Simulación CFD de amarres y catenarias

Amarres, catenarias

La versión actual de FLOW-3D permite múltiples objetos en movimiento conectados a través de cuerdas elásticas con otros objetos que se mueven o fijos. Se asume que las cuerdas no tienen peso y siempre permanecen rectas cuando están estiradas. La tensión es uniforme a lo largo de las cuerdas y simplemente se relaciona con la extensión de la cuerda con la constante elástica. Se omiten los efectos dinámicos sobre el movimiento de los objetos a los que están anclados. Estos supuestos han impuesto limitaciones al modelo de muelles y cuerda. Por ejemplo, cuando simula el movimiento de un buque flotante amarrado, el modelo funciona para amarres tensos pero falla para amarres a través de catenaria. Esto sucede porque un amarre tirante tiene un peso despreciable en comparación con la tensión de línea y es casi recto en la forma, mientras que una catenaria tiene un elevado peso que afecta significativamente la forma y la dinámica de la línea.

Descripción del modelo

Para superar estas limitaciones, se ha desarrollado un nuevo tipo de amarre que está implementado en FLOW-3D versión 11.1. El modelo considera la fuerza de gravedad, flotabilidad, arrastre de líquido y la tensión en las líneas de amarre. Se calcula la dinámica 3D de los amarrae así como sus interacciones dinámicas a los objetos anclados. Las líneas pueden ser tensas o flojas, y se calcula su forma instantáneamente.

El modelo utiliza un enfoque de segmentos finitos para resolver numéricamente la dinámica 3D dinámica de la línea de amarre. Cada línea se divide uniformemente en un cierto número de segmentos discretos. Se usa un algoritmo para calcular el time step, la ubicación y la velocidad del centro de masa para cada segmento  resolviendo la ecuación dinámica del movimiento. Las fuerzas de fricción fluida en las direcciones normales y tangenciales del segmento se calculan siguiendo la ley de fricción cuadrática. La fuerza de tensión en la articulación de dos segmentos vecinos se calcula mediante la ley de Hooke utilizando la constante elástica del segmento y la extensión de la línea entre los dos centros de masivos. La forma de una línea de atraque está determinada por la distribución espacial de los centros de masas de todos sus segmentos. Se implementa el acoplamiento dinámico de los amarres con los objetos en movimiento de forma que la dinámica de las líneas proporciona la fuerza de tensión en los objetos mientras que los objetos proveen las ubicaciones finales traba para las líneas.

Resultados de la simulación

Las animaciones 1 y 2 muestran un resultado de una simulación de cuatro líneas de amarres no tensos que están anclados en el fondo marino y atados a un objeto flotante a la deriva en una ola progresiva. El objeto tiene un tamaño de 64 x 72 m x 30 m y una densidad de 500 kg/m³. La ola no lineal es de 10 m de altura con un período de 8s. La profundidad del agua es de 70 m. Cada línea de atraque tiene una longitud imperturbada de 85 m. La densidad lineal de las líneas de amarre sintético es 5 kg/m y la constante elástica de 2.4 x 10⁵ N/m. Los coeficientes de fricción normal y tangencial para las líneas son 1.0 y 0,3, respectivamente. Cada línea se divide en 31 segmentos que están representados por los círculos en la animación. Inicialmente, las amarras están en equilibrio estático con forma de catenaria. Impulsado por las olas, el objeto se mueve y traza las líneas de amarre en la dirección de la propagación de la onda. Con el tiempo, las dos líneas posteriores cambian de flojos a tensos y experimentan una extensión considerable, mientras que las dos primeras líneas sigue siendo flojo y sus formas fluctúan con el movimiento ondulatorio. Al final de la simulación, la posición media del objeto se mantiene con éxito por las líneas de amarre tenso.

Animación 1. Un objeto flotante conducido por el movimiento ondulatorio es refrenado por amarras

 

Animación 2. Correspondiente movimiento de las líneas de amarre

 

 

Aplicaciones del modelo

El modelo de amarre mediante catenarias tiene muchas aplicaciones de ingeniería. Una de las aplicaciones más importantes es los sistemas de amarre para producción de energía flotante, boyas,  almacenamiento y buques de descarga (FPSO) en la industria de gas y petróleo. También puede ser utilizado para simular amarres para convertidores de energía de olas  (WECs),  barcos anclados y muchos otros amarradas estructuras, equipos y dispositivos. Con la incorporación del modelo de amarres, FLOW–3D ayudará a los usuarios para simular mejores problemas del mundo real.