Interação fluido/estrutura em ambiente offshore

Abstract

Sendo a exploração petrolífera offshore uma área de relevo mundial e o principal motor económico de muitos países, a escassez de estudos nesta área em Portugal bem como as recentes sondagens, onde foram apresentadas novas localizações de jazidas de petróleo e gás natural no território nacional, motivaram à realização desta dissertação. As ações dinâmicas não lineares presentes em ambiente offshore (ações hidrodinâmicas, sísmicas e do vento) tornam-se determinantes na tomada de decisões desde a fase de dimensionamento de plataformas offshore até ao seu desmantelamento. Nestas estruturas, de grandes dimensões e com grandes especificidades, é de esperar um afastamento entre a realidade dos fenómenos e os resultados obtidos por métodos de cálculo regulamentares, sendo por vezes necessário o recurso a modelos experimentais. Contudo, nos últimos anos, o potencial da modelação do fluído pelo método da dinâmica computacional de fluídos (CFD) aumentou exponencialmente, permitindo a reprodução (com um grau de fiabilidade elevado) dos fenómenos físicos e/ou físico-químicos de fluídos que apresentem escoamento. Esta é uma alternativa indiscutivelmente menos dispendiosa em custos e tempo de modelação. Esta dissertação desenvolveu-se no âmbito do Sub-Cluster: Oil and Gas da unidade de investigação ISISE, tendo em vista o estudo uma situação de Interação Fluído/Estrutura (FSI) em ambiente Offshore. Uma plataforma petrolífera offshore do tipo jacket foi submetida às ações das ondas e das correntes. Os objetivos principais desta dissertação foram aprender a modelar ações hidrodinâmicas num software de modelação CFD e aplicar esses conhecimentos num estudo do comportamento estrutural recorrendo à co-simulação com o ABAQUS. Para tal, fez-se uso das capacidades distintas de dois software de modelação numérica procedendo-se à co-simulação dinâmica unidirecional: - O fluido foi modelado no programa STAR-CCM+, possibilitando introduzir neste as características das ações ambientais. - A estrutura foi modelada no programa estrutural de elementos finitos ABAQUS. - Os modelos foram acoplados através do SIMULIA Co-simulation Engine, responsável pela transferência das pressões e das tensões de corte provocadas pela ação do fluido sobre a estrutura.

The increasing use of oil, enlarged its exploration to offshore environmental. The deposits found appeared very deep, leading to the need to build stable structures to aid its extraction. However, environmental conditions on offshore structures exhibit dynamic, non-linear and unpredictable behavior. It makes the analysis of these structures one of the most demanding tasks of structural engineering. The most recent and powerful method to analyse this type of fluid-structure interaction is with a numerical software with the capability to use the Computational Fluid Dynamics (CFD) modelling. Compared with the experimental method, this one takes advantage on reducing the construction costs of the model and on reducing the consuming time in the analyses. This study was developed in the Sub-Cluster: Oil and Gas of the Research Unit ISISE. In this study, a one-way coupled fluid-structure interaction (FSI) between ocean waves, ocean currents and a jacket offshore platform structure was modeled. The main objectives of this study were: i) investigate the recent capabilities of CFD’s software (STAR-CCM+) to model hydrodynamic loads; ii) to understand how to carry out a co-simulation with ABAQUS; iii) and to demonstrate how it can be used in the design and optimization stages. This problem was divided in two parts: a structural model and a volume of fluid (VOF) based on hydrodynamics models. To synchronize data between these two models, an interface was defined. The structure was modeled in ABAQUS with a 3D Finite Element (FE) model with the aim to determine the deformation caused by the hydrodynamics loads. The environmental conditions were modeled in STAR-CCM+, using a Computational Fluid Dynamics (CFD) model.