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Replicar o Oceano em laboratório para desenvolver tecnologias para o Mar

24 fevereiro 2022

Artigo de Diogo Neves, responsável de desenvolvimento de negócio na área de Tecnologias para o Mar


A simulação numérica e a modelação experimental são ferramentas fundamentais no desenvolvimento científico e tecnológico, pois possibilitam a reprodução de processos e soluções para problemas reais num ambiente digital ou ambiente controlado onde todas as variáveis são mensuráveis e/ou controladas.

Esta capacidade é especialmente importante no desenvolvimento de tecnologias para o mar. Ondas, correntes, vento, sedimentos, e temperatura da água são alguns dos fenómenos físicos e ambientais com que nos deparamos no ambiente marítimo, e a que equipamentos e estruturas com aplicação nos setores das energias renováveis, naval e aquacultura, têm de se adaptar.

Para tal, estudamos o comportamento real de sistemas e processos neste ambiente com a aplicação de métodos de simulação.

Dependendo do tipo de simulações, estas devem ser acompanhadas de medições, tanto a nível numérico como experimental, de forma a obter dados suficientes para a comparação e entendimento dos processos envolvidos. Ao obter o máximo de dados possível, conseguimos tomar decisões seguras relativamente a processos complexos e de difícil perceção1.

Simulação numérica de transporte de uma GBS (Gravity Based Structure) por grua em embarcação.

"Vantagens da utilização de métodos de simulação são incontornáveis”

Os métodos de simulação já são há muito usados para prever o comportamento futuro, mas só com o desenvolvimento de novas tecnologias e instrumentação tem sido possível a realização de simulações que alargam os limites do entendimento científico 6, 12. Além disso, há mais de três décadas3, que o desenvolvimento da capacidade de computação tem vindo a reduzir consideravelmente os níveis de custo associados a processos de simulação.

Hoje é possível simular processos físicos que vão desde o nível das partículas mais elementares até processos a uma escala astronómica. Significa isto que as vantagens da utilização de métodos de simulação são, nos dias de hoje, incontornáveis.

A nível industrial todo o desenvolvimento de produto e processos é sujeito a um elevado número de testes, tanto a nível computacional como a nível experimental. Porém, qualquer aplicação de um método de simulação ou uso de ferramenta de simulação computacional tem de ser acompanhado de um entendimento elevado dos processos científicos envolvidos.

Considera-se igualmente que cada método de simulação deverá ser sempre complementado através da validação e aplicação de métodos de simulação complementares 10. Como exemplo, o desenvolvimento de um novo dispositivo mecânico passa por testes de simulação numérica e por testes de modelação experimental em várias escalas, de forma a validar e aumentar o grau de confiança nos resultados gerados pelas simulações numéricas.

Diferentes métodos de análise para diferentes fases do desenvolvimento tecnológico

No âmbito do desenvolvimento das Tecnologias para o Mar, os especialistas do INEGI utilizam métodos de simulação numérica avançada e de modelação experimental em ambiente laboratorial e ambiente real para projetar e desenvolver soluções ajustadas às necessidades do setor da economia Azul. Entre os projetos em carteira, contam o desenvolvimento de tecnologias relativas a energias renováveis marinhas 2, 11, sistemas de monitorização 4, 5, e a análise de sistemas de propulsão inovadores9 relativos à dinâmica de amarrações.

O desenvolvimento de produtos e sistemas adequados ao ambiente marinho necessita efetivamente da aplicação de diferentes métodos de simulação que atendam às diversas fases do desenvolvimento tecnológico (TRLs) 14, sendo eles:

Métodos de simulação numérica

Os métodos de simulação numérica são utilizados em diferentes fases do desenvolvimento tecnológico, desde o desenvolvimento do conceito até ao produto final.

A caracterização do local de operação da tecnologia constitui uma das fases fundamentais para o seu desenvolvimento, por via da aplicação de modelos numéricos de advecção e transporte 13 capazes de criar um conjunto de cenários passíveis de serem modelados.  

Numa fase de desenvolvimento do projeto e definição do comportamento de estruturas em meio marítimo é, em muitos casos, necessário aplicar modelos complexos que exigem capacidade computacional elevada, como é o caso de modelos CFD (Computational Fluid Dynamics) 4 para simulação de escoamentos e campos de pressão hidrodinâmicos para as diversas fases do sistema (TRL 3-4).

Posteriormente, é natural a avaliação do comportamento estrutural através da aplicação de modelos de elementos finitos (FEM – Finite Element Method), de forma a avaliar seus estados limite e modos de operação, considerando o tipo de material da estrutura em desenvolvimento. Esta última fase de modelação numérica do comportamento estrutural possibilita a fase de teste à escala para validação em ambiente experimental relevante (TRL 5).

Métodos de modelação experimental

Já o comportamento de uma estrutura num meio marítimo pode ser modelado através de metodologias experimentais em ambiente relevante, como os ensaios em tanque que permitem a simulação de cenários realistas à escala8.

Existem metodologias e infraestruturas adequadas a cada tipo de cenário a simular, sejam longos tanques de reboque (towing tanks)7 para simular condições hidrodinâmicas de embarcações, tanques de profundidade baixa para tecnologias aplicadas a estruturas costeiras, tanques de profundidades elevadas para a simulação do comportamento de estruturas offshore, e até canais de onda 2D para os casos de avaliação apenas do comportamento 2D de estruturas. Ainda assim, para tecnologias marítimas é normalmente necessário o teste em mar para um período alargado de tempo para validação da tecnologia6 (TRL > 6).

Este tipo de abordagem integrada, aplicada a diversas áreas do conhecimento, tem um impacto extremamente relevante na obtenção do suporte técnico adequado para o entendimento de processos complexos.

Uma resposta garantida pela engenharia oceânica e naval, para o desenvolvimento de tecnologias verdadeiramente capazes de dar resposta aos desafios da economia azul para um futuro sustentável.

 


Referências:

[1] - Bokor, Orsolya & Florez-Perez, Laura & Osborne, Allan & Gledson, Barry. (2019). Overview of construction simulation approaches to model construction processes. Organization, Technology and Management in Construction: an International Journal. 11. 1853-1861. 10.2478/otmcj-2018-0018.

[2] – Cestaro, H. (2021). "Conversores híbridos: juntar o melhor de cada tecnologia para aproveitar a energia das ondas do mar”. INEGI (http://www.inegi.pt/pt/noticias/conversores-hibridos-juntar-o-melhor-de-cada-tecnologia-para-aproveitar-a-energia-das-ondas-do-mar/?l=28&s=837)

[3] – Fu M.C., Glover F. W.  and April J. (2005). "Simulation optimization: a review, new developments, and applications," Proceedings of the Winter Simulation Conference, 2005., 13 pp.-, doi: 10.1109/WSC.2005.1574242.

[4] – Gonçalves F. (2021) "Observatórios Marinhos: como novas tecnologias contribuem para estudar e proteger a "saúde" dos oceanos”. INEGI (http://www.inegi.pt/pt/noticias/observatorios-marinhos-como-novas-tecnologias-contribuem-para-estudar-e-proteger-a-saude-dos-oceanos/?l=28&s=837).

[5] - Gonçalves F., Gomes M., Mathias N., Morais T., and Ferradosa T., "Numerical modelling of full-scale subsea lander Amalia with in.situ conditions”, In Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Maritime Engineering, vol. 173, no. 4, pp. 110-119, 2020.

 [6] – Groth M., Xavier W. (2019). "Pushing the limit of quantum transport simulations”. Journal of Phys. Rev. Research, Vol 1-3, 033188, DOI: 10.1103/PhysRevResearch.1.033188.

 [7] ITTC – International Towing Tank Association (2021) - https://ittc.info/

[8] – Luan C., Chabaud V., Bachynski E. E., Gao Z., Moan T.. (2017). "Experimental validation of a time-domain approach for determining sectional loads in a floating wind turbine hull subjected to moderate waves”. Energy Procedia, Vol 37, 366-381. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.10.361.

[9] - Moreira D,, Mathias, N., Morais, T. (2020). "Dual flapping foil system for propulsion and harnessing wave energy: A 2D parametric study for unaligned foil configurations”, Ocean Engineering, 215, 107875, ISSN 0029-8018, https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2020.107875.

[10] – Müller M., Pfahl D. (2008) "Simulation Methods. In engineering: Guide to Advanced Empirical Software Engineering.” Springer, London. https://doi.org/10.1007/978-1-84800-044-5_5

[11] - Oliveira P., Taveira-Pinto F., Morais T., Rosa-Santos P., Experimental evaluation of the effect of wave focusing walls on the performance of the Sea-wave Slot-cone Generator, Energy Conversion and Management 110 (15), pp. 165-175; ISSN 0196-8904 http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2015.11.071.; 2016.

[12] – Sagan D., Berz M., Cook N.M., Hao Y., Hoffstaetter G., Huebl A., Huang C.-K., Langston, M.H.,  Mayes C.E.,  Mitchell C.E., Qiang J., Ryne R.D., Scheinker A.,  Stern E., Vay J.-L., Winklehner D. and Zhang H.. (2018). "Introduction to Modeling and Simulation Techniques”. The 8th International Symposium on Computational Intelligence and Industrial Applications (ISCIIA2018).

 [13] – Svendsen, A (2005). "Introduction to nearshore hydrodynamics”. Advanced Series on Ocean Engineering: Volume 24.  World Scientific, https://doi.org/10.1142/5740

[14] – Technology Readiness levels (TRL) for the EU projects (2020) (https://ec.europa.eu/research/participants/data/ref/h2020/wp/2014_2015/annexes/h2020-wp1415-annex-g-trl_en.pdf) European Comission.

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