Ferramenta computacional para análise de risers flexíveis dispostos em catenária com um escoamento interno bifásico gás-líquido em padrão golfadas

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Joseph Arthur Meléndez Vásquez
• Orientador(a): Antonio Fernando Bertachini de Almeida Prado, Juan Pablo Julca Ávila
• Banca de defesa: Bruno Souza Carmo, Celso Kazuyuki Morooka, Oscar Mauricio Hernandez Rodriguez
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Mecânica Espacial e Controle
• País: BR
• Resumo em Inglês: Nowadays, one of the most significant challenges that exists in deep-waters oil and gas exploitation and production industry is the numerical modeling of the mechanical behaviour of oil-production risers. In this doctoral thesis, a computational tool to calculate the structural dynamic response of a flexible catenary riser under the influence of an internal slug flow is presented. The computational tool is called SLUGFLEX and it consists of two computational codes: the code that calculates the dynamic structural response of risers, and the code that calculates the development of an internal slug flow within risers. The slug flow, whose main feature is the intermittency of two different regions: a liquid slug and an elongated bubble of gas, is mathematically modeled through the use of an unidimensional lagrangian slug tracking method, that divides the computational domain of slug flow in unit cells, which are made up by a liquid slug and an elongated bubble of gas. To carry out the structural analysis, the riser, object of this study, is discretized through the use of spatial Euler beam finite elements, which experiments large displacements and large rotations, but with small deformations. For the tridimensional formulation of the beam element, the co-rotational formulation is used. The fluid-structure interaction is a very complex phenomenon, this due to the influence of the internal fluid dynamics in the riser dynamic response and the influence of riser dynamic response in the internal fluid development; for this reason, both computational codes work together exchanging information during the whole calculation process. In the calculus of the risers dynamic response, the direct integration method HHT-alpha is used, in combination witht the Newton-Raphson method for follower loads, which is used on purpose of obtaining the equilibrium between the internal forces and the external forces at each instant of time. Riser simulations with imposed oscillation movements at the top were also considered. The numerical results obtained by the computational tool are validated through the comparison with the experimental results found in the current literature.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2020/02.07.21.44

Atualmente, um dos maiores desafios que existem na indústria de exploração e produção de petróleo e gás em águas profundas é a modelagem numérica do comportamento mecânico dos risers de produção de petróleo. Na presente tese de doutorado, uma ferramenta computacional para calcular a resposta dinâmica estrutural de um riser flexível em catenária sob os efeitos de um escoamento interno bifásico líquido-gás em padrão golfadas de líquido é apresentada. A ferramenta computacional, a qual tem por nome SLUGFLEX, é composta por dois códigos computacionais: o código que calcula a resposta dinâmica estrutural do riser, e o código que calcula o desenvolvimento do escoamento bifásico em padrão golfadas no interior do riser. O escoamento bifásico líquido-gás, o qual tem como característica principal a intermitência de duas regiões distintas: pistão de líquido e a bolha alongada de gás, é modelado matematicamente mediante o uso de um método lagrangeano unidimensional de seguimento de pistões, o qual divide o domínio computacional do escoamento em células unitárias, as quais estão formadas por um pistão de líquido e por uma bolha alongada de gás. Para realizar a análise estrutural, o riser, objeto deste estudo, é discretizado mediante o uso de elementos finitos de viga espacial de Euler, os quais experimentam grandes deslocamentos e grandes rotações, porém, com pequenas deformações. Para a formulação tridimensional do elemento de viga, a formulação co-rotacional é utilizada. A interação fluido-estrutura é um fenômeno bastante complexo, isto porque a resposta dinâmica do riser é influenciada pela dinâmica do escoamento interno, e o desenvolvimento do escoamento interno é influenciado pela resposta dinâmica do riser. Por esse motivo, ambos os códigos computacionais trabalham de forma conjunta trocando informação durante todo o processo de cálculo. No cálculo da resposta dinâmica do riser é empregado o método de integração direta HHT-alpha em combinação com o método de Newton-Raphson para forças seguidoras, o qual é utilizado com a finalidade de obter o equilíbrio das forças internas com os carregamentos externos em cada instante de tempo. Simulações do riser com movimentos oscilatórios impostos no topo também foram considerados. Os resultados numéricos obtidos pela ferramenta computacional são validados mediante a comparação com resultados experimentais da literatura.