94128755 aulas upe modulo 3 parte 1 resistencia

Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica

Curso de Especialização em Engenharia Naval

Curso de Especialização em Engenharia Naval

Módulo 3: HidrodinâmicaParte 1

Introdução e Resistência ao Avanço

Prof. Dr. Alexandre Nicolaos Simos

Módulo 3: HidrodinâmicaParte 1

Introdução e Resistência ao Avanço

Prof. Dr. Alexandre Nicolaos Simos


ApresentaçãoApresentação

Prof. Alexandre Nicolaos Simos ([email protected])– Graduado em Engenharia Naval e Oceânica, em 1995

– Mestrado e Doutorado em Engenharia Naval pela EPUSP-PNV,

respectivamente em 1997 e 2001

– Pesquisador Visitante da Universidade de Michigan – Ann Arbor em

1999

– Pós-Doutoramento pela USP em 2002

– Professor Doutor junto ao Departamento de Engenharia Naval e

Oceânica da EPUSP desde 2002. Cursos ministrados:• Mecânica dos Meios Contínuos (grad.)

• Métodos Computacionais para Engenharia I (grad.)

• Princípios Gerais do Projeto de Veleiros (grad.)

• Hidrodinâmica I (pós-grad.)



Pesquisa– Área: Hidrodinâmica de Sistemas Oceânicos

– Foco: Modelagem Analítica e Numérica

– Linhas Atuais:• Estudo de Movimentos de 2a Ordem de Sistemas Oceânicos em Ondas

(EPUSP/Petrobras)

• Estimação de Espectro Direcional de Ondas a partir dos Movimentos de um

Navio Estacionário (EPUSP/Petrobras)

• Interação Hidrodinâmica nas Forças de Correnteza de um Sistema FPSO-

Aliviador (EPUSP/Petrobras)

• Modelo de Air Gap para Plataformas Semi-Submersíveis (EPUSP/Petrobras)

• Desenvolvimento de um programa de predição de velocidades (VPP) e

simulador de manobra de veleiros (FAPESP)



Extensão

– Projeto e Construção de

um Veleiro-Escola para

Deficientes Físicos

EPUSP/FEVESP/FINEP

www.veleiro.usp.br

http://www.veleiro.usp.br/


O Módulo 3: Parte IO Módulo 3: Parte I

Data Período Horários Assunto

22/02/2007Quinta-feira

Noite

18:30h – 19:20h Apresentação: Professor, alunos e módulo 3

19:20h – 20:10h Resistência ao Avanço: Introdução

20:10h – 21:00h Resistência Friccional

21:00h – 21:50h Resistência de Pressão Viscosa

23/02/2007Sexta-feira

Noite

18:30h – 19:20h Resistência por Geração de Ondas

19:20h – 20:10h Métodos para Estimativa de Resistência

20:10h – 21:00h Ensaios em Tanque de Provas

21:00h – 21:50h Estimativa de Potência

24/02/2007Sábado

Manhã

08:00h – 08:50h Comportamento no Mar: Introdução

08:50h – 09:40h O Ambiente Marítimo: Ondas

09:40h – 10:10h Ondas Regulares

10:10h – 11:00h Ondas Irregulares

Tarde

13:00h – 13:50h O Conceito de Espectro de Energia

13:50h – 14:40h Espectros de Energia Padrão

14:40h – 15:30h Aspectos de Geração de Ondas do Mar


O Módulo 3: Parte IIO Módulo 3: Parte II

Data Período Horários Assunto

01/03/2007Quinta-feira

Noite

18:30h – 19:20h Revisão dos Tópicos Anteriores

19:20h – 20:10h Equações de Movimento e Períodos Naturais

20:10h – 21:00h Funções de Transferência dos Movimentos

21:00h – 21:50h Exemplos

02/03/2007Sexta-feira

Noite

18:30h – 19:20h Cálculo dos Movimentos: Cruzamento Espectral

19:20h – 20:10h Exemplo

20:10h – 21:00h Período de Encontro

21:00h – 21:50h Estabilizadores

03/03/2007Sábado

Manhã

08:00h – 08:50h Manobrabilidade: Introdução

08:50h – 09:40h Modelagem Hidrodinâmica

09:40h – 10:10h Ensaios em Tanque de Provas

10:10h – 11:00h Testes de Mar

Tarde

13:00h – 13:50h Lemes: Principais Tipos

13:50h – 14:40h Forças e Torque

14:40h – 15:30h Discussão e Encerramento


Resistência ao AvançoIntrodução


Complexidade: Forças oriundas de efeitos da viscosidade do fluido e interação entre efeitos viscosos e de ondas

Ainda hoje, o modelo de cálculo se baseia em ensaios em tanque de provas

Resistência Hidrodinâmica: – Força que se opõe ao movimento

de um corpo flutuante ou submerso

Junto com o estudo de hidrostática e estabilidade, é um dos tópicos fundamentais da Arquitetura Naval


O Problema da Viscosidade

Sir Isaac Newton

V

V

y

V

V

V

V

y

dy

dV

Philosophiae Naturalis Principia (1687)




Somente 150 anos depois a equação de movimento do fluido foi formulada em sua forma atual, incluindo os efeitos da viscosidade (tensões de cisalhamento):

zzzzz

zz

yz

xz

yyyyy

zy

yy

xy

xxxxx

zx

yx

xx

gz

v

y

v

x

v

z

p

z

vv

y

vv

x

vv

t

v

gz

v

y

v

x

v

y

p

z

vv

y

vv

x

vv

t

v

gz

v

y

v

x

v

x

p

z

vv

y

vv

x

vv

t

v

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

1

Equações de Navier-Stokes (1822)

Propriedades da água:

/sm 10

salgada) (água kg/m 1025 doce) (água kg/m 1000

26

33




Até hoje, não há solução geral das equações de Navier-Stokes

Mesmo sua solução numérica, através de algoritmos de CFD (Computational Fluid Mechanics), ainda é muito limitada para o problema de interesse (escoamento em torno do casco de um navio)






Alternativas para reduzir a resistência?

1 - Planeio

Requisito Básico: Baixo Peso



2 - Hidrofólios





2 - Hidrofólios



Requisito Básico: Baixo Peso


Nosso Foco: Navios Mercantes



Requisito Básico: Alta Capacidade de Carga

Resistência Elevada Alta Potência de Motor


Projeto de um navio:

– Geometria do casco já se encontra bem estabelecida para garantir um

bom compromisso entre capacidade de carga, resistência, estabilidade

e conforto;

– Necessidade de se prever a resistência ao avanço de forma precisa

para se determinar a potência requerida de motor;

– Para isso precisamos conhecer os métodos para cálculo da resistência

ao avanço.




Componentes da Resistência ao Avanço

Resistência ao AvançoComposição

Resistência ao AvançoComposição


Adimensionais que definem as características de resistência

– Número de Reynolds

– Número de Froude

Resistência ao AvançoParâmetros Importantes


WLWL

n

VLVLR Caracteriza os

efeitos viscosos

WL

ngL

VF Caracteriza a

geração de ondas


Análise Dimensional: Metodologia para identificação dos parâmetros de controle de um problema em função das varáveis presentes– Consiste em escrever a quantidade procurada em função das

quantidades básicas:• Massa (M)• Comprimento (L)• Tempo (T)

Problema de Resistência ao Avanço de uma embarcação -Variáveis envolvidas:

• Velocidade da embarcação (V);• Tamanho da embarcação, que pode ser representado por L;• Densidade do fluido (r);• Viscosidade do fluido (m);• Aceleração da gravidade (g);• Pressão do fluido sobre o casco (p);




Escrevemos a força de resistência (R), em função das variáveis do problema

Escrevemos cada variável em função das quantidades básicas:

E chegamos a:



fedcba pgLVR

fedc

ba

LT

M

T

L

LT

ML

T

L

L

M

T

ML

2232

fed

V

p

gL

VVL

LV

R

2

2

22

222,,

V

p

gL

VVLf

LV

R


Resistência ao AvançoResistência Friccional


Componente de resistência oriunda do atrito do fluido sobre o casco

Em inglês: Friction Resistance Notação: Rf

Coeficiente de Resistência Friccional:

Modelo de Cálculo: Força equivalente sobre uma placa plana lisa de mesma superfície SW

)(2/1 2

00 n

W

FF Rf

VS

RC




Essa parcela de força depende do escoamento na chamada camada-limite




Como já havia antecipado Newton, a força de atrito sobre a placa dependerá diretamente da viscosidade e da variação da velocidade média do fluxo na chamada camada-limite.

Visualização da camada limite laminar em placa plana(Rn = 500):Condição de aderência e espessura da camada limite.

0.99V

d

dy

dV

dy

dV




A taxa de variação da velocidade na camada-limite depende das características do fluxo, se é laminar ou turbulento

Experiência de Reynolds: Transição do escoamento em dutos.a) escoamento laminar (Rn = 1150); b) escoamento turbulento (Rn = 2520).

Baixos valores de vazão/viscosidade

rVD/m

Altos valores de vazão/viscosidade

rVD/m




Taxa de variação da velocidade na camada-limite

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.0000 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.0000 1.2000

v1/U

x2

/

Blasius Turb

Laminar

Turbulento




Coeficiente de Atrito em Placa Plana

Fricção em placa plana sobre regime laminar e turbulento

CL Turbulenta

Transição




Em geral, no estudo de navios os números de Reynolds são bastante elevados, tipicamente acima de 108.

A camada-limite sobre o casco é, assim, turbulenta. A função que representa o coeficiente de atrito de uma placa plana

em regime turbulento é a chamada Linha de Schoenherr (1932):

ITTC (1957): Nova aproximação levando em conta a influência das formas usuais de cascos sobre o atrito.

).(log)(

242.00102/1

0Fn

F

CRC

210

2 )2(log

075.0

2/1

nW

FF

RVS

RC




ITTC (1957) X Schoenherr




CURIOSIDADE

– O menor atrito proporcionado pelo fluxo laminar levou a pesquisas

sobre mecanismos de redução da turbulência na camada-limite, dando

origem, por exemplo, ao desenvolvimento de:

• Mecanismos baseados na descarga de polímeros de cadeia-longa

• Revestimentos (shark-skin)


Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa


Componente de resistência oriunda do efeito da viscosidade sobre

o campo de pressão no casco

Em inglês: Viscous-Pressure Resistance

Notação: RVP

Modelo de Cálculo: Não há método direto para cálculo dessa parcela. Uma estimativa da mesma pode ser obtida a partir de ensaios em tanque de provas




Desprezando os efeitos da viscosidade, a pressão no fluido se

relaciona com a velocidade do fluxo através da Equação de

Bernoulli

Nesse caso, o campo de pressões sobre um corpo é tal que a força de arrasto, obtida pela integral do campo de pressão, é NULA (Paradoxo de D’Alembert)

As regiões de proa e popa são regiões de pressão mais elevada, enquanto o centro é uma região de pressão menor

cteghvp

2

2




Na realidade, porém, a presença da camada-limite altera o campo

de pressão




Uma das principais alterações decorre da separação da camada-

limite, formando uma esteira rotacional à jusante do escoamento.

A separação normalmente ocorre quando o fluxo próximo ao corpo

enfrenta um aumento mais intenso do campo de pressão.

Separação da camada limite na superfície de um corpo rombudo;(a) corpo sem ponto saliente; (b) com ponto saliente (Batchelor (1970)).




Em geral, quanto mais rombudo o corpo, maior a tendência à

separação e maior a esteira




A esteira provoca uma redução do campo de pressão na região de

popa do corpo.

A diferença de pressão entre proa e popa origina o que chamamos

de arrasto de forma.

sem viscosidade

com viscosidade




A resistência de pressão viscosa resulta, basicamente:

– Da modificação do campo de pressão;

– Da geração dos turbilhões (vórtices) na esteira;

Os métodos empregados para cálculo da resistência normalmente

incorporam essa parcela através de um coeficiente de forma (k) do

casco:

Esse coeficiente é obtido através de ensaios em tanque de provas.

)1( kCC FV


Resistência ao AvançoResistência de Ondas


Componente de resistência oriunda da geração de ondas pelo

casco. A “quebra” das ondas geradas, especialmente a onda de

proa, tem influencia sobre a resistência. Por essa razão costuma-

se dividí-la em “geração” e “quebra” de ondas

Em inglês: Wave Resistance (wave-making e wave-breaking)

Notação: RW

Modelo de Cálculo: Não há método direto para cálculo dessa

parcela. É obtida em ensaios de tanque de provas juntamente com

a parcela de pressão viscosa.

Métodos numéricos são capazes de fornecer uma boa previsão da

parcela de geração de ondas, mas não recuperam os efeitos de

wave-breaking.




Geração de ondas: perturbação do campo de pressão do fluido

(hidrostático)

cteghvp

2

2

Aumento da pressão Elevação da Superfície

Redução da pressão Depressão na Superfície




Estudo de Wigley (1931): Identificação dos “sistemas de ondas”

Primário(comprimento

fixo)

Secundário(comprimento varia com V)




A combinação das componentes forma o trem de ondas

característico:

19,5o




A amplitude de onda gerada varia tipicamente com V2

A energia de onda varia com a A2

Assim:

Sobre essa variação média, há outra imposta pelo padrão de

interferência do sistema secundário

422/1

VVS

RC

W

wW




Construtiva

Destrutiva




Curva típica de resistência de ondas (CW x Fn)

construtiva

construtiva

destrutiva




Acima de uma certa velocidade, a onda de proa “quebra” e isso influencia a composição do sistema de ondas.

Em geral, o efeito é um aumento de resistência.




Bulbos de proa são dispositivos projetados para reduzir a amplitude da onda de proa e, assim, a resistência RW


Resistência ao AvançoResistência Total


Além das três principais componentes de resistência hidrodinâmica, algumas outras merecem destaque:

– Resistência Aerodinâmica• Atrito e separação da camada-limite aerodinâmica sobre o casco emerso e

super-estrutura;• Normalmente incorporada através de modelos simplificados (ex ITTC

1978).

– Resistência Adicional em Ondas (Added Waves Resistance)• Acréscimo de resistência do navio quando navegando em ondas;• Não há método direto para seu cômputo;• Estimativas baseadas em ensaios de reboque em ondas;• Como medida de projeto, algumas vezes considera-se um coeficiente de

aumento de resistência em ondas.




Proporção característica entre as componentes de resistência ao avanço


Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo


Estimativas Preliminares:

Séries Sistemáticas– Conjunto de regressões sobre resultados experimentais;

– Ensaios de modelos com variação sistemática dos parâmetros geométricos

(L/B, B/T, CB, CP, etc…);

– Séries para navios mercantes (ex. Série 60, Série de Taylor) desenvolvidas até

a década de 70;

– A maioria das séries para navios mercantes se encontra ultrapassada.

Regressões Estatísticas– Baseadas em resultados obtidos para um grande conjunto de navios de

diferentes tipos;– Ex: Holtrop-Mennen, Lap-Keller, Hollenbach;– São encontradas em diversos sistemas de CAD de aplicação naval.




Estimativas Preliminares:

Navio Semelhante– Comparação com navio semelhante (parent ship), caso exista;

– Fator de conversão mais comum: Coeficiente de almirantado

Potência

V 3/23




Determinação da Resistência: Ensaios em Tanque de Provas

– Realizados nos chamados tanques de reboque (towing-tanks)

– No Brasil: Tanque da Divisão de Transportes do Instituto de Pesquisas

Tecnológicas do Estado de SP (IPT)

Dimensões

L: 240 m

B: 6 m

H: 5 m




– Emprego de Modelos em Escala Reduzida

– Fator de escala: l

rm LL




Problema: Impossível manter a semelhança de Rn e Fn simultaneamente

– Impondo a igualdade de Fn:

– Impondo a igualdade de Rn:

rn

rrmmmn R

LVLVR

r

m

rrm VL

LVV

rnr

r

m

mmn F

gL

V

gL

VF

r

r

mrm V

L

LVV

Inviável




EXEMPLO: Navio Petroleiro (escala 1:100)

m/s 03,1mV

m/s 3,10kn 20

m 16

m 40

m 200

r

r

r

rpp

V

T

B

L

m 16,0

m 40,0

m 00,2

m

m

mpp

T

B

L

Mesmo Fn

Mesmo Rnm/s 1030mV





m/s 3,10

m 16

m 40

m 200

r

r

r

rpp

V

T

B

L

m/s 03,1

m 16,0

m 40,0

m 00,2

m

m

m

mpp

V

T

B

L

Semelhança de RWrn

mn FF 23,0

906,2606,2 ERER rn

mn

Diferença no nível de turbulência da camada-limite





906,2 ER rn

606,2 ER mn




Necessidade de garantir

a turbulência na

camada-limite do

modelo

Dispositivo: Excitadores

de Turbulência

– Pinos

– Faixas de Areia




Metodologia para cálculo da resistência a partir dos ensaios:

Proposta Original: William Froude (1870)

– Separação dos efeitos viscosos e de ondas

– Procedimento para determinar

– Similaridade de Froude:

rTR

mr VV .rn

mn FF

)()( nWnFT FCRCC





– Procedimento

1. Mede-se a resistência total do modelo com velocidade

2. Desconta-se a parcela friccional (placa-plana) para obter a

resistência de ondas

3. Como

rm V

V

rn

mn FF

)(0mn

mF

mT

mW RCCC

2)(2/1 mmW

mTm

T VSRC

).(log242.0

010

0

mF

mnm

F

CRC

mW

rW CC





– Procedimento

4. Calcula-se o coeficiente de resistência total do navio:

5. Obtem-se a resistência total do navio para velocidade de avanço rV

mW

rn

rF

rT CRCC )(0

rT

rrW

rT CVSR 2)(

2

1

).(log242.0

010

0

rF

rnr

F

CRC

– Problema: Não considera a resistência de pressão viscosa, que

também varia com o número de Reynolds




Comparação entre medidas em Escala Real e em Escalas Reduzidas

CVP




Metodologia proposta pela ITTC 1978

– Baseada no Método de Froude, com alguns aprimoramentos:

– Mantém similaridade de Froude:

– CF calculado pela linha ITTC 1957:

– Inclusão da resistência de pressão viscosa através de um fator de

forma k

– Inclusão de fator de rugosidade do casco CA do navio real

– Inclusão de um fator de resistência aerodinâmica CAA do navio real:

mr VV .

210 )2(log

075.0

nF RC

AAAWFT CCCCkC )1(




Procedimento ITTC 1978

1. Mede-se a resistência total do modelo:

2. Desconta-se o coeficiente de resistência viscosa para obter o

coeficiente de resistência de ondas:

3. Calcula-se o coeficiente total do navio real:

4. Resistência total do navio:

AAAm

Wr

Fr

T CCCCkC )1(

mr VV .

210 )2(log

075.0

m

n

mF

RC

W

TAA S

AC 001.0

mF

mT

mW CkCC )1(

2)(2/1 mmW

mTm

T VSRC

210 )2(log

075.0

r

n

rF

RC

novos) (cascos 00041.0AC

rT

rrW

mT CVSR 2)(

2

1




Procedimento ITTC 1978

5. O fator de forma, considerado o mesmo para o modelo e o navio real,

é obtido a partir da seguinte regressão sobre os resultados de ensaios

com diferentes velocidades:

mF

bmn

mF

mT

C

Fak

C

C )()1(




Curva de Resistência Típica (CT x Fn)


Resistência ao AvançoPotência Requerida


Potência Efetiva: Potência requerida para o navio se deslocar

com velocidade de avanço constante V

Em inglês, Effective Horse Power (EHP)

A potência instalada para mover o navio com velocidade V

deverá ser maior em virtude de fatores como eficiência do

propulsor, eficiência da transmissão, eficiência do motor, entre

outros.

Maiores detalhes serão vistos no Módulo 5

VREHP T




Exemplo: Estudo de resistência de um navio indicaram que o

coeficiente de resistência total para uma velocidade de 15 nós é

CT=0,0032.

Sabendo que Lpp = 140m, SW = 3300m2, calcule a potência efetiva

(EHP).

Considerar: = 1025 kg/m3

94128755 aulas upe modulo 3 parte 1 resistencia

Documents

campo de presso

casco em ingls

gua kg

william froude

cc cc cc cc cc cc cc cc

feira noite 18

fluido sobre

navio real