Investigação da resposta dinâmica de modelo de estrutura de cultivo de ostras

Abstract

A aquacultura vem sendo desenvolvida há muitos anos, entretanto, a engenharia por trás das estruturas de cultivo de ostras é quase inexistente no Brasil. Ademais, o aumento do consumo de ostras na alimentação, somado a uma competição por espaços em baías e áreas protegidas próximas à costa (nearshore), com atividades de outros setores, estimula o progresso da ostreicultura em mar aberto (offshore). Mantendo como foco o crescimento da espécie, a engenharia deve trabalhar de forma harmoniosa com outras áreas de conhecimento, como a oceanografia e a biologia. Essa interdisciplinaridade é necessária, posto que a hidrodinâmica das estruturas é capaz de afetar a distribuição de alimentos e a capacidade de filtragem destes organismos. Em resposta a esses estímulos, a pesquisa investiga a resposta dinâmica de modelo de estrutura de cultivo de ostras sob excitação de ondas. No modelo numérico da estrutura de cultivo, desenvolvido no software ANSYS AQWA®, foram utilizados dados de ondas do município de Rio Grande - RS, assim como as características do cultivo da espécie Crassostrea gigas. Inicialmente, um modelo pendular elástico com uma massa esférica submersa é simulado e ensaiado em um tanque de ondas, a fim de validar o procedimento empregado e extrapolar a metodologia para uma linha de cultivo. Para a etapa de validação, foram variados os parâmetros de rigidez, profundidade e onda incidente. A solução numérica foi modelada como um sistema massa-mola-amortecedor sob excitação das forças hidrodinâmicas de Morison e Froude-Krylov, com o uso do método dos painéis, passando pelas etapas de convergência de refino de malha e a validação do passo de integração. As soluções foram comparadas no domínio do tempo e da frequência, indicando a confiabilidade da modelagem. Dessa forma, o mesmo procedimento foi empregado ao modelo pendular com mais esferas conectadas por cabos lineares. Após resultados preliminares de grande movimentação horizontal na investigação da resposta dinâmica, duas configurações de pêndulos foram ensaiadas. Os resultados demostraram que todas as massas do pêndulo apresentaram as mesmas frequências de oscilação, diferenciando-se apenas com relação à amplitude. Além disso, indicaram a ocorrência do fenômeno de batimento. Para mais, a velocidade relativa foi quantificada, e aponta o provável fechamento das conchas em parte do tempo, diminuindo a velocidade de crescimento da ostra. Por fim, com o aumento no comprimento do cabo de sustentação da linha de cultivo uma atenuação de aproximadamente 60% no movimento horizontal foi alcançada. Sendo assim, o procedimento utilizado para a validação do modelo, V mostrou-se uma ferramenta eficiente. Já com relação à estabilidade da estrutura, foi observada a característica de baixas frequências naturais do sistema, aproximando-se da excitação das ondas. Em suma, o estudo demonstrou a complexidade e a interdisciplinaridade do tema, não apenas pelos fenômenos envolvidos, mas também pela dificuldade de separar as influências de cada um dos parâmetros do problema.

Aquaculture has been developing for many years, however, the engineering behind oyster farming structures is almost non-existent in Brazil. In addition, the increase in consumption of oysters in the food, added to a competition for spaces in bays and protected areas nearshore, with activities from other sectors, stimulates the progress of oyster farming offshore. Aiming at the growth of the species, engineering must work harmoniously with other areas of knowledge, such as oceanography and biology. This is due to the fact that the hydrodynamics of the structures are capable of affecting the distribution of food and the filtering capacity of these organisms. In response to these stimuli, the study investigates the dynamic response of oyster culture structure models under wave excitation. In the numerical model of the cultivation structure, developed in the ANSYS AQWA® software, wave data from the municipality of Rio Grande - RS were used, as well as the characteristics of the cultivation of the Crassostrea gigas species. Initially, an elastic pendulum model with a submerged spherical mass is simulated and tested in a wave tank, in order to validate the procedure used and extrapolate the methodology to a culture line. For the validation, the parameters of stiffness, depth and incident wave were varied. The numerical solution was modelled as a mass-spring-damper system under excitation of the hydrodynamic forces of Morison and Froude-Krylov, using the panel method, going through the mesh refining convergence steps and the validation of the integration stage. The solutions were compared in the domain of time and frequency, indicating the reliability of the modelling. Thus, the same procedure was used for the pendulum model with more spheres connected by linear cables. After preliminary results of great horizontal movement in the investigation of the dynamic response, two pendulum configurations were tested. The results demonstrated that all the pendulum masses presented the same oscillation frequencies, differing only in relation to the amplitude. In addition, they indicated the occurrence of beat phenomenon. Furthermore, the relative speed was quantified, and points to the probable closure of the shells in part of the time, slowing the growth rate of the oyster. Finally, with the increase in the length of the cable supporting the cultivation line, an attenuation of approximately 60% in the horizontal movement was achieved. Therefore, the procedure used to validate the model proved an efficient tool. Regarding the stability of the structure, the low natural frequency characteristic of the system was observed, approaching the excitation of the waves. In summary, the study has VII demonstrated the complexity and interdisciplinarity of the theme, not only due to the phenomena involved, but also due to the difficulty of separating the influences of each of the parameters of the problem.

La acuicultura se está desarrollando desde hace muchos años, sin embargo, la ingeniería por detrás de las estructuras de cultivo de ostras es casi inexistente en Brasil. Además, el incremento en el consumo de ostras para alimentación, asociado a la competencia por espacios en bahías y áreas protegidas cercanas a la costa, con actividades de otros sectores, estimula el avance del cultivo de ostras en mar abierto. Manteniendo el crecimiento de la especie como foco, la ingeniería debe trabajar en armonía con otras áreas del conocimiento, como la oceanografía y la biología. Esa mirada interdisciplinaria se hace necesaria, puesto que la hidrodinámica de las estructuras es capaz de afectar la distribución de alimentos y la capacidad de filtración de dichos organismos. En respuesta a esos estímulos, este estudio investiga la respuesta dinámica de modelos de estructura de cultivo de ostras bajo excitación de ondas. En el modelo numérico de la estructura de cultivo, desarrollado en el software ANSYS AQWA®, se utilizaron datos de oleaje del municipio de Rio Grande - RS, así como las características del cultivo de la especie Crassostrea gigas. Inicialmente, se simula y se prueba un modelo de péndulo elástico con un cuerpo esférico sumergido en un tanque de olas, con el propósito de validar el procedimiento utilizado y de extrapolar la metodología a una línea de cultivo. Para la etapa de validación se variaron los parámetros de rigidez, profundidad y oleaje incidente. La solución numérica se modeló como un sistema masa-resorte-amortiguador bajo excitación de las fuerzas hidrodinámicas de Morison y Froude-Krylov, utilizando el método de los paneles, pasando por los pasos de convergencia de refinamiento de malla y la validación del paso de integración. Las soluciones se compararon en el dominio del tiempo y de la frecuencia, lo que indica la confiabilidad del modelado. Así, se utilizó el mismo procedimiento para el modelo de péndulo con más esferas conectadas por cables lineales. Después de los resultados preliminares de un gran movimiento horizontal en la investigación de la respuesta dinámica, se probaron dos configuraciones de péndulo. Los resultados mostraron que todas las masas del péndulo han presentado las mismas frecuencias de oscilación, difiriendo solo en relación a la amplitud. Además, indicaron la ocurrencia del fenómeno de batimiento. Además, se cuantificó la velocidad relativa, lo que apunta al probable cierre de las conchas en parte del tiempo, desacelerando la velocidad de crecimiento de la ostra. Finalmente, con el aumento de la longitud del cable de soporte de la línea de cultivo, se logró una atenuación de aproximadamente un 60% en el movimiento horizontal. Por lo tanto, el procedimiento utilizado para validar el modelo IX se ha mostrado una herramienta eficaz. En cuanto a la estabilidad de la estructura, se observó la característica de bajas frecuencias naturales del sistema, acercándose a la excitación de las ondas. En definitiva, el estudio demostró la complejidad e interdisciplinariedad del tema, no solo por los fenómenos involucrados, sino también por la dificultad de separar las influencias de cada uno de los parámetros del problema.