Análise CFD em tubulações flutuantes: Case de sucesso

Introdução

Em diversos cenários do contexto industrial é possível se observar interações entre um objeto sólido e um fluido em escoamento. Quando o interesse de estudo é o fluido que está em escoamento, é possível aplicar a técnica da fluidodinâmica computacional, CFD (Computational Fluid Dynamics). Caso tenha interesse nessa disciplina, confira nos links abaixo alguns dos textos contidos no Blog da Kot sobre o tema:

Fluidodinâmica Computacional: a física e a matemática envolvidas nas análises de CFD;

Simulação CFD: conheça os principais usos na indústria;

Case de sucesso: Análise CFD em capuz móvel;

O Federal Remediation Technologies Roundtable (FRTR) define o processo de dragagem como a remoção, tratamento e/ou realocação de sedimentos contaminados ou contaminantes submersos [1]. Essa definição converge com a descrição do processo de dragagem de recuperação ambiental descrito pela Diretoria de Portos e Costas da Marinha do Brasil, que estabelece como “Ato de retirada de material e sedimentos do leito dos corpos d’água, com finalidade específica […] Realizada para a melhoria das condições ambientais ou sanitárias.” [2]. Essa modalidade de dragagem é realizada para reduzir os riscos dos materiais de oferecerem algum tipo de ameaça para a saúde humana ou do meio ambiente.

Os equipamentos utilizados para realizar a dragagem são conhecidos como dragas e são comumente classificados como dragas mecânicas, dragas hidráulicas ou dragas pneumáticas. Também é possível encontrar modelos híbridos dessas máquinas. Em suma, o funcionamento delas pode ser descrito como [1]:

Dragas mecânicas: equipamentos que realizam a dragagem utilizando dispositivos mecânicos, como do tipo escavadeira;
Dragas hidráulicas: equipamentos que realizam a dragagem utilizando o acréscimo de água para formar um fluido, com o material que será retirado, que pode ser bombeado por meio de tubulações;
Dragas pneumáticas: equipamentos que realizam a dragagem utilizando o bombeamento de ar para executar uma sucção do material com uma pequena quantidade de água;
Dragas híbridas: arranjo de equipamentos que utilizam componentes mecânicos e hidráulicos para a retirada do material.

A Figura 1 mostra um esquema do processo de dragagem, desidratação e tratamento de água.

Análise CFD em tubulações flutuantes_Exemplo de dragagem, desidratação e tratamento de água 1 — **Figura 1: Exemplo de dragagem, desidratação e tratamento de água. [1]**

A Kot elaborou um estudo de análise do arrasto nos flutuadores da tubulação de alimentação de uma draga, por meio da análise CFD. Essas dragas em questão são responsáveis por retirar do reservatório rejeitos resultantes do processo de lavagem do minério de bauxita. Tais rejeitos são transportados por meio de uma tubulação até a parede do reservatório. Essa tubulação, por sua vez, é arrastada pela draga que, em contato com o fluido, gera uma força de arrasto contrária ao movimento das embarcações.

Objetivo

O principal objetivo do estudo consistiu em avaliar a força de arrasto exercida pelo movimento das dragas, de modo a possibilitar o dimensionamento do cabo de aço e dos cabeços de ancoragem.

Desenvolvimento

Ao iniciar a análise, foi criado o modelo, e as condições de contorno – como o fluxo de água perpendicular ao tubo – foram definidas e utilizadas. A seguir, as Figuras 2 e 3 mostram o modelo computacional gerado para o estudo e a malha utilizada no modelo, respectivamente.

**Figura 2: Modelo utilizado na análise CFD. [3]**

**Figura 3: Malha final do modelo CFD. [3]**

Alguns dos resultados obtidos por meio dos cálculos e análises realizadas podem ser vistos nas Figuras 4 a 7.

Análise CFD em tubulações flutuantes_Perfis de velocidade em torno da tubulação — **Figura 4: Perfis de velocidade em torno da tubulação [m/s]. [3]**

Análise CFD em tubulações flutuantes_Distribuição de pressão 5 — **Figura 5: Distribuição de pressão [Pa]. [3]**

Análise CFD em tubulações flutuantes_Vetores de velocidade em torno da tubulação 6 — **Figura 6: Vetores de velocidade em torno da tubulação – Vista superior. [3]**

Análise CFD em tubulações flutuantes_Perfil de velocidade em torno da tubulação 7 — **Figura 7: Perfil de velocidade em torno da tubulação – Vista superior. [3]**

O objetivo do estudo foi concluído com o auxílio da equação da força de arrasto. As análises computacionais e cálculos analíticos para determinação da máxima carga de arrasto atuante nas tubulações e nas dragas, mostraram que os coeficientes de arrasto são muito elevados para a aplicação, o que influencia na trajetória de movimentação da draga, conforme apresentado na Figura 8.

**Figura 8: Vista esquemática da movimentação da Draga. [3]**

As análises CFD possuem um grande leque de aplicação no contexto industrial, não apenas em condições de projeto, mas também para avaliar cenários reais de sistemas existentes. Esses estudos possibilitam a compreensão física-matemática de eventos complexos e/ou não visíveis à olho nu.

A Kot possui experiência na área e pode te auxiliar nas necessidades de sua empresa. Consulte o nosso time de especialistas para avaliar as possibilidades de aplicação em seu contexto.

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Referências:

[1] https://frtr.gov/matrix/Environmental-Dredging/#Introduction

[2] NORMAS DA AUTORIDADE MARÍTIMA PARA OBRAS, DRAGAGENS, PESQUISA E LAVRA DE MINERAIS SOB, SOBRE E ÀS MARGENS DAS ÁGUAS JURISDICIONAIS BRASILEIRAS

[3] Acervo Kot

Equipe Kot Engenharia

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