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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Metodologia para predição de vibrações induzidas por vórtices em tubulações submarinas no domínio do tempo
Title Alternative: A methodology to predict vortex-induced vibrations of marine risers in time-domain
Author: Teixeira, Diego Cesar, 1985-
Advisor: Morooka, Celso Kazuyuki, 1958-
Abstract: Resumo: Ferramentas numéricas para predição de vibrações induzidas por vórtices (VIV) em risers e pipelines foram desenvolvidas e aprimoradas ao longo dos anos por centros de pesquisa em universidades e em empresas de óleo e gás. Dentre esses algoritmos de predição, os mais utilizados na indústria offshore realizam suas análises no domínio da frequência, em que um sistema linear deve ser assumido. No caso de análises mais complexas em que as não-linearidades são importantes, uma análise no domínio do tempo torna-se essencial. Nesse sentido, o objetivo do presente trabalho foi implementar um procedimento no domínio do tempo para estimar os esforços impostos pelo fenômeno de desprendimento de vórtices em tubulações submarinas expostas à ação de correnteza. Somente a VIV da direção transversal a correnteza é considerada e uma abordagem semi-empírica baseada em resultados de experimentos com cilindros rígidos e flexíveis é utilizada no cálculo da força. A metodologia adotada considera o balanço de energia entre as regiões do riser excitadas pelo desprendimento de vórtices e aquelas amortecidas pelo mesmo. Em regiões excitadas, a componente da força em fase com a velocidade da estrutura fornece energia para a vibração. Já em regiões amortecidas a força é aplicada em oposição à velocidade, dissipando energia do sistema. Um critério de lock-in é verificado constantemente para identificar zonas de excitação e de amortecimento. A intensidade da força é proporcional a um coeficiente hidrodinâmico calculado em função da amplitude e da frequência da vibração. Como uma resposta multimodal pode ocorrer, um parâmetro de energia é utilizado para selecionar a frequência de oscilação dominante. A parcela inercial da força é calculada considerando-se a variação da massa adicional ao longo da estrutura originada pela VIV. Na direção da correnteza, a amplificação do arrasto é calculada em função da amplitude de vibração transversal. O procedimento de predição da VIV foi verificado frente a casos experimentais publicados na literatura. Em geral uma boa concordância foi observada entre resultados experimentais e de simulação numérica

Abstract: Numerical tools used to predict vortex-induced vibration (VIV) of marine risers and pipelines have been developed over the years by research centers of universities and oil and gas companies. Among these prediction algorithms, the most widely used in offshore industry perform their analysis in frequency domain, assuming a linear riser system. For complex cases in which nonlinearities are important, a time-domain analysis becomes essential for realistic prediction of VIV. Thus, this work aimed at developing a time-domain procedure to estimate the forces due to vortex shedding on risers exposed to currents. Only the VIV in cross-flow direction is considered and a semi-empirical approach based on experiments with rigid and flexible cylinders are used to determine hydrodynamic coefficients for the force. The present procedure considers the energy balance between excited and non-excited regions due to vortex shedding. In excited regions, the component of the force in phase with structure velocity provide energy to drive the vibration. In non-excited regions the force is applied opposed to structure velocity thus damping the vibration. A lock-in criteria is constantly verified to identify excited and damped regions. The intensity of the force is proportional to a hydrodynamic coefficient that depends on the amplitude and frequency of vibration. As a multimodal response can occur, an energy parameter is used to distinguish the dominant frequency of oscillation. The inertial component of the force is calculated considering the added mass variation along the structure due to VIV. In the flow direction, the drag amplification is calculated as a function of the amplitude of cross-flow vibration. The VIV prediction procedure was verified comparing results from numerical simulation and experimental tests reported in the technical literature. In general, a good agreement was observed between numerical and experimental results
Subject: Engenharia de petróleo
Estruturas marítimas - Hidrodinâmica
Vibração (Engenharia naval)
Vórtices
Pipeline
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2017
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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