aulas upe - módulo 3 - parte 1 - resistência

7/31/2019 Aulas UPE - Mdulo 3 - Parte 1 - Resistncia

1/66


2/66

Especializao em Engenharia Naval Mdulo 3: Hidrodinmica

Apresentao

Prof. Alexandre Nicolaos Simos ([email protected])

Graduado em Engenharia Naval e Ocenica, em 1995

Mestrado e Doutorado em Engenharia Naval pela EPUSP-PNV,

respectivamente em 1997 e 2001

Pesquisador Visitante da Universidade de Michigan Ann Arbor em1999

Ps-Doutoramento pela USP em 2002

Professor Doutor junto ao Departamento de Engenharia Naval eOcenica da EPUSP desde 2002. Cursos ministrados:

Mecnica dos Meios Contnuos (grad.)

Mtodos Computacionais para Engenharia I (grad.)

Princpios Gerais do Projeto de Veleiros (grad.)

Hidrodinmica I (ps-grad.)


3/66


Apresentao

Pesquisa

rea: Hidrodinmica de Sistemas Ocenicos

Foco: Modelagem Analtica e Numrica

Linhas Atuais:

Estudo de Movimentos de 2a Ordem de Sistemas Ocenicos em Ondas(EPUSP/Petrobras)

Estimao de Espectro Direcional de Ondas a partir dos Movimentos de umNavio Estacionrio (EPUSP/Petrobras)

Interao Hidrodinmica nas Foras de Correnteza de um Sistema FPSO-

Aliviador (EPUSP/Petrobras) Modelo de Air Gappara Plataformas Semi-Submersveis (EPUSP/Petrobras)

Desenvolvimento de um programa de predio de velocidades (VPP) esimulador de manobra de veleiros (FAPESP)


4/66


Apresentao

Extenso

Projeto e Construo deum Veleiro-Escola paraDeficientes Fsicos

EPUSP/FEVESP/FINEP

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


5/66


O Mdulo 3: Parte I

Data Perodo Horrios Assunto

22/02/2007Quinta-feira

Noite

18:30h 19:20h Apresentao: Professor, alunos e mdulo 3

19:20h 20:10h Resistncia ao Avano: Introduo

20:10h 21:00h Resistncia Friccional

21:00h 21:50h Resistncia de Presso Viscosa

23/02/2007Sexta-feira

Noite

18:30h 19:20h Resistncia por Gerao de Ondas

19:20h 20:10h Mtodos para Estimativa de Resistncia

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

21:00h 21:50h Estimativa de Potncia

24/02/2007Sbado

Manh

08:00h 08:50h Comportamento no Mar: Introduo

08:50h 09:40h O Ambiente Martimo: 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 Padro

14:40h 15:30h Aspectos de Gerao de Ondas do Mar


6/66


O Mdulo 3: Parte II

Data Perodo Horrios Assunto

01/03/2007Quinta-feira

Noite

18:30h 19:20h Reviso dos Tpicos Anteriores

19:20h 20:10h Equaes de Movimento e Perodos Naturais

20:10h 21:00h Funes de Transferncia dos Movimentos

21:00h 21:50h Exemplos

02/03/2007Sexta-feira

Noite

18:30h 19:20h Clculo dos Movimentos: Cruzamento Espectral

19:20h 20:10h Exemplo

20:10h 21:00h Perodo de Encontro

21:00h 21:50h Estabilizadores

03/03/2007Sbado

Manh

08:00h 08:50h Manobrabilidade: Introduo

08:50h 09:40h Modelagem Hidrodinmica

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 Foras e Torque

14:40h 15:30h Discusso e Encerramento


7/66Especializao em Engenharia Naval Mdulo 3: Hidrodinmica

Resistncia ao AvanoIntroduo

Complexidade: Foras oriundas de efeitos da viscosidade dofluido e interao entre efeitos viscosos e de ondas

Ainda hoje, o modelo de clculo se baseia em ensaios em tanquede provas

Resistncia Hidrodinmica: Fora que se ope ao movimento

de um corpo flutuante ou submerso

Junto com o estudo de hidrostticae estabilidade, um dos tpicosfundamentais 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 equao de movimento do fluido foiformulada em sua forma atual, incluindo os efeitos da viscosidade(tenses de cisalhamento):

zzzzz

zz

yz

xz

y

yyyy

z

y

y

y

x

y

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

Equaes de Navier-Stokes (1822)

Propriedades da gua:

/sm10

salgada)(guakg/m1025doce)(guakg/m1000

26

33




At hoje, no h soluo geral das equaes de Navier-Stokes

Mesmo sua soluo numrica, atravs de algoritmos de CFD(Computational Fluid Mechanics), ainda muito limitada para oproblema de interesse (escoamento em torno do casco de umnavio)





Alternativas para reduzir a resistncia?

1 - Planeio

Requisito Bsico:Baixo Peso



Alternativas para reduzir a resistncia?

2 - Hidroflios



13/66


14/66


Nosso Foco: Navios Mercantes


Requisito Bsico:Alta Capacidade de Carga

Resistncia Elevada Alta Potncia de Motor


15/66


Projeto de um navio:

Geometria do casco j se encontra bem estabelecida para garantir um

bom compromisso entre capacidade de carga, resistncia, estabilidade

e conforto;

Necessidade de se prever a resistncia ao avano de forma precisa

para se determinar a potncia requerida de motor;

Para isso precisamos conhecer os mtodos para clculo da resistncia

ao avano.



16/66


Componentes da Resistncia ao Avano

Resistncia ao AvanoComposio


17/66


Adimensionais que definem as caractersticas de resistncia

Nmero de Reynolds

Nmero de Froude

Resistncia ao AvanoParmetros Importantes

WLWLn

VLVL

R

Caracteriza osefeitos viscosos

WLn gL

V

F

Caracteriza a

gerao deondas


18/66


Anlise Dimensional: Metodologia para identificao dosparmetros de controle de um problema em funo das varveispresentes Consiste em escrever a quantidade procurada em funo das

quantidades bsicas: Massa (M) Comprimento (L)

Tempo (T)

Problema de Resistncia ao Avano de uma embarcao -Variveisenvolvidas:

Velocidadeda embarcao (V); Tamanho da embarcao, que pode ser representado por L;

Densidade do fluido( );

Viscosidade do fluido( ); Acelerao da gravidade(g);

Pressodo fluido sobre o casco (p);



19/66


Escrevemos a fora de resistncia (R), em funo das variveis doproblema

Escrevemos cada varivel em funo das quantidades bsicas:

E chegamos a:


fedcba pgLVR

fed

c

ba

LT

M

T

L

LT

ML

T

L

L

M

T

ML

2232

fed

Vp

gLVVL

LVR

2

2

22

222,,

V

p

gL

VVLf

LV

R


20/66


Resistncia ao AvanoResistncia Friccional

Componente de resistncia oriunda do atrito do fluido sobre ocasco

Em ingls: Friction Resistance Notao:Rf

Coeficiente de Resistncia Friccional:

Modelo de Clculo: Fora equivalente sobre uma placa plana lisade mesma superfcie SW

)(2/1 2

00 n

W

FF Rf

VS

RC


21/66



Essa parcela de fora depende do escoamento na chamadacamada-limite


22/66



Como j havia antecipado Newton, a fora de atrito sobre a placadepender diretamente da viscosidade e da variao da velocidademdia do fluxo na chamada camada-limite.

Visualizao da camada limite laminar em placa plana(Rn= 500):Condio de aderncia e espessura da camada limite.

0.99V

dy

dV

dy

dV


23/66



A taxa de variao da velocidade na camada-limite depende dascaractersticas do fluxo, se laminar ou turbulento

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

Baixos valores de

vazo/viscosidade

VD/

Altos valores devazo/viscosidade

VD/


24/66



Taxa de variao 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


25/66



Coeficiente de Atrito em Placa Plana

Frico em placa plana sobre regime laminar e turbulento

CL Turbulenta

Transio


26/66



Em geral, no estudo de navios os nmeros de Reynolds sobastante elevados, tipicamente acima de 108.

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

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

ITTC (1957): Nova aproximao levando em conta a influncia das

formas usuais de cascos sobre o atrito.

).(log)(

242.00102/1

0

Fn

F

CRC

210

2 )2(log

075.0

2/1

nW

FF

RVS

RC


27/66



ITTC (1957) X Schoenherr


28/66



CURIOSIDADE

O menor atrito proporcionado pelo fluxo laminar levou a pesquisas

sobre mecanismos de reduo da turbulncia na camada-limite, dando

origem, por exemplo, ao desenvolvimento de:

Mecanismos baseados na descarga de polmeros de cadeia-longa

Revestimentos (shark-skin)


29/66


Resistncia ao AvanoResistncia de Presso Viscosa

Componente de resistncia oriunda do efeito da viscosidade sobre

o campo de presso no casco

Em ingls: Viscous-Pressure Resistance

Notao:RVP

Modelo de Clculo: No h mtodo direto para clculo dessaparcela. Uma estimativa da mesma pode ser obtida a partir deensaios em tanque de provas


30/66



Desprezando os efeitos da viscosidade, a presso no fluido se

relaciona com a velocidade do fluxo atravs da Equao de

Bernoulli

Nesse caso, o campo de presses sobre um corpo tal que a forade arrasto, obtida pela integral do campo de presso, NULA(Paradoxo de DAlembert)

As regies de proa e popa so regies de presso mais elevada,enquanto o centro uma regio de presso menor

cteghvp 2

2


31/66




32/66



Na realidade, porm, a presena da camada-limite altera o campo

de presso


33/66



Uma das principais alteraes decorre da separao da camada-

limite, formando uma esteira rotacional jusante do escoamento.

A separao normalmente ocorre quando o fluxo prximo ao corpo

enfrenta um aumento mais intenso do campo de presso.

Separao da camada limitena superfcie de um corpo rombudo;(a) corpo sem ponto saliente; (b) com ponto saliente (Batchelor (1970)).


34/66



Em geral, quanto mais rombudo o corpo, maior a tendncia

separao e maior a esteira


35/66



A esteira provoca uma reduo do campo de presso na regio de

popa do corpo.

A diferena de presso entre proa e popa origina o que chamamos

de arrasto de forma.

sem viscosidade

com viscosidade


36/66



A resistncia de presso viscosa resulta, basicamente:

Da modificao do campo de presso;

Da gerao dos turbilhes (vrtices) na esteira;

Os mtodos empregados para clculo da resistncia normalmente

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

casco:

Esse coeficiente obtido atravs de ensaios em tanque de provas.

)1( kCC FV


37/66


Resistncia ao AvanoResistncia de Ondas

Componente de resistncia oriunda da gerao de ondas pelo

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

proa, tem influencia sobre a resistncia. Por essa razo costuma-

se divid-la em gerao e quebra de ondas

Em ingls: Wave Resistance(wave-makinge wave-breaking)

Notao:RW

Modelo de Clculo: No h mtodo direto para clculo dessa

parcela. obtida em ensaios de tanque de provas juntamente com

a parcela de presso viscosa.

Mtodos numricos so capazes de fornecer uma boa previso da

parcela de gerao de ondas, mas no recuperam os efeitos de

wave-breaking.


38/66



Gerao de ondas: perturbao do campo de presso do fluido

(hidrosttico)

cteghvp

2

2

Aumento da presso Elevao da Superfcie

Reduo da presso Depresso na Superfcie


39/66



Estudo de Wigley (1931): Identificao dos sistemas de ondas

Primrio(comprimento

fixo)

Secundrio(comprimento

varia comV)


40/66



A combinao das componentes forma o trem de ondas

caracterstico:

19,5o


41/66



A amplitude de onda gerada varia tipicamente com V2

A energia de onda varia com aA2

Assim:

Sobre essa variao mdia, h outra imposta pelo padro de

interferncia do sistema secundrio

4

22/1V

VSRC

W

wW


42/66



Construtiva

Destrutiva


43/66



Curva tpica de resistncia de ondas (CW x Fn)

construtiva

construtiva

destrutiva


44/66



Acima de uma certa velocidade,a onda de proa quebra e issoinfluencia a composio dosistema de ondas.

Em geral, o efeito um aumentode resistncia.


45/66



Bulbos de proa so dispositivosprojetados para reduzir aamplitude da onda de proa e,assim, a resistnciaRW


46/66


Resistncia ao AvanoResistncia Total

Alm das trs principais componentes de resistnciahidrodinmica, algumas outras merecem destaque:

Resistncia Aerodinmica Atrito e separao da camada-limite aerodinmica sobre o casco emerso e

super-estrutura;

Normalmente incorporada atravs de modelos simplificados (ex ITTC1978).

Resistncia Adicional em Ondas (Added Waves Resistance) Acrscimo de resistncia do navio quando navegando em ondas;

No h mtodo direto para seu cmputo; Estimativas baseadas em ensaios de reboque em ondas;

Como medida de projeto, algumas vezes considera-se um coeficiente deaumento de resistncia em ondas.


47/66


Resistncia ao AvanoResistncia Total

Proporo caracterstica entre as componentes de resistncia ao avano


48/66


Resistncia ao AvanoMtodos de Clculo

Estimativas Preliminares:

Sries Sistemticas

Conjunto de regresses sobre resultados experimentais;

Ensaios de modelos com variao sistemtica dos parmetros geomtricos

(L/B, B/T, CB, CP, etc); Sries para navios mercantes (ex. Srie 60, Srie de Taylor) desenvolvidas at a

dcada de 70;

A maioria das sries para navios mercantes se encontra ultrapassada.

Regresses Estatsticas Baseadas em resultados obtidos para um grande conjunto de navios de

diferentes tipos;

Ex: Holtrop-Mennen, Lap-Keller, Hollenbach;

So encontradas em diversos sistemas de CAD de aplicao naval.


49/66



Estimativas Preliminares:

Navio Semelhante

Comparao com navio semelhante (parent ship), caso exista;

Fator de converso mais comum: Coeficiente de almirantado

Potncia

V3/23


50/66



Determinao da Resistncia: Ensaios emTanque de Provas

Realizados nos chamados tanques de reboque (towing-tanks)

No Brasil: Tanque da Diviso de Transportes do Instituto de Pesquisas

Tecnolgicas do Estado de SP (IPT)

Dimenses

L: 240 m

B: 6 m

H: 5 m


51/66



Emprego de Modelos em Escala Reduzida

Fator de escala:

l

rm L

L


52/66



Problema: Impossvel manter a semelhana deRn eFnsimultaneamente

Impondo a igualdade deFn:

Impondo a igualdade deRn:

r

n

rrmmm

n RLVLV

R

rm

rrm

VL

LVV l

r

nr

r

m

mm

n FgL

V

gL

VF

l

r

r

mrm V

L

LVV

Invivel


53/66



EXEMPLO: Navio Petroleiro (escala 1:100)

m/s03,1m

V

m/s3,10kn20

m16

m40

m200

r

r

r

r

pp

V

T

B

L

m16,0

m40,0

m00,2

m

m

m

pp

T

B

L

Mesmo Fn

Mesmo Rn m/s1030mV


54/66



EXEMPLO: Navio Petroleiro (escala 1:100)

m/s3,10

m16

m40

m200

r

r

r

r

pp

V

T

B

L

m/s03,1

m16,0

m40,0

m00,2

m

m

m

m

pp

V

T

B

L

Semelhana de RWr

n

m

n FF 23,0

906,2606,2 ERERr

n

m

n Diferena no nvel deturbulncia dacamada-limite


55/66


56/66



Necessidade de garantir

a turbulncia na

camada-limite do

modelo

Dispositivo: Excitadores

de Turbulncia

Pinos

Faixas de Areia


57/66



Metodologia para clculo da resistncia a partir dos ensaios:

Proposta Original: William Froude (1870)

Separao dos efeitos viscosos e de ondas

Procedimento para determinar

Similaridade de Froude:

r

TR

mrVV .l

r

n

m

n FF

)()( nWnFT FCRCC


58/66




Procedimento

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

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

resistncia de ondas

3. Como

l

rm VV

r

n

m

n FF

)(0m

n

m

F

m

T

m

W RCCC

2)(2/1 mm

W

mTm

TVS

RC

).(log242.0

010

0

m

F

m

nm

F

CR

C

mW

rW CC


59/66




Procedimento

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

5. Obtem-se a resistncia total do navio para velocidade de avano rV

mW

rn

rF

rT CRCC )(0

r

T

rr

W

r

T CVSR2)(

2

1

).(log242.0 0100

rF

rn

r

F

CRC

Problema: No considera a resistncia de presso viscosa, que

tambm varia com o nmero de Reynolds


60/66



Comparao entre medidas em Escala Real e em Escalas Reduzidas

CVP


61/66



Metodologia proposta pela ITTC 1978

Baseada no Mtodo de Froude, com alguns aprimoramentos:

Mantm similaridade de Froude:

CF calculado pela linha ITTC 1957:

Incluso da resistncia de presso viscosa atravs de um fator de

formak

Incluso de fator de rugosidade do casco CAdo navio real

Incluso de um fator de resistncia aerodinmica CAAdo navio real:

mr VV .l

2

10 )2(log

075.0

n

FR

C

AAAWFT CCCCkC )1(


62/66



Procedimento ITTC 1978

1. Mede-se a resistncia total do modelo:

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

coeficiente de resistncia de ondas:

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

4. Resistncia total do navio:

AAAm

Wr

Fr

T CCCCkC )1(

mr VV .l

2

10 )2(log

075.0

m

n

m

FR

C

W

TAA

S

AC 001.0

m

F

m

T

m

W CkCC )1(

2)(2/1 mm

W

m

TmT

VS

RC

2

10 )2(log

075.0

r

n

r

FR

C

novos)(cascos00041.0AC

r

T

rr

W

m

TCVSR 2)(

2

1


63/66



Procedimento ITTC 1978

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

obtido a partir da seguinte regresso sobre os resultados de

ensaios com diferentes velocidades:

mF

bmn

mF

mT

C

Fak

C

C )()1(


64/66


65/66


Resistncia ao AvanoPotncia Requerida

Potncia Efetiva: Potncia requerida para o navio se deslocar

com velocidade de avano constante V

Em ingls, Effective Horse Power(EHP)

A potncia instalada para mover o navio com velocidade V

dever ser maior em virtude de fatores como eficincia do

propulsor, eficincia da transmisso, eficincia do motor, entreoutros.

Maiores detalhes sero vistos no Mdulo 5

VREHP T


66/66

Resistncia ao AvanoPotncia Requerida

Exemplo: Estudo de resistncia de um navio indicaram que o

coeficiente de resistncia total para uma velocidade de 15 ns

CT=0,0032.

Sabendo que Lpp = 140m, SW = 3300m2

, calcule a potncia efetiva(EHP).

Considerar: = 1025 kg/m3

aulas upe - módulo 3 - parte 1 - resistência

Documents