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Tese de Doutorado
DOI
Documento
Autor
Nome completo
Jordi Mas Soler
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2018
Orientador
Banca examinadora
Simos, Alexandre Nicolaos (Presidente)
Cruz, José Jaime da
Iseki, Toshio
Nishimoto, Kazuo
Ragazzo, Clodoaldo Grotta
Título em inglês
Assessing the use of a semisubmersible oil platform as a motion-based sea wave sensor.
Palavras-chave em inglês
Bayesian inference
Extreme sea conditions
Motion-based wave inference
Prior distribution
Semisubmersible platform
Viscous damping
Resumo em inglês
This thesis assesses the use of the measured motions of a semisubmersible oil platform as a basis for estimating on-site wave spectra. The inference method followed is based on the wave buoy analogy, which aims at solving the linear inverse problem: estimate the sea state, given the measured motions and the transfer function of the platform. Directional wave inference obtained from the records of vessels motions is a technique that has seen its application grow signicantly over the last years. As a matter of fact, its applications in ships with forward speed and ship-shaped moored platforms (such as FPSOs) have provided good results. However, little research has been done regarding the use of semisubmersible platforms as wave sensors. This is due to the fact that these platforms are designed to present no signicant responses when excited by waves. Notwithstanding this, the semisubmersible platforms are characterized by measurable small motions. Moreover, if compared with ship-shaped motion-based wave sensors, the responses of the semisubmersibles are in better agreement with the response characteristics estimations obtained by means of linear hydrodynamic models. In addition, the eminently linear characteristics of the responses often lasts even for severe wave conditions. This feature results in that the semisubmersible platforms stand as a promising wave sensor even for extreme sea states, conditions in which other types of sensors (i.e. buoys, radars) may face diculties. Throughout the text, the main results of this work are presented and discussed. These results are mainly based on a dedicated experimental campaign, carried out with a scaled model of the Asgar-B platform, which is a semisubmersible platform located in the Asgard eld oshore Norway. Regarding the sea states tested during the experiential campaign, they were estimated by means of a motion-based Bayesian inference method, which has been developed for more than then years at the EPUSP. In order to allow the adoption of the semisubmersible platforms as a motion based wave sensors, this thesis provides two signicant improvements of the method: rst, a method to obtain an estimation of the linearized equivalent external viscous damping is provided. This analytical methodology allows to reduce the uncertainty of the transfer function of the platform close to the resonances of the motions and, as a consequence, it increases the accuracy of the inference approach. The second relevant contribution is the development of an alternative prior distribution, which is adopted to introduce the prior beliefs regarding the sea state in the Bayesian inference approach. It is shown that although some aspects of this novel approach require further evaluation in future work, the prior distribution developed has potential to improve the accuracy of wave estimates, and, at the same time, it signi cantly simplies the calibration procedures followed by other state-of-the-art Bayesian wave inference methods. Summing up, the inference approach proposed in this work provides the bases to use each semisubmersible oil platform, which stand as the most common type of oil platforms operated oshore Brasil, as a motion based wave sensor, thus contributing to the possible broadening of the Brazilian oceanographic measurement network.
Título em português
Avaliação do uso de uma plataforma de óleo e gás do tipo semi-submersível como um sensor de onda marítimo baseado em movimento.
Palavras-chave em português
Hidrodinâmica
Inferência Bayesiana
Maré
Ondas
Resumo em português
A presente tese investiga a adoção de plataformas de petróleo semi submersíveis como base para inferência das condições de onda através do monitoramento de seus movimentos. O problema em questão consiste na solução do problema inverso de comportamento em ondas; ou seja, uma vez observados os movimentos da unidade flutuante (e conhecidas suas funções de resposta de movimento), estima-se as condições de ondas que os causaram. Este tipo de método já vem sendo empregado há anos para navios em curso e também para navios convertidos em plataformas de petróleo (os chamados FPSOs) com bons resultados. No entanto, o possível emprego de plataformas semi-submersíveis para o mesmo fim foi muito pouco explorado até o momento. Evidentemente, isso decorre da suposição de que, uma vez que essas estruturas são projetadas com o intuito primeiro de atenuar os movimentos decorrentes das ações de ondas, naturalmente elas não seriam bons sensores para esta finalidade. Os resultados apresentados nesta tese, todavia, contrariam tal suposição. De fato, as semi-submersíveis respondem de forma fraca as ondas, porem esta resposta é mensurável. Não apenas isso, mas, em comparação com os cascos de navios, esta resposta adere melhor às previsões dos modelos hidrodinâmicos lineares a partir dos quais as características da plataforma são estimadas. Ademais, o caráter eminentemente linear da resposta muitas vezes perdura inclusive para condições de ondas severas. Isto, por sua vez, torna as semi-submersíveis promissoras inclusive para a estimação de mares extremos, situação nas quais os outros tipos de sensores (boias, radares) enfrentam dificuldades. Nesta tese, a demonstração destes fatos é sustentada por um extenso conjunto de testes experimentais realizados em tanque de ondas com um modelo em escala reduzida de uma plataforma que hoje opera no Mar do Norte. Para tanto, foi empregado um método de inferência Bayesiana para estimação de ondas em navios que vem sendo desenvolvido na EPUSP há mais de dez anos. Para o estudo das semi-submersíveis o trabalho propõe duas melhorias importantes no método: A primeira consiste em um procedimento analítico para prever o amortecimento hidrodinâmico de origem viscosa dos movimentos observados do casco. Este procedimento permite reduzir as incertezas quanto a função de resposta em condições de ressonância dos movimentos com as ondas e, dessa forma, aumentar a confiabilidade do método. A segunda contribuição relevante é a proposição de uma alternativa para a chamada distribuição a priori originalmente empregada pelo método Bayesiano. Demonstra-se que, embora alguns aspectos desta nova metodologia ainda necessitem de uma avaliação adicional em trabalhos futuros, a nova distribuição tem grande potencial para melhorar a precisão das estimativas de ondas, além de simplificar de maneira significativa os procedimentos atuais de calibração do sistema de inferência. Em suma, o método de inferência aqui proposto abre caminho para tornar cada unidade flutuante de óleo e gás do tipo semi-submersível, um dos sistemas de produção mais frequentes nas costas brasileiras, um eventual ponto de monitoramento de ondas, contribuindo então para a possível ampliação de nossas bases de medição oceanograficas.
 
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Data de Publicação
2019-07-26
 
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