30/05/2018

Desarrollan un sistema para minimizar los efectos de las corrientes marinas en las estructuras oceánicas

Investigadores de la URV han patentado un método para reducir las vibraciones que tienen determinadas instalaciones, como las plataformas petroleras

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

Las plataformas petroleras situadas en el mar de las cuales se extrae petróleo o gas marino, agujerean el subsuelo para llegar a la zona donde se encuentra el combustible, a centenares de metros del fondo. Son instalaciones que deben soportar las corrientes marinas y la maquinaria que hay a la parte que no está inmersa en el océano. En definitiva, centenares de metros y metros de estructuras y tubos que están sometidos a las corrientes marinas.

Desde hace años se buscan soluciones para minimizar el impacto de las corrientes en estas estructuras. Ahora, el grupo de investigación Laboratorio de Interacción Fluido-Estructura (LIFE) de la URV, liderado por el investigador Francisco Huera, ha estudiado un nuevo sistema para minimizar el impacto de las corrientes y de momento los resultados que han obtenido dan buenas soluciones. En la investigación ha estudiado la respuesta dinámica de las estructuras cuando se ven afectadas por corrientes al océano. Ha podido reproducir este fenómeno a escala de laboratorio, utilizando estructuras que tienen las mismas características mecánicas de amortiguamiento, masa y rigidez, con formas que simulan las reales.

Con los resultados experimentales de los ensayos y los modelos teóricos ha podido determinar por qué razón las estructuras se mueven en el mar y como lo hacen en función de la forma que tienen. Se han utilizado, también, sistemas de medida ópticos como la velocimetría por imagen de partículas (PIV) para cuantificar el campo de velocidades alrededor de los modelos a escala que han utilizado.

Con los estudios que han realizado en el canal hidrodinámico de la URV — donde pueden desarrollar sistemas que representan estructuras oceánicas que se mueven en el océano y simular corrientes ultracontroladas—, han buscado la manera de evitar las vibraciones de las estructuras, que no haya respuesta dinámica. Si en una de estas instalaciones petroleras hay movimiento, se puede producir fatiga estructural y choques entre los elementos de la estación. Es muy importante para la industria naval o petrolera regular estas vibraciones de forma pasiva: sin utilizar sistemas que gasten energía, es decir, encontrar estrategias para controlar el flujo modificando la forma y la flexibilidad de la estructura para reducir el efecto de las turbulencias.

Hasta ahora los sistemas que se habían desarrollado disminuyen las vibraciones, pero, en cambio, aumentan el arrastre y la estructura aguanta más fuerzas y, por lo tanto, es necesario construir una estructura más grande para soportar todo el movimiento. Por eso, se ha ideado un sistema que elimina las vibraciones y las oscilaciones del mar y, al mismo tiempo, no aumenta las fuerzas que la corriente provoca sobre la estructura.

Simulación el el hidrodinámico de la URV de una estructura oceánica: La imagen de la izquierda, sin el sistema que han patentado, y a la derecha con la solución patentada que minimiza las vibraciones.

 

El sistema que el grupo ha creado —y está en trámite de patente europea—, es una geometría que se coloca alrededor de la estructura. Las estructuras vibran porque cuando la corriente hace que el flujo pase alrededor se generan inestabilidades fluidomecánicas que ocasionan fuerzas variables en el tiempo. Al final, la estructura se mueve por la acción de las fuerzas que genera la corriente y es esto lo que se quiere controlar: que las vibraciones no sean grandes debido a las implicaciones que tienen.

Han cubierto estas estructuras con una malla que tiene una geometría concreta, rompe la estela y minimiza las fuerzas que el agua hace sobre la estructura. De este modo la construcción deja de moverse: han eliminado casi el cien por cien las vibraciones. Ahora, lo único que faltaría es probarlo a gran escala o en el mar, puesto que en el laboratorio no se pueden generar las corrientes tan fuertes como las reales. Los materiales con que han desarrollado la malla no son importantes, lo que realmente es esencial es la geometría y el hecho que la solución aportada es de bajo coste y tiene una manufactura sencilla que permite la fabricación en serie.

El canal hidrodinamico

El canal hidrodinámico de la URV fue diseñado por el investigador Francisco Huera, del Departamento de Ingeniería Mecánica. Está en funcionamiento desde 2011 y forma parte del Laboratorio de Interacción Fluido-Estructura (LIFE), que consta, además, de dos túneles de viento, uno de ellos de capa límite. En el grupo de investigación LIFE se llevan a cabo proyectos de investigación básica en el ámbito de la mecánica de fluidos y la interacción fluido-estructura. También trabaja para empresas, en los sectores de la ingeniería del viento y la aerodinámica industrial, la ingeniería mecánica, la automoción, las energías renovables y la ingeniería oceánica.

Referencia bibliográfica: 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  (pendiente de publicación).