Autor: ACOSTA, Gustavo Fabian
Título: Hydrodynamic Optimization of 2D Shapes for Self-Burial in Offshore Applications through a Numerical Study Using SPH
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS NAVALES
Departamento: ARQUITECTURA, CONSTRUCCION Y SISTEMAS OCEANICOS Y NAVALES
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/91988/
Director/a(s):
- Director/a: CALDERÓN SÁNCHEZ, Javier
- Director/a: ZAMORA RODRÍGUEZ, Ricardo
Resumen: The purpose of this thesis is to numerically study the self-burial process of a seabed-supported element using the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method. Three different problems have been considered using different geometries. The objective is to identify the optimal section for self-burial and propose a new improved geometry. The shapes relevant to the offshore industry are analyzed, especially in the context of hydrocarbon extraction and power transmission and including floating platforms for offshore wind power and other green energy developments. Focus is set on analyzing a variety of commonly used shapes, along with proposing a new geometry, based on literature analysis. This new configuration outperforms existing shapes, which introduces a potential application at an industrial level. The research is structured into different thematic areas. First, the research begins with practical observations of particular hydrocarbon pipelines. These observations serve to define the problem and inspire the methodology followed. Second, the theoretical aspects of the SPH method are addressed, followed by the development and implementation of new physical tools and models in AQUAgpusph. Then, three relevant problems are studied: (a) the flow behavior around a rigid body (considering several different shapes) in stationary currents, (b) the flow around a rigid body in the presence of a rigid wall considering different separations, and (c) the interaction of rigid bodies with a Non-Newtonian deformable bed. Extensive numerical campaigns are conducted for each configuration. Relevant parameters are systematically varied, and the resulting forces particularly lift, drag, and the Strouhal number are analyzed under different conditions. These simulations are performed using the open source software AQUAgpusph, developed at ETSIN (School of Naval Architecture and Marine Engineering). Notably, this tool has never before been used to simulate self-burial processes in non-Newtonian fluids. The flow around a rigid body is numerically simulated considering different shapes: a cylinder, a square, a piggyback, and a newly designed spoiler type, applying AQUAgpusph for the first time to this particular problem. The influence of the chosen shape, as well as the separation between obstacles, are changed. These numerical experiments are conducted at Re = 100. The shapes are also studied in the presence of a rigid wall for different values of separation and at Re = 100. In one specific case, the Reynolds number is also varied, Re = 100, 500, 1000. Nevertheless, no turbulence model is considered, even for the highest Reynolds numbers. In addition, an application is developed in the SPH model for the two-phase simulation of water and sand. This multiphase weakly compressible and non-Newtonian model, modified with a locally varying apparent viscosity to include viscoplastic behavior, considers the Herschel - Bulkley - Papanastasiou rheological model and the Drucker - Prager criterion for granular materials with varying yield stress. The case of a cylinder close to a sand bed and a spoiler - type design is analyzed numerically. The results show that the model performs well for low Reynolds numbers, Re100, showing that a qualitatively accurate evolution of the undercut around the pipe occurs without spurious oscillations in the non-linear phase. Finally, it is shown that the proposed design, the horizontal spoiler, is the most effective shape for self-burial. Additionally, the numerical models implemented in SPH and AQUAgpusph, advance the understanding of vortex behavior by determining the shapes that develop higher or lower forces and a specific Strouhal number. The results obtained demonstrate that SPH is a valid method for calculating the forces and vortex shedding behavior. RESUMEN El propósito de esta tesis es estudiar numéricamente el proceso de autoenterramiento de un elemento apoyado en el lecho marino utilizando el método de Dinámica de Partículas Suavizadas (SPH). Se ha utilizado el software libre AQUAgpusph para realizar las simulaciones. Se han considerado tres problemas diferentes utilizando distintas geometrías. El objetivo es identificar la sección óptima para el autoenterramiento y proponer una nueva geometría. Se analizan formas relevantes para la industria offshore, especialmente en el contexto de la extracción de hidrocarburos y la transmisión de energía, incluyendo plataformas flotantes para energía eólica marina y otros desarrollos de energías renovables. El enfoque se centra en el análisis de diversas formas comúnmente utilizadas, junto con la propuesta de una nueva geometría basada en el estudio de la literatura. Esta nueva configuración supera a las formas existentes, introduciendo una posible aplicación a nivel industrial. La investigación se estructura en diferentes áreas temáticas. En primer lugar, el estudio comienza con observaciones prácticas de determinados tuberías de hidrocarburos. Estas observaciones permiten definir el problema e inspiran la metodología desarrollada. En segundo lugar, se abordan los aspectos teóricos del método SPH, seguidos del desarrollo e implementación de nuevas herramientas y modelos físicos en AQUAgpusph. Posteriormente, se analizan tres problemas relevantes: (a) el comportamiento del flujo alrededor de un cuerpo rígido (considerando diversas geometrías) en corrientes estacionarias; (b) el flujo alrededor de un cuerpo rígido en presencia de una pared rígida considerando diferentes separaciones; y (c) la interacción de cuerpos rígidos con un lecho deformable No-Newtoniano. Se llevan a cabo extensas campañas numéricas para cada configuración. Los parámetros relevantes se varían de manera sistemática y se analizan las fuerzas resultantes particularmente la sustentación (lift), el arrastre (drag) y el número de Strouhal bajo diferentes condiciones. Estas simulaciones se realizan utilizando el software de código abierto AQUAgpusph, desarrollado en la ETSIN (Escuela Técnica Superior de Ingenieros Navales). Cabe destacar que esta herramienta nunca antes había sido utilizada para simular procesos de autoentierro en fluidos no newtonianos. Se simula numéricamente el flujo alrededor de un cuerpo rígido considerando diferentes geometrías: un cilindro, un cuadrado, una configuración piggyback y un nuevo diseño tipo spoiler, aplicando AQUAgpusph por primera vez a este problema en particular. Se varían tanto la geometría seleccionada como la separación entre los obstáculos. Estas simulaciones numéricas se realizan a un número de Re = 100. Las geometrías mencionadas también se estudian en presencia de una pared rígida, considerando distintos valores de separación y un Re = 100. En un caso específico, el número de Reynolds también se varía: Re = 100, 500, 1000. No se considera ningún modelo de turbulencia. Además, se desarrolla una aplicación en el modelo SPH para la simulación bifásica de agua y arena. Este modelo multifásico débilmente compresible y no-Newtoniano, modificado con una viscosidad aparente localmente variable para incluir un comportamiento viscoplástico, considera el modelo reológico de Herschel-Bulkley-Papanastasiou y el criterio de Drucker-Prager para materiales granulares con esfuerzo de cedencia variable. Se analiza numéricamente el caso de un cilindro cercano a un lecho de arena y una geometría tipo spoiler. Los resultados muestran que el modelo se comporta adecuadamente para Re = 100, evidenciando que se reproduce una evolución cualitativamente correcta del socavado alrededor del tubo, sin oscilaciones espurias en la fase no lineal. Finalmente, se demuestra que el spoiler horizontal es la geometría más eficaz para el autoentierro. Los modelos numéricos en SPH permiten comprender mejor el comportamiento de los vórtices, siendo un método válido.