64
CURS 13 SISTEME MARIME NECONVENŢIONALE Principiile menţinerii pe locaţie. Cazul poziţionării dinamice

3 CURS 13 Pozitionarea Dinamica [Compatibility Mode]

Embed Size (px)

DESCRIPTION

3455

Citation preview

  • CURS 13SISTEME MARIME

    NECONVENIONALE

    Principiile meninerii pe locaie.Cazul poziionrii dinamice

  • Activitile moderne n ingineria offshore presupun migrarea ctre adncimi din ce n ce mai mari. Acest lucru presupune abordarea unor probleme complexe privind capabilitatea existent i tehnologiile care vor trebui dezvoltate pentru a gsi soluiile adecvate.Operarea navelor i structurilor offshore constituie, cu siguran, una dintre cele mai mari provocri n ingineria marin. O bun capacitate de meninere pe locaie trebuie asigurat pentru ntraga gam de operaiuni specifice deosebit de complexe.Un exemplu deosebit l constituie chiar operarea la adncimi mari i foarte mari (deep and very deep waters) dat fiind complexitatea modelelor matematice i a metodelor experimentale.

  • Formularea problemei soecifice n cazul poziionrii dinamice trebuie realizat pornind de la formularea problemei generale privind comportarea structurilor plutitoare care a fost discutat ntr-un capitol anterior.Acest lucru presupune considerarea tuturor factorilor de mediu datorate mediului nconjurtor (n principal valurile, vntul i curenii marini) ale cror efecte au fost prezentate centralizat.De aceast dat ns, trebuiesc reconsiderate acele componente care sunt principala surs i care trebuie compensate. Aceast observaie este subliniat n tabelul general care a mai fost discutat.

  • Sursele de excitaie Componentele forelor Efecte principale

    V

    a

    l

    u

    r

    i

    l

    e

    Fore oscilatorii de excitaie de ordinul I. Micrile oscilatorii de ordinul I, avnd frecvena valului,care induc variaii de tensiuni n linia de ancorare, ntr-ogam de frecvene cuprins ntre 0,050,5 Hz.

    Fore de deriv medii, de ordinul II, n valuri regulate.

    Deplasarea medie a structurii, care induce tensiunimedii n linia de ancorare.

    Fore de deriv de ordinul II, datorate aciunii valurilor neregulate i care au o variaie foarte lent.

    Micri oscilatorii de ordinul II, cu variaie foartelent, care induc tensiuni suplimentare n linia deancorare, n gama de frecvene cuprins ntre0,0020,03 Hz.

    V

    n

    t

    u

    l

    Fore de deriv medii, cu posibilitatea apariiei unei componente cu variaie lent, datorit condiiilor nestaionare.

    Deplasarea medie a structurii, care induce tensiuni medii n linia de ancorare i posibilitatea apariiei componentelor cu variaie foarte lent a deplasrii i tensiunii.

    C

    u

    r

    e

    n

    i

    i

    m

    a

    r

    i

    n

    i

    Fore medii Deplasarea medie a structurii i tensiuni medii n liniade ancorare.

    Vrtejuri care induc fore oscilatorii asupra structurii i liniilor de ancorare individuale.

    Micri oscilatorii ale structurii i tensiuni oscilatorii nliniile de ancorare, n gama de frecvene cuprins ntre0,15 Hz.Vibraia liniei de ancorare, n zona de frecvene cuprinsntre 0,0010,005 Hz.

    A

    c

    i

    u

    n

    e

    a

    c

    o

    m

    b

    i

    n

    a

    t

    a

    v

    a

    l

    u

    r

    i

    l

    o

    r

    ,

    v

    n

    t

    u

    l

    u

    i

    i

    c

    u

    r

    e

    n

    i

    l

    o

    r

    m

    a

    r

    i

    n

    i

    Fore dependente de direcia aciunii factorilor de mediu.

    Instabiliti ale sistemului, care genereaz oscilaiintreinute, cu variaie foarte lent.

    Fore tranzitorii Oscilaii ale sistemului la rezonan.Fore i caracteristici ale sistemului neliniar.

    Oscilaii subarmonice ale sistemului.

    Instabiliti de tip Mathieu. Instabiliti ale sistemului, care induc fore de redresarearmonice i elasticitate liniar.

  • Bazat pe binecunoscutele ipoteze simplificatoare (modelul Euler) rememorm c problema general const n determinarea potenialului de vitez (x,y,z,t), care poate fi definit sub forma

    tiezyxtzyx = ),,(),,,(unde, (x,y,z) reprezint partea staionar a funciei (x,y,z,t).Utilizarea principiului superpoziiei potenialul vitezelor poate fi divizat n componentele deja cunoscute

  • U (x,y,z) este potenialul datorat deplasrii navei n ap calm (rezistena la naintare a navei);

    I (x,y,z,t) este potenialul valului incident;

    D(x,y,z,t) este potenialul de difracie i

    R (x,y,z,t) este potenialul de radiaie.

    Potenialele sunt soluiile unei probleme la limit cu condiii iniiale, dup cum a mai fost prezentat anterior.

  • Ne reamintim c, pentru rezolvarea problemeigenerale, este necesar ca potenialul de viteze, (respectiv ), trebuie s satisfac condiiile:- Ecuaia de continuitate (Laplace);- Condiia pe suprafaa liber;- Condiia de radiaie la infinit amonte;

    - Condiia cinematic pe fundul mrii;

    - Condiiile la limit pentru problema difraciei;- Condiiile pentru problema radiaiei, caz n care componentele normale ale vitezelor la suprafaa corpului i respectiv ale fluidului n orice punct ale suprafeei S trebuie s fie aceleai.

  • Utiliznd metoda dezvoltrii n serii de putereconvergente dup un parametru mic, , se poate scrie

    )(0)(0

    )(0)(0

    )(0

    3)2(2)1()0(

    3)2()2()1()0(

    3)2()2()1()0(

    3)2(2)1()0(

    3)2(2)1(

    +++=

    +++=

    +++=

    +++=

    ++=

    extextextext FFFF

    pppp

    NNNNXXXX

    rrr

    obinndu-se astfel o preblem la limit de ordinul II pentruorice moment de timp, t pe suprafaa udat S.

    Generarea aa-numitei probleme de ordinul II se bazeaz pe teoria cunoscut i sub numele de teoria micului parametru, dezvoltat de Nayfeh & Mook.

  • 0)2( = (ecuaia Laplace)

    ( )

    ( ) .,;,0

    ;0,1

    )0()2()1()1()1()0()2(

    )0()2(

    2

    )1(2)1()1(2)1(

    2

    2)2(

    mSonNVNgradVNgradhzonNgrad

    zontgzzt

    gradttz

    g

    ===

    =

    +

    +

    =

    +

    Ca de obicei, obinerea unicitii soluiilorproblemei radiaiei se face prin impunereacondiiilor iniiale.

    Utiliznd principiul superpoziiei pot fi obinuteurmtoarele dezvoltri

  • ( ) ( ) ( ))3()2()2()2()2()1()1()1( 0 ++++++==++=

    RDIRDI

    RDI

    n consecin, rezolvnd problema la limit cucondiii iniiale i utiliznd ecuaia lui Bernoulli, potfi determinate presiunile pn la ordinul II,integrarea lor pe suprafaa udat a corpuluiconducnd la determinarea forelor i momentelorhidrodinamice date de aciunea valului pn laordinul II.

    ==0

    ),0,0()0()0()0(S

    w gVdSNZgF

    ( ) +=0

    )1()0()0()1()1(

    Sw dSNpNpF

  • XBXAFR &&& =

    [ ] [ ])2()2()2()2(2)1()1()1( XBXAXBXAFR &&&&&& +++=

    Utilizarea teoriei liniare permite evaluareacontribuiei date de potenialul de radiaie

    ( ) ++=SS

    w dSNpdSNpNpNpF)0()1()2()0()0()2()1()1()2(

    0

    Rezolvarea sistemului de ecuaii generale demicare permite evaluarea comportrii structuriiconstnd n micrile de translaie i de rotaie deordinul I i respectiv de ordinul II.

  • Problema poziionrii dinamice poate fi abordatplecnd de la comportarea unei structuri genericesub aciunea factorilor de mediu (n principal: val,vnt i curent). Figura de mai jos este un exemplucare se refer la micarea de tip surge.

  • n cazul structurilor plutitoare problema cea mai important o constituie modalitatea de meninere pe locaie astfel nct s poat fi ndeplinite operaiunile pentru care a fost construit. Comparaiile de mai jos se refer la opiunile de principiu posibile legate de meninerea pe locaie:

    Jack-up BargeAvantaje: Nu sunt necesare sisteme complexe de propulsie (thrusters), generatoare sau mijloace de control.Nu exist riscul pierderii poziiei datorate nefuncionrii sau defectrii mijloacelor de meninere pe locaie.Nu pot apare disfuncionaliti neprevzute ale propulsoarelor.Dezavantaje: Odat poziionat structura nu mai este manevrabil.Adncimea maxim de lucru este limitat la cca. 175 meters.

  • Ancorarea (Anchoring)Advantaje:Nu sunt necesare sisteme complexe de propulsie (thrusters), generatoare sau mijloace de control.Nu exist riscul pierderii poziiei datorate nefuncionrii sau defectrii mijloacelor de meninere pe locaie.Nu pot apare disfuncionaliti neprevzute ale propulsoarelor.Dezavantaje:Dup instalare maneverabilitatea este limitat.Este necesar asistena navelor de tip AHTS.Ancorarea este mai puin potrivit la adncimi mari ale apei.Timpul necesar manevrelor de ancorare variaz ntre cteva ore pna la cteva zile.Sunt limitri impuse de structura i obstacolelor de pe fundul mrii (pipelines, seabed).

  • Poziionarea dinamic (Dynamic Positioning)Advantaje: Manevrabilitatea este excelent; schimbarea poziiei este uoar.Nu este necesar asistena navelor de tip AHTS.Nu depinde de adncimea apei.Instalarea pe locaie este rapid.Nu este limitat de posibilele obstacole de pe fundul mrii.Dezadvantaje: Au sisteme complexe cu propulsoare (thrusters), generatoare suplimentare i sisteme de control.Costurile iniiale de instalare sunt mari.Costurile cu consumul de combustibil sunt mari.Exist riscul pierderii poziiei datorit defectrii sau ncetrii funcionrii sistemelor.Pot apare evenimente subacvatice ale propulsoarelor legate de prezena scafandrilor i a ROV-urilor.Necesitatea asigurrii mentenanei sistemelor mecanice.

  • Asupra unei nave acioneaz fore i momente date de vnt, valuri i cureni precum i forele i momentele generate de sistemul de propulsie.

  • Rspunsul navei la aciunea acestor fore const n modificarea poziiei, a unghiului de cap i a vitezei msurate fa de un sistem de referin cu ajutorul girocompasului i a senzorilor de referin. Valorile furnizate pentru micrile de ruliu (roll) i tangaj (pitch) sunt corectate pe baza utilizrii senzorii de referin vericali. Viteza i direcia vntului sunt msurate utiliznd senzorii de vnt.

  • Sistemul de control al poziionrii dinamice calculeaz forele i momentele pe care trebuie s le genereze propulsoarele astfel nct s poat fi controlate micrile navei cu trei grade de libertate n plan orizontal - surge, sway and yaw.

    Principii de controlSistemele de tip DP sunt proiectate s menin nava ntr-o poziie bine definit (coordonate i unghi de cap) astfel nct consumul de combustibil i uzura and solicitrile echipamentelor de propulsie s fie minime. n plus, sistemele DP trebuie s tolereze erorile tranzitorii ale sistemelor de msur i s reacioneze corespunztor n cazul apariiei unor erori ale sistemelor de propulsie.

  • Dynamic positioning systems (DPS) are relatively new systems. They have been commercially available for drilling vessels, platforms, supply vessels and mine hunters since the 1960s'.

    In 1961 the drillship Cuss 1 was fitted with four steerable propellers, in an attempt to drill the first Moho well. It was possible to keep the ship in position above the well-off La Jolla, California, at a depth of 948 meters.After this, off the coast of Guadalupe, Mexico, five holes were drilled, the deepest at 183 m (601 ft) below the sea floor in 3,500 m (11,700 ft) of water, while maintaining a position within a radius of 180 meters. The ship's position was determined by radar ranging to buoys and sonar ranging from subsea beacons.

  • Most dynamic positioning systems use thrusters to maintain the vessel's position and heading while heave, pitch, and roll are not controlled by the DPS.

    DP systems are also used for underwater vehicles.

    Det Norske Veritas defines a dynamically positioned vessel as "a vessel which maintains its position (fixed location or predetermined track) exclusively by means of active thrusters.

    Whereas the Cuss 1 was kept in position manually, later in the same year Shell launched the drilling ship Eureka that had an analogue control system interfaced with a taut wire, making it the first true DP ship.

  • Actuators (thrusters) are usually propellers. DP ships have from three to six propellers. Offshore platforms have eight to twelve propellers.

  • Sistemele DP sunt compuse din senzori (pentru micri i mediul nconjurtor) actuators i controller (computer) care conin algoritmi pentru DP.Ca sensori de micare se folosesc urmtoarele sisteme:- satelii staionari care transmit constant poziia navei

    (GPS, DGPS, GLONASS);- Radare de coast, sau- Sisteme de radio navigaie (Lora, Decca);- Hidrofoane care pot fi folosite i n ape puin adnci;- Compas giroscopic care transmite informaii privind

    micarea yaw. Senzorii de mediu sunt:- Anemometre pentru msurarea vitezei i direciei vntului,- Senzori electromagnetici pentru msurarea direciei i

    vitezei curenilor, i- Radare plutitoare care msoar constant viteza i

    nlimea valurilor.

  • n proiectarea sistemelor DP exist dou probleme principale.Prima se refer la filterarea micrilor de frecven nalt ale navei (HF) referitor la msurarea poziiei i a unghiului de cap cauzate de perturbaiile de ordinul I.A doua este legat de optimizarea configuraiei propulsiei.Scopul unui sistem DP este s contracareze deplasarea (the drift) unui corp plutitor fa de poziia dorit.Aceste deplasri sunt cauzate de curent, vnt i forele de ordinul II date de val (second-order wave forces).Din pcate forele de val de ordinul I cauzeaz micri oscilatorii n raport cu poziia dorit. Propulsoarele s contracareze aceste perturbri relativ mari date de val (first-order). Acest proces se mai numete i thruster modulation, care conduce la accentuarea uzurii solicitrilor din propulsoare conducnd, n timp, la defectarea acestora.

  • Meninerea pe poziie se poate realiza cu condiia ca propulsoarele s contracareze numai forele de deriv (the drift forces).Problema poate fi rezolvat prin utilizarea filtrelor trece jos (low pass) sau tierea perturbaiilor cauzate de perturbaiile de ordinul I. Din pcate aceast metod induce defazri suplimentare (ntrzieri) n bucla de control.Poziionarea dinamic (DP) este un sistem automat asistat de calculator care menine poziia navei i unghiul de cap prin utilizarea propriilor mijloacelor de propulsie i a propulsoarelor azimutale.

  • Programul conine modelul matematic al micrilor navei cu considerarea informaiilor despre forele date vnt i curent i despre poziionarea i performanele propulsoarelor. Aceste cunotine, combinate cu informaiile primite de la senzori permit calculul mpingerii i a direciei pentru fiecare propulsor. Aceast procedur prmite operarea n mare atunci cnd ancorarea i legarea nu sunt posibile datorit adncimilor mari ale apei sau restriciilor datorate configuraiei solului marin.Poziionarea dinamic poate fi absolut cnd poziia este legat de un punct fix fa de fundul mrii sau relativ, fa de un obiect n micare, o alt nav sau un vehicol subacvatic. Nava poate fi de asemenea poziionat la un unghi favorabil fa de direcia vntului, valurilor i curentului, caz n care se mai numete i weather vanning.

  • Tehnicile moderne de control pot rezolva aceste probleme. Cea mai cunoscut aplicaie const n utilizarea modelului de control optim de tip stochastic (aleator). Modulul de control consist ntr-un regulator optim de stare i un filtru Kalman care este utilizat pentru estimarea frecvenelor joase ale micrilor navei. Numai componenetele de joas frecven sunt utilizate de sistemul de control pentru poziionarea dinamic.

  • Dup cum a fost menionat, a doua problem const in optimizarea configuraiei de propulsie (alocarea disponibilului de putere). Sistemul de poziionare dinamic opereaz pentru meninerea poziiei prin utilizarea propulsoarelor care trebuie amplasate n poziii adecvate pe corpul navei astfel nct s poat produce forele i momentele necesare meninerii poziiei pentru direciile (gradele de libertate) dorite.

  • Class requirementsBased on IMO (International Maritime Organization) the Classification Societies have issued rules for Dynamic Positioned Ships described as Class 1, Class 2 and Class 3. Equipment Class 1 has no redundancy.

    Loss of position may occur in the event of a single fault. Equipment Class 2 has redundancy so that no single fault

    in an active system will cause the system to fail.Loss of position should not occur from a single fault of an active component or system such as generators, thruster, switchboards, remote controlled valves etc., but may occur after failure of a static component such as cables, pipes, manual valves etc.

    Equipment Class 3 which also has to withstand fire or flood in any one compartment without the system failing.Loss of position should not occur from any single failure including a completely burnt fire sub division or flooded watertight compartment.

  • The type of ship is specified for each operation:

    Class 1 DP units with equipment class 1 should be used during operations where loss of position is not considered to endanger human lives, cause significant damage or cause more than minimal pollution.

    Class 2 DP units with equipment class 2 should be used during operations where loss of position could cause personnel injury, pollution or damage with great economic consequences.

    Class 3 DP units with equipment class 3 should be used during operations where loss of position could cause fatal accidents, severe pollution or damage with major economic consequences.

  • Redundancy is the ability to cope with a single failure without loss of position.Redundana reprezint capacitatea de a contracara o posibil defectaie fr pierderea poziiei.Evaluarea sistemelor DP poate fi realizat utiliznd diverse modaliti:A. Evaluarea capabilitii cnd se calculeaz echilibrul dintre forele medii date de mediu i forele maxime date depropulsor funcie de unghiul de cap al navei. n acest cazparticularitile abordrii constau n:- Abordarea quasi-static, cu considerarea numai a forelor

    medii i a unghiurilor de drum constante (mean forces only, constant heading);

    - Fr considerarea parial a dinamicii navei;- Cu considerarea relaiilor dintre valuri i vnt;- Cu considerarea constanei vitezei i direciei curentului;- Cu utilizarea software-ului existent.

  • Calculele de poziionare dinamic sunt utilizate pentru determinarea forelor maxime date de mediul nconjurtor pentru care meninerea pe poziie este posibil, dimensiunea cerut, puterea i poziia unitilor de propulsie i strategia optim de utilizare a energiei pentru obinerea clasificrii DP2, DP3, etc. Rezultatele sunt prezentate sub forma aa numitelor capability plots.

  • B. DP Time-Domain Simulation cnd sunt utilizate modele numerice ale poziionrii dinamice. n mod practic, cel mai frecvent se utilizeaz modelele numai pentru micrile cu frecven joas n plan (low frequency motions), ceea ce reduce modelul numeric la trei ecuaii de micare (surge, sway and yaw). Principalul dezavantaj al simulrilor n domeniul de timp este c rezultatele depind de acurateea modelului de calcul furnizat ctre final controller diagram.

    C. Teste pe model aplicabile n principal n fazele preliminare de proiectare pentru validarea seleciei sistemului de meninere pe locaie. n model sunt prezente toate componentele sistemului. Principalul dezavantaj const n costul i timpul alocate realizrii programului experimantal. Un foarte mare avantaj l constituie posibilitatea observrii apariiei unor fenomene neateptate nc din fazele preliminare de proiectare.

  • Ulterior pot fi realizate calculele de seakeeping pentru identificarea limitelor de operare n concordan cu criteriile existente, dup cum au fost discutate la o aplicaie anterioar.

    Exemple de criterii de evaluare a acceleraiilor la bordul navei

  • Exemple de limite de operare avnd drept criteriu micrile verticale maxime (funcie de starea mrii i unghiul de inciden) pentru o nav pipe-layer (J)

  • Evaluarea operaiilor de ridicare pentru o nav tip Heavy Lift funcie de poziiamacarelei la bordul navei.

  • EVALUAREA FORELOR AERODINAMICE

    Ca i celelalte surse de excitaie date de mediul nconjurtor i sarcinile date de aciunea vntului au practic un caracter statistic. Acesta poate fi atribuit asociind fiecrei viteze o probabilitate de apariie.

    Corelarea dintre vitezele vntului i nlimile de val este dat de tabelele internaionale privind evaluarea strii mrii (Beaufort sau Douglas). Dei efectul aciunii vntului se traduce prin solicitri medii, solicitri cu variaie lent i respectiv solicitri cu variaie rapid (rafale) totui, n marea majoritate a cazurilor i n special n cadrul analizei preliminare, evaluarea se face pe baza mediei valorilor msurate pe locaie n eantioane de timp de 10 minute, la nlimea de 10m de la suprafaa liber a apei.

  • Dup cum a fost, de altfel subliniat, msurtorile sistematice de val, vnt i cureni pe locaia unde urmeaz s fie amplasat structura (criteriile metocean), fix sau plutitoare, preced ntotdeauna faza de concepie, constituind n fapt principalele date de intrare.

    Exemplu privind situaia statistic a vitezei vntului pentru o locaie dat.

  • Forele aerodinamice care acioneaz asupra unei construcii offshore depind de tipul structurii considerate. Sunt practic identificate 4 tipuri de structuri, modul de evaluare a sarcinilor aerodinamice fiind prezentat sintetic n continuare.

    Tipul1Turnuri de forare i echipamente de ridicare alctuite, n principal, din elemente cilindrice de diametru mic (reele de bare).Asupra acestor structuri acioneaz cu preponderen forele de frecare care depind de numrul Reynolds. La viteze foarte mari ale vntului se pot forma vrtejuri care produc fore alternante, perpendiculare pe direcia acestuia, rezultnd vibraii ale structurii.

  • n cazul n care curentul de fluid nu este perturbat,presiunea ntr-un punct de pe un element cilindric al structuriieste dat de relaia

    )(21)( 2 tVctP Da =

    unde a este densitatea aerului, cD este coeficientul defrecare, iar V este viteza vntului.

    Considernd presiunea i viteza ca fiind sumacomponentelor medii i fluctuante

    )t(vV)t(V += )t(pP)t(P +=cmpul de presiune devine

    )(21)( 2 tvVcVctP DaDa +

  • Dac se cunoate spectrul de viteze al vntului definit pentru o anumit locaie, se poate determina spectrul de presiune cu relaia

    )(2)(2

    fSVPfS vvpp

    =

    n care termenul ptratic este practic operatorul amplitudinii de rspuns.

    Dac forele preponderente sunt cele de portan, relaiilede calcul au forme similare, cu precizarea c n loculcoeficientului de rezisten cD intervine coeficientul de portancL. n literatura de specialitate exist numeroase recomandriprivind alegerea coeficienilor cD i cL.

  • Forele aerodinamice induse de desprinderile de vrtejurise pot calcula cu expresia

    2

    21 VAcF fa =

    unde cf este coeficientul forei fluctuante, iar A este aria suprafeei frontale.Pentru calculul frecvenei de desprindere a vrtejurilor se utilizeaz relaia

    DVStf =

    unde D este diametrul elementului considerat, iar St estenumrul Strouhal. Dac f este frecvena proprie a elementuluiconsiderat, se definete coeficientul

    DfVF f

    =

    '

  • i respectiv zonele n care poate apare rezonana:- pentru 1,7 < Ff < 3,2 se manifest excitaii dup direcia vntului;- pentru 4,7 < Ff < 8 se manifest vibraii transversale.Tipul IIConstrucii locuibile (living quarters) i oficii cu suprafeerectangulare, curentul de fluid fiind perturbat tridimensional.Se definete aanumita admitan aerodinamic

    ])/2(1/[1 3/4VAf+=iar spectrul de presiune se calculeaz cu expresia

    )(2)( 22

    fSVPfS vvpp

    =

    Prin integrarea distribuiei de presiuni pe suprafaa expusa construciei se determin spectrul forelor, n ipotezacorelrii nivelului de turbulen ntre diversele puncte. n modreal, pentru a lua n consideraie efectul fazelor se considerinfluena funciei de coeren.

  • Tipul IIIPuni (inclusiv puntea heliport) caracterizate prin suprafeeorizontale mari.Curentul este paralel cu suprafaa punii i se producdesprinderi de vrtejuri la muchiile de atac, care inductrepidaii. Se produc fore verticale care pot genera deformaiiale structurii.Tipul IVColoanele de susinere a platformei.n acest caz modul de evaluare este similar cazului determinrii forelor hidrodinamice.

    Pentru toate tipurile de elemente menionate mai sus,societile de clasificare furnizeaz relaii aproximative decalcul. Aa cum de altfel s-a precizat, extrem de mareadiversitate a construciilor marine face practic imposibilutilizarea unor metode statistice pentru ntreaga structur.

  • De aceea se realizeaz mprirea elementelor constructive n categoriile menionate mai sus, folosindu-se relaiile aproximative de calcul prezentate pentru exemplificare. Acest mod de evaluare este specific pentru fazele preliminare de concepie i proiectare.

    n cazul navelor exist suficiente metode aproximative, bazate n principal pe studii sistematice pe modele, n tunele aerodinamice, cum este i cazul metodei Isherwood. Acestea sunt foarte utile atunci cnd forma plutitorului este de tip nav, cum este cazul structurilor de tip FPSO (Floating Production Storage Offloading), FSO, etc.

    Din aceste motive, n cazul structurilor offshore complexe, pentru determinarea cu acuratee a forelor aerodinamice se utilizeaz testele experimentale pe model n tunele aerodinamice.

    Aceste aspecte au fost discutate la cursul dedicat rezistenei aerodinamice a navelor.

  • Sistemul experimental pentru evaluarea forelor aerodinamice pentru zona emers a unui semisubmersibil

    Cx pentru zona emers (probe n TAN)

    -2,0

    -1,5

    -1,0

    -0,5

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    2,0

    0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

    Unghi de inciden , [grade]

    Semisubmersibil ITTC Catamaran Tanc petrolier

    Coeficienii adimensionali ai forei pe direcia x pentru zona emers a unui semisubmersibil

  • Printre metodele recomandate cu aplicabilitate n domeniulingineriei offshore sunt metodele formulate de IMCA (InternationalMarine Contractors Association), API (American PetroleumInstitute), societi de clasificare, etc.Forele i momentele care acioneaz asupra corpului navei, nconformitate cu metoda IMCA sunt

    2

    2

    2

    1( ) ( ) ( )21( ) ( ) ( )21( ) ( ) ( )2

    wx w wx w T

    wy w wy w L

    wn w wn w L BP

    F hull v C A hull

    F hull v C A hull

    F hull v C A hull L

    =

    =

    =

  • unde:Fwx(hull) = wind force in surge [KN]Fwy(hull) = wind force in sway [KN]Fwn(hull) = wind moment [KNm]w = wind direction [degrees]Cwx, Cwy, Cwn = hull wind coefficients for given winddirections;r = density of air (1.23 x 10-3) [t/m3]vw = wind speed [m/s]AT = transverse wind area of hull [m2]AL = longitudinal wind area of hull [m2]LBP = length between perpendiculars [m].

  • Forele date de vnt asupra suprastructurilor se calculeaz utiliznd metoda API n care, pentru fiecare component a suprastructurii sunt utilizate proieciile ariilor longitudinale i transversale i coeficienii de form i de nlime. Fora pentru fiecare component este dat de:

    2

    2

    ( ) ( ( ))( ) ( ( ))

    wx w s h T w

    wy w s h L w

    F ss C C C A ss vF ss C C C A ss v

    =

    =

    Where:Cw = API wind coefficient,Cs = shape coefficient (coeficient de form),Ch = height coefficient (coeficient de nlime),AT(ss) = superstructure transverse projected area [m2],AL(ss) = superstructure longitudinal projected area [m2].

  • Momentele date de vnt asupra componentelor superstructurii se calculeaz prin multiplicarea forei totale care acioneaz n centroidul transversal al superstructurii i distana acestuia fa de cuplul maestru:

    Fwn(ss) = Fwy(ss)Xwc

    unde:Xwc = distana dintre centroidul ariei totale transversale a

    suprastructurii fa de cuplul maestru.

  • FORE HIDRODINAMICE DATORATE CURENILOR MARINICurenii au un profil al cmpului de viteze care scade lent cu adncimea locaiei. n consecin, este de ateptat ca efectul aciunii curenilor marini s se manifeste asupra ntregii zone imerse a structurii considerate.

    Se evideniaz urmtoarele influene ale curenilormarini: la calculul forelor hidrodinamice pe elemente de tip bar

    (cu formula Morison); la apariia desprinderilor de vrtejuri care produc fore

    perpendiculare pe direcia elementului de tip bar; la modificarea lungimii i amplitudinii valurilor incidente; pe direcia de propagare a curenilor marini, n zona

    corpurilor fixe, se produc valuri staionare caregenereaz fore de reacie corespunztoare.

  • Forele hidrodinamice care acioneaz pe elementele structurii sunt condiionate de urmtorii factori:

    rugozitatea suprafeei cilindrilor i eventualele depuneri biologice (fouling);

    flexibilitatea elementelor de tip bar, care poate conduce la cuplri ntre desprinderile de vrtejuri i vibraiile elementului considerat;

    influena elementelor adiacente celui analizat, datorit siajului, care poate conduce la reacii rezonante, numite "galopri" ale structurii.Sarcinile hidrodinamice datorate curenilor marini se

    determin cu relaii de tipul

    1)(

    21

    1 dCx cAXVF +=o

    1Xo

    este viteza oscilaiilor de translaie longitudinala pe direcia curentului

    1dc este coeficientul de frecare la micarea de pe direcia X1.

  • Relaia anterioar poate fi scris sub forma echivalent

    1

    2X

    V

    FFF

    C

    x

    xx =

    fapt ce demonstreaz c efectul curentului nu este prezent doarprin componenta staionar ci i prin cotribuii la amortizareaoscilaiei de translaie longitudinal.

    Pentru evaluarea forelor date de aciunea curentului seutilizeaz, n principal metoda formulat de IMCA.

    Coeficienii adimensionali ai forelor date de curent sunt date pentru o varietate larg de nave pentru o gam de unghiuri de inciden 0-180o.

  • 22

    2 2

    1 ( )21 ( )21 ( )2 BP

    cx c cx c

    cy c cy c BP

    cn c cn c

    F v C B T

    F v C L T

    F v C L T

    =

    =

    =

    unde: Fcx = current force in surge [KN],Fcy = current force in sway [KN],Fcn = current yaw moment [KNm],c = current direction (direcia curentului) [deg]Ccx, Ccy, Ccn = hull current coefficients given for current directions = density of sea water 1.025 t/m3vc = current speed [m/s],T = vessel draft [m],B = vessel beam [m],LBP = length between perpendiculars [m].

    Trebuie subliniat c n cazul apei puin adnci (shallow water), forele date de curent cresc funcie de distana sub fundul navei (clearance).

  • Pentru stabilirea unei metodologii de determinare experimental a aciunii curenilor marini asupra structurilor ancorate a fost elaborat un program de probe constnd n tractarea modelului semisubmersibilului cuplat la balana hidrodinamic cu 6 componente (utilizat i pentru rezolvarea experimental a problemei difraciei) pentru un set dat de viteze.

    Direcia de deplasare pentru care s-au efectuat msurtorile au fost: 0, 30, 60 i 90.

    Pentru stabilirea gamei de viteze la care s se execute msurtorile s-a inut cont de faptul c au fost efectuate probe similare la tunelul aerodinamic, unde numrul Reynolds realizat a fost Re = 2,2106, ceea ce nseamn c a fost situat n zona de automodelare.

  • Realizarea aceluiai numr Re la TAN i la Bazinul de Rezisten la naintare i Autopropulsie (RAS) presupune efectuarea probelor la o vitez de cca. 1,2 m/s, lucru posibil de realizat, dar n acest caz ar fi aprut o component suplimentar datorat rezistenei de val, numarul Froude echivalent fiind Fr = 0.348. Din aceste motive a fost aleas o gam de viteze astfel nct s se poat asigura plasarea numrului Re n zona de automodelare dat fiind preponderena fenomenelor de natur vscoas. Problema este perfect similar cazului determinrii factorului de form la evaluarea rezistenei la naintare, vitezele de experimentare fiind alese astfel nct componenta rezistenei de val s fie practic nul.

  • Practica indic realizarea acestei condiii pentru valori alenumarului Froude avnd valori Fr < 0,7. n acelai timp s-aavut n vedere necesitatea asigurrii acurateei msurtorilorinnd cont de gama de msur a dinamometrelor dincomponena balanei hidrodinamice. Au fost astfel utilizatetrei viteze pentru care numerele Reynolds corespunztoareau fost:

    - la 0,3 m/s, Re = 6,2105;- la 0,4 m/s, Re = 7,7105;- la 0,5 m/s, Re = 9,3105.

    Pentru fiecare din vitezele menionate s-au realizat tractrila cele patru unghiuri de inciden menionate anterior.

  • Modelul cuplat la balana cu ase componente (probe n bazinul de rezistenla naintare pentru 2 unghiuri de inciden, 30 i 90.

  • Teste pentru zona imers(cazul semisubmersibilului)

    Cx pentru Semisubmersibil ITTC (zona imers)

    -2,0

    -1,5

    -1,0

    -0,5

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

    Unghi de inciden , [grade]

    probe TAN probe RAS

    Coeficienii adimensionali ai forei pe direcia x pentru semisubmersibil

  • Cy pentru Semisubmersibil ITTC (zona imers)

    -0,5

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

    Unghi de inciden , [grade]probe TAN probe RAS

    Coeficienii adimensionali ai forei pe direcia y pentru semisubmersibil

    CN pentru Semisubmersibil ITTC (zona imers)

    -0,2

    -0,1

    0,0

    0,1

    0,2

    0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

    Unghi de inciden , [grade]

    probe TAN probe RAS

    Coeficienii adimensionali ai momentului N pentru semisubmersibil

  • CK pentru Semisubmersibil ITTC (zona imers)

    -0,5

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    2,0

    2,5

    0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180Unghi de inciden , [grade]

    probe TAN probe RAS

    Coeficienii adimensionali ai momentului K pentru semisubmersibil

    Principala concluzie este c pe baza acestui tip de experiment este posibil i determinarea coeficienilor hidrodinamici (derivatele laterale) care intr n ecuaiile difereniale ale micrii n plan orizontal.Detrminarea tuturor coeficienilor hidrodinamici, inclusiv a celor ncruciai, este posibil numai prin utilizarea unor echipamente complexe cunoscute i sub denumirea de Planar Motions Mechanism.