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Interação onda-estruturas flutuantes e flexíveis: uma análise numérica CFD-CSM

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As estruturas flutuantes muito flexíveis (VFFS - Very Flexible Floating Structures) têm tido recentemente uma grande relevância na indústria marítima devido às suas potenciais aplicações na área offshore, como: eólica, solar ou das ondas. Apesar do seu futuro promissor, o comportamento hidrodinâmico das VFFS e a sua influência no escoamento continua a não ser totalmente compreendido. A recente proposta das VFFS como uma categoria distinta de estruturas flutuantes exige um estudo aprofundado das suas características únicas, existindo ainda uma lacuna especial de estudos numéricos de VFFS. Este documento aborda esta lacuna crítica, apresentando um estudo numérico de três simulações do tipo interação fluido-estrutura (FSI) com o objetivo de analisar as complexas interações fluido-estrutura quando sujeitas a diferentes tipos de escoamento. O primeiro consiste no caso HronTurekFSI3, uma simulação padrão usada para testar métodos associados a casos FSI, o segundo caso é de sloshing com um corpo flutuante e flexível na sua superfície e o último caso de uma VFFS colocada num tanque e sujeita a ondas. Inicialmente, o OpenFOAM é também verificado e validado para problemas multifásicos através da simulação de um caso de sloshing sem corpo flutuante. Além disso, pretende-se verificar e validar a ferramenta numérica solids4foam associada ao OpenFOAM para a simulação de casos FSI bem como para o projeto e análise funcional de estruturas marítimas flutuantes e flexíveis, facilitando assim o processo de decisão numa fase de projeto. De modo geral, o OpenFOAM, em conjunto com o solids4foam, revela-se uma ferramenta muito útil para a simulação de problemas de FSI, que envolvem simultaneamente a dinâmica de fluidos computacional (CFD) e a mecânica de sólidos computacional (CSM). Demonstrou-se que, em todos os casos, é possível obter resultados precisos e fidedignos, mesmo ao lidar com estruturas de elevada flexibilidade, tendo-se obtido erros relativos reduzidos (na ordem dos 5%) e dentro de limites aceitáveis.
Very Flexible Floating Structures (VFFS) have recently gained significant relevance in the maritime industry due to their potential applications in the offshore sector, such as wind, solar, or wave energy. Despite their promising future, the hydrodynamic behavior of VFFS and their influence on the flow remain not fully understood. The recent proposal of VFFS as a distinct category of floating structures calls for a thorough study of their unique characteristics. There is still a notable gap in numerical studies concerning VFFS. This document addresses this critical gap by presenting a numerical study of three fluid- structure interaction (FSI) simulations aimed at analyzing the complex fluid-structure interactions under different flow conditions. The first case is the HronTurekFSI3 benchmark, a cased used to test FSI methods, the second involves sloshing with a floating and flexible body, and the final case examines a VFFS subjected to wave action. Initially, OpenFOAM is also verified and validated for multiphase problems through the simulation of a sloshing case. Additionally, the numerical tool solids4foam, integrated with Open- FOAM, is intended to be verified and validated for FSI simulations, as well as for the design and functional analysis of flexible maritime floating structures, thus facilitating decision-making in the design phase. Overall, OpenFOAM, in conjunction with solids4foam, proves to be a highly useful tool for simulating FSI problems involving both computational fluid dynamics (CFD) and computational solid mechanics (CSM). In all cases, it was demonstrated that precise and reliable results can be obtained, even when dealing with highly flexible structures, with reduced relative errors (on the order of 5%) that fall within acceptable limits.

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Palavras-chave

Estruturas flutuantes muito flexíveis Hidroelastecidade Interação Fluido-estrutura CFD-CSM OpenFOAM-solids4foam

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