Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2017-02-13T15:32:26Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TeseDoutorado_MarcelaSeixas.pdf: 6064842 bytes, checksum: 5d148170b369d14be988b9c57683862a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-13T15:32:26Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TeseDoutorado_MarcelaSeixas.pdf: 6064842 bytes, checksum: 5d148170b369d14be988b9c57683862a (MD5) Previous issue date: 2015-08-31 / CNPq / O interesse em estudos relacionados ao processo de fraturamento hidráulico vem aumentando, principalmente devido à exploração de reservatórios não convencionais, que se torna cada vez mais importante para a demanda de energia atual, com estimativas de grandes reservas distribuídas por vários países. A modelagem numérica de tal processo é um desafio, devido à complexidade da física envolvida. A interação entre propriedades mecânicas da rocha, tensões in situ, e heterogeneidades como fraturas naturais e planos de fraqueza é determinante na geometria da fratura induzida. Para resolver este tipo de problema acoplado, o método dos elementos finitos é amplamente utilizado e um dos mais versáteis. O presente estudo propõe uma técnica numérica denominada Fragmentação de Malha, que usa elementos finitos com elevada razão de aspecto (ou elementos especiais de interface), combinados com um modelo constitutivo baseado na mecânica do dano para reproduzir os efeitos do processo de formação de fraturas. Esta metodologia, com base na Aproximação Contínua de Descontinuidades Fortes, consiste em introduzir estes elementos de interface entre elementos regulares de uma malha de elementos finitos. Dentre as vantagens dessa técnica estão a sua facilidade de adaptação a programas convencionais de elementos finitos e o fato de não ser necessário o uso de algoritmos de construção de trajetória da descontinuidade. As aplicações apresentados neste trabalho mostram a capacidade da técnica proposta na modelagem do fraturamento hidráulico em reservatórios não convencionais. / The interest in studies related to the hydraulic fracturing process has increased over the last decade, mainly due to the exploitation of unconventional reservoirs, which is growing and becoming more important to the current energy demand, with the estimation of the existence of large reserves spread over several countries. Numerical modelling of such processes is a challenging task because of the complexity of the physics involved, and because of the structurally complicated geometry of the reservoir. The interaction between rock’s mechanical properties, insitu stresses, and heterogeneities such as natural fractures and weak bedding planes is determinant of the induced fracture geometry. To solve this kind of coupled hydromechanical problem, the Finite Elements Method is one of the most versatile and widely used. The present study propose a numerical technique called mesh fragmentation, that uses solid finite elements with high aspect ratio combining with a proper strain softening constitutive model to reproduce the effects of fractures formation process. This methodology, based on the Continuous Strong Discontinuous Approach, consists in introducing these high aspect ratio elements between regular elements of a finite element mesh. Some advantages of this technique are that it can be easily adapted to standard finite elements programs and no tracking algorithms are necessary to follow the evolution of the fracture. The case studies presented in this paper show the ability of the proposed technique to model hydraulic fracturing propagation in unconventional reservoirs.

O desenvolvimento da indústria offshore fez com que a demanda por unidades flutuantes para operações em águas ultraprofundas aumentasse e, com isso, surgiu um maior interesse nos fenômenos decorrentes de vibrações induzidas pelo escoamento em plataformas do tipo spar, TLP e semissubmersível, além de torres para produção de energia eólica (instaladas no mar). Para ampliar o conhecimento nesta área, experimentos foram realizados com cilindros flutuantes com baixa razão de aspecto (L/D = 2) e com diferentes geometrias na extremidade livre . Experimentos com a vibração induzida pelo escoamento em cilindros de seção quadrada e cilindros de seção quadrada e arestas arredondadas com baixa razão de aspecto foram realizados em um tanque de reboque. Estas diferentes geometrias de cilindros foram testadas e suportadas elasticamente por um conjunto de molas lineares. Dois ângulos de incidência diferentes foram testados: 0 e 45 graus. Os resultados de amplitude na direção transversal para modelos submetidos à incidência de 0 graus mostraram ser maiores. Além disso, as oscilações em yaw se mostraram importantes em todos os caso analisados. O efeito das arestas se mostrou importante, particularmente na incidência de 45 graus, para velocidades reduzidas maiores que 8. / The development of the offshore industry has meant that the demand for ultradeep water floating units has increased, and with this, a greater interest in the phenomena arising from FIV in spar, TLP and semi-submersible platforms has arisen. In order to increase the area knowledge, experiments were performed with floating cylinders with different geometries, with low aspect ratio (L/D = 2). Experiments of flow-induced vibration in cylinders with sharp aokokoknd rounded square section with low aspect ratio were performed in a towing tank. These geometries have been tested and elastically supported by a set of linear springs to provide low structural damping to the system. Two different incidence angles were tested: 0 and 45 degrees. The transverse response amplitudes for the 0-degree flow incidence were found to be larger. Moreover, yaw oscillations are important for all the cases analyzed. The rounded effect on the cylinders of square section were important, particularly for the the 45-degree incidence at reduced velocities higher than 8.

O crescimento da exploração do petróleo e gás em águas ultraprofundas fez com que a demanda por unidades flutuantes crescesse e, com isso, aumentasse a ocorrência do fenômeno de Movimentos Induzidos por Vórtices (ou VIM, de Vortex-Induced Motions) que age em plataformas com casco cilíndrico, como é o caso das monocolunas e spars. Efeito natural desse aumento nas ocorrências foi um maior interesse pelo fenômeno de VIM, simplificadamente investigado em cilindros lisos e curtos como os utilizados nesta pesquisa. A fim de contribuir com o conhecimento dos fundamentos fluido-dinâmicos nesta área, foram investigados quatro diferentes cilindros flutuantes de baixa razão de aspecto, todos caracterizados pelo valor típico de L/D = 2 (comprimento imerso por diâmetro, onde L= 250 mm e D= 125 mm), mas com diferentes condições de arredondamento da extremidade imersa, estas caracterizadas por quatro razões distintas entre o raio de adoçamento e o raio do cilindro, especificamente r/R= 0,00; 0,25; 0,50 e 1,00. Com este objetivo de observar a resposta dos cilindros curtos sob efeito dos vórtices gerados em diferentes formatos de extremidade imersa, experimentos foram realizados no tanque de provas do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de S~ao Paulo (IPT), compreendendo velocidades de reboque entre 0,024 a 0,154 m/s, ou seja, uma faixa de números de Reynolds entre 3.300 e 19.200. Os resultados de amplitude adimensional de resposta observados na direção transversal mostram influência moderada das modificações na extremidade imersa, ligeiramente mais acentuadas no modelo com razão de arredondamento de r/R=0,25, sendo que para este caso, as amplitudes máximas ficaram abaixo daquelas exibidas pelos demais modelos, com uma tendência geral de queda para as velocidades de reboque mais altas. A variação da geometria da extremidade imersa também influenciou moderadamente os resultados de amplitude adimensional de resposta na direção longitudinal, onde o modelo com r/R=1,00 apresentou menores amplitudes nas velocidades mais altas. Por outro lado, a razão entre as frequências de resposta e as frequências naturais de referência mostraram comportamentos típicos, semelhantes aos encontrados em análises de VIV de cilindros longos montados em suportes elásticos com dois graus de liberdade. Além disso, a observação dos movimentos dos modelos no plano da superfície livre não indicaram mudanças significativas nas trajetórias em função do arredondamento da extremidade livre. No tocante aos coeficientes de força (arrasto e sustentação), as comparações entre os modelos foram semelhantes, mas os coeficientes para o cilindro sem chanfro (r/R=0) mostraram-se maiores para grande parte das velocidades ensaiadas. Para o modelo com r/R=1,00, as força (arrasto e sustentação não se mostraram com a mesma intensidade do que aquelas nos demais modelos, o que, desta forma, se refletiu nos menores valores de coeficiente encontrados. Sob uma ótica geral, os resultados levam a crer que o modelo fluido responsável pelas oscilações nos cilindros com L/D = 2 não tem relação com a existência de vórtices de ponta e aresta, mas com a emissão de vórtices em forma de arco. / The oil and gas exploration in deep and ultra-deep water has increased in the past years, and at the same time, increasing the oating vessel demand, thereby the vortex-induced motion phenomenon (VIM) has been present for cylindrical hull structures, for example, spar and monocolumns oating units. The impact of this, enhance the VIM phenomenon interest with simplify investigations on smooth cylinders, as was used in the present research. In order to expand the knowledge, experiments were made in four floating cylinders with low aspect of ratio, L/D = 2 (Length / Diameter) were tested with different free end corner shape types, namely by the relation between chamfer rounding radius (r) divided by the radius of cylinder (R) (r/R = 0.0, 0.25, 0.5 and 1.0). For the initial case, r/R =0.0 represents at tip and r/R = 1.0 the semi-hemispherical tip. The aims were to understand the effect of different free-end types on VIV behaviour of cylinders. The oating circular cylinders, i.e. unit mass ratio m* = 1(structural mass/displaced uid mass), were elastically supported by a set of linear springs to provide low structural damping on the system and allow six degrees of freedom. The aim is to understand the effects of the free end vortex in the cylinder movements, varying the free end shape. The experiments were carried out in a towing tank of IPT - Institute for Technological Research of the state of São Paulo, Brazil. The range of velocities tested is 0.024 to 0.154 m/s , and Reynolds number covered 3;300 <= Re <= 19;200. The nondimensional amplitudes results for transversal direction, show a moderated effect when the free end shape has changed, more significant in the r/R=0.25 case, where the maximum amplitudes present lower values compare with the others cylinders. For in-line nondimensional amplitudes, model with r/R= 1.00 shown lower values for high velocities. On the other hand, the frequencies ratios between in-line/transverse and natural sistem frequency, presented typical VIV response for long cylinders with two degree of freedom. In addition, the trajectory observations in the XY plane have not illustrated differences for cylinders with rounded edges. Force coeffcients outcome (drag and lift), the no-rounded edge case (r/R=0.0), presented higher coeffcients for the large proportion velocities. Furthermore, the model with a semi-spherical shape in the free end (r/R=1.00), demonstrated the both force coeffcients have not acted with the same severity as was observed for the others cylinders, and thus, the r/R=1.00 models has presented lowest values. In general, the present results suggest the answer for oscillation on L/D=2 models is caused by arc-type vortex shedding, not by the free end vortex effects.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2019-03-13T13:12:10Z No. of bitstreams: 1 Dionisson de Andrade Michelotto_.pdf: 2807252 bytes, checksum: 019edcb4e2819bea433fa3dde1057c15 (MD5) / Made available in DSpace on 2019-03-13T13:12:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dionisson de Andrade Michelotto_.pdf: 2807252 bytes, checksum: 019edcb4e2819bea433fa3dde1057c15 (MD5) Previous issue date: 2018-10-26 / CNPQ – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O impacto ambiental ocasionado pela combustão do carvão mineral em máquinas térmicas estimula buscas de alternativas sustentáveis. Uma das alternativas pode ser a substituição do carvão pela biomassa em reatores de leito fluidizado. A velocidade mínima de fluidização das partículas é um parâmetro fluidodinâmico que influencia fortemente o comportamento em projetos de reatores de leito fluidizado. A maioria das pesquisas utiliza como um dos principais parâmetros em suas correlações a esfericidade. Outros estudos afirmam que a razão de aspecto influencia bastante a velocidade mínima de fluidização. Utilizando um reator de leito fluidizado com distribuidor de placa perfurada, partículas de bambu cilíndricas com razões de aspecto de 2, 4 e 6, pertencente ao grupo D da classificação Geldart, foram fluidizadas. Nos resultados experimentais foi possível observar que a razão de aspecto influência na velocidade mínima de fluidização, quanto maior a razão de aspecto, maior a velocidade. Os resultados foram comparados com outros autores, onde cinco ficaram suficientemente próximos dentro de uma variação de 20% dos valores obtidos nos experimentos. Como a fluidização se comportava tipo jorro, foi comparado com correlações de jorro, onde uma única correlação ficou com variação em torno de 20% dos valores obtidos nos experimentos, enquanto as outras correlações ficaram com diferenças maiores. Uma nova correlação foi proposta modificando-se a equação de Ergun através da substituição da esfericidade pela razão de aspecto e ajustando seus coeficientes. Nesta nova correlação os valores da velocidade mínima de fluidização calculados ficaram próximos aos resultados experimentais dentro de uma variação de 15%. / The environmental impact caused by the combustion of mineral coal in thermal plants stimulates researches for sustainable alternatives. One of the alternatives may be the replacement of coal by biomass in fluidized bed reactors. The particle minimum fluidization velocity is a fluid dynamics parameter that strongly influences the behavior in fluidized bed reactor designs. Most academic papers use the sphericity as one of the main parameters in their correlations. Other studies state that the aspect ratio greatly influences the minimum fluidization velocity. Using a fluidized bed reactor with perforated plate distributor, cylindrical bamboo particles with aspect ratios of 2, 4 and 6, belonging to group D of the Geldart classification, were fluidized. In the experimental results it was possible to observe that the aspect ratio influences the minimum fluidization velocity. The results were compared with other authors, where five were sufficiently close within a variation of 20% of the values obtained in the experiments. As fluidization behaved like a spout, it was compared with spout correlations, where a single correlation achieved differences below 20% than the values obtained in the experiments, while the other correlations obtained larger differences. A new correlation was proposed based in the Ergun equation replacing sphericity by the aspect ratio and adjusting its coefficients. In this new correlation the calculated minimum fluidization velocity values were close to the experimental results within a range of 15%.

Orientador: Osvaldo Luís Manzoli / Abstract: This work presents a numerical method based on Discrete Fracture Model (DFM) and the Finite Element Method (FEM), where the fractures are approximated by a reduced model. The flow along and across the fracture is described by a simplified set of equations considering both conductive fractures and barriers. The coupled hydromechanical model is composed of a linear poroelastic Biot medium and a nonlinear model based on damage mechanics for the fractures, which captures the nonlinear normal deformation and shear dilation according to the Barton-Bandis model. Both flow and geomechanical models are approximated using the finite element model. Fractures are explicitly represented by three-node standard finite elements with high aspect ratio (i.e. ratio between the largest and the smallest element dimensions) and appropriate constitutive laws. These interface high aspect ratio elements represent a regularization method which continuously approximate the discontinuous pressure and displacement fields on a narrow material band around the fracture. The complete mathematical formulation is presented together with the algorithm suggested for its numerical implementation. The efficiency of the proposed method is demonstrated through numerical examples, as well as the effects of fractures in the hydraulic properties of porous rocks and its dependency of the stress state. / Resumo: Este trabalho apresenta um método numérico baseado no Modelo de Fratura Discreta (MFD) e no Método dos Elementos Finitos (MEF), onde as fraturas são aproximadas por um modelo reduzido. O fluxo ao longo e através da fratura é descrito por um conjunto simplificado de equações, considerando tanto fraturas condutoras quanto barreiras. O modelo hidromecânico acoplado é composto por um meio poroelástico linear e um modelo não linear para fraturas, baseado na mecânica do dano e que captura a deformação normal não linear e a dilatância ao cisalhamento de acordo com o modelo de Barton-Bandis. Os modelos de fluxo e geomecânico são aproximados usando o método dos elementos finitos. As fraturas são explicitamente representadas por elementos finitos triangulares de três nós com elevada razão de aspecto (isto é, a razão entre a maior e a menor dimensão do elemento) e leis constitutivas apropriadas. Esses elementos de elevada razão de aspecto representam um método de regularização que aproxima de forma contínua os campos de pressão e deslocamento descontínuos em uma estreita faixa material ao redor da fratura. A formulação matemática completa é apresentada juntamente com o algoritmo sugerido para sua implementação numérica. A eficiência do método proposto é demonstrada através de exemplos numéricos, bem como os efeitos de fraturas nas propriedades hidráulicas de rochas porosas e sua dependência do estado de tensão. / Mestre

In this work, the effects of the aspect radio and inclination angle in the convection heat transfer inside a square cavity are analyzed through integral transformation. The numerical simulations were made in square and plane cavity in a fluid with constant and variable properties and identifying the effect of the temperature variations. Varying the geometry of the cavity and its inclination it was identified the most sensitive properties at the temperature variations, as well as the geometric combinations which optimize the convection heat transfer. The Generalized Integral Transform Technique (JLWW) was capable to simulate the physical phenomenon successfully, capturing recirculations in critical convective cases numerically. The correlations were established between the rate of convection heat transfer and the aspect radio and the inclination angle of the cavity. / Neste trabalho, serão analisados os efeitos da razão de aspecto e ângulo de inclinação na transferência de calor por convecção via transformação integral, através de simulações em uma cavidade quadrada e plana com um fluido de propriedades constantes e variáveis, identificando a influência à variações de temperatura, bem como as combinações geométricas que otimizam a troca de calor por convecção. A Técnica da Transformada Integral Generalizada (Generalized Integral Transform Technique - JLWW) foi capaz de obter sucesso na simulação do fenômeno físico, sendo capaz de capturar recirculações em casos convectivos críticos do ponto de vista numérico. Foram estabelecidas correlações entre a taxa de transferência de calor por convecção e a razão de aspecto e o ângulo de inclinação da cavidade. / Mestre em Engenharia Mecânica

O crescimento da exploração do petróleo e gás em águas ultraprofundas fez com que a demanda por unidades flutuantes crescesse e, com isso, aumentasse a ocorrência do fenômeno de Movimentos Induzidos por Vórtices (ou VIM, de Vortex-Induced Motions) que age em plataformas com casco cilíndrico, como é o caso das monocolunas e spars. Efeito natural desse aumento nas ocorrências foi um maior interesse pelo fenômeno de VIM, simplificadamente investigado em cilindros lisos e curtos como os utilizados nesta pesquisa. A fim de contribuir com o conhecimento dos fundamentos fluido-dinâmicos nesta área, foram investigados quatro diferentes cilindros flutuantes de baixa razão de aspecto, todos caracterizados pelo valor típico de L/D = 2 (comprimento imerso por diâmetro, onde L= 250 mm e D= 125 mm), mas com diferentes condições de arredondamento da extremidade imersa, estas caracterizadas por quatro razões distintas entre o raio de adoçamento e o raio do cilindro, especificamente r/R= 0,00; 0,25; 0,50 e 1,00. Com este objetivo de observar a resposta dos cilindros curtos sob efeito dos vórtices gerados em diferentes formatos de extremidade imersa, experimentos foram realizados no tanque de provas do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de S~ao Paulo (IPT), compreendendo velocidades de reboque entre 0,024 a 0,154 m/s, ou seja, uma faixa de números de Reynolds entre 3.300 e 19.200. Os resultados de amplitude adimensional de resposta observados na direção transversal mostram influência moderada das modificações na extremidade imersa, ligeiramente mais acentuadas no modelo com razão de arredondamento de r/R=0,25, sendo que para este caso, as amplitudes máximas ficaram abaixo daquelas exibidas pelos demais modelos, com uma tendência geral de queda para as velocidades de reboque mais altas. A variação da geometria da extremidade imersa também influenciou moderadamente os resultados de amplitude adimensional de resposta na direção longitudinal, onde o modelo com r/R=1,00 apresentou menores amplitudes nas velocidades mais altas. Por outro lado, a razão entre as frequências de resposta e as frequências naturais de referência mostraram comportamentos típicos, semelhantes aos encontrados em análises de VIV de cilindros longos montados em suportes elásticos com dois graus de liberdade. Além disso, a observação dos movimentos dos modelos no plano da superfície livre não indicaram mudanças significativas nas trajetórias em função do arredondamento da extremidade livre. No tocante aos coeficientes de força (arrasto e sustentação), as comparações entre os modelos foram semelhantes, mas os coeficientes para o cilindro sem chanfro (r/R=0) mostraram-se maiores para grande parte das velocidades ensaiadas. Para o modelo com r/R=1,00, as força (arrasto e sustentação não se mostraram com a mesma intensidade do que aquelas nos demais modelos, o que, desta forma, se refletiu nos menores valores de coeficiente encontrados. Sob uma ótica geral, os resultados levam a crer que o modelo fluido responsável pelas oscilações nos cilindros com L/D = 2 não tem relação com a existência de vórtices de ponta e aresta, mas com a emissão de vórtices em forma de arco. / The oil and gas exploration in deep and ultra-deep water has increased in the past years, and at the same time, increasing the oating vessel demand, thereby the vortex-induced motion phenomenon (VIM) has been present for cylindrical hull structures, for example, spar and monocolumns oating units. The impact of this, enhance the VIM phenomenon interest with simplify investigations on smooth cylinders, as was used in the present research. In order to expand the knowledge, experiments were made in four floating cylinders with low aspect of ratio, L/D = 2 (Length / Diameter) were tested with different free end corner shape types, namely by the relation between chamfer rounding radius (r) divided by the radius of cylinder (R) (r/R = 0.0, 0.25, 0.5 and 1.0). For the initial case, r/R =0.0 represents at tip and r/R = 1.0 the semi-hemispherical tip. The aims were to understand the effect of different free-end types on VIV behaviour of cylinders. The oating circular cylinders, i.e. unit mass ratio m* = 1(structural mass/displaced uid mass), were elastically supported by a set of linear springs to provide low structural damping on the system and allow six degrees of freedom. The aim is to understand the effects of the free end vortex in the cylinder movements, varying the free end shape. The experiments were carried out in a towing tank of IPT - Institute for Technological Research of the state of São Paulo, Brazil. The range of velocities tested is 0.024 to 0.154 m/s , and Reynolds number covered 3;300 <= Re <= 19;200. The nondimensional amplitudes results for transversal direction, show a moderated effect when the free end shape has changed, more significant in the r/R=0.25 case, where the maximum amplitudes present lower values compare with the others cylinders. For in-line nondimensional amplitudes, model with r/R= 1.00 shown lower values for high velocities. On the other hand, the frequencies ratios between in-line/transverse and natural sistem frequency, presented typical VIV response for long cylinders with two degree of freedom. In addition, the trajectory observations in the XY plane have not illustrated differences for cylinders with rounded edges. Force coeffcients outcome (drag and lift), the no-rounded edge case (r/R=0.0), presented higher coeffcients for the large proportion velocities. Furthermore, the model with a semi-spherical shape in the free end (r/R=1.00), demonstrated the both force coeffcients have not acted with the same severity as was observed for the others cylinders, and thus, the r/R=1.00 models has presented lowest values. In general, the present results suggest the answer for oscillation on L/D=2 models is caused by arc-type vortex shedding, not by the free end vortex effects.

O aumento das ocorrências de VIM em plataformas flutuantes do tipo \"spar\" e monocoluna serviu de motivação para a investigação dos fundamentos do fenômeno de VIV em cilindros com baixa razão de aspecto e pequena razão de massa. Tal investigação também foi motivada pela necessidade de se preencher lacunas de conhecimento a respeito deste assunto, articularmente por conta da escassa disponibilidade de resultados acerca do VIV em cilindros curtos, bem como pela ausência de modelo fluido que justifique os comportamentos dinâmicos conhecidos. Para o entendimento pretendido, três grupos de experimentos com cilindros dotados de razão de aspecto na faixa 0,1 <= L/D <= 2,0 foram realizados em um canal de água circulante na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, sendo: o primeiro grupo focado nos cilindros curtos estacionários; o segundo nos cilindros curtos de baixa razão de massa, 1,00 <= m* <= 4,36, e dois graus de liberdade; e o grupo final interessado no VIV em cilindros flutuantes, ou seja, razão de massa unitária e seis graus de liberdade. De uma maneira geral, a partir dos resultados aqui obtidos e das comparações com os resultados respectivamente encontrados na literatura, conclui-se que o VIV em cilindros curtos somente acontece se L/D > 0,2. Além de original, a determinação deste valor crítico também identificou outras três regiões com comportamentos fluido-dinâmicos distintos, cada qual marcada por especificidades quanto aos impactos nas amplitudes, frequências e coeficientes de força. Assim sendo, para cilindros com L/D > 2,0 a esteira de von Kármán foi a principal responsável pelas forças sustentação; fato não identificado para os cilindros com 0,5 < L/D < 2,0, onde esta mesma esteira sofreu forte contaminação das estruturas partindo da extremidade livre, principalmente aquelas com vorticidade predominante no plano vertical. Para os cilindros na faixa de 0,2 < L/D <= 0,5, apenas estas últimas estruturas foram responsáveis pelas oscilações de VIV. Finalmente, buscando compreender a origem das forças oscilatórias em cilindros com baixíssima razão de aspecto, \"end-plates\" foram aplicadas e confirmaram que o fenômeno de VIV nestes casos está relacionado à liberação de vórtices junto à extremidade livre, o que indica uma solução interessante para a mitigação do VIM de plataformas. / The increase of VIM occurrences on spar and monocolumn platforms was the motivation to study the vortex-induced vibrations of cylinders with low aspect ratio and small mass ratio under a fundamental perspective. The present work was also motivated by the small number of works in the literature dealing with VIV of cylinders with low aspect ratio, as well as by the scarce concerns about the flow models around this cylinders, which justify the dynamic behaviors observed. Aiming to better understand this problem, three groups of experiments with cylinders of 0.1 <= L/D <= 2.0 were carried out in a recirculating water channel at Escola Politécnica of University of São Paulo, as follow: firstly, the flow around stationary cylinders; secondly, VIV of cylinders with two degrees-of-freedom and 1.00 <= m* <= 4.36. finally, VIV of floating cylinder, thus six degrees-of-freedom. The works concluded that VIV occurs only for cylinders with L/D > 0.2. Besides of being original, this result was also related to the observation of three regions of aspect ratio, each of them with different behaviors of the motion amplitudes, frequency ratios and force coefficients. For cylinders with L/D > 2.0, the von Kármán wake was the mainly responsible for the oscillatory lift forces. On the other hand, the von Kármán wake was contaminated by the effects coming from the free end of cylinders with 0.5 < L/D < 2.0, mainly by the vortex structures with vorticity in the vertical plane. And for cylinders with 0.2 < L/D <=0.5, the vortex structures at the free end were predominant, thus the only one responsible for the oscillatory lift forces. Finally, in order to understand the source for oscillatory lift forces on cylinders with very low aspect ratio, end-plates were applied and confirmed that VIV in these cases is related to the vortex-shedding around the free end, which indicates an interesting solution for VIM mitigation of platforms.

Submitted by PEDRO ROGERIO CLETO null (pedro.constant@gmail.com) on 2016-06-28T20:02:04Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_PedroCleto_VF.pdf: 6736443 bytes, checksum: adef1b42d29662c6340d24f74ffa54ec (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-06-30T17:45:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 cleto_pr_me_bauru.pdf: 6736443 bytes, checksum: adef1b42d29662c6340d24f74ffa54ec (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-30T17:45:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 cleto_pr_me_bauru.pdf: 6736443 bytes, checksum: adef1b42d29662c6340d24f74ffa54ec (MD5) Previous issue date: 2016-05-09 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A técnica de fraturamento hidráulico é amplamente utilizada na indústria petrolífera para aumentar a permeabilidade da rocha-reservatório numa região próxima ao poço e permitir a extração, e consequente produção, de hidrocarbonetos armazenados em seus poros. Primeiramente a rocha é perfurada criando-se um poço e então injeta-se fluido a uma pressão suficientemente alta para fraturar a rocha. A injeção contínua de fluido permite que as fraturas se propaguem pelo reservatório, formando assim canais de alta permeabilidade. A modelagem e simulação computacional de fraturamento hidráulico são complexas em função da física envolvida no processo. O presente trabalho objetiva o estudo da formação e propagação de fraturas induzidas hidraulicamente em meios rochosos de baixa permeabilidade e também tem o propósito de verificar se a metodologia adotada é capaz de reproduzir características apresentadas num processo de fraturamento hidráulico, como a pressão necessária para causar a ruptura da rocha. Para tal, apresenta-se a técnica de fragmentação da malha utilizando elementos finitos de elevada razão de aspecto (ou elementos de interface) para representar a fratura, aos quais são atribuídas relações constitutivas baseadas na mecânica do dano. Além disso, os elementos de interface também possuem um acoplamento hidromecânico capaz de representar o canal de alta permeabilidade devido à ocorrência da fratura. Os resultados obtidos mostraram que os elementos de interface associados à técnica de fragmentação da malha foram capazes de representar tanto a formação quanto a propagação das fraturas induzidas hidraulicamente. Os resultados também mostraram que as curvas de pressão obtidas corresponderam àquelas idealizadas teoricamente. / The hydraulic fracturing technique is widely used to increase the permeability of reservoirs in the vicinity of the well and to allow the extraction and subsequent production of hydrocarbons trapped in its pores. Firstly, the rock is drilled, creating a well and then a fluid is injected at a sufficiently high pressure to fracture the rock. The continuous fluid injection allows the fractures to propagate through the reservoir, thereby forming some high permeability paths. The computer modeling and simulation of hydraulic fracturing are complex due to the physics involved in the process. This work aims to study the formation and propagation of hydraulically induced fractures in rocky media with low permeability and also aims to verify if the adopted methodology is able to reproduce the characteristics presented in a hydraulic fracturing process, as for instance, the required pressure to cause the breakdown of the rock. For this purpose, it is presented the mesh fragmentation technique using finite elements with a high aspect ratio (or interface elements) to represent the fracture, which are assigned constitutive relations based on damage mechanics. Besides, the interface elements also have a hydromechanical coupling which is able to represent the high permeability path due to the fracture. The results showed that the interface elements associated with the mesh fragmentation technique were able to represent both the formation and the propagation of hydraulically induced fractures. The results also showed that the obtained pressure curves corresponded to those theoretically idealized.

O aumento das ocorrências de VIM em plataformas flutuantes do tipo \"spar\" e monocoluna serviu de motivação para a investigação dos fundamentos do fenômeno de VIV em cilindros com baixa razão de aspecto e pequena razão de massa. Tal investigação também foi motivada pela necessidade de se preencher lacunas de conhecimento a respeito deste assunto, articularmente por conta da escassa disponibilidade de resultados acerca do VIV em cilindros curtos, bem como pela ausência de modelo fluido que justifique os comportamentos dinâmicos conhecidos. Para o entendimento pretendido, três grupos de experimentos com cilindros dotados de razão de aspecto na faixa 0,1 <= L/D <= 2,0 foram realizados em um canal de água circulante na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, sendo: o primeiro grupo focado nos cilindros curtos estacionários; o segundo nos cilindros curtos de baixa razão de massa, 1,00 <= m* <= 4,36, e dois graus de liberdade; e o grupo final interessado no VIV em cilindros flutuantes, ou seja, razão de massa unitária e seis graus de liberdade. De uma maneira geral, a partir dos resultados aqui obtidos e das comparações com os resultados respectivamente encontrados na literatura, conclui-se que o VIV em cilindros curtos somente acontece se L/D > 0,2. Além de original, a determinação deste valor crítico também identificou outras três regiões com comportamentos fluido-dinâmicos distintos, cada qual marcada por especificidades quanto aos impactos nas amplitudes, frequências e coeficientes de força. Assim sendo, para cilindros com L/D > 2,0 a esteira de von Kármán foi a principal responsável pelas forças sustentação; fato não identificado para os cilindros com 0,5 < L/D < 2,0, onde esta mesma esteira sofreu forte contaminação das estruturas partindo da extremidade livre, principalmente aquelas com vorticidade predominante no plano vertical. Para os cilindros na faixa de 0,2 < L/D <= 0,5, apenas estas últimas estruturas foram responsáveis pelas oscilações de VIV. Finalmente, buscando compreender a origem das forças oscilatórias em cilindros com baixíssima razão de aspecto, \"end-plates\" foram aplicadas e confirmaram que o fenômeno de VIV nestes casos está relacionado à liberação de vórtices junto à extremidade livre, o que indica uma solução interessante para a mitigação do VIM de plataformas. / The increase of VIM occurrences on spar and monocolumn platforms was the motivation to study the vortex-induced vibrations of cylinders with low aspect ratio and small mass ratio under a fundamental perspective. The present work was also motivated by the small number of works in the literature dealing with VIV of cylinders with low aspect ratio, as well as by the scarce concerns about the flow models around this cylinders, which justify the dynamic behaviors observed. Aiming to better understand this problem, three groups of experiments with cylinders of 0.1 <= L/D <= 2.0 were carried out in a recirculating water channel at Escola Politécnica of University of São Paulo, as follow: firstly, the flow around stationary cylinders; secondly, VIV of cylinders with two degrees-of-freedom and 1.00 <= m* <= 4.36. finally, VIV of floating cylinder, thus six degrees-of-freedom. The works concluded that VIV occurs only for cylinders with L/D > 0.2. Besides of being original, this result was also related to the observation of three regions of aspect ratio, each of them with different behaviors of the motion amplitudes, frequency ratios and force coefficients. For cylinders with L/D > 2.0, the von Kármán wake was the mainly responsible for the oscillatory lift forces. On the other hand, the von Kármán wake was contaminated by the effects coming from the free end of cylinders with 0.5 < L/D < 2.0, mainly by the vortex structures with vorticity in the vertical plane. And for cylinders with 0.2 < L/D <=0.5, the vortex structures at the free end were predominant, thus the only one responsible for the oscillatory lift forces. Finally, in order to understand the source for oscillatory lift forces on cylinders with very low aspect ratio, end-plates were applied and confirmed that VIV in these cases is related to the vortex-shedding around the free end, which indicates an interesting solution for VIM mitigation of platforms.