Submitted by Kilvya Braga (kilvyabraga@hotmail.com) on 2018-04-27T11:35:02Z No. of bitstreams: 1 DIEGO PAES DE ANDRADE PEÑA - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 5093848 bytes, checksum: c6e79e54502ec5a0ff9ff5b410ffd362 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-27T11:35:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DIEGO PAES DE ANDRADE PEÑA - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 5093848 bytes, checksum: c6e79e54502ec5a0ff9ff5b410ffd362 (MD5) Previous issue date: 2016-09-02 / CNPq / A aeroelasticidade é o campo da ciência que estuda a correlação entre as forças aerodinâmicas, elásticas e de inércia. Tal ciência é de grande importância no campo aeronáutico uma vez que as estruturas alares são flexíveis, devem suportar os esforços aerodinâmicos e serem rígidas o suficiente para garantir que esteja livre de todos os problemas aeroelásticos característicos (divergência, eficiência de controle, flutter e buffeting) dentro da faixa operacional de velocidades desenvolvida pela aeronave. Realizou-se uma análise modal da estrutura a fim de se conhecer os modos naturais de vibração e as respectivas frequências naturais. Para tal, utilizou-se o ANSYS Structural e o método dos elementos finitos, além de um estudo de malha para verificar a convergência dos resultados. Estudou-se também a influência da posição do lastro na ponta da placa plana, que causa a diminuição da segunda frequência natural. Além disso, realizou-se uma análise bidimensional de um volume de controle do tipo C-Grid, uma vez que o tamanho do volume de controle em uma análise aerodinâmica computacional é um fator extremamente importante. Com um volume de controle grande, tem se mais elementos na malha, caso o mesmo seja pequeno, as condições de contorno juntamente com os tamanhos dos elementos podem interferir nos resultados dos campos de velocidade e pressão em torno da estrutura. Nesse contexto, utilizou-se do software ANSYS Fluent para a simulação aerodinâmica da placa plana inclinada e obtenção dos coeficientes aerodinâmicos de sustentação e arrasto CL e CD. Os resultados foram comparados com resultados experimentais em túnel de vento de Goudeseune (SELIG; ROBERT; WILLIAMSON, 2011). Através do cálculo do Grid Convergence Index (GCI) e da comparação dos resultados numéricos com os dados experimentais constatou-se a convergência e conseguiu-se determinar um tamanho de volume de controle com erro baixo e aceitável. A análise fluido-estrutura acoplada de duas vias foi realizada com o ANSYS Structural para analisar a dinâmica estrutural através do método dos elementos finitos e o ANSYS CFX para resolver o campo do escoamento mediante método dos volumes finitos. Obtiveram-se o comportamento oscilatório da estrutura, além do coeficiente de amortecimento e tensões de von Mises. Analisando o comportamento transiente da dinâmica estrutural mediante um fluxo aerodinâmico constante (velocidade fixa). As simulações representaram bem o fenômeno, já que com o aumento da velocidade, o escoamento induz maior amortecimento à estrutura quando comparado com baixas velocidades. / The aeroelasticity is the field of science that studies the relationship between the aerodynamic elastic and inertia forces. Such knowledge is of great importance in the aviation field since the wing structures are flexible, must withstand the aerodynamic loads and be rigid enough to ensure that it is free from all aeroelastic problems like divergence, control efficiency, flutter and buffeting within the operating speed range. We carried out a modal analysis of the structure in order to know the natural vibration modes and natural frequencies. To this end, we used the ANSYS Structural with finite element method, a mesh study to verify the convergence of the results. It is also studied the influence of the slender body position of the tip of the flat plate, which causes the decrease of the second natural frequency. Furthermore, there was a twodimensional analysis of a volume control type C-Grid, since the control volume aerodynamic size in a computational analysis is an extremely important factor. A large volume of control has more elements in the mesh if it is small, the boundary conditions together with the sizes of elements may affect the results of the velocity field and pressure around the structure. In this context, we used the ANSYS FLUENT for the aerodynamic simulation of the inclined flat plate, and obtaining the aerodynamic support, and drag coefficients CL and CD. The results were compared with experimental results of Goudeseune wind tunnel (SELIG; ROBERT; WILLIAMSON, 2011). By calculating the Grid Convergence Index (GCI) and comparing the numerical results with experimental data found the convergence and managed to determine a control volume size with low and acceptable error. The fluid-structure coupled two-way analysis was performed using ANSYS Structural to analyze the structural dynamics through the finite element method and ANSYS CFX to resolve the flow field by the finite volume method. It was possible to obtain the oscillatory behavior of the structure, besides the damping coefficient and von Mises stresses. Analyzing the transient behavior of structural dynamics by a constant aerodynamic flow (fixed speed), the simulations represented the phenomenon as well, since with the increase in speed, the flow induces cushioning structure as compared to low speed

[pt] Diante dos cenários de produção cada vez mais desafiadores, a indústria de petróleo tem sido forçada a expandir os limites operacionais para vazões, temperaturas e pressões mais elevadas. Como consequência, cenários mais rigorosos são encontrados, levando à redução da vida útil dos equipamentos atuais, como por exemplo, a falha prematura por fadiga de linhas de controle de poços com completação inteligente. Estas linhas encontram-se expostas ao escoamento turbulento na região anular da coluna de produção, causando vibrações e tensões suficientemente altas, podendo levar a uma falha prematura das linhas por fadiga. Para prevenir estes problemas e desenvolver projetos mais eficientes, é necessário investigar os fenômenos associados a interação da vibração da linha com os desprendimentos de vórtices do escoamento. Estes foram modelados utilizando-se a metodologia DDES (Delayed Detached Eddy Simulation), o que requer alto custo computacional, devido à necessidade de utilização de pequenos passos de tempo e de espaçamento de malha. Buscando reduzir o custo computacional para a modelagem do problema, propõe-se, neste trabalho, tratar de forma desacoplada a análise estrutural e de fluidodinâmica. As forças atuantes nas linhas de controle no espaço anular do poço de completação são obtidas desprezando-se a flexibilidade das linhas. Paralelamente, o fator de amortecimento crítico, necessário para a análise estrutural da vibração da linha, é obtido através de uma simulação Fluido- Estrutura de um escoamento cruzado a um cilindro elástico. Os resultados obtidos mostram que a presente metodologia é promissora, pois permite uma representação dos fenômenos envolvidos melhor do que a encontrada nos procedimentos atualmente disponíveis na literatura. / [en] In face of increasingly challenging production scenarios, the oil industry has been forced to expand operational limits to higher flow rates, temperatures, and pressures. Therefore, challenging production scenarios are found, from integrity standpoint, leading to reduction in current equipment life expectancy. Premature failure of control lines due to fatigue in wells with intelligent completion is one of the problems that arises from those extreme conditions. These lines are exposed to turbulent flow in the annular region of the production string, causing sufficiently high vibrations and stresses. These dynamic stresses can lead to premature failure of the lines due to fatigue. To prevent these problems, and to develop more efficient designs, it is necessary to investigate the phenomena associated with the interaction of the line vibration with the vortex shedding of the flow. We modeled the phenomena using the DES (Delayed Detached Eddy Simulation) methodology, which has high computational cost due to the need of using small time steps and high mesh refinement. In order to reduce these computational costs, this work proposes to deal with structural and fluid dynamics analysis in a decoupled way. The forces acting on the control lines in the annular space of the completion well are obtained neglecting the flexibility of the lines. In parallel, the critical damping factor, necessary for the structural vibration analysis of control lines, is obtained through a Fluid-Structure Interaction (FSI) simulation of an elastic cylinder subjected to cross flow. The results obtained show that the present methodology is promising, allowing a better representation of the involved phenomena, compared to procedures currently available in the literature.