Esta dissertação de mestrado tem como objetivo a validação do modelo numérico de manobras para navios utilizado pelo simulador chamado SMH - Simulador Marítimo Hidroviário, que foi desenvolvido no laboratório Tanque de Provas Numérico. Para tanto foram realizados ensaios experimentais de manobras com um modelo em escala reduzida da embarcação Alpha Crucis com o objetivo de criar dados de manobra que serviram como referência para validação do modelo numérico. Foram selecionados diversos tipos de manobras com o propósito de criar uma caracterização da manobrabilidade da embarcação em baixas velocidades e regime transitório, permitindo a medição de diversas características, que permitem quantificar as capacidades de manobra da embarcação. Através de experimentos numéricos foram, então, realizadas as mesmas manobras executadas pelo modelo físico em escala reduzida, de forma a reproduzir as mesmas condições iniciais e os mesmos comandos, procurando reproduzir as manobras para validação do modelo implementado no SMH. Os resultados obtidos apresentam a aderência das características de manobras do modelo implementado no SMH, através da comparação das características de manobra obtidas pelo modelo físico em escala reduzida e das obtidas pelo modelo numérico. A dissertação apresenta ainda um estudo de sensibilidade que mostra o efeito dos principais fatores utilizados no laboratório Tanque de Provas Numérico para a calibração dos modelos de embarcações, mostrando que para as manobras consideradas neste trabalho alguns dos efeitos possuem pouca influência nos resultados. Por fim o trabalho conclui que o modelo matemático utilizado pelo SMH representa a capacidade de manobra da embarcação de forma consistente para diversos tipos de manobra, e com um grau de aderência satisfatório. / This research aims to present a validation for the ship maneuvering simulator named SMH, anachronym in Portuguese for Maritime and Waterway Simulator, developed on Tanque de Provas Numérico laboratory. For this propose small scale tests were performed with a model of Alpha Crucis ship aiming to create maneuver data that was used as reference for the numerical model validation. Several types of maneuver where selected to create a characterization of the maneuverability of the ship at low speeds and transient regime, and the parameters that quantify the maneuverability were measured. Then were performed numerical experiments recreating the same maneuver executed with the experimental model, with the same initial conditions and propulsion/rudder controls, trying to reproduce the maneuvers to validate the model implemented on the SMH. The results showed that the maneuvering characteristics predicted by the SMH simulator are similar to measured values in the experiment. The dissertation also presents a sensitivity study that shows the effect of the main parameters used in the laboratory Tanque de Provas Numérico for the vessel model calibration, This study showed that for some maneuvers, the tuning parameters have less influence on the results. Finally, the work concludes that the mathematical model used by the SMH represents the ability of the vessel to maneuver consistently for several types of maneuvers, and with a satisfactory degree of accuracy.

Le comportement thermique et thermo-mécanique des pieux énergétiques est étudié par plusieurs approches : mesures au laboratoire sur des éprouvettes de sol, modélisation physique en modèle réduit, expérimentations sur pieu en vraie grandeur, et calculs numériques/analytiques. D’abord, la conductivité thermique d’un loess à l’état non saturé est mesurée en fonction de la teneur en eau et de la succion. Les résultats montrent une relation univoque entre la conductivité thermique et la teneur en eau pendant un cycle d’humidification/séchage alors qu’une boucle d’hystérésis est observée pour la relation entre la conductivité thermique et la succion. Deuxièmement, des essais thermiques sont réalisés sur un pieu énergétique expérimental en vraie grandeur pour étudier le transfert thermique à l’échelle réelle. Troisièmement, une solution analytique est proposée pour simuler la conduction thermique d’un pieu énergétique vers le sol environnant pendant un chauffage. Les tâches mentionnées ci-dessus concernant le comportant thermique sont ensuite complétées par des études sur le comportement thermo-mécanique des pieux énergétiques. D’un côté, des expérimentations sont réalisées sur un modèle réduit de pieu installé dans un sable sec ou dans une argile saturée. Trente cycles thermiques, représentant trente cycles annuels, sont appliqués au pieu sous différentes charges axiales en tête. Les résultats montrent un tassement irréversible avec les cycles thermiques ; ce tassement est plus important sous une charge axiale plus grande. De plus, le tassement est plus marqué pendant les premiers cycles thermiques et devient négligeable pour les cycles suivants. De l’autre côté, les travaux expérimentaux sur le modèle réduit de pieu sont complétés par les calculs numériques utilisant la méthode des éléments finis. Cette approche est d’abord validée avec les résultats obtenus sur le pieu modèle avant d’être utilisée pour prédire les résultats des expérimentations en vraie grandeur / The thermal and thermo-mechanical behavior of energy piles is investigated by various approaches: laboratory measurement on small soil samples, physical modeling on small-scale pile, experiments on real-scale pile, and analytical/numerical calculations. First, the thermal conductivity of unsaturated loess is measured simultaneously with moisture content and suction. The results show a unique relationship between thermal conductivity and moisture content during a wetting/drying cycle while a clear hysteresis loop can be observed on the relationship between thermal conductivity and suction. Second, thermal tests are performed on a full-scale experimental energy pile to observe heat transfer at the real scale. Third, an analytical solution is proposed to simulate conductive heat transfer from an energy pile to the surrounding soil during heating. The above-mentioned tasks related to the thermal behavior are then completed by studies on the thermo-mechanical behavior of energy piles. On one hand, experiments are performed on a small-scale pile installed either in dry sand or in saturated clay. Thirty thermal cycles, representing thirty annual cycles, are applied to the pile under various constant pile head loads. The results show irreversible pile head settlement with thermal cycles; the settlement is higher at higher pile head load. In addition, the irreversible thermal settlement is the most significant during the first cycles; it becomes negligible at high number of cycles. On the other hand, the experimental work with small-scale pile is completed with numerical calculations by using the finite element method. This approach is first validated with the results on small-scale pile prior to be used to predict the results of full-scale experiments

Esta dissertação de mestrado tem como objetivo a validação do modelo numérico de manobras para navios utilizado pelo simulador chamado SMH - Simulador Marítimo Hidroviário, que foi desenvolvido no laboratório Tanque de Provas Numérico. Para tanto foram realizados ensaios experimentais de manobras com um modelo em escala reduzida da embarcação Alpha Crucis com o objetivo de criar dados de manobra que serviram como referência para validação do modelo numérico. Foram selecionados diversos tipos de manobras com o propósito de criar uma caracterização da manobrabilidade da embarcação em baixas velocidades e regime transitório, permitindo a medição de diversas características, que permitem quantificar as capacidades de manobra da embarcação. Através de experimentos numéricos foram, então, realizadas as mesmas manobras executadas pelo modelo físico em escala reduzida, de forma a reproduzir as mesmas condições iniciais e os mesmos comandos, procurando reproduzir as manobras para validação do modelo implementado no SMH. Os resultados obtidos apresentam a aderência das características de manobras do modelo implementado no SMH, através da comparação das características de manobra obtidas pelo modelo físico em escala reduzida e das obtidas pelo modelo numérico. A dissertação apresenta ainda um estudo de sensibilidade que mostra o efeito dos principais fatores utilizados no laboratório Tanque de Provas Numérico para a calibração dos modelos de embarcações, mostrando que para as manobras consideradas neste trabalho alguns dos efeitos possuem pouca influência nos resultados. Por fim o trabalho conclui que o modelo matemático utilizado pelo SMH representa a capacidade de manobra da embarcação de forma consistente para diversos tipos de manobra, e com um grau de aderência satisfatório. / This research aims to present a validation for the ship maneuvering simulator named SMH, anachronym in Portuguese for Maritime and Waterway Simulator, developed on Tanque de Provas Numérico laboratory. For this propose small scale tests were performed with a model of Alpha Crucis ship aiming to create maneuver data that was used as reference for the numerical model validation. Several types of maneuver where selected to create a characterization of the maneuverability of the ship at low speeds and transient regime, and the parameters that quantify the maneuverability were measured. Then were performed numerical experiments recreating the same maneuver executed with the experimental model, with the same initial conditions and propulsion/rudder controls, trying to reproduce the maneuvers to validate the model implemented on the SMH. The results showed that the maneuvering characteristics predicted by the SMH simulator are similar to measured values in the experiment. The dissertation also presents a sensitivity study that shows the effect of the main parameters used in the laboratory Tanque de Provas Numérico for the vessel model calibration, This study showed that for some maneuvers, the tuning parameters have less influence on the results. Finally, the work concludes that the mathematical model used by the SMH represents the ability of the vessel to maneuver consistently for several types of maneuvers, and with a satisfactory degree of accuracy.

Esta dissertação de mestrado tem como objetivo fundamental a apresentação de análises e comparações, que visam fazer parte do processo de aprimoramento constante do método numérico de simulação de unidades flutuantes produtoras de petróleo, chamado TPN Tanque de Provas Numérico. Para tanto, foram executados ensaios com modelo em escala reduzida, cujos resultados foram comparados com o modelo numérico do TPN. A unidade padrão utilizada nos ensaios foi a plataforma semi-submersível ITTC-SR192, escala 1:105, ensaios estes realizados no tanque de provas do IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo. Por meio de comparação com os resultados dos ensaios, foram verificadas as habilidades do TPN em reproduzir os movimentos do casco, a tração no topo das linhas de produção e o amortecimento induzido pelas mesmas. Importante destacar que os parâmetros verificados tiveram a finalidade adicional de confrontar os resultados numérico-experimentais com foco na investigação da influência das linhas de produção na própria dinâmica do sistema flutuante. Tendo em vista esse objetivo complementar, todos os ensaios foram realizados com e sem a presença de linhas de produção, no texto referenciadas apenas por risers, modeladas como um grupo de estruturas bastante flexíveis e de grande diâmetro, a fim de prover um aumento significativo no amortecimento do sistema. Sendo assim, o comportamento dinâmico dos casos com e sem risers foram comparados buscando observar as diferenças nos movimentos do sistema em ondas e correnteza. Além disso, utilizando o método recomendado pela API, referência [3] , doravante denominado apenas por método Near and Far, a tração de topo de um dos risers foi simulada numericamente com a imposição de movimentos obtidos nos experimentos, dando assim meios para comparação dos critérios de projeto, considerando a influência das linhas conectadas nas plataformas de petróleo. / This research aims to present analysis and comparisons, intended to make part of the constant improvement of the oil platform analysis software, called Numerical Offshore Tank (Tanque de Provas Numérico - TPN). For this purpose, small-scale model tests were performed, and the results compared with the numerical model in TPN. The standard unit used in these model tests was the semisubmersible ITTC-SR192, at scale 1:105, and the tests were performed at IPT (State of São Paulo Institute for Technological Research) towing tank. By means of the model tests results comparisons, the ability of the TPN in reproduce the hull motions, the risers top tensions and damping induced by these lines was evaluated. Importantly, these parameters were verified with the further purpose of comparing the numerical and the experimental results, focusing on the influence of the production lines in the dynamics of the floating system. Taking into account this additional objective, all the model tests were performed with and without production lines, i.e. risers, modeled as a group of highly flexible and large diameter structures, in order to provide a significant increment in the damping of the system. Thus, the dynamic behaviors of the cases with and without risers were compared, giving means to observe motion differences in waves and current. Moreover, using the method recommend by API, reference [3], hereinafter called Near and Far, the top tension of one riser was numerically simulated with the imposition of the motions obtained in the experiments, giving means to compare the riser design criteria, considering the influence of lines attached to the oil platforms.

O estudo do fenômeno de vibrações induzidas pela emissão de vórtices, ou VIV, em risers é um tópico de grande relevância para a engenharia oceânica. Nos últimos anos, diversos resultados vêm sendo apresentados, numéricos e/ou experimentais, buscando o entendimento dos fundamentos deste fenômeno de interação fluido-estrutural, no entanto, sem um entendimento conclusivo e abrangente. Neste contexto, risers também estão sujeitos à ação de correntezas oceânicas e, consequentemente, ao fenômeno de VIV. Neste sentido, o presente estudo traz resultados de uma abordagem experimental para o entendimento do fenômeno de VIV em risers lançados em catenária, configuração que representa grande parte das geometrias adotadas em lançamentos atuais. No entanto, a realização de experimentos com risers em tanque de provas pressupõe a utilização de modelos reduzidos, o que, por si só, representa um grande desafio de pesquisa. Para tanto, desenvolveu-se uma metodologia para a modelagem de risers em escala reduzida, com foco na similaridade entre parâmetros importantes que garantam um comportamento dinâmico equivalente àquele em escala real. Foram, então, realizados experimentos de VIV com catenárias concebidas e construídas com base nesta metodologia, posteriormente ensaiadas em tanque de reboque. Para análise dos resultados, foram utilizadas técnicas como a decomposição modal, que possibilitou a comparação desses com alguns resultados da literatura, mostrando que o fenômeno de VIV na catenária se processa de maneira bastante semelhante ao identificado nos cilindros flexíveis. Além disso, a extensa base de dados experimentais apresentada e discutida nesta tese contribui para futura validação de diversos modelos matemáticos e códigos numéricos de predição do VIV em catenárias, descrevendo com detalhes inúmeros comportamentos imersos neste problema importante de engenharia. / The study of Vortex-induced vibrations in risers is a topic of great relevance in the context of ocean engineering. In recent years, several numerical and experimental results have been presented, addressing the understanding of the fundamentals of this fluid-structure interaction phenomenon, however without a conclusive and comprehensive understanding. In this context, risers are exposed to the action of ocean currents and consequently to the phenomenon of VIV. In this sense, the present study provides results of an experimental approach to understanding the VIV phenomenon on risers launched in catenary configuration, which represents much of the geometries adopted today. However, performing risers experiments in towing-tanks presupposes the use of small-scale models, which represents a major research challenge. Therefore, a methodology for modeling reduced scale risers was developed. The focus of this methodology was on the similarity between certain important parameters that guarantee an equivalent full-scale dynamic behavior. VIV experiments were then performed in the towing tank, with the designed and constructed catenary, based on this methodology. Techniques such as modal decomposition were used for the analysis of the results. This allows the comparison of the results with classical literature paradigms showing that VIV response in the catenary is close to results obtained with flexible cylinders. Furthermore, the large experimental database presented and discussed in the study may contribute to future validation of several mathematical models and numerical codes of VIV prediction in catenary risers, describing in detail several immersed behaviors in this important engineering problem.

Ce travail de thèse s'inscrit dans la thématique de la pollution particulaire de l'air intérieur et concerne plus particulièrement les phénomènes de remise en suspension liés à l'impact, au niveau du sol, des pas d'une personne qui marche sur un plancher chargé en particules. La première partie présente un état de l'art des connaissances de la pollution particulaire. Les différents paramètres expérimentaux qui influencent la remise en suspension des particules ainsi que les coefficients utilisés pour la quantification du phénomène sont recensés. Les différentes perturbations mécaniques et aérodynamiques générées lors de l'impact d'un pied avec le sol pendant la marche d'une personne sont présentées et comparées. Nous terminons la première partie par une présentation des différents modèles de remise en suspension des particules émanant d'une surface. La seconde partie est consacrée à la présentation de la maquette qui a été mise au point au laboratoire LaSIE à La Rochelle afin d'étudier le dépôt et la remise en suspension des particules par un simulateur mécanique du pas humain depuis un sol chargé en particules. Cette étude a permis de classer les différents types de surfaces utilisées dans le bâtiment en fonction de leurs émissions en particules après l'impact mécanique d'un solide. La troisième partie du travail consiste à mesurer les vitesses de l'écoulement de l'air généré par un simulateur mécanique automatisé du pas humain en différents emplacements. Les mesures de la vitesse ont été effectuées par trois types de méthodes largement utilisées dans le domaine de la mécanique des fluides : deux méthodes de Vélocimétrie Laser (Vélocimétrie par Image des particules et Vélocimétrie Laser Doppler), mais également une méthode d’Anémométrie à Fil Chaud. Ces mesures nous ont permis de trouver la zone de forte vitesse qui correspond à la zone où nous avons une remise en suspension importante. Nous avons également étudié l'influence de l'état de la surface sur les vitesses de l'écoulement générées à proximité du sol suite au mouvement du simulateur mécanique. Ces mesures ont mis en évidence que l'influence de la rugosité de la surface sur la vitesse de l'écoulement généré par le pas est marginale. Finalement, nous avons étudié analytiquement le détachement des particules en utilisant un modèle basé sur le bilan des moments de forces. Des perspectives à la fois sur l'amélioration des deux maquettes mises en place au LaSIE et à l'ERM, ainsi que le développement d'un code numérique pour simuler le pas humain sont présentées et argumentées en conclusion. / This thesis work is part of indoor air particle pollution theme and more particularly the phenomenon of walking-induced particle resuspension. The first part presents a state of the art knowledge of particulate pollution. The different experimental parameters that influence the particles resuspension, as well as the coefficients used for the phenomenon quantification, are identified. The various mechanical and aerodynamic disturbances generated during person walking are presented and compared. We end the first part with a presentation of the different particles resuspension models. The second part is dedicated to present the experiment made on a small scale model developed at the LaSIE laboratory in La Rochelle to study particles deposition and resuspension by amechanical simulator of the human step from a particle-laden soil. This study classified the different types of surfaces used in the building according to their particulate emissions after the mechanical simulator impact. The third part of the work consists of measuring the airflow velocities generated by an automated mechanical simulator of the human footstep at different locations. The velocity measurements have been done in the Royal Military Academy at Brussels (RMA) by three types of methods widely used in the field of fluid mechanics : two methods of Laser Velocimetry (Particle Image Velocimetry and Laser Doppler Velocimetry), but also a method of Wire Anemometry. These measurements allowed us to find the high-speed zone that corresponds to the area where we have a significant resuspension. We also studied the influence the surface roughness on the flow velocities generated near the ground following the movement of the mechanical simulator. We have shown that the influence of the surface roughness on the speed of the flow generated by the pitch is marginal. Finally, we analytically studied the detachment of particles using a model based on the momentum balance. Perspectives on both the improvement of the two models set up in LaSIE and the RMA, as well as the development of a numerical code to simulate the human step, are presented and argued in conclusion.

O estudo do fenômeno de vibrações induzidas pela emissão de vórtices, ou VIV, em risers é um tópico de grande relevância para a engenharia oceânica. Nos últimos anos, diversos resultados vêm sendo apresentados, numéricos e/ou experimentais, buscando o entendimento dos fundamentos deste fenômeno de interação fluido-estrutural, no entanto, sem um entendimento conclusivo e abrangente. Neste contexto, risers também estão sujeitos à ação de correntezas oceânicas e, consequentemente, ao fenômeno de VIV. Neste sentido, o presente estudo traz resultados de uma abordagem experimental para o entendimento do fenômeno de VIV em risers lançados em catenária, configuração que representa grande parte das geometrias adotadas em lançamentos atuais. No entanto, a realização de experimentos com risers em tanque de provas pressupõe a utilização de modelos reduzidos, o que, por si só, representa um grande desafio de pesquisa. Para tanto, desenvolveu-se uma metodologia para a modelagem de risers em escala reduzida, com foco na similaridade entre parâmetros importantes que garantam um comportamento dinâmico equivalente àquele em escala real. Foram, então, realizados experimentos de VIV com catenárias concebidas e construídas com base nesta metodologia, posteriormente ensaiadas em tanque de reboque. Para análise dos resultados, foram utilizadas técnicas como a decomposição modal, que possibilitou a comparação desses com alguns resultados da literatura, mostrando que o fenômeno de VIV na catenária se processa de maneira bastante semelhante ao identificado nos cilindros flexíveis. Além disso, a extensa base de dados experimentais apresentada e discutida nesta tese contribui para futura validação de diversos modelos matemáticos e códigos numéricos de predição do VIV em catenárias, descrevendo com detalhes inúmeros comportamentos imersos neste problema importante de engenharia. / The study of Vortex-induced vibrations in risers is a topic of great relevance in the context of ocean engineering. In recent years, several numerical and experimental results have been presented, addressing the understanding of the fundamentals of this fluid-structure interaction phenomenon, however without a conclusive and comprehensive understanding. In this context, risers are exposed to the action of ocean currents and consequently to the phenomenon of VIV. In this sense, the present study provides results of an experimental approach to understanding the VIV phenomenon on risers launched in catenary configuration, which represents much of the geometries adopted today. However, performing risers experiments in towing-tanks presupposes the use of small-scale models, which represents a major research challenge. Therefore, a methodology for modeling reduced scale risers was developed. The focus of this methodology was on the similarity between certain important parameters that guarantee an equivalent full-scale dynamic behavior. VIV experiments were then performed in the towing tank, with the designed and constructed catenary, based on this methodology. Techniques such as modal decomposition were used for the analysis of the results. This allows the comparison of the results with classical literature paradigms showing that VIV response in the catenary is close to results obtained with flexible cylinders. Furthermore, the large experimental database presented and discussed in the study may contribute to future validation of several mathematical models and numerical codes of VIV prediction in catenary risers, describing in detail several immersed behaviors in this important engineering problem.

Esta dissertação de mestrado tem como objetivo fundamental a apresentação de análises e comparações, que visam fazer parte do processo de aprimoramento constante do método numérico de simulação de unidades flutuantes produtoras de petróleo, chamado TPN Tanque de Provas Numérico. Para tanto, foram executados ensaios com modelo em escala reduzida, cujos resultados foram comparados com o modelo numérico do TPN. A unidade padrão utilizada nos ensaios foi a plataforma semi-submersível ITTC-SR192, escala 1:105, ensaios estes realizados no tanque de provas do IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo. Por meio de comparação com os resultados dos ensaios, foram verificadas as habilidades do TPN em reproduzir os movimentos do casco, a tração no topo das linhas de produção e o amortecimento induzido pelas mesmas. Importante destacar que os parâmetros verificados tiveram a finalidade adicional de confrontar os resultados numérico-experimentais com foco na investigação da influência das linhas de produção na própria dinâmica do sistema flutuante. Tendo em vista esse objetivo complementar, todos os ensaios foram realizados com e sem a presença de linhas de produção, no texto referenciadas apenas por risers, modeladas como um grupo de estruturas bastante flexíveis e de grande diâmetro, a fim de prover um aumento significativo no amortecimento do sistema. Sendo assim, o comportamento dinâmico dos casos com e sem risers foram comparados buscando observar as diferenças nos movimentos do sistema em ondas e correnteza. Além disso, utilizando o método recomendado pela API, referência [3] , doravante denominado apenas por método Near and Far, a tração de topo de um dos risers foi simulada numericamente com a imposição de movimentos obtidos nos experimentos, dando assim meios para comparação dos critérios de projeto, considerando a influência das linhas conectadas nas plataformas de petróleo. / This research aims to present analysis and comparisons, intended to make part of the constant improvement of the oil platform analysis software, called Numerical Offshore Tank (Tanque de Provas Numérico - TPN). For this purpose, small-scale model tests were performed, and the results compared with the numerical model in TPN. The standard unit used in these model tests was the semisubmersible ITTC-SR192, at scale 1:105, and the tests were performed at IPT (State of São Paulo Institute for Technological Research) towing tank. By means of the model tests results comparisons, the ability of the TPN in reproduce the hull motions, the risers top tensions and damping induced by these lines was evaluated. Importantly, these parameters were verified with the further purpose of comparing the numerical and the experimental results, focusing on the influence of the production lines in the dynamics of the floating system. Taking into account this additional objective, all the model tests were performed with and without production lines, i.e. risers, modeled as a group of highly flexible and large diameter structures, in order to provide a significant increment in the damping of the system. Thus, the dynamic behaviors of the cases with and without risers were compared, giving means to observe motion differences in waves and current. Moreover, using the method recommend by API, reference [3], hereinafter called Near and Far, the top tension of one riser was numerically simulated with the imposition of the motions obtained in the experiments, giving means to compare the riser design criteria, considering the influence of lines attached to the oil platforms.