Uma inédita e complexa linha de pesquisa está se desenvolvendo no Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para estudar como os fenômenos naturais afetam a prospecção de petróleo em águas ultra-profundas, como a camada pré-sal. Na ponta deste projeto está o Núcleo de Dinâmica e Fluidos (NDF), um centro de alta tecnologia, composto por três laboratórios, financiado por agências de fomento (Fapesp, Finep, CNPq e ANP) e empresas nacionais e internacionais (Petrobras, Embraer, Voith-Siemens, Oxiteno e British Petroleum).
Entre as principais linhas de pesquisa do NDF estão os risers, as tubulações submersas que ligam as plataformas de produção e exploração de petróleo ao leito oceânico e por onde circulam o óleo extraído, gases, água e detritos sólidos provenientes da perfuração.
Os estudos abrangem experimentos em um equipamento denominado “canal de águas circulantes” (o mais moderno do Brasil e um dos mais modernos do mundo). Dotado de sofisticados instrumentos, inclusive com um sistema a laser, o “canal” simula o comportamento dos risers no fundo do mar, principalmente sob o impacto do fenômeno chamado Vibração-Induzida por Vórtices (VIV).
Canal de águas circulantes simula os risers no fundo do mar
Tecnicamente um vórtice é o escoamento circular ou rotacional que possui vorticidade – um conceito matemático utilizado na dinâmica dos fluídos. Os vórtices são encontrados nos mais diversos locais da natureza, como furacões ou simplismente quando se mexe uma xícara de café.
De acordo com o professor Julio Meneghini, líder da equipe de pesquisadores do NDF, a Vibração-Induzida por Vórtices é ainda pouco conhecida. “Quando o riser é muito longo, ele torna-se sujeito a vibrações. Assim, quando os vórtices se formam, criam um campo de pressão que acarreta uma força lateral que pode causar vibração no riser, possibilitando a ocorrência de fadiga na tubulação, diminuindo sua vida útil ou pior, causando acidentes”, explica o pesquisador.
Há basicamente dois tipos de risers: os rígidos, construídos com chapas de aço costuradas com solda; e os flexíveis, confeccionados com malhas estruturais de aço e fibras poliméricas revestidos interna e externamente com capas de polímero de alta densidade.
Entre os desafios dos pesquisadores do Núcleo de Dinâmica e Fluidos está o de propor novos mecanismos para atenuar a vibração induzida pelos vórtices e aumentar a vida útil das tubulações. Um dos recursos utilizados normalmente pelas empresas petrolíferas é o strake, uma chapa no formato espiral soldada ao longo dos tubos. “Esse sistema busca prejudicar a sincronia dos vórtices, de forma que a força lateral que cria o VIV seja atenuada. É um recurso de alto custo. Nossa proposta é criar alternativas ao strake, com concepções inéditas”, diz Meneghini.
Segundo o professor do Departamento de Engenharia Mecânica da Poli, o estudo aprofundado do comportamento dos risers é crucial para o avanço da extração de petróleo em águas profundas e para o progresso da indústria petrolífera brasileira. Ele destaca, por exemplo, que uma plataforma em águas profundas possui cerca de 50 linhas de risers, o que representa um custo de aproximadamente US$ 200 milhões. “Em caso de comprometimento da estrutura, há também um alto impacto ecológico”, alerta.
Criado em 2003, NDF é constituído por uma equipe multidisciplinar formada por nove professores, todos doutores, 22 pesquisadores em iniciação científica, além 15 cursando o doutorado. Ocupa uma área aproximada de 650m2. Possui três laboratórios: Dinâmica dos Fluidos Computacional; Fluido-dinâmica Experimental e Velocimetria Laser; e Dinâmica de Estruturas Computacional.
É no laboratório de Dinâmica dos Fluidos Experimental e Anemometria Laser que está o canal de água circulante com seção de testes com 7.5mx0.9mx0.7m, velocidade máxima de 1.0m/s, sistema de anemometria Laser- PIV TSI, sistema de anemometria de filme quente Dantec, sistema de aquisição de dados National Instruments com placa A/D, modulo para extensômetria e acelerometria.
Visualização do escoamento de dois cilindros oscilando,
obtida através do sistema de velocimetria laser
Os recursos computacionais disponíveis no NDF são constituídos por supercomputadores de última geração e alta performace. Entre eles, um cluster SGI com 1024 unidades de processamento, 2 TB de memória RAM e 70 TB de memória de armazenamento; um cluster SGI (Arquitetura Numa) com 48 unidades de processamento Itanium2 e 128 GB RAM; um cluster Itautec com 64CPUs; 18 estações de trabalho com 8 unidades de processamento SGI, Apple e Dell, além de diversos microcomputadores.
Além das pesquisas na área da engenharia offshore, o Núcleo de Dinâmica e Fluidos trabalha com projetos da engenharia aeronáutica, como aeroacústica computacional, e máquinas de fluxo, como por exemplo, as turbinas eólicas.
