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Active control applied to offshore structures : positioning and attenuation of vortex induced vibrations

Fortaleza, Eugênio ; Lévine, Jean, directeur de thèse (19..-....) ; École nationale supérieure des mines Paris ; Centre automatique et systèmes Fontainebleau, Seine et Marne

2009

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  • Titre:
    Active control applied to offshore structures : positioning and attenuation of vortex induced vibrations
  • Auteur: Fortaleza, Eugênio
  • Autre(s) auteur(s): Lévine, Jean, directeur de thèse (19..-....) ;
    École nationale supérieure des mines Paris ;
    Centre automatique et systèmes Fontainebleau, Seine et Marne
  • Sujets: Éléments finis, Méthode des -- Thèses et écrits académiques ;
    Tourbillons (mécanique des fluides) -- Thèses et écrits académiques ;
    Théorie commande ;
    Bernoulli ;
    Modèle phénoménologique ;
    Méthode différence finie ;
    Méthode élément fini ;
    Analyse modale ;
    Fonction Lyapounov ;
    Commande boucle fermée ;
    Interaction fluide structure ;
    Dynamique fluide ;
    Vibration induite par vortex ;
    Tête puits sous-marine ;
    Structure offshore
  • Description: Thèse de doctorat
    L'exploration pétrolière en eaux profondes crée des nouveaux défis technologiques. Certains de ces problèmes sont liés à des très longues structures servant à relier la plate-forme à la tête de puits. L'augmentation de la profondeur implique des structures plus longues et, par conséquent, plus souple. Deux problèmes liés à ce type de structure sont étudiés dans ce rapport : le positionnement de la structure pour sa connexion à la tête de puits (opération de rentrée), et les vibrations induites par vortex. La première partie de ce rapport est consacrée au contrôle de l'opération de rentrée. Deux stratégies différentes de planification du mouvement sont proposées. La première est basée sur un modèle obtenu par approche modale. L'autre stratégie approxime le comportement de la structure par l'équation d'un câble de Bernoulli avec amortissement. Les solutions approximées de cette EDP sont directement utilisées dans la conception du contrôleur. Deux types de contrôle en boucle fermée sont proposées: un système de suivi de trajectoire en utilisant une fonction de Lyapunov, et un autre qui utilise l'inverse du système. La deuxième partie de ce rapport est consacrée à l'étude des vibrations induites par vortex (VIV) et à leur contrôle. Elle présente une première stratégie de contrôle afin de réduire les VIV. Cette stratégie est basée sur une analyse modale des équations du système. La loi de commande génère un déplacement en opposition de phase par rapport au VIV, l'atténuation résultant d'un effet d'antirésonance. Les résultats de simulation sont confirmés par des expériences réalisées sur une maquette en modèle réduit.
    The petroleum exploration in deep water induces many challenges. Some of these problems are due to the extremely long structure that links the platform to the wellhead (risers). The depth increase makes the structure more slender, and consequently much more flexible, and its dynamical behavior may be described by an infinite dimensional system. Two associated problems are studied in this report: the positioning of the bottom structure, to connect it to the wellhead (reentry operation), and the vortex induced vibrations of these slender structures. The first part of this thesis is dedicated to the control of the reentry operation. Two different strategies of motion planning are proposed. The first one is based on a finite dimensional model obtained by a modal approach. The other one considers that the behavior of the structure is close to the behavior of the Bernoulli's historical cable equation, completed with a damping factor. The proposed approximate solutions of this PDE are directly used in the control design. Two different closed loop controls are proposed: one using a Lyapunov function, and another tracking system that uses the system inversion to calculate the tracking feedback. The second part is dedicated to the study of the structure's undergoing vortex induced vibrations (VIV) and to their control. It presents a first control strategy to reduce the VIV. This control strategy is based on a modal analysis of the system equations. The control system generates a displacement in phase opposition to the VIV, attenuating the VIV because of an anti-resonance effect. The simulation results are confirmed by experiments done on a reduced scale setup.
  • Date de publication: 2009
  • Format: 1 vol. (144 p.) ; 30 cm
  • Langue: Anglais
  • Source: Mines ParisTech (catalogue)

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