a case study of the dredging of the Açu port on the Brazilian coast by the Taurus II dredger. Simultaneous wind, wave and current data data were used as input to these models by creating a time series scenario of the operation period. The results for both scenarios showed that the operation would be close to impossible due to wave generated dynamic stress on the spud pole.A atividade de dragagem no mundo é cada vez mais significativa em função do aumento dos navios que operam em portos, estes que possuem maior calado e requerem, consequentemente, canais de navegação mais profundos. Alguns projetos de dragagem utilizam dragas de sucção e recalque em mar aberto, dada a capacidade destes equipamentos de remover sedimento compactado e rochas, ainda mantendo uma boa produtividade. Estes fatos motivaram a criação de um programa de previsão de downtime gerado por condições ambientais de dragas de sucção e recalque baseado em modelos matemáticos simplificados. Os movimentos causados por ondas, e as forças e momentos causados na draga por ventos, ondas e correntezas foram analisados de forma a se obter a influência da magnitude e direção de cada um destes parâmetros no comportamento da embarcação. Os principais sistemas da draga influenciados por estas condições foram determinados com base em uma revisão bibliográficas como sendo a potência requerida nos guinchos de varredura, a interação do cortador com o solo e a resistência do sistema de ancoragem, sendo este a tensão de flexão dinâmica na trave do spud ou as tensões de ancoragem pelo sistema de árvore de natal. Três modelos matemáticos foram desenvolvidos para representar estes sistemas. Considerando a não linearidade da interação entre a draga e o solo, este processo foi representado por uma força de reação definida pelo usuário e pela velocidade horizontal do cortador. A eficiência destes modelos foi testada ao aplicá-los em um estudo de caso da dragagem do porto de Açu, na costa brasileira pela draga Taurus II. Valores simultâneos de ondas, ventos e correnteza foram utilizadas como entrada nestes modelos, através da criação de um cenário hipotético de série temporal. Os resultados para ambos os casos demonstraram que a operação seria impossibilitada em função de tensões de flexão dinâmicas no spud maiores que o limite determinado
Um método de ordem alta de painéis para problemas lineares e fracamente não lineares de comportamento em ondas.
No full textThis thesis addresses the development of a weakly non-linear Higher Order Time Domain Rankine Panel Method (TDRPM) for the linear and weakly non-linear seakeeping analysis of floating offshore structures, including wave-current interaction effects. A higher order boundary elements method is adopted based on the body geometry description using Non-uniform Rational B-splines (NURBS) formulation, which can be generated by many standard Computed Aided Design (CAD) softwares widely available, and the several computed quantities (velocity potential, free surface elevation and others) are described using a B-spline formulation of arbitrary degree. The problem is formulated considering wave-current-body interactions up to second order effects, these ones considering the terms obtained by interaction of zero/first order quantities. In order to provide numerical stability, the Initial Boundary Value Problem (IBVP) is formulated in terms of the velocity potential and the local acceleration potential, the later used to predict the hydrodynamic pressure accurately. The zeroth order problem is solved using the double-body linearization instead of the Neumman-Kelvin one in order to allow bluff bodies simulation, leading to very complex expressions regarding the m-terms computation. The method adopts the Rankine sources as Green\'s function, which are integrated using Gauss quadrature in the entire domain, but for the self-influence terms that are integrated using a desingularized procedure. The numerical method is verified initially considering simplified geometries (sphere and circular cylinder) for both, first and second-order computations, with and without current effects. The derivatives of the velocity potential are verified by comparing the numerical m-terms to the analytical solutions for a hemisphere under uniform flow. The mean and double frequency drift forces are computed for fixed and floating structures and the quantities involved in these computations (wave runup, velocity field) are also compared to literature results, including the free floating response of a sphere under current effects. Two practical cases are also studied, namely the wave-induced second order responses of a semi-submersible platform and the wavedrift-damping effect evaluated through the equilibrium angle of a turret moored FPSO. For the former, some specific model tests were designed and conducted in a wave-basin.Essa tese aborda o desenvolvimento de um método de Rankine de ordem alta no domínio do tempo (TDRPM) para o estudo de problemas lineares e fracamente não lineares, incluindo o efeito de corrente, envolvendo sistemas flutuantes. O método de ordem alta desenvolvido considera a geometria do corpo como descrita pelo padrão Non-uniform Rational Basis Spline (NURBS), que está disponível em diverso0s softwares de Computed Aided Design (CAD) disponíveis, sendo as diversas funções (potencial de velocidades, elevação da superfície-livre e outros) descritos usando B-splines de grau arbitrário. O problema é formulado considerando interações onda-corrente-estrutura para efeitos de até segunda ordem, os de ordem superior sendo calculados considerando as interações somente dos termos de ordem inferior. Para garantir a estabilidade numérica, o problema de contorno com valor inicial é formulado0 com relação ao potencial de velocidade e de parcela local do potencial de acelerações, este para garantir cálculos precisos da pressão dinâmica. O problema de ordem zero é resolvido usando a linearização de corpo-duplo ao invés da linearização de Neumman-Kelvin para permitir a análise de corpos rombudos, o que requer o cálculo de termos-m de grande complexidade. O método adota fontes de Rankine como funções de Green, que são integradas através de quadratura de Gauss-Legendre no domínio todo, exceto com relação aos termos de auto-influência que adotasm um procedimento de dessingularização. O método numérico é inicialmente verificado considerando corpos de geometria simplificada (esfera e cilindro), considerando efeitos de primeira e segunda ordens, com e sem corrente. As derivadas do potencial de velocidade são verificadas comparando os termos-m obtidos numericamente com soluções analíticas disponíveis para a esfera em fluído infinito. As forças de deriva média e dupla-frequência são calculadas para estruturas fixas e flutuantes, sendo as funções calculadas (elevação da superfície, campo de velocidade) comparadas com resultados disponíveis na literatura, incluindo o movimento da esfera flutuante sob a ação de corrente e ondas. São também estudados dois casos de aplicação prática, a resposta de segunda ordem de uma plataforma semi-submersível e o efeito de wave-drift damping para o ângulo de equilíbrio de uma plataforma FPSO ancorada através de sistema turred. No caso da semi-submersível, os ensaios foram projetados e realizados em tanque de provas
Untitled in english
No full textO projeto de um catamarã com hidrofólios foi iniciado na Escola Politécnica em 2003, quando o velejador Roberto Pandiani procurou a escola com a idéia de melhorar o desempenho da sua embarcação a vela. Sua idéia, na época, era partir numa nova viagem a bordo de um catamarã com hidrofólios. Embarcações a vela com hidrofólios não são muito comuns dada sua complexidade de configuração, fragilidade dos hidrofólios e elevado custo de construção, na medida que, materiais exóticos, como fibras de carbono e kevlar, são usados na maioria dos projetos. O objetivo deste trabalho pode ser resumido em duas etapas. Na primeira etapa, ferramentas que permitam avaliar o desempenho e a atitude de uma embarcação a vela com hidrofólios, sob o ponto de vista quasi-estático e estático, foram desenvolvidas. Sob a ótica estática, um programa de predição de velocidades, VPP, foi desenvolvido e validado de acordo com a metodologia e os resultados apresentados por [Masuyama, 1986]. Uma segunda ferramenta, que nos permite fazer a predição da passagem da embarcação do modo hulborne para o modo foilborne (take off), do ponto de vista quasi-estático, também foi desenvolvida. A segunda parte do trabalho, ilustra o potencial de aplicação das ferramentas desenvolvidas na primeira quando estas são incorporadas numa metodologia de síntese. Dessa forma, resultados do problema de otimização com objetivos múltiplos aplicado ao projeto de uma embarcação a vela com hidrofólios são apresentados.This work was motivated by a request of the adventure sailor Roberto Pandiani who approached us in order to investigate the attitude and performance of a catamaran sailboat with hydrofoils. Although the concept of hydrofoil sailboats dates back from the 50s and 60s, they are not commonly seen at the harbors due to the complexity, fragility and, usually, high cost of the boat. In the present work, our analysis is carried out in two stages. On the first one, the equilibrium equations for the sailboat are solved on the foilborne mode and on the hullborne-foilborne transition mode. The former problem gives rise to a six degrees of freedom Velocity Prediction Program (VPP) through which the performance and attitude of the boat can be evaluated by a quasi-static approach. The latter problem is tackled by solving a two degree of freedom (pitch and heave) problem; these results allowed the prediction of the take off speed of the sailboat. On the second stage, the potential of the tools developed in stage one is outlined by describing its applicability on the design of a hydrofoil catamaran sailboat in a multi objective optimization framework. At this point, a methodology for the optimized design of a hydrofoil sailboat is proposed and preliminary results for a simplified optimization problem are presented in order to illustrate the procedure
Um novo método baseado nos movimentos de embarcações para estimativa paramétrica das ondas encontradas por um navio no mar.
No full textThe present work proposes a new approach for the vessel motion-based (VMB) estimation of the sea state based on the parametric methodology. In this approach, a parametric description of the encounter wave spectrum is proposed, enabling the algorithm to solve the wave inference problem in the ship\'s reference frame. The method is tested with data obtained from numerical simulations and experimental tests, both comprising conditions with and without ship\'s forward speed. Because of its practical aspects for improving the day-to-day operational eciency and the crew\'s safety and comfort, in the more recent years, the interest in the VMB sea state inference increased signicantly. At Escola Politecnica of the University of S~ao Paulo, studies on sea state estimation (SSE) eld for stationary oating systems has been conducted since the year 2000, and more recently these studies have been expanded to include ships in a seaway. Once studying ships in operation, its forward speed must be considered and modelled in the SSE problem. Commonly, the methodologies proposed in the literature tends to carry out the wave inference already in the earth xed reference frame, and not in the ship\'s referential. This procedure leads to a greater complexity of the estimation algorithm when it tries to implement the eects of the ship\'s forward speed, in particular the uncertainties inherent to the SSE problem associated with the Doppler eect for waves reaching the ship from the stern. Recent publications presented ways to convert the encounter wave spectra to their \\absolute domain\" description. This way, if there were an analytical representation capable of describing the wide range of forms of the encounter wave spectrum, it would be possible to carry out the inference process in the ship\'s referential, using the parametric approach and avoiding several numerical considerations associated with the triple-valued problem. Here, this necessity is satised and an innovative approach is proposed where a descriptive curve for the encounter wave spectrum, based on the Weibull distribution, is introduced and studied in the context of estimating the sea states using the VMB strategy. The study carried out here was based on data obtained from the USP oceanographic vessel, Alpha Delphini. Numerical simulations on hydrodynamic numerical tools and model-scale tests on two dierent wave basins were performed, and the results achieved prove that the methodology is capable of providing expedient estimates of the waves encountered by the ship under dierent operating conditions.O presente trabalho propõe uma nova abordagem para a estimativa do estado do mar baseada no movimentação de uma embarcações (em inglês, VMB) por meio da metodologia paramétrica. Nesta abordagem, é proposta uma descrição paramétrica do espectro de ondas de encontro, permitindo que o algoritmo resolva o problema de inferência de ondas no referencial do navio. O método é testado com dados obtidos a partir de simulações numéricas e testes experimentais, ambos compreendendo condições com e sem velocidade de avanço do navio. Por seus aspectos práticos relacionados com a melhoria da e ciência operacional diária do navio, bem como na segurança e conforto da tripulação, nos anos mais recentes, o interesse pela inferência do estado do mar VMB aumentou significativamente. Na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, desde o ano 2000 são realizados estudos na área de estimativa de estado de mar (em inglês, SSE) para sistemas flutuantes estacionários, e mais recentemente essas pesquisas foram ampliadas para incluir navios em vias marítimas. Ao se estudar navios em operação, a velocidade de avanço destes sistemas devem ser considerada e modelada no problema SSE. Comumente, as metodologias propostas na literatura tendem a realizar a processo de inferência já no referencial fixo a terra, e não no referencial solidário ao navio. Este procedimento leva a uma maior complexidade do algoritmo de estimação quando este tenta implementar os efeitos da velocidade de avanço do navio, em especial as incertezas inerentes ao problema SSE associadas ao efeito Doppler para ondas que atingem o navio pela popa. Publicações recentes apresentaram algoritmos de conversão de espectros de ondas de encontro para suas respectivas descrições no domínio absoluto\". Desta forma, se existisse uma representação analítica capaz de descrever a ampla gama de formas do espectro de ondas de encontro, seria possível realizar o processo de inferência no referencial do navio, utilizando a abordagem paramétrica e evitando várias considerações numéricas associadas ao problema de valor triplo. Aqui, esta necessidade é satisfeita e uma abordagem inovadora é proposta onde uma curva descritiva para o espectro de ondas de encontro, baseada na distribuição Weibull, é introduzida e estudada no contexto da estimativa dos estados do mar usando a estratégia VMB. O estudo aqui realizado foi baseado em dados obtidos do navio oceanográfico da USP, Alpha Delphini. Simulações numéricas em ferramentas hidrodinâmicas e testes em escala de modelo em dois tanques de prova diferentes foram realizadas, e os resultados obtidos comprovam que a metodologia é capaz de fornecer estimativas expeditas das ondas encontradas pelo navio em diferentes condições de operação
On the challenges of predicting wave-induced slow-drift motions of semi-submersible platforms.
Get PDFPlataformas do tipo semi-submersível são recursos fundamentais não só para a exploração de óleo e gás offshore, mas também para o campo de turbinas eólicas flutuantes. Nos dois tipos de operação, as plataformas são ancoradas no fundo mar e é nesse momento, em que uma rigidez externa é adicionada ao sistema, que as forças das ondas de segunda ordem se tornam preocupantes. Parte dessas forças atuam em baixas frequências e são as responsáveis por induzir os movimentos de deriva lenta das plataformas em surge, sway e yaw. Programas baseados na teoria do potencial, são grandes aliados no cálculo das forças de baixa frequência e de deriva lenta de plataformas. Todavia, os resultados fornecidos por eles, talvez sejam menos precisos para plataformas semi-submersíveis, como é citado na literatura. Em geral, os trabalhos nesta área abrangem mares severos com declividade muito alta para os softwares de Boundary Element Method (BEM), a presente tese, no entanto, foca em mares mais comuns e dentro dos limites operacionais desse tipo de programa. Nas duas últimas décadas, pesquisadores notaram que o campo de elevações de onda de uma certa plataforma de 4 colunas e grande deslocamento não era bem capturado pelos programas de radiação/difração em algumas circunstâncias, no entanto, trabalhos posteriores não conseguiram se aprofundar no problema. Com o intuito de avaliar as forças e movimentos de deriva média e lenta providos pelos códigos potenciais, ensaios livres e cativos sob ondas regulares e bicromáticas com o modelo dessa plataforma foram realizados no Tanque de Provas Numérico da USP (TPN-USP). Os resultados mostraram que os programas subestimaram consideravelmente os movimentos de deriva lenta para uma específica faixa de períodos para ondas regulares e bicromáticas. Já para os demais períodos, os resultados foram considerados satisfatórios. Com uma detalhada investigação e com o auxílio da ferramenta de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) baseado no método de volumes finitos (FVM), foi possível concluir que a subestimação dessas forças são originadas principalmente das discrepâncias na estimativa das elevações da superfície-livre difratadas pelas colunas sob condições que possam envolver ondas near-trapping. Com o propósito de avaliar o quanto esses erros apresentados pelos códigos potenciais podem interferir na predição de movimentos de deriva lenta em casos mais realistas, ondas irregulares foram ensaiadas com a plataforma ancorada por catenárias. Para esses casos, uma variedade de mares foi replicada em código BEM e o programa conseguiu capturar bem as amplitudes dos movimentos de deriva lenta. Isso é uma indicativo que as discrepâncias aparecem de forma mais pronunciada em casos com ondas bicromáticas pois essas permitem o sistema atingir o regime estacionário em uma frequência isolada. Assim, pelo menos para a geometria da plataforma semi-submersível estudada, os efeitos dos erros que eram evidentes em ondas regulares e grupo de ondas, foram eventualmente mitigados em condições mais realistas.Semi-submersible type platforms are important not only for oil and gas oshore exploration, but also for the oating oshore wind turbines eld. In both type of operations, the platforms are moored at the bottom of the ocean and, at the moment that external stiness is added to the system, the second-order wave forces become worrisome. Part of these forces act at low-frequencies and are responsible for inducing slow-drift motions in surge, sway and yaw. Softwares based on the potential theory are important allies to the low-frequency forces and slow-drift motions calculation. However, their results may be less accurate for semi-submersible vessels, as it is stated in the literature. In general, the works in this eld deal with seas that may be too high and steep for the Boundary Element Method (BEM) codes, but the present thesis, on the other hand, focuses on common seas within the operational limitations of the software. In the last two decades, researchers noticed that the wave elds of a certain four-column large displacement platform were not well captured by the radiation/diraction programs in some circumstances, but later works could not go further on this problem. Aiming at verifying the mean and slow-drift motions computed by the potential codes, free- oating and captive tests under regular and bichromatic waves with the scaled-model of one of such platforms were executed at the Numerical Oshore Tank of USP (TPN-USP). Results showed that BEM code considerably underestimated the slow-drift motions for a certain range of periods in regular and bichromatic waves, while for the other periods, the results were considered satisfactory. With a detailed investigation and with the aid of the Computational Fluid Dynamics (CFD) tool based on Finite Volume Method (FVM), it was possible to conclude that the underestimation of these forces are originated mainly from divergences in the prediction of the free-surface elevations diracted by the columns under conditions that might involve near-trapping of waves. Finally, with the purpose of evaluating how much these errors may interfere in the prediction of slow-drift motions in more realistic conditions, irregular waves were tested with the platform anchored by four catenary lines. For these cases, a variety of seas were replicated into the BEM code and at this time, the program managed to capture all the amplitudes of the slow-motions very well. This is an indication that the discrepancies only appear in cases with regular and bichromatic waves because they allow the system to reach steady-state at an isolated frequency. Therefore, at least for the semi-submersible geometry studied in this work, the eects of the errors that were evident under regular waves and wave groups, were eventually mitigated in more realistic conditions
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