30/05/2018

Desenvolupen un sistema per minimitzar els efectes dels corrents marins a les estructures oceàniques

Investigadors de la URV han patentat un mètode per fer disminuir les vibracions que tenen determinades instal·lacions, com les plataformes petrolieres

L'investigador Francisco Huera davant del canal hidrodinàmic amb una simulació de les estructures oceàniques que es mouen a l’oceà.

Les plataformes petrolieres situades al mar de les quals s’extreu petroli o gas marí, foraden el subsòl per arribar a la zona on es troba el combustible, a centenars de metres del fons. Són instal·lacions que han de suportar els corrents marins i la maquinària que hi ha a la part que no està immersa a l’oceà. En definitiva, centenars de metres i metres d’estructures i tubs que estan sotmesos als corrents marins.

Des de fa anys es busquen solucions per minimitzar l’impacte dels corrents en aquestes estructures. Ara, el grup de recerca Laboratori d’Interacció Fluid-Estructura (LIFE) de la URV, liderat per l’investigador Francisco Huera, ha estudiat un nou sistema per minimitzar l’impacte dels corrents i de moment els resultats que han obtingut donen bones solucions En la recerca ha estudiat la resposta dinàmica de les estructures quan es veuen afectades per corrents a l’oceà. Ha pogut reproduir aquest fenomen a escala de laboratori, utilitzant estructures que tenen les mateixes característiques mecàniques d’esmorteïment, massa i rigidesa, amb formes que simulen les reals.

Amb els resultats experimentals dels assajos i els models teòrics ha pogut determinar per quina raó les estructures es mouen al mar i com ho fan depenent de la forma que tenen. S’han utilitzat, també, sistemes de mesura òptics com la velocimetria per imatge de partícules (PIV) per quantificar el camp de velocitats al voltant dels models a escala que han utilitzat.

Amb els estudis que han fet al canal hidrodinàmic de la URV — on poden desenvolupar sistemes que representen estructures oceàniques que es mouen a l’oceà i simular-ne corrents ultracontrolats—, han buscat la manera per evitar les vibracions de les estructures, que no hi hagi resposta dinàmica. Si en una d’aquestes instal·lacions petrolieres hi ha moviment, es pot produir fatiga estructural i xocs entre els diferents elements de l’estació.  És molt important per a la indústria naval o petroliera regular aquestes vibracions de forma passiva: sense utilitzar sistemes que gastin energia, és a dir, trobar estratègies per controlar el flux modificant la forma i la flexibilitat de l’estructura a fi de reduir l’efecte de les turbulències.

Fins ara els sistemes que s’havien desenvolupat disminueixen les vibracions, però, en canvi, augmenten l’arrossegament i l’estructura aguanta més forces i, per tant, s’ha de construir una estructura més gran per suportar tot el moviment. Per això, s’ha ideat un sistema que elimina les vibracions i les oscil·lacions del mar i, al mateix temps, no fa incrementar les forces que fa el corrent sobre l’estructura.

Simulació al canal hidrodinàmic de la URV d’una estructura oceànica, a l’esquerra sense el sistema que han patentat, i a la dreta amb la solució patentada que minimitza les vibracions.

 

El sistema que el grup ha creat —i ja està en tràmit de patent europea—, és una geometria que es col·loca al voltant de l’estructura. Les estructures vibren perquè quan el corrent fa que el flux passi al voltant es generen inestabilitats fluidomecàniques que ocasionen forces variables en el temps. Al final l’estructura es mou per l’acció de les forces que genera el corrent i és tot just això és el que es vol controlar: que les vibracions no siguin grans a causa de les implicacions que tenen.

Han folrat aquestes estructures amb una malla que té una geometria concreta, trenca l’estela i minimitza les forces que l’aigua fa sobre l’estructura. D’aquesta manera la construcció deixa de moure’s: han eliminat gairebé el cent per cent les vibracions. Ara, l’únic que faltaria és fer provar-ho a gran escala o al mar, ja que al laboratori no es poden generar els corrents tant forts com els reals. Els materials amb què han desenvolupat la malla no són importants, el que realment és essencial és la geometria i el fet que la solució aportada és de baix cost i té una manufactura senzilla que la permet fabricar en sèrie.

El canal hidrodinàmic

 El canal hidrodinàmic de la URV va ser dissenyat per l’investigador Francisco Huera, del Departament d’Enginyeria Mecànica. Està en funcionament des de 2011 i forma part del Laboratori d’Interacció Fluid-Estructura (LIFE), que consta, a més a més, de dos túnels de vent, un d’ells de capa límit. Al grup de recerca LIFE es duen a terme projectes de recerca bàsica en l’àmbit de la mecànica de fluids i la interacció fluid-estructura. També treballa per a empreses, en els sectors de l’enginyeria del vent i l’aerodinàmica industrial, l’enginyeria mecànica, l’automoció, les energies renovables i l’enginyeria oceànica.

Referència bibliogràfica: Huera-Huarte (2017). “Suppression of vortex-induced vibration in low mass-damping circular cylinders using wire meshes”. Marine Structures. https://doi.org/10.1016/j.marstruc.2017.05.008

Huera-Huarte (2018). “Dynamics and excitation in a low mass-damping cylinder in cross-flow with side-by-side interference”. Journal of Fluid Mechanics  (pendent de publicación).