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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2022.tde-15082023-082900
Document
Author
Full name
Igor Andrade Coutinho
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2022
Supervisor
Committee
Yanagihara, Jurandir Itizo (President)
Carvalho, Leonardo de Oliveira
Nishimoto, Kazuo
 
Title in Portuguese
Análise numérica do efeito da oscilação e correnteza sobre coeficientes hidrodinâmicos de geometrias simples.
Keywords in Portuguese
Coeficientes hidrodinâmicos
Correntes de maré
Dinâmica dos fluidos computacionais
Discos
Oscilação forçada
Abstract in Portuguese
Em uma operação de lançamento/içamento de equipamentos submarinos na indústria offshore, vários fatores são importantes para uma instalação segura e econômica dentro de uma janela de operação. Um desses fatores são os coeficientes hidrodinâmicos dos equipamentos a serem instalados. Os coeficientes podem ser obtidos, experimentalmente ou numericamente, aplicando um movimento oscilatório que representa os efeitos da condição do mar e do movimento da embarcação. Contudo, essas aplicações simplificam as condições durante uma operação real e desconsideram efeitos importantes como a corrente oceânica. Este trabalho investiga numericamente o efeito da correnteza em conjunto a oscilação forçada nos coeficientes hidrodinâmicos de discos a partir da análise de dois parâmetros de influência: o número de Keulegan-Carpenter (KC) e a velocidade de correnteza reduzida (Vr). Um processo de validação do modelo numérico foi realizado em etapas para suprir a falta de referências sobre o assunto. O modelo foi comparado aos resultados de Direct Numerical Simulations (DNS) para baixos número de Reynolds (Re), em uma análise qualitativa e quantitativa, aplicado a condições mais amplas encontradas em operações reais, com KC de até 3, Vr de até 0,3 e para Re altos, de até 240 mil. Os coeficientes hidrodinâmicos de arrasto (Cd) e de massa adicional (Ca) tiveram mudanças significativas quando adicionado a correnteza nas simulações. Em resumo, ocorre um aumento de Cd e uma redução de Ca conforme Vr aumenta. Considerando condições reais de operações, os mesmos resultados são encontrados, com variações de Cd de até 300% e de Ca de até 36% para baixos KC. Os efeitos da correnteza também são percebidos nos vórtices. KC e Vr influenciaram diretamente a geração dos vórtices e até mudanças de formatos que ocorreram alterando estes parâmetros. Por fim, comparou-se a janela de operação de instalação na região de entrada na água utilizando coeficientes padrões da norma e os coeficientes encontrados neste trabalho.
 
Title in English
Numerical analysis of the effect of oscillation and current on hydrodynamic coefficients of simple geometry.
Keywords in English
CFD
Current
Disk
Forced oscillation
Hydrodynamic coefficients
Operation window
Abstract in English
In a launching/lifting operation of subsea equipment in the offshore industry, several factors are important for a safe and economical installation within an operating window. One of these factors is the hydrodynamic coefficients of the equipment to be installed. The coefficients can be obtained, experimentally or numerically, by applying an oscillatory motion that represents the effects of sea condition and vessel motion, but these applications simplify conditions during a real operation and disregard important effects such as ocean current. This work investigates numerically the effect of current together with forced oscillation on the hydrodynamic coefficients of disks. Analyzing two influence parameters, the Keulegan-Carpenter number (KC) and the reduced current velocity (Vr). A numerical model validation process was carried out in stages to overcome the lack of references on the subject. The model was compared with Direct Numerical Simulation (DNS) results for low Reynolds number (Re), in a qualitative and quantitative analysis, and then applied to broader conditions found in real operations, with KC up to 3, Vr up to 0.3 , and for high Re, up to 240 thousand. The hydrodynamic coefficients of drag (Cd) and additional mass (Ca) had significant changes when added the current in the simulations. In summary, Cd increases and Ca decreases as Vr increases. Considering real operating conditions, the same results are found, with variations of Cd up to 300% and of Ca up to 36% for low KC. The effects of the current are also perceived in the vortices. KC and Vr directly influenced the generation of vortices and even shape changes occur by altering these parameters. Finally, the installation operation window in the water inlet region was compared using standard coefficients of the norm and the coefficients found in this work.
 
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Publishing Date
2023-08-16
 
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