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Ingeniería naval

Ensayo marino

Laboratorio amplia el estudio de proyectos de embarcaciones destinadas a la explotación de petróleo

EDUARDO CESARA lo largo de la costa brasileña, en el fondo del océano, reposan grandes depósitos de gas y  petróleo, principalmente en la región sudeste del país, donde, por lo que todo indica, existen grandes reservas ubicadas en la capa presal. Su extracción requiere estructuras flotantes –plataformas y buques– y sistemas submarinos con tecnología de última generación, y muy caros. Para saber si funcionarán correctamente y si el dinero invertido no se perderá, estas instalaciones, antes de su construcción y su entrada al mar, deben pasar por ensayos de convalidación en tanques virtuales elaborados en computadoras y en tanques de prueba físicos similares a piscinas, dos formas de experimentos que están reunidas desde diciembre en la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP). El laboratorio virtual de la Poli, denominado Tanque de Pruebas Numérico (TPN), existe desde 2002 merced a un convenio con Petrobras. En 2006, el TPN se convirtió en uno de los cuatro nudos de la Red Temática de Computación Científica y Visualización, conocida como Red Galileo. Los otros tres están en las universidades federales de Río de Janeiro y de Alagoas y en la Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro. Forman también parte de la Red Galileo otras 10 universidades e instituciones de investigación.

La ampliación y modernización del TPN contempla las nuevas demandas surgidas principalmente con el anuncio del descubrimiento de petróleo y gas en la capa ubicada debajo de la sal existente en el fondo del mar en 2007. El sistema computacional de laboratorio cuenta con un nuevo cluster, un aglomerado de computadoras, con 1.792 procesadores que trabajan en paralelo. Para albergar este nuevo recurso, además del tanque físico, se construyó un edificio con un área construida de alrededor 1.600 m² e instalaciones para más de 80 investigadores. Se invirtieron en total 9,5 millones de reales, de los cuales 9 millones salieron de Petrobras y el resto de la  Financiadora de Estudios y  Proyectos (Finep).

El tanque físico, llamado Calibrador Hidrodinámico (CH-TPN-USP), tiene 14 metros (m) de lado y 4 m de profundidad, y está dotado de generadores y absorbedores de olas (flaps). En total son 148, dispuestos a lo largo de todo el perímetro del tanque, donde es posible crear olas multidireccionales, regulares o aleatorias. De acuerdo con el profesor Kazuo Nishimoto, del Departamento de Ingeniería Naval y Oceánica de la Poli y  coordinador del TPN, con la capacidad de los flaps de absorber olas y no repelerlas, es posible también simular las condiciones de mar infinito, como si el tanque no tuviera laterales y las olas se propagasen sin reflexión. Los flaps, los ventiladores y otros sistemas permiten representar, además de las olas, las principales condiciones ambientales que actúan sobre los buques y las plataformas marinas, tales como las corrientes y los vientos, desde una leve brisa hasta huracanes. Además, también es posible reproducir la dinámica de las líneas de anclaje –los cables fijados al suelo marino que mantienen a la plataforma en el lugar– y de los risers, caños rígidos de acero o flexibles, que llevan el crudo extraído hasta la plataforma de producción.

Pese a tales ventajas, este tipo de tanque también tiene algunos inconvenientes. Además de sus costos elevados, tiene limitaciones físicas para simular situaciones que ocurren en ambientes de gran profundidad, y así no permiten la reproducción fiel de la  dinámica de todo el sistema. Para representar mejor las condiciones en ambientes con profundidades de alrededor de tres mil metros o más sería necesario un tanque de dimensiones inviables físicamente. O los modelos de las embarcaciones y de las plataformas quedarían tan pequeños que comprometerían la representación física y el análisis en escala real. Para superar dichas limitaciones, existen los tanques virtuales o simuladores numéricos: tal es el caso del TPN. Se trata de un programa computacional capaz de representar matemáticamente las mismas condiciones generadas por un tanque de pruebas físico, con la ventaja de que no existen restricciones dimensionales, y de obtener los resultados con mayor rapidez y precisión. Asimismo, el simulador numérico calcula la dinámica de las unidades flotantes, de los esfuerzos y las tensiones en las líneas de amarre y en los risers.

Una tarea veloz
El cluster de computadoras es capaz de realizar centenas de simulaciones de diversas condiciones ambientales en cuestión de minutos. Nishimoto explica que un cluster de computadoras es un conglomerado de procesadores dedicados, que resuelven una única tarea de manera cooperativa e integrada. De este modo, las operaciones de cálculo se subdividen y se distribuyen por todos los procesadores que componen el grupo, con lo cual resolución de los problemas se vuelve más rápida. La opción por ese sistema se hizo en 2002 cuando se creó el TPN. “Decidimos que, en lugar de invertir en supercomputadoras especializadas, lo mejor sería desarrollar un cluster con desempeño similar y a un costo mucho menor”, comenta Nishimoto. Actualmente la capacidad de procesamiento del TPN es de 55 teraflops, lo que significa 55 billones de operaciones matemáticas por segundo. A los efectos de comparación, las computadoras personales más veloces existentes no llegan a 0,1 teraflops. Flops significa floating point operations per second u operaciones de punto flotante por segundo.

Las simulaciones realizadas en el TPN serán fundamentales para el éxito de la  explotación de las reservas petrolíferas de la capa presal, según Luiz Levy, gerente de métodos científicos del Centro de Investigación y Desarrollo (Cenpes) de Petrobras. “Las reservas se encuentran muy lejos de la costa y en gran profundidad, por eso su explotación constituye un gran reto”, dice. “En el TPN será posible realizar una serie de cálculos y simulaciones”. Además de las simulaciones convencionales de la explotación de óleo y gas, la Red Galileo también podrá representar los procesos de perforación de las capas de sal. “Es un gran reto perforar esas capas, pues sufren deformaciones y pueden colapsar la columna de perforación”, explica Nishimoto. “Hay que crear un modelo numérico por cada pozo, que simule las condiciones del mar y del suelo y calcule la dinámica de las embarcaciones involucradas en la explotación.”

Los ensayos realizados en el TPN generan una cantidad de datos tan grande que es casi imposible analizarlos mediante procesos convencionales. Para resolver este problema, se  creó el TPNView, un programa de computadora de visualización, basado en técnicas de computación gráfica en tiempo real, que permite una representación precisa del ambiente en realidad virtual. El mismo alía la visualización en tres dimensiones (3D) y  herramientas de análisis de datos tales como estadísticas, gráficos y diagramas. Pese a la  sofisticación del TPN, no reemplaza al tanque de pruebas físico. Uno complementa al otro, y es precisamente este trabajo conjunto lo que hace del laboratorio de la USP una instalación rara en el mundo. “Existen muchos tanques físicos en Noruega, Holanda y  Japón, pero no existe un laboratorio que acople el tanque físico con el numérico con cluster del porte de 55 teraflops. Por eso actualmente el TPN es único en el mundo.”

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