SISTEMA DE ANCORAGEM PARA O EQUIPAMENTO …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10027661.pdf · Tudo vale a pena Se a alma não é pequena. Quem quer passar além do Bojador

SISTEMA DE ANCORAGEM PARA O EQUIPAMENTO

OCEANOGRÁFICO NAVIS – ANÁLISE DA CAPACIDADE DE

EMERSÃO

Danielle Carneiro de Carvalho Pereira de Andrade

Projeto de Graduação apresentado ao

Curso de Engenharia Naval e Oceânica da

Escola Politécnica, Universidade Federal

do Rio de Janeiro, como parte dos

requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro.

Orientador: Carl Horst Albrecht, D. Sc.

Rio de Janeiro

Janeiro de 2019

SISTEMA DE ANCORAGEM PARA O EQUIPAMENTO

OCEANOGRÁFICO NAVIS – ANÁLISE DA CAPACIDADE DE

EMERSÃO


PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE

ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO

NAVAL E OCEÂNICO.

Examinado por:

_______________________________________________

Orientador: Prof. Carl Horst Albrecht, D. Sc.

_______________________________________________

Prof. Joel Sena Sales Junior, D. Sc.

_______________________________________________

Oceanógrafo Luiz Alexandre de Araújo Guerra D. Sc.

_______________________________________________

Prof. Afonso de Moraes Paiva Ph. D.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

JANEIRO DE 2019

iii

Santos

Carneiro de Carvalho Pereira de Andrade, Danielle

Sistema de Ancoragem para o Equipamento Oceanográfico

NAVIS – Análise da Capacidade de Emersão / Danielle Carneiro de

Carvalho Pereira de Andrade. – Rio de Janeiro: UFRJ / Escola

Politécnica, 2019.

XII, 46 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Carl Horst Albrecht.

Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica / Curso de

Engenharia Naval e Oceânica, 2019.

Referências Bibliográficas: p. 39-40.

1. Projeto de Ancoragem de Boia Oceanográfica. 2. Análise

Dinâmica no Domínio do Tempo. 3. Configuração de Arranjo para

a capacidade de emersão. I. Albrecht, Carl Horst. II. Universidade

Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia

Naval e Oceânica. III. Sistema de Ancoragem para o Equipamento

Oceanográfico NAVIS – Análise da Capacidade de Emersão.

iv

“Valeu a pena? Tudo vale a pena

Se a alma não é pequena.

Quem quer passar além do Bojador

Tem que passar além da dor

Deus ao mar o perigo e o abismo deu,

Mas nele é que espelhou o céu.”

Fernando Pessoa

v

AGRADECIMENTOS

A Universidade Federal do Rio de Janeiro e ao Colégio Pedro II que por meio do

ensino público da mais alta qualidade, me garantiu ótimas oportunidades e me deu pernas

e asas para seguir os meus sonhos.

Á minha mãe pelo amor, respeito e por confiar em mim e me dar o impulso

necessário para atingir os meus objetivos, me ensinando a persistir sem nunca esquecer

de minhas raízes, de onde provém o meu caráter e determinação para alcançar os meus

objetivos. Aos meus irmãos, Thais Helena, João Ricardo e Marcus André por serem os

melhores amigos que alguém pode ter. Aos meus primos, tios e avós por me mostrarem

desde criança como é bom crescer rodeada de pessoas que se amam e se querem bem.

Ao Vinicius pela parceria e cumplicidade demonstrada em toda e qualquer

situação. Pela tranquilidade e positividade de sempre e por não medir esforços para me

dar todo o apoio necessário a esse trabalho.

Ao meu professor e orientador Carl Albrecht pelo conhecimento, confiança,

ensinamentos dados ao longo dos anos e sobretudo por ser um exemplo de educador

comprometido e humanitário. Ao laboratório de Métodos Computacionais e Sistemas

Offshore (LAMCSO) da COPPE/UFRJ, pela disponibilização do software

SITUA/PROSIM para a realização deste projeto.

Ao corpo docente do Departamento de Engenharia Naval e Oceânica da Escola

Politécnica da UFRJ e aos servidores Simone Morandini, Eloisa e Andrea Rangel por

toda experiência e dedicação mostrados por mim e pelos meus pares, Muito Obrigada.

Aos meus amigos que esta faculdade me deu, Bernardo Kahn, Diná Barcellos,

Lemuel Guedes, Luis Felipe, Laura Vieira, George Honorato, Ryan Coutinho, Victor

Calil, André Lafayette, Matheus Yoshida, Vitor Carone e Caio Bertolo, gostaria de dizer

que o companheirismo de vocês e os laços criados foram essenciais para que eu chegasse

até aqui. Muito obrigada por compartilharem momentos inesquecíveis e conquistas.

Aos meus companheiros de projeto, Evandro Mesquita, Michel Tremarin e Caio

Marques, Muito Obrigada! A cooperação é fundamental em qualquer atividade

acadêmica. Sozinhos, avançamos rápido, juntos, chegamos mais longe.

Ao oceanógrafo Luiz Alexandre de Araujo Guerra e a Petrobras pela

confiança e os dados disponibilizados, sem os quais não seria possível realizar este estudo.

Muito obrigada.

vi

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos

requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval e Oceânico.

Sistema de Ancoragem para o Equipamento Oceanográfico NAVIS – Análise da

Capacidade de Emersão


Janeiro/2019

Orientador: Carl Horst Albrecht, D. Sc.

Curso: Engenharia Naval e Oceânica

O uso de derivadores oceânicos surgiu como uma alternativa aos métodos

convencionais de medição de dados metaoceanográficos, estabelecendo-se como uma

alternativa eficaz e barata se comparada com os métodos tradicionais. Os derivadores nos

permite uma monitoração continua da temperatura, salinidade e velocidade da corrente,

sendo os seus dados coletados transmitidos e disponibilizados ao público, via satélite,

dentro de horas após a coleta.

Neste contexto, esse trabalho tem como proposta um estudo para comparar algumas

alternativas de ancoragem para o sistema NAVIS, concebido inicialmente como um

dispositivo derivador, com o intuito de se obter a configuração que apresente a maior

amplitude de movimento vertical. Para este estudo foi utilizado o programa de análise

numérica no domínio do tempo SITUA/PROSIM, onde um modelo da operação do

equipamento foi criado para simular o seu comportamento diante de diversas condições

ambientais. Para se fazer o estudo de comparação foi variado o comprimento de linha da

amarra, a profundidade da boia fixa e diferentes velocidades de correntes.

Desta forma, buscamos selecionar a configuração mais adequada para a operação do

equipamento na concepção de ancoragem proposta.

Palavras-chave: derivadores metaoceanográficos, análise dinâmica, ARGOS.

vii

Abstract of the Course Conclusion Project presented to the Polytechnic School/UFRJ as

a partial fulfillment of the requirements for the degree of Bachelor in Naval and Marine

Engineering (B.Sc.)

Anchoring System for the Oceanographic Equipment NAVIS – Emersion Capacity

Analysis


January/2019

Advisor: Carl Horst Albrecht, D.Sc.

Course: Naval and Marine Engineering

The use of profiling floats has emerged as an alternative to conventional methods of

measuring meta oceanographic data, establishing itself as an effective and inexpensive

alternative when compared to traditional methods. The profiling floats allow continuous

monitoring of temperature, salinity and current velocity, with this collect data transmitted

and made available to the public via satellite within hours after collection.

In this context, this work proposes a study to compare some anchoring alternatives to

the NAVIS system, initially designed as a drift device, in order to obtain the configuration

that presents the greatest vertical range of motion. For this study, the numerical analysis

in time domain program SITUA/PROSIM was used, where a model of the equipment

operation was created to simulate its behavior in the face of several environmental

conditions. To make the comparison study was varied the line length of the mooring, the

depth of the fixed float and different speeds of currents.

In this way, we seek to select the most suitable configuration for the operation of the

equipment in the proposed anchorage design.

Key words: profiling floats, dynamic analysis, ARGOS.

viii

Índice 1. Introdução.................................................................................................................. 1

1.1. Contexto e Motivação ............................................................................................ 1

1.2. Objetivo ................................................................................................................. 1

2. Instrumentos e Métodos de Medições em Oceanografia .......................................... 3

2.1. Técnicas de Medição de Corrente ...................................................................... 3

2.2. CTD ................................................................................................................... 4

2.3. Medição do Nível da Superfície do Mar ............................................................ 5

2.4. Medição de Ondas de Superfície ....................................................................... 6

2.5. Uso de Boias Oceanográficas no Brasil ............................................................. 6

3. Argos ....................................................................................................................... 10

3.1. Objetivos do Programa .................................................................................... 10

3.2. Funcionamento ................................................................................................. 11

3.3. Uso dos Dados ................................................................................................. 12

3.4. Flutuador NAVIS ............................................................................................. 12

4. Carregamentos Ambientais ..................................................................................... 14

4.1. Correntes Marinhas .......................................................................................... 14

4.1.1. Efeito Coriolis .......................................................................................... 15

4.1.2. Circulação Termoalina ............................................................................. 16

4.1.3. Corrente do Brasil ..................................................................................... 17

4.1.4. Vórtices na Corrente do Brasil ................................................................. 18

4.2. Força Hidrostática ............................................................................................ 19

5. Modelagem .............................................................................................................. 21

5.1. SITUA/Prosim ................................................................................................. 21

5.1. Modelagem da Boia Fixa ..................................................................................... 22

5.2. Modelagem da Boia NAVIS ................................................................................ 23

5.3. Modelagem das Linhas de Amarração ................................................................. 24

ix

5.4. Representação das Condições Ambientais .......................................................... 25

5.5. Configurações Analisadas .................................................................................... 26

6. Resultados ............................................................................................................... 28

6.1. Amplitude Vertical máxima estável da boia NAVIS em função do comprimento

de amarra para posição inicial da boia fixa em 500m ................................................. 29


de amarra para posição inicial da boia fixa em 750m ................................................. 29


de amarra para posição inicial da boia fixa em 1000m ............................................... 30

6.4. Amplitude Vertical máxima estável da boia NAVIS em função da velocidade da

corrente para posição inicial da boia fixa em 500m ................................................... 30


corrente para posição inicial da boia fixa em 750m ................................................... 31


corrente para a posição da boia fixa em 1000m .......................................................... 31


corrente para comprimento de amarra de 1000m ....................................................... 32

6.8. Amplitude vertical máxima estável da boia NAVIS em função da velocidade da




6.10. Amplitude Vertical máxima estável da boia NAVIS em função da velocidade

da corrente para comprimento de amarra de 1500m ................................................... 33


da corrente para comprimento de amarra de 1700m ................................................... 34

6.12. Profundidade máxima estável da boia fixa em função da velocidade de

corrente 34

6.13. Variação da posição inicial da boia fixa em função da velocidade da corrente

35

7. Conclusão ................................................................................................................ 36

x

8. Trabalhos Futuros .................................................................................................... 38

9. Referências .............................................................................................................. 39

10. Anexo .................................................................................................................. 41

xi

Índice de Figuras

Figura 1 – CTD SBE 9 plus. Fonte: Sea Bird’s Electronics Inc. ...................................... 5

Figura 2 – Marégrafo de Radar. Fonte: [1] ....................................................................... 5

Figura 3 - Densidade de Dados obtida a partir dos derivadores SVP, 1993. Fonte: [1] ... 7

Figura 4 - Boias fundeadas do Programa PIRATA. Fonte: [2] ........................................ 9

Figura 5 - Posição das boias Argo no oceano em 19/12/2018. Fonte: [3] ...................... 10

Figura 6 - Ciclo de 10 dias dos flutuadores Argo. Fonte: [6] ......................................... 12

Figura 7 - Especificações NAVIS. Fonte: Sea Bird Electronics Inc. ............................. 13

Figura 8 - Correntes Oceânicas ...................................................................................... 15

Figura 9 - Os cinco giros oceânicos. Fonte: [8] .............................................................. 16

Figura 10 - Circulação Termoalina ................................................................................. 17

Figura 11 - Correntes Superficiais na costa Brasileira ................................................... 18

Figura 12 - Vórtices na costa Sul-Brasileira (Guerra, 2016) .......................................... 19

Figura 13 - Boia Fixa (Ameriforge Website) ................................................................. 22

Figura 14 - Padrão de Correntes da Bacia de Campos (Guerra, 2016) .......................... 25

Figura 15 - Esquema de Configuração proposto ............................................................ 26

Figura 16 - Ilustrativo das configurações testadas.......................................................... 27

xii

Índice de Tabelas

Tabela 1 - Ciclo do Flutuador Argo................................................................................ 11

Tabela 2 - Dados técnicos da boia fixa (Avelar, 2016) .................................................. 23

Tabela 3 - Comparação entre a boia real e a modela (Avelar, 2016) ............................. 23

Tabela 4 – Dados do fabricante Novabraid (Novabraid Website).................................. 24

Tabela 5 – Dados para modelagem da linha de amarração (Avelar, 2016) .................... 25

Tabela 6 - Configurações Analisadas ............................................................................. 27

Tabela 7 - Output do SITUA mostrando a amplitude estável da boia de dados para

comprimento de amarra 1700m e corrente 0,5m/s. ........................................................ 28

xiii

Índice de Gráficos

Gráfico 1 – Amplitude vertical da boia Navis em função da velocidade da corrente para

cada comprimento de amarra para profundidade inicial da boia fixa em m ................... 29


cada comprimento de mamarra para profundidade inicial de boia fixa em .................... 29


cada comprimento de amarra para profundidade inicial da boia fixa em 1000m ........... 30

Gráfico 4 – Amplitude estável da boia Navis em função do comprimento da amarra para

diferentes velocidades de corrente para posição inicial da boia fixa em 500m .............. 30


diferentes velocidades de corrente para posição inicial da boia fixa em 750m .............. 31


diferentes velocidades de corrente para posição inicial da boia fixa em 1000m ............ 31

Gráfico 7 – Amplitude máxima estável da boia Navis em função da velocidade da corrente

para amarra de 1000m .................................................................................................... 32


para amarra de 1100m .................................................................................................... 32


para amarra de 1200m .................................................................................................... 33

Gráfico 10 - Amplitude máxima estável da boia Navis em função da velocidade da

corrente para amarra de 1500m ...................................................................................... 33

Gráfico 11 - Amplitude máxima estável da boia Navis em função da velocidade da

corrente para amarra de 1700m ...................................................................................... 34

Gráfico 12 – Profundidade máxima estável da boia fixa em função da velocidade da

corrente ........................................................................................................................... 34

Gráfico 13 – Variação da Posição Inicial da boia fixa em função da velocidade da corrente

........................................................................................................................................ 35

1

1. Introdução

1.1. Contexto e Motivação

O planeta Terra é um planeta aquático. Quando olhamos para uma fotografia da Terra

obtida do espaço, o que vemos é um planeta azul, isto se deve ao fato de que mais de dois

terços da superfície terrestre é coberta por água. E é esta camada de água que cobre a

superfície terrestre que permite a vida no nosso planeta, possuindo um papel decisivo no

sistema climático e nas mudanças globais.

Para se entender os processos que ocorrem no oceano, necessitamos realizar

observações que possam nos permitir medir propriedades físicas da água do mar, tais

como a temperatura, salinidade (concentração de sais na água), medir valores de

correntes, da altura da superfície do mar, das marés, etc. Para se realizar tais medições

são utilizados navios, boias, amarrações com instrumentos de registro, perfiladores, etc.

Os resultados dessas observações devem ser analisados e compreendidos.

No setor de óleo e gás, condições ambientais tais como ondas, ventos e correntezas

interferem nas operações cotidianas e por isso, são importantes fatores a serem analisados.

Segundo [1], informações ambientais precisas são fundamentais para a segurança,

economia e para o sucesso das atividades de exploração e produção do setor de óleo e gás

provenientes de regiões costeiras.

As atividades petrolíferas envolvem, além de um capital alto, diversos impactos

ambientais. Pequenas falhas que venham a ocorrer podem causar grandes vazamentos

com consequências graves ao meio ambiente e com grandes prejuízos financeiros.

Diante deste cenário, a análise e previsão de condições ambientais é uma atividade

que assume grande relevância e fornece informações estratégicas para o planejamento,

projeto e operação em estruturas oceânicas.

1.2. Objetivo

O objetivo do presente projeto é analisar a capacidade de emersão do equipamento

oceanográfico NAVIS, mesclando três características de configuração para o

equipamento: posição da boia fixa, comprimento da amarra e corrente marinha atuante.

2

Serão feitas análises dinâmicas no domínio do tempo em condições ambientais de

projeto a fim de identificar qual configuração irá apresentar resultados satisfatórios de

emersão. Os modelos serão desenvolvidos e analisados no programa SITUA/PROSIM,

de propriedade da PETROBRAS e disponibilizado pelo LAMCSO (Laboratório de

Métodos Computacionais e Sistemas Offshore.

Com este estudo espera-se obter uma configuração para o sistema de ancoragem que

permita a operação do derivador metaoceanográfico NAVIS em uma região com grande

profundidade. Desta forma, o equipamento irá operar realizando perfilagens verticais de

temperatura e salinidade em um único local de interesse, ou seja, com coordenadas fixas

variando-se apenas a sua profundidade.

É importante enfatizar que este trabalho visa determinar a configuração mais

adequada a ser aplicada a um ponto específico da costa do Brasil, mas precisamente na

bacia de Campos, que é uma área de enorme potencial e importância para a indústria

nacional de óleo e gás e onde vórtices são formados.

3

2. Instrumentos e Métodos de Medições em Oceanografia

O estudo oceanográfico tem como um dos principais objetivos obter uma

descrição sistemática dos oceanos, suficientemente quantitativa para permitir a previsão

de seu comportamento com algum grau de certeza. Para isso as medições oceanográficas

possuem um papel importante nos estudos da dinâmica dos oceanos. Os oceanógrafos

utilizam as medições feitas em diversas profundidades tais como, nível da superfície do

mar, das ondas e de propriedades físico-químicas, como temperatura, salinidade, assim

como a concentração de oxigênio para o desenvolvimento de modelos que descrevem a

circulação das massas de água dos oceanos.

Os modelos também levam em conta os aspectos meteorológicos como vento,

pressão atmosférica, temperatura do ar, umidade do ar, etc referentes à superfície do mar.

Essas medições são realizadas através de navios oceanográficos, plataformas, boias,

satélites, etc. Existem basicamente três formas de medições no oceano, segundo [2]:

i. A primeira forma procura medir as propriedades em vastas áreas do

oceano com rápidos deslocamentos dos navios e seus instrumentos,

obtendo assim distribuições espaciais das propriedades do oceano. Porém

esta forma é mais adequada no oceano profundo do que em áreas costeiras;

ii. A segunda forma fixa uma posição no oceano e faz medições somente

nela, obtendo desta forma séries temporais das propriedades nesta posição.

Normalmente são utilizados navios fundeados, plataformas e boias

oceanográficas;

iii. A terceira forma de medição no oceano é uma composição das duas

primeiras: utilizando muitos navios (em programas internacionais) ou de

aviões e satélites, fazer medições em grandes áreas do oceano

repetidamente no tempo, obtendo séries temporais das distribuições

espaciais das propriedades, para grandes extensões da superfície do mar,

em vários níveis de profundidade;

2.1. Técnicas de Medição de Corrente

Segundo [3], existem dois métodos de medição de correntes marinhas:

4

1. O método Euleriano que é baseado em medidas oriundas de instrumentos

estacionários, que respondem a passagem de água por um rotor ou sensor

equivalente, o que permite aferir a velocidade e direção das correntes.

2. Método Lagrangeano que é baseado em medidas provenientes de instrumentos ou

materiais flutuantes que se movem com a água e são observados por um período

de tempo, tendo-se como referencial um sistema de coordenadas.

Ao contrário do método Euleriano que mede temporalmente correntes em locais

fixo no espaço, o método Lagrangeano oferece uma maior cobertura do espaço

bidimensional. Porém uma das suas desvantagens é não poder definir os locais aonde

serão amostrados, pois a trajetória dos derivadores é definida pela dinâmica da região.

2.2. CTD

Segundo [2], o CTD (conductivity, Temperature and Depth) é um instrumento

utilizado em oceanografia para obtenção de perfis verticais de profundidade,

condutividade (salinidade) e temperatura. Este aparelho é constituído por três

osciladores de forma que a temperatura, condutividade e pressão é medido por cada

um, respectivamente, segundo [4]. O CTD possui uma alta capacidade continua de

leitura de temperatura e condutividade, em função da profundidade. A combinação de

pares de temperatura e condutividade é transformada por meio de programas de pós

processamento em dados de salinidade e condutividade.

Essas variáveis podem ser transmitidas diretas para um computador, o que

possibilita uma análise direta da situação ou ela pode ficar registrada na memória

interna do instrumento, ao passo que ao chegar a bordo, as informações serão

transmitidas a um computador.

Desta forma, a gravação de CTDs elimina a complexa infraestrutura de se ter um

fio condutor para transferir o sinal dos CTDs para o navio. Este tipo de unidade pode

ser usado com um simples cabo de suporte ou em uma amarração, ao modo que ao

retornar a superfície os dados são descarregados em um computador. Os CTDs de

gravação interna são usados em derivadores, como no nos derivadores do programa

Argo, podem ser montados em amarrações, assim como serem instalados em veículos

rebocados.

5

Figura 1 – CTD SBE 9 plus. Fonte: Sea Bird’s Electronics Inc.

2.3. Medição do Nível da Superfície do Mar

As medições de nível da superfície do mar são tradicionalmente feitas na linha da

costa, utilizando marégrafos de boia ou de pressão. Os flutuadores (marégrafos de

boia) são constituídos basicamente de um sistema de boia acoplada a uma régua e

uma pena. Já os de pressão são normalmente sensores de pressão colocados no fundo

do mar que medem a pressão (ou a altura) da coluna d’água e a registrando-a a

determinados intervalos de tempo. Nessas medidas a pressão atmosférica deve ser

subtraída).

Figura 2 – Marégrafo de Radar. Fonte: [2]

6

Atualmente podem ser utilizados marégrafos de radar que operam fora d’água,

enviando pulsos eletromagnéticos para baixo. Estes voltam refletidos na superfície do

mar. Podem também ser utilizados altímetros que são sensores ativos colocados em

satélites ou aviões. Estes enviam sinais eletromagnéticos e os recebem refletidos.

2.4. Medição de Ondas de Superfície

As ondas podem ser medidas através de sensores de pressão colocados no fundo

do mar e que são sensíveis às oscilações de alta frequência da superfície do mar, segundo

[2]. Se uma grande quantidade de ondógrafos são colocados em uma determinada área, é

possível aferir além do período e amplitude, a velocidade e o comprimento das ondas. As

ondas podem ainda ser medidas em plataformas fixas através de um sistema de boias

acopladas a régua e pena que registram variações de alta frequência do nível da superfície

do mar. E se o interesse é em determinar a altura significativa das ondas, o uso de

altimetria de satélite é usado, em função da forma dos ecos de sinais eletromagnéticos.

2.5. Uso de Boias Oceanográficas no Brasil

O Brasil é um país de dimensões continentais e por isso possui interesse em

participar de programas internacionais de coleta de dados oceanográficos. Esse interesse

se deve principalmente ao fato de que as regiões geográficas estudadas são de grande

importância estratégica.

Dentro desse contexto, segundo [5], o Brasil teve sua primeira participação em

programas internacionais iniciada com o SVP (Programa de Velocidade na Superfície).

Este programa possuía como objetivo a coleta de dados de corrente de superfície em todo

o planeta Terra. Para isso foi instalada uma rede de derivadores espaçados em intervalos

de 500km, em latitude e longitude, sobre o oceano. Na época esta metodologia foi

considerada adequada para gerar uma base de dados consistentes e necessária para a

descrição da circulação horizontal na camada superior do oceano.

Podemos ver pela Figura 3, que enquanto algumas regiões mostram uma

densidade de dados satisfatória, o Atlântico Sul ainda continuava como uma região com

dados inexistentes.

Desta forma e diante do interesse do Brasil em determinadas regiões, ficou

definido que os objetivos gerais da participação Brasileira em programas internacionais

deveriam enfatizar a circulação oceânica da camada superficial e o calor transportado por

7

este processo, pois as variações temporais e espaciais da energia cinética que

desempenham um papel importante nos estudos de mudança climática, também podem

ser inferidas a partir desses conjuntos de dados. Ademais, os resultados dessas medições

físicas podem ser aplicados para resolver problemas em andamento de nossa atividade

pesqueira. Sendo assim, o Brasil se tornou membro do IPAB (Programa Internacional de

Boias Antárticas) e do Programa Internacional de Boia do Atlântico Sul (ISABP).

Figura 3 - Densidade de Dados obtida a partir dos derivadores SVP, 1993. Fonte: [5]

A participação do Brasil no IPAB se deu através do PROANTAR, Programa

Antártico Brasileiro. Este programa deu inicio ao desenvolvimento e uso de boias em

estudos de campo brasileiros durante a década de 1980.

Ainda segundo [5] durante o ano de 1995, houve um grande esforço para a criação

de novos projetos e programas no Brasil que incluíssem a utilização de derivadores e

boias ancoradas para fornecer dados coletados no ambiente marinho com várias

finalidades, entre elas estudos meteorológicos e climáticos, entre eles temos:

1. PNBOIA (Programa Nacional de Boias) – é o maior e mais sofisticado dos

novos programas. Basicamente, o PNBOIA é composto de duas partes:

uma é formada por uma rede de derivadores, a ser lançada duas vezes a

cada mês, durante 12 meses consecutivos. Espera-se que estes derivadores

rastreados pelo sistema ARGOS começarão a cobrir uma grande região do

Atlântico Sul. A segunda parte será inicialmente composta por uma rede

de três boias ancoradas do tipo ATLAS;

8

2. Projeto INPE/PETROBRAS – estabelece uma colaboração conjunta entre

o INPE e a Petrobras por um período de dois anos. A Petrobras fornecerá

os recursos para a fabricação de até 24 derivadores e as plataformas

flutuantes para seus lançamentos e o INPE será responsável pela aquisição

e processamento dos dados transmitidos via ARGOS.

O PNBOIA faz parte do Sistema Brasileiro de Observação dos Oceanos (GOOS-

Brasil) e têm como objetivo ampliar e consolidar um sistema de observação dos oceanos,

zona costeira e atmosfera, com o intuito de aprimorar o conhecimento cientifico,

disponibilizar os dados coletados e subsidiar estudos, previsões e ações, contribuindo

desta forma para reduzir os riscos e vulnerabilidades da variação climática que afetam o

Brasil, como pode ser visto em [6]. Este é composto pelo PNBOIA e mais três redes de

observação e um projeto de pesquisa, sendo eles:

1. Rede de Coleta de dados oceanográficos e climatológicos por meio de

boias fixas e de deriva no Atlântico Sul;

2. Rede de monitoramento do nível médio do mar (GLOSS);

3. Rede de monitoramento de ondas em águas rasas (Rede ONDAS);

4. Rede de coleta de dados oceanográficos e climatológicos por meio de

boias fixas no Atlântico Tropical (PIRATA);

5. Projeto de monitoramento da caracterização da estrutura térmica entre o

Rio de Janeiro e a Ilha de Trindade (MOVAR);

De igual importância ao PNBOIA, o PIRATA (Prediction and Research Moored

Array in the Tropical Atlantic) é um projeto de boias fixas na zona equatorial que tem

como participantes o Brasil, a França e os EUA. Possui como objetivo avaliar o ciclo

sazonal de larga escala no Oceano Atlântico Tropical, modificado pelo acoplamento

oceano-atmosfera, como o El Niño, cujos impactos econômicos e sociais são expressivos

para os Estados Costeiros. Os dados provenientes do PIRATA já vêm sendo amplamente

aplicados para previsão do clima na região, tanto pelo Centro de Previsão de Tempo e

Estudos Climáticos (CPTEC), como pela Marinha do Brasil. O Brasil como integrante do

PIRATA é o responsável pela operacionalização e manutenção de cinco boiais fundeadas

na zona equatorial e três boias fundeadas ao longo da costa do nordeste do Brasil.

A participação Brasileira em projetos e programas internacionais de boias de

deriva via satélite é muito importante, não apenas pelo desenvolvimento técnico e

9

científico associado a essas atividades, mas também pelo incentivo a projetos e programas

nacionais que visam à solução de problemas brasileiros.

Figura 4 - Boias fundeadas do Programa PIRATA. Fonte: [6]

10

3. Argos

Argo é um projeto internacional formado por mais de 30 países. Iniciado em 2000,

tem como objetivo estabelecer uma matriz global de flutuadores autônomos no oceano.

Os flutuadores fornecem milhares de observações de temperatura e salinidade em todo o

oceano a cada ano e conforme a tecnologia vai sendo desenvolvida, sensores extras vão

sendo adicionados aos novos flutuadores, permitindo a medição de novos parâmetros. A

rede global de perfiladores flutuantes nos permite monitorar continuamente o estado

físico dos oceanos disponibilizando em tempo real os dados coletados.

Os flutuadores ARGOS são instrumentos autônomos que medem a temperatura e

salinidade do oceano até 2000m, transmitindo os dados via satélite quando em superfície.

Figura 5 - Posição das boias Argo no oceano em 19/12/2018. Fonte: [7]

3.1. Objetivos do Programa

Com um conjunto de 3500 flutuadores que fornecem 100000 perfis de temperatura,

salinidade e medições de velocidade ao longo de todo o oceano, o programa internacional

Argo possui como objetivo documentar a variabilidade climática sazonal a decanal e desta

maneira auxiliar a compreensão da previsibilidade da variabilidade climática. Os dados

do Argo serão utilizados em modelos de previsão oceânicos e de atmosfera oceânicas

como validadores do modelo, segundo [7].

Os flutuadores derivam a uma profundidade de 2000m em ciclos de dez dias e

possuem uma vida útil de 4-7 anos cada. Após passar por um controle de qualidade

automatizado (QC) e de forma cientificamente controlada através dos GDACs (Global

Data Assembly Centers) em Brest (França) ou em Monterey (Califórnia), os dados

coletados pelos flutuadores ficam disponíveis publicamente quase que em tempo real.

11

3.2. Funcionamento

As boias Argo são capazes de flutuar em diferentes profundidades através da mudança

de seu empuxo. O seu ciclo de flutuabilidade dura cerca de 10 dias e pode ser

exemplificado da seguinte forma:

Tabela 1 - Ciclo do Flutuador Argo

Dia Onde Argo está? O que Argo está fazendo? Tempo Aproximado

1 Superfície Flutuando 6 horas

2-9

Descendo Movimento de Descida 6 horas

Em 1000m Flutuando 9 dias

Descendo Movimento de Descida 2 horas

Em 2000m Flutuando 2 horas

10 Subindo Movimento de Subida 8 horas

Os flutuadores são lançados por embarcações. Em seu primeiro dia eles descem

até uma profundidade de cerca de 1000m, isso é possível pois podem alterar o seu próprio

empuxo. Esta alteração de empuxo ocorre, pois, um fluido oleoso que se encontra em

uma bexiga externa ao flutuador é bombeado para uma região interna ao mesmo. Isso

aumenta a sua densidade relativa, fazendo com que a força peso seja ligeiramente maior

que o empuxo.

Quando estão em 1000m de profundidade, os flutuadores derivam através das

correntes por cerca de nove dias medindo a temperatura e a velocidade da corrente. No

nono dia, o flutuador altera o seu empuxo novamente e para que possa descer a uma

profundidade de 2000m onde fica flutuando por cerca de 2 horas. No décimo dia, o fluido

oleoso é então novamente bombeado para a bexiga externa, diminuindo sua densidade

relativa e fazendo com que o empuxo seja ligeiramente maior que a força peso. O

flutuador então inicia um movimento de subida coletando dados de temperatura,

salinidade e profundidade. Quando na superfície da água, os dados são enviados via

satélite através de um aparelho de GPS instalado no flutuador que determina a sua

posição. O fluido oleoso é então novamente bombeado para a parte interna da boia,

recomeçando o seu ciclo. Os flutuadores são alimentados por baterias e podem operar por

cerca de 4-7 anos ou cerca de 250 ciclos.

12

Figura 6 - Ciclo de 10 dias dos flutuadores Argo. Fonte: [7]

3.3. Uso dos Dados

Diversos usuários podem utilizar os dados coletados para prever o tempo e o

clima, como por exemplo: o El Niño acarreta em tempo seco e quente, já o La Niña

acarreta em chuvas e inundações. A indústria de óleo e gás utiliza os dados para

saberem a altura significativa de onda e swells. As companhias de navegação utilizam

os dados para saberem a velocidade e direção da corrente e assim poderem prever

deslocamentos entre dois portos da forma mais rápida possível. Já os pescadores

utilizam os dados de temperatura do oceano para poderem encontrar cardumes de

peixes. E por fim, os oceanógrafos utilizam os dados para entenderem os oceanos e o

clima global.

3.4. Flutuador NAVIS

O flutuador NAVIS de patente da Sea-Bird Electronics, foi projetado para realizar

medições em modo lagrangeano por até dez anos no oceano. A flutuabilidade do NAVIS

é controlada por um sistema de pistão e bomba que no qual move o óleo contido no

reservatório interno para a bexiga externa e consequentemente aumentar/ diminuir a sua

flutuabilidade. Caso seja necessário, flutuabilidade adicional pode ser utilizada por meio

da inflação de um reservatório de ar. Esse excesso de flutuabilidade é utilizado quando é

necessário melhorar a comunicação do flutuador na superfície.

13

É composto por quatro conjuntos de 3 baterias DD de cloreto de sulfurilo de lítio,

o que fornece energia para 10 anos ou 300 ciclos a 2000 dbar. Possui um GPS Garmin

15xL-W para saber a sua posição e transmite os dados coletados através de um

transmissor do tipo Iridium 95222B-RUDICS. O reservatório de óleo possui um volume

de 300ml, seu casco e tampa são em alumínio, possui um comprimento total de 158,5cm,

com diâmetro de casco de 14cm e um peso total no ar de 18,1kg.

Figura 7 - Especificações NAVIS. Fonte: Sea Bird Electronics Inc.

14

4. Carregamentos Ambientais

Para se avaliar o sistema de ancoragem que está sendo proposto é necessário entender

quais carregamento ambientais o equipamento estará sujeito, assim como a resposta do

mesmo sobre os efeitos destes. Desta forma, poderemos determinar o arranjo que

apresentar uma melhor resposta aos carregamentos ambientais.

4.1. Correntes Marinhas

As correntes marinhas podem ser definidas como grandes rios de água salgada que se

deslocam através dos oceanos e juntamente com as ondas e as marés constituem um dos

principais tipos de movimentos oceânicos. Assim como a circulação dos ventos, as

correntes exercem influência sobre o clima das regiões em que atuam, com intensidades,

direções e constâncias bem definidas. São importantes tanto para a navegação quanto para

a economia geral dos mares.

As correntes se dividem em dois grupos: as correntes de superfície e as correntes de

águas profundas. As correntes de superfície são ocasionadas pelos ventos superficiais que

movem uma camada fina na superfície do mar. Os ventos quando sopram em uma

determinada direção por um certo período de tempo, provocam deslocamento de águas e

originam correntes.

É importante lembrar que devido ao movimento de rotação da terra e da ação dos

ventos sobre a superfície oceânica, as águas oceânicas possuem um movimento continuo.

Segundo [8], ao soprar sobre as marés, os ventos provocam por meio do atrito, o

arrastamento das águas superficiais, originando o surgimento de uma circulação típica,

eminentemente horizontal e limitada ás primeiras centenas de metros de profundidade.

O segundo grupo são as correntes de águas profundas que são ocasionadas pela

diferença de temperatura, salinidade e, consequentemente de densidade, o que implica em

diferenças de pressão. Se em uma mesma profundidade, a pressão é igual, o liquido irá se

manter estável. Caso contrário, se houver diferenças de pressão em uma mesma

profundidade, irá ocorrer um deslocamento de massas de água.

15

Figura 8 - Correntes Oceânicas

4.1.1. Efeito Coriolis

O efeito Coriolis é provocado pelo movimento de rotação da Terra. Este altera o

movimento de um corpo para a direita, se no hemisfério norte (sentido horário) e para a

esquerda, se no hemisfério sul (sentido anti-horário). Desta forma são gerados três

sistemas gerais de ventos na atmosfera:

1. Ventos Alísios – ocorrem entre 0º e 30º de latitude, soprando do Leste para o

oeste;

2. Ventos do Oeste – ocorrem entre 30º e 60º de latitude, soprando do Oeste para o

leste;

3. Ventos do Leste – ocorrem nas regiões polares e sopram do Leste para o oeste;

Como a atmosfera e o oceano estão contato, os três sistemas de vento geram, por atrito

na superfície do mar, as principais correntes superficiais marinhas. Por possuírem padrões

circulares, os ventos alísios e os ventos do oeste originam os giros oceânicos. Existem

cinco grandes giros que se estendem pelos oceanos e fluem tanto para o norte quanto para

16

o sul do Equador: Atlântico Norte, Atlântico Sul, Pacífico Norte, Pacífico Sul e Oceano

Indico.

Figura 9 - Os cinco giros oceânicos. Fonte: [9]

4.1.2. Circulação Termoalina

A circulação Termoalina é o deslocamento das águas oceânicas ocasionado pela

variação da densidade da água do mar. Esse deslocamento é gerado pelas variações de

temperatura (termo) e salinidade (halina), de um ponto para outro dos oceanos.

A sua origem se deve ao aumento da densidade da água superficial que pode ocorrer

de duas formas: termicamente através do resfriamento das camadas superficiais ou

indiretamente através do congelamento, onde a salinidade da água residual cresce,

aumentando a sua densidade.

Segundo [8], a circulação termoalina surge como um fluxo vertical, quando a água

mais densa afunda até profundidades médias, ou mesmo até o fundo. Este aspecto a

diferencia da circulação ocasionada pelo vento, que é essencialmente uma circulação

horizontal.

17

Figura 10 - Circulação Termoalina

A circulação Termoalina mantém um ciclo que envolve todos os oceanos e podem

ocorrer tanto em níveis rasos quanto em níveis profundos dos oceanos, se movimentando

mais lentamente que as correntes de superfície.

4.1.3. Corrente do Brasil

A dinâmica superficial do Oceano Atlântico Sul (OAS) tem origem no giro

Subtropical do Atlântico Sul, onde a corrente Sul-Equatorial (CSE) é formada. Esta flui

no sentido Leste-Oeste na altura do equador até se encontrar com a costa do nordeste

Brasileiro onde ela se bifurca e uma pequena parcela passa para o Hemisfério Norte com

o nome de corrente das Guianas, enquanto que a outra parcela inflete para o sul e segue

com o nome de Corrente do Brasil (CB).

Uma das características da Corrente do Brasil (CB) é ser uma corrente quente e salina

devido a sua origem ser das regiões equatorial e tropical, segundo [8]. Possui direção

paralela à costa leste da América do Sul. Ao sul do continente Sul-Americano, a Corrente

do Brasil (CB), flui para leste, encontrando-se com a Corrente das Malvinas e

distanciando da costa. A região de encontro de ambas as correntes é denominado de

Convergência Subtropical do Atlântico Sul.

18

Figura 11 - Correntes Superficiais na costa Brasileira

A região de interesse neste projeto é a região costeira no sudeste do Brasil, onde

estão situadas as bacias petrolíferas de Santos e de Campos, devido à importância

econômica da exploração das reservas petrolíferas. Desta forma e sabendo que os

carregamentos oceânicos são componentes essenciais no projeto de estruturas oceânicas,

é necessário um conhecimento acerca da circulação nesta região.

4.1.4. Vórtices na Corrente do Brasil

A costa sul-Brasileira é conhecida por apresentar vórtices, como podemos ver na

Figura 12. Segundo [10] a ocorrência de vórtices se deve a mudança de orientação da

costa e ao gradiente da topografia de fundo (plataforma estreita e abrupta ao norte de

Cabo Frio e mais extensa e suave na Bacia de Santos).

Devido aos vórtices, a velocidade da corrente é alta, o que afeta as medições dos dados

metaoceanográficos que por ventura possam ser realizadas naquela região. Como os

instrumentos de deriva, como por exemplo as Boias Argo, passam muito rápido por

aquela região e ou acabam ficando presas, elas não são capazes de gerar dados

consistentes em seu modo normal de operação, ou seja, derivando.

19

Esta é uma das motivações deste trabalho, permitir que um equipamento ARGO

seja utilizado de forma estacionaria (ancorado) em uma região conseguindo atingir tanto

profundidades de interesse quanto atingindo a superfície.

Figura 12 - Vórtices na costa Sul-Brasileira (Guerra, 2016)

4.2. Força Hidrostática

O comportamento estático de um corpo flutuante é definido pela interação do seu peso

e das forças fluidas de pressão hidrostática do meio que o circunda. A interação das forças

peso e empuxo determina a condição de flutuabilidade e estabilidade do corpo.

Sabemos que pelo Princípio de Arquimedes que “Um corpo total ou parcialmente

imerso em um fluido sofre uma força vertical dirigida de baixo para cima, cuja intensidade

é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo”, essa força é chamada de empuxo.

𝐸 = 𝜌 ∗ 𝑉 ∗ 𝑔

Sabendo que:

𝜌 – É a massa específica do fluido deslocado;

𝑉 – É o volume deslocado pelo corpo;

𝑔 – É a aceleração da gravidade;

20

A força de empuxo se deve à diferença de pressão exercida na parte de baixo e na

parte de cima do objeto, ou seja, se um objeto está na superfície do mar, a parte que fica

acima da superfície está sob a pressão atmosférica enquanto que a parte abaixo da

superfície está sob uma pressão maior pois está em uma profundidade do fluido e a

pressão aumenta com a profundidade, segundo a seguinte relação:

𝑝 = 𝜌 ∗ 𝑔 ∗ ℎ

Sabendo que:

𝑝 – É a pressão hidrostática;

𝜌 – É a densidade do fluido;

ℎ - É a distância vertical entre os dois níveis do fluido;

𝑔 – É a aceleração da gravidade;

21

5. Modelagem

Neste capitulo será apresentado como foi feita a modelagem do problema, ou seja,

como se modelou o sistema de ancoragem do derivador NAVIS. Para a modelagem do

sistema de ancoragem do derivador NAVIS foi utilizado os dados reais das boias fixa e

de dados, para que se possa ter uma representação equivalente no software do objeto

físico. Esta etapa é de suma importância pois uma representação que não condiz com a

realidade pode gerar dados equivocados e que inviabilize o objetivo principal de se

analisar a configurar por meio de simulação de elementos finitos.

A topologia proposta para o sistema de ancoragem do NAVIS é composta por um

ponto fixo no solo, por meio do qual uma boia fixa intermediária será conectada por meio

de cabos. Do outro lado da boia fixa será conectado um cabo leve para fazer a conexão

com o equipamento, como pode ser visto na seção 5.5. Configurações Analisadas.

5.1. SITUA/Prosim

O SITUA/Prosim é uma ferramenta de propriedade da PETROBRAS, que foi

desenvolvida pelo Laboratório de Métodos Computacionais e Sistemas Offshore

(LAMCSO) – COPPE/UFRJ com o objetivo de simular o comportamento de unidades

flutuantes ou qualquer outra estrutura que esteja operando em águas offshore através de

análises estáticas e dinâmicas não lineares no domínio do tempo.

As análises são feitas levando-se em consideração formulações acopladas da interação

entre o comportamento hidrodinâmico do casco e o comportamento estrutural e

hidrodinâmico das linhas de amarração. É utilizado então um modelo hidrodinâmico para

analisar os movimentos da estrutura e um modelo de elementos finitos para a

representação das linhas de ancoragem.

Dentre as formulações que compõem um modelo híbrido, tem-se as forças de primeira

ordem da equação de Morison, especialmente as forças viscosas e forças de arraste, forças

de Froude-Krylov e as forças de segunda ordem oriundas da Teoria Potencial, incluindo

efeitos de Difração e Radiação de ondas. Desta forma para tratar o arrasto hidrodinâmico,

massa adicionada e a restauração hidrostática foi utilizado o modelo dos cilindros, o que

torna o programa adequado para poder representar este tipo de configuração.

22

5.1. Modelagem da Boia Fixa

Para conferir mais estabilidade ao NAVIS em sua medição, a concepção do sistema

inclui uma boia intermediária, fixa ao fundo, como pode ser visto em [11].

A boia fixa ficará ancorada sob tração, o que irá diminuir o seu movimento de heave

que possa a vir ser causado pela corrente aplicada. Caso não houvesse no sistema a boia

fixa, a linha de amarração da boia NAVIS precisaria possuir um grande comprimento, o

que poderia ocasionar problemas na medição dos dados metaoceanográficos, pois a carga

(peso ou empuxo) devido a esta linha seria totalmente suportado pelo equipamento.

A modelação da boia fixa foi feita tendo como base a boia HydroFloat Mooring Buoys

da marca Ameriforge, como podemos ver na Figura 13.

Figura 13 - Boia Fixa (Ameriforge Website)

Conforme podemos ver em [11], a boia fixa foi modelada no software como um

cilindro, apesar de a sua forma real ser esférica. Isso se deve ao fato de que o SITUA

utiliza o modelo dos cilindros para a representação computacional simples de um corpo.

Diante deste fato, foi necessário calcular a altura modelada do cilindro de forma que o

modelo atinja o mesmo empuxo que a forma real, já que o diâmetro da forma real foi

mantido, como podemos ver na Tabela 2 retirada de [11].

23

Tabela 2 - Dados técnicos da boia fixa (Avelar, 2016)

Foi feita uma comparação entre a boia modelada e a boia real com o intuito de se

comparar o empuxo, ou seja, saber se o empuxo da boia real estava sendo respeitado no

modelo computacional. Esta comparação pode ser vista na Tabela 3, retirada de [11]. É

importante salientar que a boia de 32in é aquela que possui o menor diâmetro e que

confere uma maior estabilidade ao derivador NAVIS devido ao fato de serem mais baratas

e de se ter uma maior facilidade de instalação.

Tabela 3 - Comparação entre a boia real e a modela (Avelar, 2016)

5.2. Modelagem da Boia NAVIS

O derivador NAVIS foi modelado com forma cilíndrica semelhante ao modelo real e

respeitando modelo de cilindros do software SITUA. Assim se torna necessário a

definição da força de empuxo que respeite o padrão de operação do derivador. Como

neste projeto só queremos analisar a capacidade de emersão do derivador, temos que a

bomba estará transferindo o óleo da bolsa externa para a bolsa interna. Através de

experimento realizado pelo CENPES/Petrobras, que teve como um de seus objetivos

obter o calado de flutuação na condição de operação com apenas a bolsa de óleo inflada

e o peso do equipamento, foi visto que o peso do mesmo é:

𝑃 = 18,92 𝑘𝑔

Do ensaio foi concluído que a diferença entre o volume de água deslocado e o peso

pelo flutuador é de aproximadamente:

24

𝐸(𝑝𝑒𝑠𝑜) = 260,82 𝑚𝑙 𝑜𝑢 0,26 𝑘𝑔

E desta forma conseguimos obter a força de empuxo produzida pela bolsa de óleo

quando a mesma está inflada durante a emersão do derivador.

𝐸 = 0,26 ∗ 9,81 = 2,5506 𝑁 = 0,0025636 𝑘𝑁

Desta forma, o derivador NAVIS foi modelado mantendo suas características reais

como comprimento, onde foi obtido a altura final de 1,16m além de 0,32m de antena de

transmissão que não gera empuxo, totalizando desta forma, 1,59m.

5.3. Modelagem das Linhas de Amarração

Para a linha de ancoragem da boia fixa que estará tracionada e da boia NAVIS que

estará em catenária será utilizado o HMPE Spectra-12 (Polietileno de Elevado Módulo)

do fabricante Novabraid. Este tipo de cabo por ser uma fibra sintética apresenta excelente

desempenho em aplicações onde são necessários leveza, durabilidade e flexibilidade, o

que é excelente para a configuração que estamos propondo visto que o peso do cabo não

pode influenciar no desempenho do derivador NAVIS.

Como pode ser visto em [11], foi calculado o diâmetro da linha necessário para

suportar o empuxo da boia HydroFloat conforme Tabela 5, de acordo com os dados

técnicos do fabricante da mesma em Tabela 4.

Tabela 4 – Dados do fabricante Novabraid (Novabraid Website)

25

Tabela 5 – Dados para modelagem da linha de amarração (Avelar, 2016)

5.4. Representação das Condições Ambientais

Para a representação das condições ambientais foi representado apenas as correntes

marítimas, pois no atual projeto estamos interessados em saber se o derivador consegue

chegar na superfície com a configuração de ancoragem proposta.

Desta forma, foi utilizado os dados da Bacia de Campos em águas profundas cuja

distribuição de direções e velocidade de corrente pode ser visto na Figura 14. Este padrão

de correntes foi retirado de [12]. É importante salientar que a profundidade das

configurações analisadas foi mantida constantes em 2000m.

Figura 14 - Padrão de Correntes da Bacia de Campos (Guerra, 2016)

26

5.5. Configurações Analisadas

No atual projeto temos o interesse de realizar perfilagens verticais de temperatura,

salinidade e velocidade de corrente em um determinado local fixo. Sua coordenada será

fixa, o que irá variar será apenas a sua profundidade na determinada região de interesse.

Para termos tal configuração, o NAVIS ficará preso a uma boia fixa através de um

cabo, que deverá ter um empuxo neutro ou positivo. Este cabo deverá ser fino para que

não tenha arraste e interfira na flutuabilidade do NAVIS. Desta forma, foi escolhido o

cabo HMPE Spectra-12. O esquema de configuração que irá ser analisado pode ser visto

na Figura 15.

Figura 15 - Esquema de Configuração proposto

Foram analisadas configurações para três diferentes profundidades da boia fixa, cinco

diferentes comprimentos de cabos da boia de dados e dez velocidades de correntes

diferentes, sendo ao todo 150 casos analisados, como pode ser visto na Tabela 6. Desta

forma, o objetivo das análises é interpretar os resultados obtidos para que se possa

concluir qual a configuração mais adequada que possibilite a emersão do derivador

NAVIS em uma região com grande profundidade. Assim, o perfilador poderá operar

ancorado na região de interesse, gerando dados de salinidade, temperatura e velocidade

da corrente.

27

Tabela 6 - Configurações Analisadas

Na Figura 16 podemos ver um resumo visual de todas as configurações que serão

testadas paras as dez velocidades de correntes diferentes.

Figura 16 - Ilustrativo das configurações testadas

28

6. Resultados

Nesta seção, iremos mostrar os resultados compilados após a análise de cada

configuração de ancoragem proposta executada no programa SITUA/PROSIM.

Percebemos que durante o seu movimento de emersão, partindo de 2000m de

profundidade, a boia submersa fica à deriva, sendo influenciada pela correnteza e ficando

limitada à sua amarração. A partir dos resultados obtidos, temos que a posição da boia se

estabiliza, ou seja, a profundidade com a qual a boia de dados entra em equilíbrio com as

forças externas e não tem sua posição alterada. É importante ressaltar que os resultados

serão apresentados na forma da amplitude vertical ascendente em relação à profundidade

de 2000m (ponto inicial da boia de dados), para cada velocidade de corrente aplicada.

Tabela 7 - Output do SITUA mostrando a amplitude estável da boia de dados para comprimento de amarra 1700m

e corrente 0,5m/s.

Os resultados compilados serão apresentados em forma de gráficos para que a

comparação entre um e outro fique mais clara. As tabelas com os resultados obtidos

podem ser encontradas no Erro! Fonte de referência não encontrada..

29

6.1. Amplitude Vertical máxima estável da boia NAVIS em função do

comprimento de amarra para posição inicial da boia fixa em 500m

Gráfico 1 – Amplitude vertical da boia Navis em função da velocidade da corrente para cada comprimento de

amarra para profundidade inicial da boia fixa em m




mamarra para profundidade inicial de boia fixa em

30




amarra para profundidade inicial da boia fixa em 1000m


da corrente para posição inicial da boia fixa em 500m

Gráfico 4 – Amplitude estável da boia Navis em função do comprimento da amarra para diferentes velocidades de

corrente para posição inicial da boia fixa em 500m

31


da corrente para posição inicial da boia fixa em 750m




da corrente para a posição da boia fixa em 1000m



32


da corrente para comprimento de amarra de 1000m

Gráfico 7 – Amplitude máxima estável da boia Navis em função da velocidade da corrente para amarra de 1000m

6.8. Amplitude vertical máxima estável da boia NAVIS em função da velocidade



33




6.10. Amplitude Vertical máxima estável da boia NAVIS em função da

velocidade da corrente para comprimento de amarra de 1500m

Gráfico 10 - Amplitude máxima estável da boia Navis em função da velocidade da corrente para amarra de 1500m

34

6.11. Amplitude Vertical máxima estável da boia NAVIS em função da

velocidade da corrente para comprimento de amarra de 1700m

Gráfico 11 - Amplitude máxima estável da boia Navis em função da velocidade da corrente para amarra de 1700m

6.12. Profundidade máxima estável da boia fixa em função da velocidade de

corrente

Gráfico 12 – Profundidade máxima estável da boia fixa em função da velocidade da corrente

35

6.13. Variação da posição inicial da boia fixa em função da velocidade da

corrente

Gráfico 13 – Variação da Posição Inicial da boia fixa em função da velocidade da corrente

36

7. Conclusão

Analisando os Gráfico 4, Gráfico 5 e Gráfico 6, é possível concluir que, para correntes

inferiores a 0,35m/s, o comprimento da amarra que conecta a boia fixa ao flutuador

NAVIS não influencia em amplitudes maiores alcançadas pela boia NAVIS, ou seja, para

correntes inferiores a 0,35 para todos os comprimentos de amarra, a boia NAVIS

consegue atingir a superfície. Isso de dá pelo fato de a boia estar atuando quase que

somente pela sua ação própria, sem a influência de forças externas.

Já para as correntes de 0,5m/s e 0,6m/s, de acordo com os Gráfico 4, Gráfico 5 e

Gráfico 6, concluímos que o comprimento da amarra influencia na amplitude vertical

máxima da boia NAVIS. Percebemos que para tais velocidades, a inclinação da curva é

acentuada indicando a influência do comprimento de amarra com a amplitude alcançada

pela boia NAVIS.

Já para correntes superiores a 0,6m/s, temos que o comprimento da amarra não

influencia na amplitude vertical alcançada pelo flutuador NAVIS. Podemos ver isso pelos

Gráfico 4, Gráfico 5 e Gráfico 6, que nos mostra que a partir de tal velocidade de corrente,

a inclinação das curvas é praticamente nula, o que nos indica pouca variação da amplitude

máxima estável com a variação do comprimento da amarra.

Observando os Gráfico 12 e Gráfico 13, podemos concluir que o comportamento da

boia fixa (boia intermediária entre o fundo e a boia NAVIS), varia de acordo com a força

externa, a corrente marinha aplicada. Para as três profundidades da boia fixa testada, o

Gráfico 12 nos mostra que para correntes inferiores a 0,35m/s a posição da boia fixa é

praticamente constante, ou seja, não sendo diretamente alterada pela variação da corrente.

O mesmo já não ocorre para correntes superiores a 0,35m/s, onde podemos perceber uma

grande variação da profundidade da boia fixa. Isso fica bem claro no Gráfico 13, onde

vemos uma grande variação da posição da boia em relação a sua posição inicial a partir

de correntes superiores a 0,6m/s.

Analisando os Gráfico 1 , Gráfico 2 e Gráfico 3, podemos concluir que para correntes

inferiores a 0,35m/s, a boia NAVIS apresenta as maiores amplitudes alcançadas, ou seja,

a boia NAVIS consegue atingir a superfície para correntes inferiores a 0,35m/s e

independente do comprimento de amarra que a conecta a boia fixa. Já para correntes

superiores a 0,35m/s temos que a boia NAVIS apresenta as piores amplitudes alcançadas,

ou seja, podemos ver uma grande inclinação negativa nas curvas a partir desta velocidade

37

de corrente. Isso pode ser explicado pelo fato de que para correntes superiores a 0,35 a

boia NAVIS sofre grande efeito da força externa atuante, a corrente marinha aplicada.

Os Gráfico 7, Gráfico 8, Gráfico 9, Gráfico 10 e Gráfico 11 nos mostra que

independente dos valores de corrente, a boia NAVIS apresenta as mesmas amplitudes

alcançadas quando a boia está ancoradas nas três profundidades propostas (500m, 750m

e 1000m). Porém, também podemos concluir que o comprimento de amarra de 1700m é

aquele que proporciona uma maior amplitude alcançada pelo NAVIS, como podemos ver

pelo Gráfico 11, que nos mostra que o NAVIS só começa a sofrer influência do meio

externo para correntes superiores a 0,6m/s, o que não ocorre para os outros comprimentos

de amarra, como podemos ver pelos Gráfico 7, Gráfico 8, Gráfico 9 e Gráfico 10.

Desta forma, podemos concluir que a configuração de ancoragem para o equipamento

oceanográfico NAVIS que proporciona uma maior amplitude vertical alcançada pelo

flutuador, entre as 150 configurações analisadas, é aquela em que a boia fixa está

ancorada a 1000m e o comprimento de amarra é de 1700m. Nesta configuração o NAVIS

atinge maiores amplitudes para baixas velocidades de corrente e atinge amplitudes

similares aos comprimentos menores de amarra nos casos de alta velocidade de corrente

e a boia fixa apresenta a menor variação da sua posição inicial se comparada com as

outras posições de boia fixa (500m e 750m).

38

8. Trabalhos Futuros

Como trabalhos futuros é sugerido que os resultados para a imersão do flutuador

NAVIS e da emersão do mesmo sejam cruzados para que se chegue à melhor

configuração global de ancoragem para o flutuador.

Como segunda sugestão, é levantado a importância de serem feitas análises levando-

se em conta o empuxo da bolsa de óleo e ar infladas ao mesmo tempo. Desta forma, é

possível se concluir com maior segurança a configuração de ancoragem que melhor irá

se adaptar à operação do flutuador.

E como terceira sugestão, como forma de saber o comportamento do flutuador em

meio as forças externas, é sugerido analisar a operação do equipamento sujeito a ondas

não só apenas a correntes marinhas.

Portanto, temos no presente estudo uma continuação do estudo iniciado para a

ancoragem do flutuador oceanográfico NAVIS. Espera-se que este seja mais uma

alavanca para que futuramente outros tópicos sejam abordados e investigados. É notório

que se a concepção proposta funcionar, que a mesma pode fazer com que empresas

petrolíferas economizem milhões em captação de dados metaoceanográficos.

39

9. Referências

[1] C. H. d. A. e. L. S. d. C. Angelo Barcelos Barbarioli, Projeto

OCEANOP: Informações Metereológicas para Região Oceânica do Brasil.

[2] J. Harari, “Instrumentos e Métodos de Medições em oceanografia

fisica,” em Oceanografia Fisica Descritiva, São Paulo, 2007.

[3] R. B. d. Souza, Oceanografia por Satélites, São Paulo: Oficina de

Textos, 2009.

[4] O. M. J. e. M. P. Abe, “Oceanografia Fisica”.

[5] M. S. &. M. Kampel, “Use of satellite tracked oceanographic buoys

in Brazil,” Revista Brasileira Geográfica, volume 15, número 1, São Paulo,

Março 1997.

[6] “Sistema Brasileito de Observação dos Oceanos,” Marinha do

Brasil, [Online]. Available:

https://www.marinha.mil.br/secirm/goos#indicadores. [Acesso em 04 01

2019].

[7] Argo, “Part of the integrated global observation strategy,” [Online].

Available: http://www.argo.ucsd.edu/About_Argo.html. [Acesso em 20 12

2018].

[8] A. P. Miguens, Navegação: A ciência e a arte, Marinha do Brasil,

1993.

[9] U. o. Waikato, “The Ocean in Action,” em Map of ocean gyres.

[10] I. C. A. d. Silveira, A. C. K. Schmidt e E. J. D. Campos, “A corrente

do Brasil ao Largo da Costa Leste Brasileira”.

40

[11] L. A. Matos, “Estudo Paramétrico de Sistema de Ancoragem para o

Equipamento Oceanográfico NAVIS,” Rio de Janeiro, 2016.

[12] L. A. d. A. Guerra, Aplicação de Veiculos Autônomos no

Monitoramento Oceanográfico, Rio de Janeiro: PETROBRAS/CENPES,

2016.

[13] “Argo UK,” [Online]. Available: https://www.ukargo.net/about.

41

10. Anexo

Corrente (m/s)Profundidade

Bóia Fixa (m)

Comprimento Amarra

Boia de Dados (m)

Profundidade vertical

máxima

da Bóia Fixa (m)

Amplitude Vertical

Máxima

da Boia de Dados (m)

Sem Corrente 500 1000 998,17 2000

Sem Corrente 500 1100 998,18 2000

Sem Corrente 500 1200 998,2 2000

Sem Corrente 500 1500 998,22 2000

Sem Corrente 500 1700 998,27 2000

0,05 500 1000 998,17 2000

0,05 500 1100 998,27 2000

0,05 500 1200 998,28 2000

0,05 500 1500 998,28 2000

0,05 500 1700 998,28 2000

0,10 500 1000 998,22 2000

0,10 500 1100 998,37 2000

0,10 500 1200 998,39 2000

0,10 500 1500 998,38 2000

0,10 500 1700 998,38 2000

0,20 500 1000 998,68 1999,20

0,20 500 1100 999,45 2000

0,20 500 1200 999,42 2000

0,20 500 1500 1000,03 2000

0,20 500 1700 1000,05 2000

0,35 500 1000 1007,56 1969,72

0,35 500 1100 1009,39 2000

0,35 500 1200 1008,99 2000

0,35 500 1500 1008,85 2000

0,35 500 1700 1008,81 2000

0,50 500 1000 1047,49 1726,99

0,50 500 1100 1047,79 1818,4

0,50 500 1200 1047,77 1921,81

0,50 500 1500 1039,52 1999,79

0,50 500 1700 1039,19 1999,8

0,60 500 1000 1076,45 1535,38

0,60 500 1100 1077,31 1557,77

0,60 500 1200 1078,61 1595,78

0,60 500 1500 1080,62 1692,1

0,60 500 1700 1081,31 1750,21

0,75 500 1000 1129,66 1353,21

0,75 500 1100 1130,05 1363,76

0,75 500 1200 1131,55 1390,69

0,75 500 1500 1131,91 1403,16

0,75 500 1700 1132,77 1430,89

0,90 500 1000 1193,62 1198,29

0,90 500 1100 1192,64 1198,72

0,90 500 1200 1194,32 1215,44

0,90 500 1500 1198,49 1255,59

0,90 500 1700 1195,25 1240,71

1,00 500 1000 1238,69 1103,07

1,00 500 1100 1237,98 1101,29

1,00 500 1200 1239,15 1115,53

1,00 500 1500 1238,47 1109,39

1,00 500 1700 1239,74 1132,26

42


Bóia Fixa (m)

Comprimento Amarra

Boia de Dados (m)


máxima

da Bóia Fixa (m)

Amplitude Vertical

Máxima


Sem Corrente 750 1000 998,17 2000

Sem Corrente 750 1100 998,25 2000

Sem Corrente 750 1200 998,26 2000

Sem Corrente 750 1500 998,27 2000

Sem Corrente 750 1700 998,27 2000

0,05 750 1000 998,23 2000

0,05 750 1100 998,28 2000

0,05 750 1200 998,29 2000

0,05 750 1500 998,29 2000

0,05 750 1700 998,29 2000

0,10 750 1000 998,24 2000

0,10 750 1100 998,37 2000

0,10 750 1200 998,39 2000

0,10 750 1500 998,39 2000

0,10 750 1700 998,39 2000

0,20 750 1000 998,61 1998,7

0,20 750 1100 999,47 2000

0,20 750 1200 999,7 2000

0,20 750 1500 1000,08 2000

0,20 750 1700 1000,05 2000

0,35 750 1000 1007,68 1970,44

0,35 750 1100 1010,2 2000

0,35 750 1200 1009,53 2000

0,35 750 1500 1008,51 2000

0,35 750 1700 1008,17 2000

0,50 750 1000 1048,01 1716,84

0,50 750 1100 1047,86 1817,15

0,50 750 1200 1047,82 1918,54

0,50 750 1500 1039,52 1999,78

0,50 750 1700 1038,1 1999,81

0,60 750 1000 1076,26 1529,08

0,60 750 1100 1077,41 1561,24

0,60 750 1200 1078,29 1571,75

0,60 750 1500 1081,27 1666,22

0,60 750 1700 1081,46 1772,21

0,75 750 1000 1130,01 1357,67

0,75 750 1100 1130,67 1372,82

0,75 750 1200 1130,53 1375,05

0,75 750 1500 1133,67 1435,65

0,75 750 1700 1133,76 1447,27

0,90 750 1000 1194,59 1205,86

0,90 750 1100 1194,21 1209,26

0,90 750 1200 1193,55 1207,03

0,90 750 1500 1195,32 1237,37

0,90 750 1700 1198,23 1271,2

1,00 750 1000 1239,77 1110,55

1,00 750 1100 1239,17 1111,51

1,00 750 1200 1238,28 1107,39

1,00 750 1500 1239,97 1131,8

1,00 750 1700 1240,62 1141,48

43


Bóia Fixa (m)

Comprimento Amarra

Boia de Dados (m)


máxima

da Bóia Fixa (m)

Amplitude Vertical

Máxima


Sem Corrente 1000 1000 1001,82 2000

Sem Corrente 1000 1100 1001,81 2000

Sem Corrente 1000 1200 1001,73 2000

Sem Corrente 1000 1500 1001,72 2000

Sem Corrente 1000 1700 1001,72 2000

0,05 1000 1000 1001,76 2000

0,05 1000 1100 1001,71 2000

0,05 1000 1200 1001,7 2000

0,05 1000 1500 1001,7 2000

0,05 1000 1700 1001,7 2000

0,10 1000 1000 1001,75 2000

0,10 1000 1100 1001,62 2000

0,10 1000 1200 1001,59 2000

0,10 1000 1500 1001,43 2000

0,10 1000 1700 1001,59 2000

0,20 1000 1000 1001,37 1998,72

0,20 1000 1100 1000,52 2000

0,20 1000 1200 1000,24 2000

0,20 1000 1500 1000,14 2000

0,20 1000 1700 1000,08 2000

0,35 1000 1000 1012,50 1969,2

0,35 1000 1100 1009,97 2000

0,35 1000 1200 1009,45 2000

0,35 1000 1500 1008,55 2000

0,35 1000 1700 1008,19 2000

0,50 1000 1000 1047,97 1715,67

0,50 1000 1100 1047,97 1824,17

0,50 1000 1200 1047,79 1932,42

0,50 1000 1500 1039,62 1999,78

0,50 1000 1700 1038,1 1999,81

0,60 1000 1000 1076,21 1520,72

0,60 1000 1100 1077,23 1551,03

0,60 1000 1200 1078,85 1570,34

0,60 1000 1500 1080,93 1706,89

0,60 1000 1700 1081,30 1751,29

0,75 1000 1000 1130,79 1365,86

0,75 1000 1100 1129,69 1351,71

0,75 1000 1200 1130,41 1365,32

0,75 1000 1500 1133,34 1431,78

0,75 1000 1700 1132,84 1432,58

0,90 1000 1000 1191,72 1174,18

0,90 1000 1100 1192,39 1186,2

0,90 1000 1200 1192,91 1194,42

0,90 1000 1500 1196,40 1247,98

0,90 1000 1700 1195,35 1242,1

1,00 1000 1000 1236,4 1079,5

1,00 1000 1100 1238,82 1108,72

1,00 1000 1200 1237,7 1100,55

1,00 1000 1500 1241,01 1140,87

1,00 1000 1700 1242,96 1161,29

Documents

SISTEMA DE ANCORAGEM PARA O EQUIPAMENTO …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10027661.pdf · Tudo vale a pena Se a alma não é pequena. Quem quer passar além do Bojador