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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2011.tde-07112011-122650
Documento
Autor
Nome completo
Alessandro Alberto de Lima
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2011
Orientador
Banca examinadora
Meneghini, Julio Romano (Presidente)
Aranha, José Augusto Penteado
Franciss, Ricardo
Martins, Clóvis de Arruda
Schettini, Edith Beatriz Camaño
Título em português
Estudo numérico do escoamento ao redor de cilindros flexíveis.
Palavras-chave em português
Mecânica dos fluidos computacional
Vibrações
Vórtices dos fluidos
Resumo em português
Este trabalho aborda o escoamento ao redor de cilindros flexíveis com grande razão de aspecto, representando os riser utilizados na indústria petrolífera. O escoamento foi dividido em seções bidimensionais ao longo do comprimento do riser. O método dos vórtices discretos foi utilizado para estimativa dos coeficientes hidrodinâmicos nas seções correspondentes e o acoplamento se dá através da dinâmica estrutural. Esta dinâmica é resolvida pelo método dos elementos finitos implementado no código Anflex (Mourelle et al. (2001)). Processamento paralelo é utilizado para acelerar o desempenho do método numérico. Um esquema master-slave ("mestre-escravo") utilizando MPI (Message Passing Interface1) é utilizado para que seja explorado o paralelismo da modelagem. As seções hidrodinâmicas são igualmente divididas ao longo dos nós de um cluster de computadores utilizado nos cálculos. Cada nó do cluster (núcleo de processamento) resolve o escoamento nas seções hidrodinâmicas necessárias. As forças hidrodinâmicas atuando nas seções correspondentes são enviadas ao processo mestre que também é responsável pela resolução da dinâmica estrutural. Uma das contribuições do presente trabalho é a possibilidade de análise de risers em regime pós-crítico, através da imposição do ponto de separação da camada-limite baseado em resultados experimentais, e da modelagem de casos com risers em tandem. O Método dos Vórtices Discretos (MVD) está detalhado de forma a facilitar a implementação computacional, levando em consideração a possibilidade de estudo de interferência entre esteiras de múltiplos corpos. Como primeira aproximação, foram simulados, casos de cilindros rígidos fixos e em base elástica para os quais foram examinadas as amplitudes máximas de oscilação e os coeficientes de arrasto e sustentação. Posteriormente, o MVD foi integrado ao Anflex dando origem ao AnflexCFD, com capacidade de processamento paralelo da parte correspondente ao CFD. Os resultados obtidos numericamente foram comparados a resultados experimentais realizados em laboratório. A metodologia de utilização do MVD para cálculo dos coeficientes hidrodinâmicos é baseada na comparação com resultados experimentais obtidos em laboratório para cilindros rígidos fixos e em base elástica para os quais se observa uma aderência satisfatória com relação aos resultados obtidos numericamente. O resultado do presente trabalho foi a criação de uma ferramenta alternativa no projeto de risers de grande razão de aspecto, como uma forma de avaliação do comportamento dinâmico da estrutura submetida a diferentes perfis de corrente e, consequentemente, a estimativa do tempo de sua vida útil. A característica puramente Lagrangiana do MVD possibilita a simulação de centenas de ciclos de oscilação da estrutura sendo que para os métodos Eulerianos tradicionais de CFD, como o método dos volumes finitos e o método dos elementos finitos, a simulação necessita de um tempo computacional inviável para projeto. A aderência do modelo adotado em relação aos resultados experimentais, aliada a eficiência do MVD, é um indicativo da vantagem da utilização de métodos Lagrangianos na modelagem do escoamento ao redor de cilindros flexíveis com grande razão de aspecto, em relação aos métodos Eulerianos tradicionais. A metodologia apresentada neste trabalho pode ser aplicada utilizando outros métodos de CFD, lembrando que isto pode implicar num aumento significativo do tempo computacional necessário para uma análise.
Título em inglês
Numerical investigation of flow around flexible cylinders.
Palavras-chave em inglês
Computational fluid dynamic
Vibrations
Vortex methods
Resumo em inglês
In this work the dynamic response of a high aspect ratio flexible cylinder due to vortex shedding is numerically investigated. The model is divided in two-dimensional sections along the riser length. The discrete vortex method (DVM) is employed for the assessment of the hydrodynamic forces acting on these two-dimensional sections. The hydrodynamic sections are solved independently, and the coupling among the sections is taken into account by the solution of the structure in the time domain by the finite element method implemented in Anflex code (Mourelle et al. (2001)). Parallel processing is employed to improve the performance of the method. A master-slave approach via MPI (Message Passing Interface) is used to exploit the parallelism of the present code. The riser sections are equally divided among the nodes of the cluster. Each node solves the hydrodynamic sections assigned to it. The forces acting on the sections are then passed to the master processor, which is responsible for the calculation of the displacement of the whole structure. One of the main contributions of the present work is the possibility of simulating the flow around flexible cylinders in the pos-critical regime and around bundle of risers.
 
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aalima_tese.pdf (2.29 Mbytes)
Data de Publicação
2011-11-21
 
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