AVALIAÇÃO CONJUNTA DO CASCO-HÉLICE ATRAVÉS DA …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10021270.pdf · AVALIAÇÃO CONJUNTA DO CASCO-HÉLICE ATRAVÉS DA POTÊNCIA PROPULSIVA

AVALIAÇÃO CONJUNTA DO CASCO-HÉLICE ATRAVÉS DA POTÊNCIA PROPULSIVA

Eduardo Rodrigo Botelho

Projeto de Graduação apresentado no

Curso de Engenharia Naval e Oceânica da

Escola Politécnica, Universidade Federal do

Rio de Janeiro, como parte dos requisitos

necessários à obtenção do título de

Engenheiro.

Orientador: Antonio Carlos Fernandes

Rio de Janeiro

Setembro de 2017

i

AVALIAÇÃO CONJUNTA DO CASCO-HÉLICE ATRAVÉS DA POTÊNCIA

PROPULSIVA


PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE

ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS

PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO NAVAL E OCEÂNICO.

Examinada por:

________________________________________________

Prof. Antonio Carlos Fernandes, Ph.D.

________________________________________________

Dr. Joel Sena Sales Jr., D.Sc.

________________________________________________

Prof. Carlos Antônio Levi da Conceição, D.Sc.

________________________________________________

Prof. Carl Horst Albrecht, D.Sc.

Rio de Janeiro

Setembro de 2017

ii

Botelho, Eduardo Rodrigo

Avaliação Conjunta do Casco-Hélice Através da

Potência Propulsiva/ Eduardo Rodrigo Botelho. – Rio de

Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2017.

XIV, 98 p.: il.; 29,7 cm.


Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso

de Engenharia Naval e Oceânica, 2017

Referências Bibliográficas: p. 89-91.

1. Otimização. 2. Propulsão. 3. Projeto. 4. Hélice. 5.

Casco. 6. CFD. 7. Potência Propulsiva. 8. CAD. I. Fernandes,

Antonio Carlos. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro,

Escola Politécnica, Curso de Engenharia Naval e Oceânica. III.

Avaliação Conjunta do Casco-Hélice Através da Potência

Propulsiva.

iii

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Engineer.

JOINT EVALUATION OF THE HULL AND PROPELLER THROUGH THE

PROPULSIVE POWER


September/2017

Advisor: Antonio Carlos Fernandes

Course: Navy Architecture and Marine Engineering

The optimization of the propulsion system is one of the most important objectives in a

ship design. The proposal here is a combined optimization of the hull and the propeller

with focus on the propulsive power for a given service speed. Although using moderate

computational resources the work applies the method producing excellent results. The

method combines an empirical method to optimize the propeller with geometric hull stern

variations using CFD (Computer Fluid Dynamics) and CAD (Computer Aided Design)

tools.

Keywords: Optimization, Propulsion, Project, Propeller, hull, CFD, Propulsive Power, CAD

iv

Resumo do Projeto de graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval e Oceânico.

AVALIAÇÃO CONJUNTA DO CASCO-HÉLICE ATRAVÉS DA POTÊNCIA

PROPULSIVA


Setembro/2017


Curso: Engenharia Naval e Oceânica

A otimização do sistema propulsivo consiste num dos principais objetivos de um projeto

de embarcações auto propelidas. A proposta aqui é uma otimização combinado casco

com hélice com o foco na potência propulsiva para uma dada velocidade. Embora

usando recursos computacionais limitados, o trabalho aplica o método produzindo

excelentes resultados. O método alia um método empírico para a otimização do hélice

com variações geométricas na forma da popa utilizando CFD e ferramentas CAD.

Palavras-chave: Otimização, Propulsão, Projeto, Hélice, Casco, CFD, Potência

Propulsiva, CAD.

v

SUMÁRIO

1. Motivação ................................................................................................ 1

2. Introdução ............................................................................................... 2

3. Revisão Bibliográfica ............................................................................... 3

3.1. CAD ..................................................................................................... 3

3.2. Espiral de Projeto ................................................................................. 4

3.3. Resistência ao Avanço ......................................................................... 5

3.3.1. Método ITTC .................................................................................... 5

3.3.2. Método de Holtrop ............................................................................ 6

3.3.3. CFD .................................................................................................. 6

3.4. Sistema Propulsivo .............................................................................. 8

3.4.1. Série-B de Wageningen .................................................................... 9

3.4.2. Teoria do Disco Atuador ................................................................... 9

3.4.3. Teoria das Linhas de Sustentação.................................................. 10

4. Revisão Teórica ..................................................................................... 11

4.1. Adimensionais hidrodinâmico ............................................................. 11

4.1.1. Número de Reynolds ...................................................................... 11

4.1.2. Número de Froude ......................................................................... 11

4.1.3. Número de Cavitação ..................................................................... 12

4.2. Resistência ao Avanço ....................................................................... 12

4.2.1. Definição de Componentes............................................................. 12

4.2.2. Resistência de Ondas ..................................................................... 14

4.2.3. Resistência Viscosa........................................................................ 15

4.3. Esteira ................................................................................................ 15

4.3.1. Esteira Nominal .............................................................................. 15

4.3.2. Esteira Efetiva ................................................................................ 15

4.4. Propulsão ........................................................................................... 16

4.4.1. Teoria do Disco Atuador ................................................................. 18

vi

4.4.2. Teoria das Linhas de Sustentação.................................................. 18

4.4.3. Potência Propulsiva ........................................................................ 19

5. CFD ZONAL .......................................................................................... 20

5.1. Abordagem Zonal............................................................................... 20

5.1.1. Região Potencial ............................................................................ 21

5.1.2. Camada Limite ............................................................................... 22

5.1.3. Navier-Stokes ................................................................................. 23

5.2. Simulação de Resistência ao Avanço ................................................ 24

5.3. Simulação de Águas Abertas ............................................................. 24

5.4. Simulação de Autopropulsão ............................................................. 24

6. Método Proposto ................................................................................... 25

6.1. Validação do CFD Zonal .................................................................... 28

6.1.1. Shipflow x Empresa Especializada de Projeto ................................ 28

6.1.2. Shipflow x IPT................................................................................. 32

6.2. Casco Inicial ....................................................................................... 34

6.3. Influência da Malha Computacional ................................................... 35

6.4. Otimização do Casco-Hélice .............................................................. 37

6.4.1. Resistência ao Avanço ................................................................... 37

6.4.2. Seleção dos Propulsores ................................................................ 38

6.4.3. Autopropulsão ................................................................................ 42

6.4.4. Avaliação do Conjunto Casco-Hélice .............................................. 44

6.4.5. Variações Geométricas na forma.................................................... 44

7. Resultados ............................................................................................ 46

7.1. Rodada 01 ......................................................................................... 46

7.2. Rodada 02 ......................................................................................... 58

7.3. Rodada 03 ......................................................................................... 70

7.4. Resumo ............................................................................................. 81

7.5. Avaliação da Otimização .................................................................... 84

vii

8. Críticas ao Método................................................................................. 86

9. Conclusão ............................................................................................. 87

10. Trabalhos Futuros ................................................................................. 88

10.1. Otimização Automática ................................................................... 88

10.2. Formulações Empíricas para Propulsores em Águas Abertas ........ 88

11. Bibliografia ............................................................................................. 89

12. Anexos .................................................................................................. 92

12.1. Shipflow .......................................................................................... 92

viii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 3.1 – Modelagem CAD de uma embarcação (fonte: Freecadweb.org).... 3

Figura 3.2 – Espiral de Evans ............................................................................ 4

Figura 4.1 – Composição da Resistência ao Avanço (fonte: Piri Reis University,

2008) .......................................................................................................................... 13

Figura 4.2 – Padrão de Ondas (fonte: Aula de Hidrodinâmica – IST) .............. 14

Figura 4.3 – Esteira Efetiva no disco propulsor ................................................ 16

Figura 4.4 – Cortes transversais do hélice (fonte: Eckhardt & Morgan, 1955) . 17

Figura 4.5 – Dimensões Principais de um Fólio (fonte: Wikipedia, The Free

Encyclopedia) ............................................................................................................. 17

Figura 4.6 - Representação de Circulação nem uma Asa (fonte: Srinivas & Auld,

2016) .......................................................................................................................... 19

Figura 4.7 - Representação de Circulação nem uma Asa (fonte: Srinivas & Auld,

2016) .......................................................................................................................... 19

Figura 5.1 - Representação de Abordagem Zonal (fonte: Theorical Manual –

Shipflow) ..................................................................................................................... 21

Figura 5.2 - Solução Não Linear da Superfície Livre (fonte: Theorical Manual –

Shipflow) ..................................................................................................................... 22

Figura 5.3 - Diagrama de Corpo Livre Potencial (fonte: Theorical Manual –

Shipflow) ..................................................................................................................... 22

Figura 5.4 – Camada Limite (fonte: Theorical Manual – Shipflow) ................... 23

Figura 5.5 – Representação da malha computacional com abordagem zonal

(fonte: Karim & Naz, 2016) ......................................................................................... 23

Figura 6.1 – Validações Iniciais da Metodologia .............................................. 25

Figura 6.2 – Fluxograma de Metodologia de otimização .................................. 27

Figura 6.3 – Apresentação do detalhamento de malha feito pela Empresa

Especializada de Projeto ............................................................................................ 29

Figura 6.4 – Campo de Ondas Empresa Especializada de Projeto .................. 30

Figura 6.5 – Padrão de Ondas pelo Shipflow................................................... 31

Figura 6.6 – Comparação dos Resultados (Shipflow x Empresa de Projeto) ... 32

Figura 6.7 – Comparação de Shipflow x IPT (Carregado) ............................... 33

Figura 6.8 – Comparação entre Shipflow x IPT (Lastreado) ............................ 34

Figura 6.9 – Plano de Linhas do casco original ............................................... 35

Figura 6.10 – Layout da Janela de Varredura do Propulsor (Hélice UFRJ) ...... 38

Figura 6.11 – Janela de Ajustes (Hélice UFRJ) ............................................... 40

ix

Figura 6.12 – Exemplo de Arquivo de Comando (Hélice UFRJ) ...................... 41

Figura 6.13 – Exemplo de Varredura (Hélice UFRJ) ........................................ 42

Figura 6.14 – Ponto de Operação do Hélice .................................................... 43

Figura 7.1 – Dimensionais Casco 01 ............................................................... 47

Figura 7.2 – Dimensionais Casco 08 ............................................................... 47

Figura 7.3 – Plano de Linhas do Casco de Referência .................................... 47

Figura 7.4 – Plano de Linhas do Casco Ótimo da Rodada 1 ........................... 47

Figura 7.5 – Resistência Casco 01 .................................................................. 48

Figura 7.6 – Resistência Casco 08 .................................................................. 48

Figura 7.7 – Campo de Ondas (Casco 01 a esquerda e Casco 08 a direita) ... 49

Figura 7.8 – Gráfico de Perfil de Onda para o Casco Original ......................... 50

Figura 7.9 – Gráfico de Perfil de Onda para o Casco Ótimo da Rodada 1 ....... 50

Figura 7.10 – Distribuição de Pressão Potencial (Casco 01 a esquerda e Casco

08 a direita) ................................................................................................................. 51

Figura 7.11 – Distribuição de Pressão Potencial na popa (Casco 01 a esquerda

e Casco 08 a direita) ................................................................................................... 51

Figura 7.12 – Distribuição de Pressão Viscosa (Casco 01 a esquerda e Casco

08 a direita) ................................................................................................................. 52

Figura 7.13 – Resultado da Otimização do propulsor (Casco 01) .................... 53


Figura 7.15 – Ponto de Operação do Hélice Original ....................................... 53

Figura 7.16 – Ponto de Operação do Hélice Otimizado na Rodada 1 .............. 53

Figura 7.17 – Resultados da simulação de autopropulsão (Casco 01) ............ 54


Figura 7.19 – Escoamento na popa em diferentes seções (Casco 01 a esquerda

e Casco 08 a direita) ................................................................................................... 55

Figura 7.20 – Esteira no disco propulsor (Casco 01 a esquerda e Casco 08 a

direita) ........................................................................................................................ 56

Figura 7.21 – Dimensionais Casco 08 ............................................................. 59


Figura 7.23 – Plano de Linhas do Casco Ótimo da Rodada 1 ......................... 59

Figura 7.24 – Geometria do Casco Otimizado da Rodada 2 ............................ 59

Figura 7.25 – Resistência Casco 08 ................................................................ 60


Figura 7.27 – Campo de Ondas (Casco 08 a esquerda e Casco 15 a direita) . 61

Figura 7.28 – Gráfico de Perfil de Onda para o Casco Ótimo da Rodada 1 ..... 62

x



15 a direita) ................................................................................................................. 62


e Casco 15 a direita) ................................................................................................... 63


15 a direita) ................................................................................................................. 64





Figura 7.37 - Resultados da simulação de autopropulsão (Casco 08) ............. 66

Figura 7.38 - Resultados da simulação de autopropulsão (Casco 15) ............. 66


e Casco 15 a direita) ................................................................................................... 67


direita) ........................................................................................................................ 68



Figura 7.43 – Geometria do Casco Otimizado da Rodada 2 ............................ 71

Figura 7.44 – Plano de Linhas do Casco Otimizado da Rodada 3 ................... 71



Figura 7.47 – Campo de Ondas (Casco 15 a esquerda e Casco 18 a direita) . 73




18 a direita) ................................................................................................................. 74


e Casco 18 a direita) ................................................................................................... 75


18 a direita) ................................................................................................................. 76





xi




e Casco 18 a direita) ................................................................................................... 78


direita) ........................................................................................................................ 79

Figura 12.1 - Script de Resistência ao Avanço (Shipflow)................................ 92

Figura 12.2 - Funcionamento dos módulos (Shipflow) ..................................... 93

Figura 12.3 - Divisões do Casco (Shipflow) ..................................................... 94

Figura 12.4 - Distribuição de Malha Tridimensional (Shipflow) ........................ 95

Figura 12.5 - Comando para abordagem global (Shipflow) .............................. 95

Figura 12.6 - Comando para abordagem zonal (Shipflow) ............................... 95

Figura 12.7 - Distribuição Longitudinal da Malha (Shipflow) ............................ 96

Figura 12.8 - Script de POW (Shipflow) ........................................................... 97

Figura 12.9 - Script de Autopropulsão ............................................................. 98

xii

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 3.1 – Evolução da Capacidade dos Processadores (fonte: Autor) ......... 8

Tabela 6.1 – Resultados de Resistência ao avanço da Empresa Especializada

de Projeto (Escala 1:1) ............................................................................................... 30

Tabela 6.2 – Resultados de Resistência ao avanço do Shipflow (Escala 1:1) . 31

Tabela 6.3 – Resultados de Resistência ao avanço do IPT (Escala 1:100) ..... 33

Tabela 6.4 – Resultados de resistência ao avanço do Shipflow (Escala 1:100)

................................................................................................................................... 33

Tabela 6.5 – Desvio de resultados nos diferentes cenários ............................. 34

Tabela 6.6 – Número de Células da Malha Computacional ............................. 35

Tabela 6.7 – Análise de Influência da malha nos parâmetros hidrostáticos ..... 36

Tabela 6.8 – Análise de Influência da malha nos parâmetros hidrodinâmicos . 36

Tabela 6.9 – Comparativo de duração das simulações ................................... 36

Tabela 7.1 - Variação de LCB ......................................................................... 46

Tabela 7.2 – Resumo de Resistência ao Avanço – Rodada 1 ......................... 56

Tabela 7.3 - Resumo de Autopropulsão com Propulsor 1 – Rodada 1 ............ 57

Tabela 7.4 – Resumo de Autopropulsão com Propulsor 2 – Rodada 1 ............ 57

Tabela 7.5 – Resumo de Desempenho – Rodada 1 ........................................ 58

Tabela 7.6 - Economia do Casco Ótimo da Rodada 1 ..................................... 58

Tabela 7.7 – Resumo de Resistência ao Avanço - Rodada 2 .......................... 68

Tabela 7.8 – Resumo de Autopropulsão para o Propulsor 1 - Rodada 2 ......... 69

Tabela 7.9 – Resumo de Autopropulsão para o Propulsor 2 - Rodada 2 ......... 69

Tabela 7.10 – Resumo de Desempenho Propulsivo – Rodada 2 ..................... 70

Tabela 7.11 – Economia do Casco Ótimo da Rodada 2 .................................. 70

Tabela 7.12 – Resumo de Resistência ao Avanço - Rodada 3 ........................ 79

Tabela 7.13 – Resumo de Autopropulsão para o Propulsor 1 - Rodada 3 ....... 80

Tabela 7.14 – Resumo de Autopropulsão para o Propulsor 2 - Rodada 3 ....... 80

Tabela 7.15 - Resumo do Desempenho Propulsivo – Rodada 3 ...................... 80

Tabela 7.16 – Economia do Casco Ótimo da Rodada 3 .................................. 81

Tabela 7.17 – Resumo Geral de Resistência ao Avanço ................................. 81

Tabela 7.18 – Posição do Propulsor e estimativas iniciais ............................... 82

Tabela 7.19 – Resumo Geral de Autopropulsão (Propulsor 1) ......................... 82

Tabela 7.20 – Resumo Geral de Autopropulsão (Propulsor 2) ......................... 83

Tabela 7.21 – Resumo dos parâmetros de desempenho da otimização .......... 84

xiii

NOMENCLATURAS

𝑅𝑛 Número de Reynolds

𝑔 Aceleração da gravidade

𝜌 Massa específica do fluido

𝜇 Viscosidade dinâmica do fluido

𝑉 Velocidade média do escoamento

𝐿𝑟 Longitude característica do fluxo

𝜇 Viscosidade dinâmica do fluido

𝐷 Diâmetro do hélice

𝐽 Coeficiente de avanço

𝑃/𝐷 Razão passo-diâmetro

𝐴𝐸𝐴𝑂

⁄ Razão de área expandida

𝑍 Número de pás

𝑡/𝑐 Espessura relativa

𝐾𝑇 Coeficiente de empuxo do hélice

𝐾𝑄 Coeficiente de torque do hélice

𝜂0 Eficiência em águas abertas do hélice

𝑦𝑓 Contorno do bordo superior

𝑦𝑏 Contorno do bordo inferior

𝑝 Pressão do escoamento

𝑝𝑣 Pressão de vaporização

𝑅𝑇 Resistência ao avanço total

𝑅𝑊 Resistência de ondas

𝑅𝑃𝑉 Resistência de pressão viscosa

𝑅𝐹 Resistência do ar

𝑅𝑀𝐴𝑅 Resistência devido aos efeitos de ondas, correntes e maré

𝑅𝑅 Resistência residual

𝑅𝐴𝐴 Resistência de correção devido à rugosidade e escala do modelo

𝑆 Área de superfície molhada

𝑘 Coeficiente de forma

𝑉𝑠 Velocidade do navio

𝐶𝐹 Coeficiente adimensional de resistência friccional

𝑤 Coeficiente de esteira

𝑡 Coeficiente de redução de empuxo

xiv

𝑣 Velocidade do fluxo

𝑇 Empuxo

𝐶𝑇 Coeficiente de empuxo

𝑉𝐴 Velocidade de avanço

𝛼 Ângulo de ataque do fólio

𝑆𝑙𝑖𝑝 Escorregamento

𝜔 Velocidade angular

𝑟 Raio do hélice

Γ Circulação sobre a asa

AR Razão de aspecto

𝛼∞ Ângulo de ataque em relação ao fluxo livre

𝐶𝐿 Coeficiente de sustentação 3D (para toda a asa)

𝛾 Circulação 2D do perfil

𝛼0 Ângulo de ataque equivalente para um perfil assimétrico

𝛼𝑖 Ângulo de ataque induzido

𝜔𝑖 Velocidade de circulação local

𝜂𝐻 Eficiência do casco

𝜂𝑅 Eficiência relativa rotativa

𝜂𝐵 Eficiência do propulsor acoplado ao casco

𝜂𝐷 𝑜𝑢 𝑄𝑃𝐶 Eficiência quase propulsiva

𝑃𝐷 Potência propulsiva

𝐶𝐵 Coeficiente de bloco

𝐶𝑃 Coeficiente prismático

𝐶𝑤𝑙 Coeficiente de linha d`água

𝐷𝑒𝑠𝑙 Deslocamento

𝐶𝑆𝑀 Coeficiente de seção mestra

𝐿𝐶𝐵 Posição longitudinal do centro de carena

𝜂𝑆 Eficiência do eixo

𝐻𝑃 Altura máxima na região do propulsor

𝑇𝑝 Calado de projeto

𝑁 Rotação do propulsor

𝑃𝐶𝑆𝑅 Potência em taxa contínua de operação

𝑁𝐶𝑆𝑅 Rotação em taxa contínua de operação

𝑃𝑀𝐶𝑅 Potência em taxa máxima de operação

𝑁𝑀𝐶𝑅 Rotação em taxa máxima de operação

Página 1

1. Motivação

As ferramentas de CFD (Computer Fluid Dynamics) têm sido cada vez mais

usadas no projeto do navio. Esta ferramenta possibilita através da modelagem

computacional e de cálculos complexos, a descrição detalhada do escoamento do fluido

ao redor de um corpo complexo como o navio. Este cálculo tornou-se possível em

função do aumento da capacidade de armazenamento, processamento e modelagem

de dados, que cresceu de modo vertiginoso, especialmente nas últimas décadas.

Não obstante, o custo financeiro de uma análise computacional cresce na

proporção de sua capacidade instalada, assim como os custos com os programas

especializados no ramo. Deste modo, o tempo gasto em simulação é precioso à um

projetista, seja em função de novas demandas, seja em decorrência do custo que isto

agrega ao projeto. Pensando nisso e fundamentando-se em um conceito preciso de

projeto concentrado na otimização conjunta casco-hélice, com foco na diminuição da

potência propulsiva, buscou-se neste trabalho, elaborar um método que utilize menos

recursos computacionais.

A hidrodinâmica envolvida na esteira da embarcação é um dos tópicos mais

complexos, mormente por agregar a um escoamento viscoso, hidrofólios rotativos

constituintes do hélice. Este é responsável por impulsionar a embarcação e seu projeto

é um dos principais desafios de projeto global. Entretanto, a proposta aqui tem um grau

adicional de dificuldade, na medida em que sugere um método de projeto focado na

interação casco-hélice, ou seja, não apenas no casco ou no hélice separadamente. Isto

envolve uma complexa dinâmica e é um ponto chave do método. Focou-se na utilização

das habilidades práticas do projetista em melhorar a esteira da embarcação, alterando

a forma geométrica da popa, tanto por fórmulas paramétricas, quanto a “mão livre”, ou

seja, sem seguir nenhuma parametrização na alteração do casco, contudo, respeitando-

se sempre os limites práticos de variação da forma. Em cada interação o método obtém

um hélice otimizado, a partir de uma representação sistemática de sua geometria.

Página 2

2. Introdução

Este trabalho tem como escopo a interação do sistema propulsivo com a forma

submersa, conhecida como “obras vivas”, com ênfase na popa. Esta interação se traduz

em alguns parâmetros como o coeficiente de esteira (w) e coeficiente de redução de

empuxo (t), organizados no QPC (Quasi-Propulsive Coefficient), por sua vez

relacionando-se com a resistência ao avanço, formando a potência propulsiva. Estes

parâmetros são convencionais na Engenharia Naval e são definidos em seguida.

Entretanto, como se pretende mostrar, o método proposto e viabilizado aqui parece não

se constituir em prática usual.

Parte fundamental do método se deve a disponibilidade de certas ferramentas.

Primeiramente tem-se o programa Shipflow, que realiza as simulações hidrodinâmicas;

em seguida o programa Hélice, da UFRJ, que calcula o hélice ótimo para uma

determinada configuração de casco e velocidade; o Freeship, que permite modelar o

casco para realizar suas variações geométricas; e uma planilha integradora com base

no Excel. Esta última coleta e organiza dado, escreve os dados de cada simulação

hidrodinâmica do Shipflow e organizar resultados por ordem de potência propulsiva de

cada rodada. O projeto desenvolve o método com um casco convencional, em

velocidade de serviço e calado de operação pré-fixado e depois aplica em um casco

não convencional do tipo twinskeg.

Pode-se considerar que todo projetista tem como objetivo elaborar o melhor

projeto com os recursos disponíveis, estabelecendo o melhor custo-benefício possível.

Assim devem ser buscados recursos ferramentais e computacionais rápidos e eficientes

com aplicações em projeto. Isto foi feito por este trabalho.

Página 3

3. Revisão Bibliográfica

O conhecimento necessário à consecução deste trabalho foi obtido ao longo do

curso de Engenharia Naval da UFRJ em várias disciplinas. A presente revisão

bibliográfica aborda os tópicos diretamente necessários ao trabalho.

3.1. CAD

O surgimento de ferramentas de CAD (Computer Aided Design) começou em

1950, quando foram criados os primeiros processadores com capacidades gráficas a

partir de um computador. Em 1951 surgiram os primeiros terminais gráficos, em 1953

as primeiras impressoras e em 1962 surgiu o primeiro trabalho gráfico em três

dimensões. Em 1970 a IBM revolucionou o mercado CAD com a padronização da

linguagem gráfica e técnicas computacionais para 3D. Na década de 80 inicia-se o

desenvolvimento dos primeiros sistemas operacionais robustos para a aplicação em

computadores e sistemas conhecidos atualmente como o Autocad e POV-Ray. Na

década de 90 elaboram-se as ferramentas atualmente conhecidas como Rhinoceros,

SolidWork, CAESES, entre outros. A Figura 1 exemplifica com uma representação do

casco tridimensional.

Figura 3.1 – Modelagem CAD de uma embarcação (fonte: Freecadweb.org)

Hoje estas ferramentas são de grande valia para os projetistas, por permitirem o

desenho de representações das formas do casco, elementos estruturais, sistema

propulsivo, arranjo geral, compartimentação, sistema de fundeio e ancoragem. No

Página 4

presente estudo, a ferramenta CAD permitiu realizar com facilidade variações

geométricas tanto de modo paramétrico quanto à “mão livre”. Por exemplo as

ferramentas permitem ao projetista visualizar as deformações e inflexões do casco,

possibilitando desenhar formas mais suaves e sem ondulações, o que prejudicaria o

desempenho hidrodinâmico e a sua construção. Sem isto, o projeto seria mais caro e

ineficiente.

3.2. Espiral de Projeto

Este método de projeto foi desenvolvido por J. H. Evans em 1959. Ele pode ter

uma representação em espiral. Cada na espiral aprofunda-se no objeto, através de suas

características, de modo que, ao final, se alcance o grau de detalhamento desejado e o

objeto completamente definido.

Este método evidencia o caráter iterativo do projeto na medida em que há uma

forte interdependência entre as etapas. Entretanto, muitas vezes no início é necessário

estimar grandezas e fazer suposições. Mas em seguida os dados podem ser revistos e

corrigidos no curso do projeto. A Figura 3.2 ilustra o método indicando a

interdependência de cada fator de projeto.

Figura 3.2 – Espiral de Evans

A espiral de Evans evidencia as interdependências entre variáveis sequenciais,

ou seja, quando a entrada de um processo é afetada por sua saída. Por outro lado, uma

das tarefas primárias de um projetista naval é elaborar e seguir uma estratégia que

minimize estas iterações ao longo do projeto. Na medida do possível ele deve

Página 5

economizar recursos humanos e computacionais para se chegar no nível de

detalhamento e excelência esperado por seu contratante dentro de um prazo adequado.

3.3. Resistência ao Avanço

Especificamente, a resistência ao avanço é a força no sentido do movimento que

o meio fluido produz no casco da embarcação quando este se move. Como predizer o

valor desta força em etapas de projeto, ou seja, sem ter o navio ainda construído, vem

sendo tema de inúmeros estudos ao longo dos últimos séculos.

A determinação da resistência ao avanço pode ser feita através de ensaios com

modelos reduzidos em tanques de provas. O método foi iniciado pelos experimentos de

Froude em 1850 e posteriormente normatizados por conferências internacionais, como

o ITTC (Internacional Towing Tank Conference). Existem também métodos empírico-

estatísticos com base em regressão de navios já existentes. O mais conhecido é o

método de Holtrop (Holtrop & Mennen, A statistical power prection method, 1978). E

finalmente os métodos computacionais de simulação hidrodinâmica chamados de

métodos em CFD. Em geral estes últimos utilizam aproximações da equação de Navier-

Stokes, como o método RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) que, no caso do

Shipflow, são combinados com método dos painéis que se utiliza da teoria do potencial.

Os três métodos serão mais aprofundados em seguida.

3.3.1. Método ITTC

Em 1957, a ITTC (International Towing Tank Conference) padronizou e definiu

um único método para se obter as principais parcelas de resistência de um modelo e

que pudessem ser extrapolados para a escala real. É possível determinar tanto sua

resistência friccional, que varia com a escala, como sua resistência residual, que não

depende fracamente desta escala. O método da ITTC, obedecendo a hipótese de

Froude (ver Froude, 1872) consolidou os ensaios em tanque de prova ao redor do

mundo. Em 1978, este método foi aprimorado para englobar navios com dois hélices

(Twin-Screw) e correções para ensaios de autopropulsão com modelos (ver ITTC, 1978)

Hoje em dia ainda é utilizado os procedimentos padronizados pela ITTC, por

serem simples e confiáveis na obtenção da resistência ao avanço, bem como seus

métodos para extrapolação dos resultados do modelo para a escala real.

Página 6

3.3.2. Método de Holtrop

Determinar a resistência ao avanço em etapas preliminares de projeto, por meio

de ensaios com modelos reduzidos, era caro e não permitia testar diversas formas e

dimensões de casco, devido ao tempo necessário e custo de se produzir modelos e

testa-los em tanque de prova. Pensando nisto, diversas tentativas de formular

matematicamente a resistência ao avanço, a partir de variáveis globais, foram feitas. A

mais famosa dela é o método de Holtrop.

J. Holtrop & G.G.J. Mennen (1978) escreveram um artigo cujo objetivo era

calcular a resistência da embarcação a partir de parâmetros chaves mensuráveis e

calculados durante o projeto. Há muita facilidade nas estimativas de potência. O método

baseia-se em análises empírico-estatísticas através de regressão de navios já

existentes.

Este método vem sendo utilizado até os dias atuais, em etapas preliminares do

projeto, por ser um método rápido, mas confiável apenas dentro dos limites de

abrangência do método. Entretanto, devido às limitações do método, não é

recomendado para otimizações locais por não ter a sensibilidade adequada para levar

estes efeitos em consideração.

3.3.3. CFD

O CFD foi desenvolvido, devido a necessidade de se prever o comportamento

da mecânica dos fluidos em termos práticos. Em decorrência da grande quantidade de

cálculos necessários para se resolver as equações diferenciais que regem a dinâmica

dos fluidos, conhecidas como Equação de Navier-Stokes, apenas com o advento da

tecnologia da informação foi possível a criação de ferramentas viáveis.

Claude-Louis Navier (1822) e George Gabriel Stokes (1846) desenvolverem um

conjunto de equações que descreveriam o movimento das substâncias fluidas, tais

como líquidos e gases. Estas equações estabelecem que mudanças

no momento e aceleração de uma partícula fluída são o produto (resultado) das

mudanças na pressão e forças viscosas dissipativas, similar a fricção, atuando no fluido.

Esta força viscosa se origina na interação molecular.

Em 1910, Richardson escreveu um artigo na Royal Society, chamado “Hand

Calculations with human computers”, a uma taxa de 2000 operações por semana. Na

década de 60 surgiram os primeiros artigos nos EUA sobre CFD. Em 1965, Harlow e

https://pt.wikipedia.org/wiki/Claude-Louis_Navier

https://pt.wikipedia.org/wiki/George_Gabriel_Stokes

https://pt.wikipedia.org/wiki/Fluido

https://pt.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquido

https://pt.wikipedia.org/wiki/Gas

https://pt.wikipedia.org/wiki/Momento

https://pt.wikipedia.org/wiki/Acelera%C3%A7%C3%A3o

https://pt.wikipedia.org/wiki/Press%C3%A3o

Página 7

Welch, criou o método “Marker and Cell” para resolver um fluido bidimensional com

superfície livre.

Em 1985, o CFD começou a ser utilizado na indústria aeronáutica pela Boeing,

General Electric e Airbus. Em 1995, foi utilizado em outras indústrias, como: GM, Ford,

Astra e Ericson. Na década de 90, vários produtos comerciais foram criados,

popularizando-se na década seguinte, como o CFX, Shipflow, Fluent, entre outros. Em

2004 surgem os primeiros programas OpenFOAM, com licenças gratuitas e linguagem

aberta.

Seguem algumas, das diversas aplicações possíveis para esta ferramenta:

• Aerodinâmica e aerotermodinâmica de veículos aeroespaciais;

• Aerodinâmica de veículos terrestres (trens, caminhões, carros, etc);

• Refrigeração de reatores nucleares;

• Indústria de petróleo;

• Caracterização de poluição ambiental, análise e simulação de

lançamento de poluentes e contaminantes em correntes hídricas;

• Hidrodinâmica e hemodinâmica computacionais;

• Previsão de tempo;

• Projeto de sistemas propulsivos e de geração de energia em geral;

• Simulação computacional de difusão e convecção de substâncias

em bacias hidrográficas e aquíferos.

Nos dias atuais, estas ferramentas auxiliam os projetistas navais, em análises

do desempenho propulsivo ao retratar com certa fidelidade os efeitos hidrodinâmicos

reais, constituindo assim em uma poderosa ferramenta de análise computacional, que

só foi possível devido ao gigantesco avanço da capacidade de processamento

computacional ocorrido recentemente.

Para se ter uma ideia do desenvolvimento ocorrido nas últimas décadas, foi

montado a tabela a seguir que evidencia o ganho computacional dos processadores.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Aerodin%C3%A2mica

https://pt.wikipedia.org/wiki/Aquecimento_aerodin%C3%A2mico

https://pt.wikipedia.org/wiki/Reator_nuclear

https://pt.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leo

https://pt.wikipedia.org/wiki/Polui%C3%A7%C3%A3o

https://pt.wikipedia.org/wiki/Hidrodin%C3%A2mica

https://pt.wikipedia.org/wiki/Hemodin%C3%A2mica

https://pt.wikipedia.org/wiki/Modelagem_computacional

https://pt.wikipedia.org/wiki/Difus%C3%A3o

https://pt.wikipedia.org/wiki/Convec%C3%A7%C3%A3o

https://pt.wikipedia.org/wiki/Bacias_hidrogr%C3%A1ficas

https://pt.wikipedia.org/wiki/Aq%C3%BC%C3%ADfero

Página 8

Tabela 3.1 – Evolução da Capacidade dos Processadores (fonte: Autor)

No rumo do desenvolvimento tecnológico atual, os programas de CFD, tendem

a se desenvolver cada vez mais, melhorando suas rotinas e códigos, aumentando a

eficiência de seus cálculos, de modo que possibilitem iterações cada vez mais rápidas

e a convergência dos resultados com menos iterações. Na mesma toada,

desenvolveram-se, nos últimos anos, processadores cada vez mais potentes e

menores, o que colaborou em grande medida para a redução dos seus custos, bem

como, sua popularização.

Entretanto, estes recursos, ainda são escassos e, portanto, valiosos para os

projetistas que busquem um ganho de performance hidrodinâmica em seus projetos,

por se tratar de uma ferramenta cara, de difícil manuseio, portanto, necessitando de

uma mão de obra especializada, além do que, se constitui em um recurso limitante para

novos projetos, devido ao tempo necessário para se rodar uma simulação, ainda que se

tenha processadores potentes.

3.4. Sistema Propulsivo

Até o advento da máquina à vapor para propulsão de navios, ocorrido no início

do século XIX, os remos e o vento eram as únicas formas de propulsão das

embarcações. Após a primeira Revolução Industrial, é estabelecido um novo conceito,

resultante de uma força motriz e um propulsor.

Nos projetos de embarcação, onde se pretende a máxima eficiência, dois

campos são definidos: um no ramo das máquinas térmicas, em estudos para se

construir uma máquina motriz com a maior eficiência possível, que conseguisse extrair

Ano Processador Capacidade

1970 CDC6600 1 Megaflops 1.00E+06

1980 Cray1 (Computador

Vetorial) 100 Megaflops 1.00E+08

1994 IBM SP2 (Computador com núcleos paralelo)

10 Gigaflops 1.00E+10

2007 Linux Clusters 100 Teraflops 1.00E+14

2007 Four 3 GHz dual core (CPU’s compráveis)

2.5 Gigaflops 2.50E+09

2009 HP Pavilion Quadcore

Notebook 1 Gigaflops 1.00E+09

2011 MacBook Pro Quadcore

Laptop 2.5 Gigaflops 2.50E+09

Página 9

de um combustível a maior quantidade de energia útil; e no ramo da arquitetura naval,

onde se buscou gastar a menor quantidade de energia para se locomover e propelir a

embarcação alterando as geometrias do casco e do propulsor.

A criação da geometria do hélice com base em alguns parâmetros, concomitante

à sua representação por linhas de fólios rotativos, demonstrou ser uma combinação

eficiente para a propulsão. Uma das mais conhecidas representações e

parametrizações do hélice, por meio de polinômios interpoladores e extensivamente

estudada e explorada nas últimas décadas, será mostrada a seguir.

3.4.1. Série-B de Wageningen

OOsterveld, M.W.C. e Oossanen (1975) escreveram um artigo na ISP

(International Shipbuilding Progress), chamado “Further computer-analyzed data of the

Wageningen B-screw series”. A partir de ensaios com propulsores de diversas

dimensões, utilizando alguns parâmetros, originaram um método para que, para cada

série de hélice, fosse possível a partir de suas dimensões principais, desenhar,

parametricamente, a distribuição radial do contorno do hélice, bem como calcular o seu

desempenho propulsivo em águas abertas, através de polinômios interpoladores.

Os parâmetros de entrada foram:

𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 → {𝐽, 𝑃𝐷⁄ ,

𝐴𝐸𝐴𝑂

⁄ , 𝑍, 𝑅𝑛, 𝑡/𝑐}

𝑆𝑎í𝑑𝑎 → {𝐾𝑇 , 𝐾𝑄, 𝜂0, 𝑦𝑓 , 𝑦𝑏}

Este método foi amplamente explorado nas últimas décadas, portanto, houveram

inúmeros estudos e ensaios com modelos reduzidos, que colaboraram para consolida-

lo até os dias atuais. Há, entretanto, modelos paramétricos mais eficientes, com menos

probabilidade de cavitação. Entretanto, em sua grande maioria são protegidos por

patentes, constituindo-se em propriedade intelectual de companhias que gastaram

grande quantia de recursos para desenvolve-los.

3.4.2. Teoria do Disco Atuador

Inicialmente proposto para descrever um rotor de helicóptero, por W.J.M.

Rankine et al. (1878), o método do Disco Atuador, aproxima o propulsor por um disco

que acelera o fluido por uma alteração brusca na pressão. Este método não descreve

localmente o propulsor, sendo fonte de incertezas nos resultados, bem como não

https://en.wikipedia.org/wiki/William_John_Macquorn_Rankine

https://en.wikipedia.org/wiki/William_John_Macquorn_Rankine

Página 10

reproduz fielmente o efeito de um propulsor, por não levar em conta o efeito rotação das

pás no escoamento.

Mas este método permitiu calcular a máxima eficiência teórica de um propulsor.

Citamos este método porque muitos programas de CFD, o utilizam para representar o

propulsor, a despeito de suas limitações A facilidade de se trabalhar com este método

e sua economia computacional seria uma justificativa.

3.4.3. Teoria das Linhas de Sustentação

No começo da linha de sustentação foi aplicada a asas tridimensionais. Distribui-

se vórtices o longo da mesma (vórtices fixos) e leva-se em conta o efeito tridimensional

através de vórtices em viagem (trailing vortices). É possível assim calcular o ângulo de

ataque induzido para uma boa aproximação do arrasto. A teoria remonta a Lanchester

(1907) e Prandtl (1918). A aplicação em propulsores tipo hélice é bem mais recente

através dos trabalhos de Kerwin (1961). Ver aplicação em Fernandes (1977).

O método da TLS é utilizado até hoje, e está disponível no código Shipflow. Ele

permite captar com certa fidelidade, efeitos na esteira do casco devido a rotação do

hélice. Neste caso considera-se a distribuição de passo e corda das pás do propulsor,

permitindo uma resposta com detalhes locais, muito superior a Teoria do Disco Atuador.

Esta possibilidade advinda do Shipflow é uma das pedras angulares do método

do presente trabalho, porque permite uma definição da esteira efetiva por cada hélice

considerado nas etapas de otimização. Isto seria impossível com método mais simples

já mencionado acima.

Página 11

4. Revisão Teórica

Por conferir alguma autonomia ao presente texto, mencionam-se algumas

propriedades e coeficientes presentes no método.

4.1. Adimensionais hidrodinâmico

Os adimensionais hidrodinâmicos são parâmetros que medem relações de

forças no escoamento. Estes adimensionais costumam aparecer na resolução de

problemas de dinâmica dos fluidos, sendo extremamente importantes para entender a

predominância de determinadas forças sobre outras no escoamento o que determina

seu comportamento.

4.1.1. Número de Reynolds

O número de Reynolds (abreviado Re ou 𝑅𝑛) é talvez o adimensional mais

importante para escoamentos subsônicos, sendo entendido como a relação das forças

inerciais sobre as forças viscosas. A significância deste adimensional é que ele pode

indicar a presença de turbulência no escoamento.

𝑅𝑛 =𝜌𝑉𝐿𝑟

𝜇 (1)

No caso de uma embarcação, o comprimento de referência é seu comprimento de linha

d’agua.

4.1.2. Número de Froude

Este grupo adimensional é relevante para escoamentos próximos à superfície

livre, por relacionar as forças inerciais com a força gravitacional, servindo como

parâmetro para a formação de ondas de elevação da superfície livre. Ele é dado por:

𝐹𝑛 =𝑉

√𝑔𝐿𝑟

(2)

Página 12

No caso de uma embarcação, o comprimento de referência é seu comprimento

de linha d’agua. Este número pode ser relacionado com o inverso do quadrado do

número de ondas ao longo do casco para cada velocidade do navio.

4.1.3. Número de Cavitação

Este grupo adimensional representando a razão entre as forças devido a

diferença de pressão do escoamento e a pressão de vaporização do líquido, e as forças

de inércia do fluído. É muito utilizado em projetos de hélice para analisar a ocorrência

de cavitação no dorso das pás.

𝐶𝑛 =(𝑝 − 𝑝𝑣)

12 𝜌𝑉2

(3)

4.2. Resistência ao Avanço

Como já dito, a resistência ao avanço constitui em um dos assuntos mais

importantes para o projeto de estruturas navais navegáveis, pois representa a força de

reação do meio contrária ao movimento, em outras palavras, é a força necessária para

se mover um corpo rígido imerso em um fluido.

4.2.1. Definição de Componentes

Apresentam-se abaixo um modo de descrever as parcelas da resistência ao

avanço (Lewis, 1988):

• Resistência de Ondas: Ocorre devido a interferência do casco com a

superfície livre, a distribuição de pressão no casco altera sua elevação,

gerando uma força resultante contrária ao movimento.

• Resistência de Pressão Viscosa: Ocorre, principalmente, devido ao

descolamento da camada limite na popa do casco, o que gera um campo

de pressão viscoso desfavorável ao movimento devido a formação de

vórtices.

• Resistência Friccional: Ocorre devido ao cisalhamento do fluido em

contato com o casco, gerando fricção.

Página 13

• Resistência Friccional Equivalente de Placa Plana: É a resistência

equivalente a resistência friccional de uma placa plana de igual área e

comprimento molhado.

• Resistência Residual: É a diferença entre a resistência total e a

Resistência Friccional Equivalente de Placa Plana.

• Resistência de Pressão: É toda resistência que depende de um campo

de pressão do escoamento, podendo ser decomposta em uma parcela

potencial e outra viscosa.

• Resistência de Efeito de Forma de Fricção: É a resistência de fricção

devido a diferença entre a geometria do casco e uma placa plana.

• Resistência Viscosa: É toda resistência que é gerada devido ao caráter

viscoso do escoamento, sendo estas a resistência friccional e de pressão

viscosa.

• Resistência de Geração de Ondas: É a resistência devido as ondas

geradas pelo casco em movimento.

• Resistência de quebra de Ondas: É a resistência devido à arrebentação

das ondas geradas pelo casco, ocorrendo geralmente em navios de proa

cheia.

Em seguida, através de um diagrama, estruturou-se estas parcelas de forma a

compor a resistência ao avanço total.

Figura 4.1 – Composição da Resistência ao Avanço (fonte: Piri Reis University, 2008)

Página 14

No presente trabalho considera-se a resistência a fricção, a resistência de ondas

e a resistência de pressão viscosa.

4.2.2. Resistência de Ondas

É causado pela descontinuidade entre dois fluidos, sendo: água e ar. Esta

interface é mantida pela gravidade, onde o ar pode ser desprezado, devido a sua baixa

massa específica. Quando o navio passa, cria um desequilíbrio entre a força

restauradora (gravidade) e a elevação causada pelo casco, criando assim um padrão

de ondas característico.

O padrão ondulatório criado pelo casco é formado por dois sistemas. O mais

relevante, é o sistema criado na proa e outro sistema mais fraco na popa. O sistema de

proa é mais importante, pois além de gerar ondas de maior altura, elas persistem ao

longo do casco, modificando seu campo de pressão. Cada sistema de ondas é formado

por dois trens de ondas: um trem de ondas divergentes e um trem de ondas transversais

(Batchelor, 1967).

Figura 4.2 – Padrão de Ondas (fonte: Aula de Hidrodinâmica – IST)

Página 15

4.2.3. Resistência Viscosa

A resistência viscosa é originada pela natureza cisalhante do fluido, resultando

na perda de energia do fluido ao longo do fluxo. A resistência viscosa aparece

basicamente de duas maneiras: por atrito ou fricção que implica na tensão de

cisalhamento ao longo do casco e, a outra, pela formação de um campo adverso de

pressão, que lava ao descolando da camada limite e a consequente formação de

vórtices, que se traduz em um campo de pressão desfavorável ao movimento.

4.3. Esteira

A esteira é causada pela interferência de corpos rígidos com o escoamento,

perturbando-o. A esteira nominal considera somente a influência do casco, enquanto a

esteira efetiva, considera o efeito de sucção do fluido pelo hélice, interagindo com o

casco. A interferência do hélice altera significativamente o campo de pressão na esteira,

modificando o comportamento da esteira, uma vez que acelera o fluxo, diminuindo o

campo de pressão viscoso adverso da popa.

4.3.1. Esteira Nominal

A esteira nominal do casco representa o escoamento na popa da embarcação,

reduzindo sua velocidade média, devido a interação com o casco. Há três fatores

majoritários que contribuem para a esteira:

{𝑤𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙} = {𝑤𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙} + {𝑤𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑜} + {𝑤𝑜𝑛𝑑𝑎𝑠} (4)

A parcela viscosa ocorre devido ao descolamento da camada limite, a parcela

potencial ocorre devido a perturbação nas linhas de corrente, enquanto as parcelas de

geração de ondas ocorrem em função da perturbação do casco na superfície livre.

4.3.2. Esteira Efetiva

A esteira efetiva considera os efeitos de interação casco-hélice, sendo um dos

pontos de interesse do presente estudo. O escoamento na esteira do casco, sofre uma

aceleração devido ao empuxo produzido pelo hélice, o que muda as características do

escoamento, retardando a separação e mudando, principalmente, o campo de pressão

viscoso.

Página 16

A interação com o hélice acelera o fluxo da esteira em forma helicoidal. No caso

de um navio mono hélice, altera a simetria do escoamento, deslocando o fluxo no

sentido de sua rotação, portanto, é comum ao analisar a esteira no disco propulsor, e a

distribuição de pressão passa a ser assimétrica, como se pode observar no caso da

Figura 4.3.

Figura 4.3 – Esteira Efetiva no disco propulsor

A esteira efetiva é tem importante relevância no presente trabalho, por ser crucial

na interação casco-hélice, considerando os efeitos interdependentes da esteira do

casco com a atuação do hélice.

4.4. Propulsão

O estudo do propulsor é um elemento crucial em projetos de embarcações auto

propelidas, pois sua eficiência está diretamente ligada a potência propulsiva total

necessária para locomover a embarcação a uma determinada velocidade de serviço,

impactando diretamente nos custos de combustível e outros custos relacionados a

propulsão.

O layout do hélice é crucial para determinar seu desempenho, influenciando no

empuxo gerado e no torque necessário para promover a rotação de operação. A sua

geometria também afeta a distribuição de pressão em sua superfície, o que afeta

diretamente a probabilidade de cavitação e sua eficiência de operação.

Página 17

Um exemplo de geometria de hélice pode ser observado na Figura 4.4. Os perfis

de asa são distribuídos radialmente. O número de pás é essencial. A linha radial pode

ter inclinações no sentido axial (rake) ou rotações azimutais (skew).

Figura 4.4 – Cortes transversais do hélice (fonte: Eckhardt & Morgan, 1955)

Cada perfil tem as seguintes dimensões principais (ver Figura 4.5):

• Corda: Linha diametral do bordo de ataque ao bordo de fuga;

• Espessura Máxima: Dimensão máxima, perpendicular à corda;

• Flecha Máxima: Maior distância entre a linha de curvatura média e a

corda.

Figura 4.5 – Dimensões Principais de um Fólio (fonte: Wikipedia, The Free Encyclopedia)

Página 18

Esses perfis, quando rotacionados no fluido, produzem uma sustentação e um

arrasto, de acordo com o fluxo de entrada, assim como uma asa. Decompondo o arrasto

de a sustentação, a somatória radial destas forças na direção do movimento e da

rotação, gera-se o empuxo e torque, respectivamente. A relação entre estas forças

determina o desempenho de operação do hélice.

Há diferentes métodos para representar os efeitos do hélice. Os de relevância

ao presente trabalho são apresentados a seguir.

4.4.1. Teoria do Disco Atuador

O grande resultado desta considera a definição do coeficiente de empuxo:

𝐶𝑇 =𝑇

𝜋4

𝐷12

𝜌𝑉𝐴2 (5)

Após várias hipóteses simplificadoras, sendo a principal a inexistência de fluxo

tangencial, a teoria chega na eficiência ideal (máxima teórica). (Lewis, 1988)

𝜂0 =2

1 + √1 + 𝐶𝑇

(6)

4.4.2. Teoria das Linhas de Sustentação

Nesta teoria, a modelagem da sustentação local, a priori desconhecida, é feita a

partir de uma distribuição de circulação, também desconhecida, o que permite explicar

a influência de uma seção sobre as demais seções adjacentes. Nesta modelagem,

qualquer alteração da sustentação é equivalente a uma alteração na circulação. De

acordo com os teoremas de Helmholtz (Anderson J. D., 2001), um filamento de vórtice

não pode começar ou terminar no ar. Como tal, qualquer alteração da sustentação pode

ser modelada como uma distribuição de filamentos de vórtices na asa (vórtices fixos) e

pelo fluxo, a jusante do perfil chamado de folha de vórtices livres. Ver Figura 4.5.

Página 19

Figura 4.6 - Representação de Circulação nem uma Asa (fonte: Srinivas &

Auld, 2016)

Figura 4.7 - Representação de Circulação nem uma Asa (fonte: Srinivas &

Auld, 2016)

O exposto aqui é apenas introdutório, aplicado para a asa, mas pretende marcar

que o código do Shipflow permite o uso da TLS para a obtenção do campo de pressões.

Para um propulsor a geometria considera em cada uma das pás uma linha de vórtices

fixos e a adjacente folha de vórtices helicoidais. Sobre a TLS, referências específicas

como Lerbs (1952), Kerwin & Leopold (1964) e Fernandes (1977), podem ser

consultadas.

4.4.3. Potência Propulsiva

Os parâmetros auto propulsivos a seguir, são os principais parâmetros de

desempenho, pois representam, em sua amplitude, as interações do casco com o hélice

e refletem em fatores econômicos, como o consumo de combustível.

• 𝜂0: Eficiência do hélice em águas;

• 𝜂𝐻: Eficiência do casco tal que:

𝜂𝐻 =1 − 𝑡

1 − 𝑤 (7)

• 𝜂𝑅: Eficiência Relativa Rotativa – Relaciona a do casco em águas abertas

com a eficiência na esteira;

• 𝜂𝐷 𝑜𝑢 𝑄𝑃𝐶: Eficiência Propulsiva – Relaciona a potência propulsiva total,

com a potência nominal do casco sendo:

𝑄𝑃𝐶 = 𝜂0𝜂𝐻𝜂𝑅 (8)

• 𝑃𝐷 Potência Propulsiva: É a potência total necessária para impulsionar a

embarcação através do hélice a uma velocidade de serviço, tal que:

𝑃𝐷 =𝑅𝑇 ∙ 𝑉𝑠

𝑄𝑃𝐶 (9)

Página 20

5. CFD ZONAL

O CFD utilizado no presente trabalho é o programa criado pela Flowtech AB.,

chamado Shipflow. O software é especializado para projetos navais e possibilita uma

abordagem que combina diferentes métodos de determinação da resistência ao avanço

em diferentes regiões do escoamento através da abordagem zonal. Com esta

simplificação, diminui substancialmente o tempo de computação.

Esta abordagem zonal permite uma análise rápida e eficaz do escoamento,

tornando possível a utilização de menos recursos computacionais. Entretanto produz

resultados satisfatórios, robustos e próximos do real. Por ter sido elaborado por

engenheiros navais, o programa possui linguagem e nomenclaturas familiares aos seus

usuários, que também são, em sua grande maioria, estudiosos do ramo e engenheiros.

Os resultados do programa são todos dados em admissionais, facilitando

comparações que muitas vezes se perdem, quando feitas em termos absolutos. A malha

computacional é gerada automaticamente a partir de alguns parâmetros simples de

ajuste de densidade e alocação das regiões da malha, permitindo seu refinamento em

locais críticos como as regiões com grande variação da forma, seja ela na proa ou popa.

5.1. Abordagem Zonal

A abordagem zonal, como é chamada, permite calcular, a partir da teoria da

camada limite, a resistência friccional na proa da embarcação, onde não há

descolamento da camada limite. Somente na popa da embarcação, onde se tem um

escoamento mais complexo, com o descolamento da camada limite se incrementa o

modo de solução (uso da Equação de Navier-Stokes) para a obtenção da resistência de

pressão viscosa. Longe das regiões de grande variação o escoamento é considerado

potencial. A Figura 5.1 ilustram estas considerações apresentando as três zonas

computacionais.

Página 21

Figura 5.1 - Representação de Abordagem Zonal (fonte: Theorical Manual – Shipflow)

• Zona 1 – Potencial, nesta zona o fluido é considerado não viscoso e irrotacional

(teoria do potencial se aplica).

• Zona 2 – Camada limite, nesta zona o fluido é viscoso nas comandado pelas

Equações de Prandtl (Schlichting, 1968).

• Zona 3 – Navier-Stokes, nesta zona o fluido é viscoso e com rotacionalidade.

5.1.1. Região Potencial

É uma representação matemática de um escoamento por meio de equações

envolvendo a Teoria do Potencial. Mais precisamente, utilizam-se de distribuições de

fontes e sumidouros para descrever o meio fluido. É uma abordagem para a parcela não

viscosa e irrotacional do escoamento.

Primeiramente, o programa Shipflow calcula, a partir das condições de contorno

e condições iniciais, o comportamento do domínio para o fluido não perturbado na

primeira iteração, ou seja, para uma superfície livre, plana. Em seguida ele aplica a

teoria potencial recalculando a superfície livre, mudando o afundamento e trim da

embarcação, para que se obtenha o somatório das forças e dos momentos iguais a zero.

Este processo é repetido até que as iterações subsequentes praticamente não

provoquem a alteração do equilíbrio da embarcação.

A Figura 5.2 ilustra a correção da superfície livre a cada iteração:

Página 22

Figura 5.2 - Solução Não Linear da Superfície Livre (fonte: Theorical Manual – Shipflow)

A Figura 5.3 mostra a alteração no diagrama de corpo livre da embarcação

causada pela superfície livre:

Figura 5.3 - Diagrama de Corpo Livre Potencial (fonte: Theorical Manual – Shipflow)

5.1.2. Camada Limite

Esta teoria pressupõe que supõe existe uma estreita camada viscosa entre o

casco e o escoamento potencial. É nesta região que surge a resistência friccional a partir

da condição de não escorregamento na superfície do casco. Entretanto, estes

resultados são válidos fora da esteira da embarcação. Esta abordagem é feita na Zona

2 (ver Figura 5.1).

Na esteira da embarcação, onde os efeitos viscosos predominam, devido ao

campo de pressão adverso ocorre a uma separação da camada limite. Esta complexa

situação é tratada na Zona 3.

Página 23

Figura 5.4 – Camada Limite (fonte: Theorical Manual – Shipflow)

5.1.3. Navier-Stokes

Na esteira encontra-se a Zona 3 (Figura 5.1). Nela considera-se com condições

médias de cada ponto, utilizando-se do método RANS (Reynolds Averaged Navier-

Stokes). Este método resolve as equações de Navier-Stokes utilizando aproximações

médias da turbulência, através de uma discretização do domínio do fluido externo,

considerando um regime permanente.

Para conseguir tal intento, o Shipflow divide o domínio do fluido de forma

paramétrica, mas permitindo ajustes em regiões de grande variação que pedem maior

densidade de volumes de integração (ver Figura 5.5):

Figura 5.5 – Representação da malha computacional com abordagem zonal (fonte: Karim & Naz, 2016)

Página 24

5.2. Simulação de Resistência ao Avanço

Inicialmente o programa calcula a resistência ao avanço pela teoria potencial; o

módulo do Shipflow responsável por configurar e controlar a malha é o XPAN e XMESH,

respectivamente. Em PC sem grandes incrementos o tempo médio desta ação é de

cerca de 10 minutos. Em sequência, se inicializa a geração da malha tridimensional com

domínio na popa, pelo módulo XGRID. Começa então a simulação RANS, que, pelo

módulo XCHAP e para a densidade de malha e configurações aplicadas neste estudo

requerem em média 3 horas.

5.3. Simulação de Águas Abertas

A simulação Simulação de Águas Abertas, serve para determinar o

comportamento do hélice em águas abertas, sem a interferência do casco. A Teoria da

Linha de Sustentação (ver 4.4.2) é usada. Estes resultados são importantes, pois

definem o comportamento do hélice de forma isolada, para posterior consideração da

presença do casco.

5.4. Simulação de Autopropulsão

As simulações de autopropulsão utilizam as informações da simulação de

resistência ao avanço e águas abertas para simular um ponto de equilíbrio de forças

entre o empuxo gerado pelo hélice, aumentando a rotação dos fólios representativos

das pás pela teoria das linhas de sustentação, até que o empuxo gerado iguale a

resistência ao avanço do casco.

Esta simulação é o ponto chave do presente estudo, pois é o produto da

interação do casco com o hélice, compilando interrelações entre estes, que de outra

forma, seriam ignoradas ou aproximadas. Nesta simulação é obtido os principais

parâmetros propulsivos, como a eficiência do casco (𝜂𝐻) , eficiência do propulsor (𝜂𝐵)

e a eficiência quase-propulsiva (𝜂𝐷 𝑜𝑢 𝑄𝑃𝐶).

Página 25

6. Método Proposto

Buscou-se um método flexível e simples que permitisse a livre alteração da

geometria do casco pelo projetista, produzindo resultados consistentes e que permitisse

otimizar o conjunto casco-hélice com base em seus quesitos hidrodinâmicos em poucas

iterações, poupando assim, tempo e recursos computacionais.

Pensando nas etapas preliminares, que contribuem que os resultados obtidos

convirjam rapidamente espera-se que re6s pontos sejam levados em conta primeiro,

que a ferramenta seja validada; que o casco que servirá o ponto de partida para o

desenvolvimento do projeto, seja claramente definido; terceira haverá a definição de

malha que garanta resultados robustos, mas que também consuma moderados

recursos computacionais.

Em particular, o teste de influência da malha computacional deve ser realizado

para garantir que a malha utilizada tem o refinamento adequado. A influência da malha

varia para cada caso de estudo, considerando-se que cada geometria tem suas

características e o refinamento necessário para se produzir bons resultados.

Estas etapas podem ser melhor ilustradas em um fluxograma.

Figura 6.1 – Validações Iniciais da Metodologia

Passado as etapas preliminares, buscou-se, primeiramente, o sequenciamento

de tarefas que fosse capaz de, a partir de um casco semelhante, aprimora-lo com foco

Validação da Ferramenta

Considerações Iniciais

OtimizaçãoCasco-Hélice

Influencia de Malha

Casco Semelhante

Página 26

na potência propulsiva, com a menor quantidade de iterações possíveis. Para tanto,

deve-se desempenhar as análises de resistência ao avanço, seleção do propulsor ótimo,

simulações de águas abertas, simulações de autopropulsão e avaliação dos resultados.

Foi proposto, preliminarmente, um sequenciamento de tarefas, definidos a

seguir:

1. Realizar simulações hidrodinâmicas de resistência ao avanço;

2. Selecionar propulsor Série B que requeira a menor potência propulsiva

possível, respeitando limites de cavitação e que seja menor que 2/3 do

calado;

3. Realizar simulações de águas abertas com o propulsor selecionado;

4. Realizar simulação de autopropulsão;

5. Se o resultado não for satisfatório, faça as alterações geométricas na

popa do casco e repita as etapas a partir de 2;

6. Se o resultado for satisfatório, selecione o conjunto casco-hélice com a

menor potência propulsiva.

A metodologia que, à princípio, parece simples, na verdade, possui alguns

entraves. Por exemplo, para realizar a Etapa 3, são necessárias as informações do

coeficiente de redução de empuxo e coeficiente de esteira. Entretanto, esta informação

em um primeiro momento, precisa ser estimada, sendo, portanto, uma fonte de incerteza

no método. Para contornar este entrave, foi proposto que se passasse por uma rodada

de convergência para cada casco. Entretanto, apenas duas iterações por casco se

mostraram necessárias. Assim, a primeira rodada é feita com os dados estimados e a

segunda com os resultados da primeira.

Assim, aprimorou-se a sequência de tarefas mencionadas acima, para englobar

estas correções, resultando na seguinte sequência de tarefas da seguinte forma:

1. Realizar simulações hidrodinâmicas de resistência ao avanço;

2. Estimar os coeficientes de redução de empuxo e coeficiente de esteira;



calado;



6. Calcular os coeficientes de redução de empuxo e coeficiente de esteira

a partir do ensaio anterior de autopropulsão;

Página 27



calado;



10. Se o resultado não for satisfatório, faça as alterações geométricas na

popa do casco e repita as etapas a partir de 2;

11. Se o resultado for satisfatório, selecione o conjunto casco-hélice com a

menor potência propulsiva.

O novo fluxograma segue na Figura 6.2.

Figura 6.2 – Fluxograma de Metodologia de otimização

Assim como a espiral de projeto de Evans, o método proposto é iterativo.

Página 28

Como parte integrante do método, ainda que podendo ser alterado de acordo

com as necessidades do projeto, é necessário definir os critérios de avaliação. Esta será

feita a partir do agrupamento de variações geométricas em rodadas. Ao final de cada

uma, o método avalia o melhor conjunto casco-hélice via potência propulsiva,

estabelecendo-índices relativos de melhora do desempenho, em relação a rodada

anterior. Este assunto será abordado com maior detalhe no detalhamento da etapa de

variações geométricas.

6.1. Validação do CFD Zonal

Inicialmente, o trabalho decidiu validar os resultados produzidos com o programa

Shipflow. Esta validação inicial foi essencial, pois como se constatou, se realizada de

forma incorreta, a partir de parâmetros errados, ou por problemas não detectados de

malha computacional, o programa pode produzir resultados incorretos, inviabilizando

todo o trabalho produzido.

Concomitante ao desenvolvimento deste trabalho o LOC (Laboratório de Ondas

e Correntes da UFRJ) participou de projeto de otimização hidrodinâmica e propulsiva de

um LNGC (Liquefied Natural Gas Carrier), ou Navio Gaseiro, com twinskeg. A parceria

envolveu uma Empresa Internacional Especializada de Projeto e o IPT (Instituto de

Pesquisas Tecnológicas). Este trabalho conjunto referenciou o presente estudo,

estabelecendo-se um comparativo entre metodologias.

A Empresa Especializada de Projeto partiu para a simulação hidrodinâmica do

casco em escala real. Já o IPT utilizou o tanque de prova em escala 1:100, enquanto o

LOC, realizou ensaios em canal de corrente na escala 1:300, além do Shipflow para

determinar a resistência ao avanço da embarcação.

Notou-se uma limitação do Shipflow em baixas velocidades e baixo calado,

devido ao aumento dos efeitos viscosos no escoamento, o que inviabilizou algumas

comparações. Entretanto, pelo menos duas comparações foram possíveis, uma com a

Empresa Especializada de Projeto na escala real e outra com o IPT na escala 1:100,

cada uma em três velocidades diferentes.

6.1.1. Shipflow x Empresa Especializada de Projeto

A abordagem da Empresa Especializada de Projeto foi global, utilizando um

método VOF (Volume of Fluid), é a abordagem mais geral do método RANS. Ela

Página 29

considera a superfície livre e todo o domínio do escoamento como viscoso. Foram

utilizados mais de 3 milhões de elementos de volume na simulação, com refinamento

paramétrico nos locais mais críticos, como proa e popa. Adicionou-se um refinamento

no domínio do campo de onda da embarcação, fornecendo excelentes resultados. Ver

Figura 6.3.

Os resultados em escala real da Empresa Especializada de Projeto foram

utilizados como referência, por ser extremamente refinado e sua abordagem global ser

a mais completa. Ressalta-se, entretanto, que estes ensaios utilizam muito mais

capacidade computacional do que as simulações feitas pelo Shipflow na abordagem

Zonal.

Figura 6.3 – Apresentação do detalhamento de malha feito pela Empresa Especializada de Projeto

Os resultados da Empresa Especializada de Projeto são mostrados a seguir.

Página 30

Tabela 6.1 – Resultados de Resistência ao avanço da Empresa Especializada de Projeto (Escala

1:1)

A Figura 6.4 mostra o campo de ondas previsto para a embarcação em duas

velocidades.

Figura 6.4 – Campo de Ondas Empresa Especializada de Projeto

Por outro lado, o Shipflow na escala real da embarcação no caso do navio

twinskeg, apresentou alguma divergência. A partir de interação com o suporte técnico,

evidenciou-se que há algumas limitações do método potencial, para baixos calados e

alto número de Froude. A argumentação técnica, é que o método não considera a

natureza viscosa do escoamento, resultando que efeitos de fluxo cruzado e rotacionais

não são considerados. Além disto, a teoria potencial do ShipFlow somente é válida para

baixas amplitudes de ondas. Na medida em que essa amplitude fica grande em relação

ao calado, a teoria potencial falha.

Todavia, o maior problema ocorreu no módulo XCHAP, em decorrência do solver

utilizado pelo Shipflow, para alto número de Reynolds, ou seja, para escoamentos muito

turbulentos, necessita-se de uma malha extremamente esticada na região convexa do

casco twinskeg. Ela requer soluções elipsoidais, o que podem causar instabilidade na

convergência. Para o limite de estiramento da malha utilizado, os resultados para alto

número de Reynolds apresentaram certa divergência. Esta situação pedia uma malha

esticada para que as camadas ficassem extremamente próximas umas das outras. Isto

Loading

Condition

Speed

[kn]Rt [kN] Rp [kN] Rv [kN]

Ballast 12 557 100 457

Ballast 16 967 181 786

Ballast 19,5 1464 317 1147

Laden 12 585 87 497

Laden 16 1031 174 857

Laden 19,5 1611 363 1248

Página 31

levou a um refinamento excessivo o que levaria a um trabalho computacional proibitivo.

Os resultados comparativos seguem na Tabela 6.2.

Tabela 6.2 – Resultados de Resistência ao avanço do Shipflow (Escala 1:1)

Comparando a Tabela 6.1 com a Tabela 6.2, percebe-se um desvio para

velocidade maior. Entretanto, ainda assim, há um grau de semelhança no padrão de

ondas conforme pode ser observado na Figura 6.4 e Figura 6.5. Note que o número de

ondas geradas pelo casco para cada velocidade, são iguais com pequena discordância

nas amplitudes.

Figura 6.5 – Padrão de Ondas pelo Shipflow

RF RPV RV RW RT

Nós m2 kN kN kN kN kN

11,50 19,5 1,68E+04 1216,0 560,3 1776,3 373,9 2150,3

11,50 16,0 1,69E+04 816,2 224,2 1040,4 82,8 1123,2

11,50 12,0 1,69E+04 442,3 196,2 638,5 35,3 673,8

Vel ÁreaCalado

Página 32

Finalmente a Tabela 6.5 compara a resistência total entre os dois códigos. Não

é possível comparar as suas parcelas, por se tratarem de métodos diferentes como já

mencionado.

Figura 6.6 – Comparação dos Resultados (Shipflow x Empresa de Projeto)

Os resultados para velocidade até 16 nós, divergiram em menos de 5%, já o

resultado com 19,5 nós, divergiu em quase 20%.

6.1.2. Shipflow x IPT

O IPT realizou ensaios com modelo reduzido (1:100) com três diferentes

velocidades para cada calado. Como mostrado a seguir as simulações do Shipflow

nesta escala produziram bons resultados, muito semelhantes ao do IPT. Primeiramente

segue a Erro! Fonte de referência não encontrada. com resultados do IPT e em

seguida a Erro! Fonte de referência não encontrada. com resultados do Shipflow. As

Figura 6.7 e Figura 6.8 fazem a comparação diretamente.

Página 33

Tabela 6.3 – Resultados de Resistência ao avanço do IPT (Escala 1:100)

Tabela 6.4 – Resultados de resistência ao avanço do Shipflow (Escala 1:100)

Figura 6.7 – Comparação de Shipflow x IPT (Carregado)

Vm [nós] Vm [m/s] Vs [nós] Fn RTM [N] RTS [N] [kN] RTM [N] RTS [N] [kN]

1,02 0,53 10,07 0,10 1,20 4,96E+05 496 1,124 477990 478

1,12 0,58 11,05 0,11 1,38 5,53E+05 553 1,331 570895 571

1,22 0,63 12,01 0,12 1,65 6,90E+05 690 1,596 714022 714

1,33 0,68 13,09 0,13 1,97 8,57E+05 857 1,764 743465 743

1,43 0,74 14,10 0,14 2,20 9,26E+05 926 2,054 888312 888

1,53 0,79 15,08 0,15 2,49 1,06E+06 1062 2,307 995812 996

1,63 0,84 16,04 0,15 2,79 1,20E+06 1196 2,683 1216473 1216

1,73 0,89 17,06 0,16 3,13 1,35E+06 1354 3,022 1386566 1387

1,83 0,94 18,10 0,17 3,56 1,58E+06 1580 3,294 1485646 1486

1,94 1,00 19,11 0,18 3,89 1,71E+06 1713 3,588 1595359 1595

1,98 1,02 19,55 0,19 4,11 1,84E+06 1843 3,755 1679669 1680

2,03 1,05 20,07 0,19 4,30 1,93E+06 1926 3,93 1756916 1757

2,13 1,10 21,05 0,20 4,70 2,11E+06 2115 4,446 2074568 2075

2,24 1,15 22,13 0,21 5,43 2,59E+06 2594 4,794 2211399 2211

Resultados do IPT T = 9.5 mT = 11.5 m

RF RPV RV RW

Nós m/s m2 N N N N N

0,115 1,95 1,00 0,095 1,684 3,12 0,45 3,57 0,43 4,00

0,115 1,60 0,82 0,096 1,684 2,19 0,31 2,50 0,19 2,69

0,115 1,20 0,62 0,083 1,683 1,29 0,19 1,47 0,06 1,53

0,095 1,95 1,00 0,102 1,538 2,89 0,40 3,28 0,41 3,69

0,095 1,60 0,82 0,056 1,536 1,98 0,27 2,26 0,35 2,61

0,095 1,20 0,62 0,063 1,54 1,2 0,2 1,4 0,1 1,5

Velocidade RTÁreakCalado

Página 34

Figura 6.8 – Comparação entre Shipflow x IPT (Lastreado)

Conforme é possível observar visualmente, os resultados ficaram muito

próximos, com um desvio máximo menor que 5%. A Tabela 6.5 finaliza a comparação.

Tabela 6.5 – Desvio de resultados nos diferentes cenários

6.2. Casco Inicial

O casco inicial adotado para este estudo é um porta-contentor, retirado

inicialmente dos exemplos do Freeship (Timoshenko, 2013). Este mesmo casco foi

usado numa competição acadêmica, no curso de Hidrodinâmica 3 (EEN407), ministrado

pelo Professor Antonio Carlos Fernandes em 2016. Este casco foi adaptado e

redimensionado e sua superfície adequada para a conversão em malha poligonal, em

formato STL (STereoLithography), compatível com a leitura de malha do Shipflow.

A escolha deste casco para sistematizar o método por ter uma geometria

convencional e relativamente simples, além de ter uma relação de dimensões bem

usual.

Caso V [nós] Erro

1 1,95 0,10%

2 1,6 0,41%

3 1,2 4,12%

4 1,95 0,05%

5 1,6 2,22%

6 1,2 2,31%

Desvio Padrão

ballast

laden

E(RT)

Página 35

Figura 6.9 – Plano de Linhas do casco original

Este casco foi em seguida otimizado, procurando-se pela menor potência

propulsiva, analisando-se suas componentes, como a resistência ao avanço e a

eficiência quase-propulsiva (QPC).

É importante salientar, que se trata de um casco já otimizado no referido

campeonato, tendo o grupo, conseguido resultados satisfatórios na redução do

coeficiente quase propulsivo (QPC), parâmetro este, adotado à época, como parâmetro

de desempenho para a otimização. No presente trabalho, o fator de mérito é a potência

propulsiva.

6.3. Influência da Malha Computacional

Os resultados de uma simulação hidrodinâmica, estão na razão direta do

refinamento da malha computacional. Se a malha é muito grosseira, os resultados

obtidos serão de má qualidade já que não consegue representar bem a natureza

hidrodinâmica. Portanto, na medida em que se refina a malha computacional, os

resultados começam a ser mais realistas. Entretanto, se refinar demais a malha, os

resultados continuam precisos, sofrem poucas mudanças, mas o esforço computacional

cresce demasiadamente. A análise realizada segue na Tabela 6.6.

Tabela 6.6 – Número de Células da Malha Computacional

Grossa 657488

Média 1103724

Fina 2468349

Muito Fina 2954202

Número de CélulasMalha

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A seguir é possível comparar os resultados hidrostáticos.

Tabela 6.7 – Análise de Influência da malha nos parâmetros hidrostáticos

Percebe-se que o desvio para cada malha foi proporcional ao refinamento

da malha. Isto ocorre porque a precisão na integração dos volumes finitos segue a

mesma ordem de refinamento da malha. Entretanto, esta diferença foi menor que

0,125% para o volume deslocado.

A Tabela 6.8 compara os resultados hidrodinâmicos em função do refinamento

da malha computacional.

Tabela 6.8 – Análise de Influência da malha nos parâmetros hidrodinâmicos

A seguir tem-se quadro comparativo do tempo de duração de cada simulação.

Tabela 6.9 – Comparativo de duração das simulações

Como se observa, o tempo de duração cresce muito com o refinamento da

malha, enquanto a precisão alcançada, atinge um limite prático. Desta maneira, infere-

se que a malha mais adequada para este caso, é a malha fina, uma vez que ao mesmo

LCB PR LCB Desl

m {SMN} m³

Grossa 0.694 0.854 0.5051 -1.542 160564

Média 0.695 0.855 0.5049 -1.481 160742

Fina 0.695 0.856 0.5048 -1.449 160771

Muito Fina 0.695 0.856 0.5048 -1.442 160765

Hidrostática

MalhaCB CWL

S RF RPV RW RT

[m²] [kN] [kN] [kN] [kN]

Grossa 0.216 18738 893 214 604 1711 21.0%

Média 0.213 18766 896 210 381 1487 5.2%

Fina 0.212 18775 875 208 335 1418 0.3%

Muito Fina 0.217 18784 903 207 304 1414 Ref.

Resistência ao Avanço

ErroKMalha

Grossa 14:25:48 14:56:06 00:30:18

Média 15:34:57 16:37:22 01:02:25

Fina 22:29:17 00:02:24 01:33:07

Muito Fina 22:20:41 01:43:03 03:22:22

Início da SimulaçãoFim da

Simulação

Tempo

Total

Duração da Simulação

Malha

Página 37

tempo em que oferece bons resultados, não compromete tanto o desempenho

computacional.

6.4. Otimização do Casco-Hélice

Elaborou-se uma metodologia que incorporasse a interação casco-hélice na

otimização. Para tanto, procedeu-se à uma otimização sistemática que permitisse ao

projetista, liberdade para alteração do casco, levando em conta os aspectos técnicos,

práticos e até intuitivos, aprendidos ao longo do curso de graduação. Utilizando como

parâmetro de desempenho a potência propulsiva, o resultado buscado é um conjunto

casco-hélice ótimo.

6.4.1. Resistência ao Avanço

Foram monitoradas as três componentes principais da resistência ao avanço:

resistência de ondas, resistência friccional e resistência de pressão viscosa.

A primeira, tendo sua causa decorrente da interação do casco em movimento

com a superfície livre, buscou-se a visualização deste efeito, seja na distribuição de

pressão no casco, seja na elevação da superfície livre calculada pelo modulo XPAN do

Shipflow, se valendo da teoria potencial.

A segunda, tem seu aumento principalmente pela majoração da superfície

molhada do casco, uma vez que fatores que poderiam afetá-la, como a turbulência e

tamanho da camada limite, devendo se manter praticamente constante ao longo da

otimização. Sendo calculada em duas etapas, no módulo XPAN pela teoria da camada

limite na proa da embarcação e na popa, pelo método RANS, no módulo XCHAP do

Shipflow.

A terceira, tem seu efeito, decorrente do campo de pressão hidrodinâmico

desfavorável na popa da embarcação, causado pelo descolamento da camada limite.

Seu efeito pode ser minimizado melhorando a esteira da embarcação, suavizando o

escoamento na popa e pode ser analisado qualitativamente pela distribuição do campo

de pressão na popa e pela visualização do escoamento em diferentes seções. É

calculada pelo método RANS, também, no módulo XCHAP.

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6.4.2. Seleção dos Propulsores

Para selecionar o propulsor ótimo para cada casco, foi utilizado uma ferramenta

feita pelos estudantes de Engenharia Naval da UFRJ, Gabriel Taffarel e André Ramiro

em 2005, chamado Hélice.

Este programa, tem por objetivo, a partir de dados de entrada, selecionar o hélice

Série-B, que exija a menor potência propulsiva possível, que atenda as restrições físicas

pré-determinadas e de cavitação.

Figura 6.10 – Layout da Janela de Varredura do Propulsor (Hélice UFRJ)

Dados de Entrada

• Velocidade de Serviço em nós - Vs;

• Resistência ao Avanço ao quilo-Newton - Rt;

• Coeficiente de Esteira w;

• Coeficiente de Redução de Empuxo - t.

• Número de Propulsores - Z;

• Coeficiente Prismático - Cp;

• Posição Longitudinal do Centro de Carena em metros - LCB;

• Eficiência no Eixo - nS;

• Altura Máxima na região do Propulsor em metros - Hp;

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• Calado de Projeto em metros - Tp;

• Margem de Mar em percentual;

• Margem de Motor em percentual;

• Margem de Rotação em percentual.

Restrições

• Critérios de Cavitação de Burril

• Dimensões do Propulsor.

Dados de Saída

• Diâmetro;

• Número de Pás;

• Coeficiente de Avanço;

• Razão Passo-Diâmetro;

• Razão de Área Expandida;

• Eficiência de Águas Abertas;

• Eficiência propulsiva;

• Rotação;

• Potência Propulsiva;

• Potência em CSR;

• Rotação em CSR;

• Potência em MCR;

• Rotação em MCR.

Ajustes de Varredura

O programa também permite a manipulação dos dados incrementais de

varredura, como o passo de busca de diâmetro, de coeficiente de avanço e razão passo

diâmetros, bem como a tolerância aceita e os dados das características físicas da água.

A seguir é possível visualizar a janela de ajustes.

Página 40

Figura 6.11 – Janela de Ajustes (Hélice UFRJ)

Comando de Entrada

Em planilha Excel criou-se um script com as linhas de comando de entrada do

programa, bem como seus parâmetros de varredura, vinculados aos resultados de

outras etapas do método, para facilitar o processo de busca. Isto possibilitou uma

metodologia semiautomática, onde os resultados hidrodinâmicos e hidrostáticos

serviram de entrada para a seleção do propulsor.

Segue exemplo deste script.

Página 41

Figura 6.12 – Exemplo de Arquivo de Comando (Hélice UFRJ)

Os valores em azul são de livre alteração, enquanto os valores em preto são

resultados de outras etapas do método.

Varredura de Propulsores

Quando a varredura é realizada, o programa seleciona os propulsores que em

sua faixa de operação consegue gerar um empuxo maior do que a resistência ao avanço

do casco, já considerando a redução do empuxo e atendendo aos critérios de cavitação.

Em seguida cataloga todos os propulsores possíveis e o reordena da menor potência

propulsiva para a maior, conforme mostrado na Figura 6.13.

Vs 16.0 nós

Resistencia Total 1425.2 kN

w 0.293

t 0.162

opc. N prop 0 0 -> 1 prop e 1 -> 2 prop

Cp 0.71 Coeficiente Prismático

LCB -1.45 Centro de Carena (ré + / vante -)

nS 1.00 Eficiencia do eixo

Zmáx 14.80 Altura máxima na região do propulsor

Tp 16.00 Calado de Projeto

Margem mar 15 %

Margem motor 10 %

Margem Rotação 5 %

Keller FALSE Restrição de Cavitação

Burril TRUE Restrição de Cavitação

Lim Cavitação 1 BURRIL (0 -> 2,5% ; 1 -> 5% ; 2 -> 10%)

Utilizar Param. Busca TRUE Restringir Propulsor

D mín m

Dmáx m

Zmín 4

Zmáx 6

P/D mín

P/D máx

Ae/Ao mín

Ae/Ao máx

N RPM mín RPM

N RPM máx RPM

Limitar D FALSE

Limitar Z TRUE

Limitar P/D FALSE

Limitar Ae/Ao FALSE

Limitar N RPM FALSE

dD 10 1/100 (Incremento do diametro)

dJ 50 1/100 (Incremento do coeficiente de avanço)

dPD 10 1/100 (Incremento do Passo - diametro)

tolerancia 5 %

Massa especifica -1 kg/m³

Viscosidade -1 m²/s * 10^6

Pvap 1700

Página 42

Figura 6.13 – Exemplo de Varredura (Hélice UFRJ)

A varredura, então, determina o hélice ótimo. Contudo, o hélice influencia em

dois parâmetros de entrada, no coeficiente de esteira e coeficiente de redução de

empuxo, deste modo, há a necessidade de se reavaliar o propulsor ótimo mais de uma

vez por casco.

6.4.3. Autopropulsão

A autopropulsão simulada pelo Shipflow, tem como objetivo analisar os efeitos

das interações hidrodinâmicas do casco com o hélice, sendo etapa fundamental do

método.

São três os focos principais na autopropulsão, o desempenho hidrodinâmico do

casco, o desempenho do hélice e o desempenho autopropulsivo.

Desempenho Hidrodinâmico do Casco

Estes aspectos do casco traduzem o desempenho de sua esteira.

Desempenho Hidrodinâmico do hélice

Nesta etapa é analisado em qual ponto de operação o hélice trabalha para que

o navio seja propelido à velocidade de projeto.

• 𝐾𝑇: Coeficiente de Empuxo de Operação – Adimensional que representa

o empuxo gerado pelo hélice por unidade de revolução para um

determinado avanço;

Página 43

• 𝐾𝑄: Coeficiente de Torque de Operação – Adimensional que representa

o Torque necessário por unidade de revolução para um determinado

avanço;

• 𝜂0: Eficiência de Águas Abertas de Operação – Adimensional que

representa a relação Empuxo/Torque, por unidade de revolução para um

determinado avanço;

• 𝐽𝑉: Coeficiente de Avanço de Operação – Adimensional que representa o

avanço do hélice por unidade de revolução.

Figura 6.14 – Ponto de Operação do Hélice

O ponto em que o hélice trabalha para propelir a embarcação determina sua

eficiência, pois, como mostrado na Figura 6.14, cada tipo de hélice tem seu ponto

máximo de eficiência em um determinado coeficiente de avanço> Quanto mais

deslocado ele trabalha deste ponto, mais ineficiente ele se torna.

Desempenho Hidrodinâmico do casco-hélice

A figura de mérito do método deste trabalho concentra-se na potência propulsiva

já definida no Item 4.4.2. Convém ter presente que:

𝑃𝐷 =𝑅𝑇 ∙ 𝑉𝑠

𝑄𝑃𝐶

Página 44

6.4.4. Avaliação do Conjunto Casco-Hélice

A avaliação no presente projeto será feita a cada rodada de variação

geométricas sempre comparando com a rodada anterior. Como critério percentual de

convergência do método estabeleceu-se 3% como limite mínimo no ganho de

desempenho.

É importante ter presente que há uma avaliação implícita no método,

desempenhada pelo projetista. Dentro de algumas rodadas em que se utiliza um método

dinâmico de busca, a escolha do conjunto casco-hélice é consequência dos anteriores.

Se uma determinada variação produziu um resultado positivo, deve-se dar sequência a

esta alteração, quando contrário, deve-se buscar o sentido oposto. Esta avaliação,

entretanto, determina a forma como será feito as variações geométricas, não sendo uma

avaliação global para a otimização.

Para se obter uma avaliação mais concisa, buscou-se agrupar as variações

geométricas em etapas com quantidades de variação pré-definidas, bem como, definir

a forma como será feita a variação geométrica em cada rodada.

6.4.5. Variações Geométricas na forma

As variações geométricas foram feitas em três etapas:

1. Através de uma variação paramétrica do casco, utilizando o método de

Lackenby, variou-se a carenagem da embarcação de modo a manter o

coeficiente prismático praticamente constante, até certo limite de

variação.

2. Buscou-se então, a partir deste casco realizar variações na popa da

embarcação a mão livre de forma independente O projetista teve

liberdade para encurtar o boço do eixo propulsor, afinar e alongar a forma

da região de popa, etc.

3. A partir da otimização do conjunto casco-hélice da etapa anterior,

buscou-se agora definir os cascos mais promissores, servindo de

complementação da otimização.

Em todas as etapas, buscou-se uma solução melhor a partir da anterior, com

exceção da primeira. Nesta partiu-se de sete soluções para só então buscar a mais

adequada a partir das duas melhores configurações. Na segunda e terceira etapa,

seguiu-se um método simples de tentativa e erro. Para cada tentativa o ponto de partida

Página 45

seria a solução ótima anterior. No caso de ausência de melhoria abandona-se solução

encontrada.

Uma consideração interessante é que este método permite quantas rodadas de

alterações o projetista queira. Não havendo uma limitação para a formulação da

alteração geométrica, ou sequência utilizada. Entretanto deve-se ter em mente sempre

um critério objetivo de avaliação.

Página 46

7. Resultados

Rodaram-se 20 casos de estudos, com 2 iterações cada, para convergir a

configuração do propulsor. Cada simulação de autopropulsão, necessita de uma

simulação de resistência ao avanço e de águas abertas. Desta forma, foram feitas vinte

simulações de resistência ao avanço, 39 simulações com os propulsores selecionados

em águas abertas e 39 simulações de autopropulsão, totalizando 98 simulações no

Shipflow. Vinte cascos viáveis seguem no Anexo A.1. No texto principal camparam-se

o início e o fim de três rodadas cada uma com sua característica de otimização, mas

sempre usando o método proposto.

7.1. Rodada 01

O objetivo, da Rodada 1 é otimizar o casco-hélice, alterando parametricamente

a geometria do casco pelo método de Lackenby e para cada casco, selecionar o hélice

ótimo que atenda as condições de contorno do problema.

Foi então, estabelecida uma comparação entre os resultados, para melhor se

compreender o estudo de otimização realizado.

Geometria do Casco

A partir de 7 alterações incrementais de LCB, foi possível a partir dos resultados,

interpolar o LCB para a condição ótima, conforme é mostrado na tabela a seguir.

Tabela 7.1 - Variação de LCB

Segue comparativo numérico da otimização da forma:

Caso ∆lcb

1 0,00%

2 0,50%

3 1,00%

4 1,50%

5 -0,50%

6 -1,00%

7 -1,50%

8 1,48%

Página 47

Figura 7.1 – Dimensionais Casco 01


Em seguida foram comparadas os Plano de Linhas do casco base e do casco

otimizado na rodada.

Figura 7.3 – Plano de Linhas do Casco de Referência

Figura 7.4 – Plano de Linhas do Casco Ótimo da Rodada 1

O corpo de ré foi levemente deslocado para vante, o que acarretou em uma

melhora de performance na resistência ao avanço.

CB 0,695

CP 0,712

CWL 0,856

LCB -1,4 m

Desl 160698 m³

Csm 0,976

Asm 745,0 m²

Awl 12374 m²

Dimensionais

CB 0,684

CP 0,701

CWL 0,850

LCB -0,5 m

Desl 158165 m³

Csm 0,976

Asm 744,9 m²

Awl 12294 m²

Dimensionais

Página 48


Segue comparativo numérico da otimização da resistência ao avanço:

Figura 7.5 – Resistência Casco 01


Para analisar a resistência ao avanço de forma qualitativa, partiu para a

visualização dos padrões do escoamento. A primeira parcela da resistência ao avanço

analisada foi a resistência de ondas. Assim, a seguir, é possível analisar os

comparativos dos padrões de ondas e de pressão hidrodinâmica no casco. O Casco 8

é o de melhor resultado e é comparado com o Casco 1.

K 0,212

S 18775 m²

RW 335 kN

RF 883 kN

RPV 207 kN

RT 1425 kN


K 0,212

S 18637 m²

RW 302 kN

RF 875 kN

RPV 207 kN

RT 1384 kN


Página 49

Figura 7.7 – Campo de Ondas (Casco 01 a esquerda e Casco 08 a direita)

Esta interferência no padrão de ondas pode ser construtiva ou destrutiva, o que

diminui ou aumenta a resistência de ondas. Se no espelho de popa houver um cavado,

a interferência é destrutiva e prejudicará o movimento. Se o espelho de popa der em

uma crista, a interferência é construtiva e será favorável ao movimento, diminuindo a

resistência de ondas. Para analisar estas interferências, plotou-se o perfil de ondas no

eixo longitudinal, permitindo uma avaliação mais completa do problema.

Página 50

Figura 7.8 – Gráfico de Perfil de Onda para o Casco Original

Figura 7.9 – Gráfico de Perfil de Onda para o Casco Ótimo da Rodada 1

É possível observar que houve pouca alteração do padrão de ondas, supondo-

se, então, que deve ter havido pouca alteração na sua resistência, não obstante, é

possível analisar que a região do espelho de popa se encontra em uma crista.

Outro efeito a ser analisado é a distribuição de pressão no casco e o

comportamento das linhas de correntes potenciais.

Página 51

Figura 7.10 – Distribuição de Pressão Potencial (Casco 01 a esquerda e Casco 08 a direita)

Regiões de alta pressão devem ser evitadas através da suavização da forma,

pois elas indicam pontos de estagnação. Da mesma forma que regiões de baixa pressão

significam pontos de alta velocidade de fluxo. Regiões em que as linhas de correntes se

aproximam demasiadamente, indicam uma concentração do fluxo, ambos desfavoráveis

para a resistência ao avanço, pois aumentam a resistência friccional.

Figura 7.11 – Distribuição de Pressão Potencial na popa (Casco 01 a esquerda e Casco 08 a direita)

A parcela de pressão viscosa e friccional na popa da embarcação foi analisada

através do método RANS, de forma separada da parcela potencial, o que permitiu

Página 52

analisar de forma individual cada componente. A componente viscosa da popa, pode

ser melhor entendida analisando aspectos qualitativos, da mesma forma que a parcela

potencial. Neste caso, será analisado o campo de pressão e campo de velocidade do

escoamento.

Figura 7.12 – Distribuição de Pressão Viscosa (Casco 01 a esquerda e Casco 08 a direita)

Conforme o auto ajuste da escala de pressão viscosa demonstra, houve uma

redução em sua magnitude com a decorrente leve ganho no desempenho performance

hidrodinâmico.

Seleção do Hélice

Os parâmetros qualitativos de desempenho do hélice são representados pelo

seu ponto de operação em serviço. Quanto mais deslocado o hélice estiver do seu ponto

ótimo, mais ineficiente ele se torna. Isto ocorre pois se o avanço for excessivo ou

pequeno demais, o hélice ou entrará em estol ou somente rodará em falso pelo fluido,

gerando pouco empuxo para o mesmo torque aplicado. Isto ocorre porque, para

determinadas velocidades de fluxo, as seções em formas de hidrofólios do hélice,

entrarão com ângulo de ataque hidrodinâmico desfavoráveis, produzindo um esforço

axial menos intenso do que o esforço tangente.

Página 53

Segue comparativo numérico da otimização do hélice da Figura 7.13 até a Figura

7.16.

Figura 7.13 – Resultado da Otimização do propulsor (Casco 01)


Figura 7.15 – Ponto de Operação do Hélice Original

Figura 7.16 – Ponto de Operação do Hélice Otimizado na Rodada 1

D 10,0 m D 10,0 m

Z 4 Z 4

Jv 0,60 Jv 0,65

P/D 0,90 P/D 0,90

Ae/Ao 0,55 Ae/Ao 0,55

Propulsor 2Propulsor 1

Propulsor - Casco 1

D 9,8 m D 9,9 m

Z 4 Z 5

Jv 0,65 Jv 0,70

P/D 1,00 P/D 1,00

Ae/Ao 0,55 Ae/Ao 0,75


Propulsor - Casco 8

Página 54

É possível considerar que o primeiro hélice trabalhou mais deslocado do seu

ponto ótimo, entretanto possui um máximo de eficiência maior que o hélice otimizado.

Já este trabalhou mais próximo do seu ponto ótimo e produziu efeitos semelhantes.

Autopropulsão

Segue comparativo numérico da otimização propulsiva:

Figura 7.17 – Resultados da simulação de autopropulsão (Casco 01)


A análise de autopropulsão abrangeu todos os aspectos hidrodinâmicos da

resistência ao avanço e de propulsão, combinando-os para reproduzir a situação real

de navegação. Isto pode ser observado nas Figura 7.19 e Figura 7.20, analisando-se o

fluxo ao longo de três seções na popa da embarcação, permitindo uma visualização da

separação do escoamento.

KT 0,199 KT

KQ 0,034 KQ

JV 0,905 JV

CT 2,590 CT

t 0,156 t

η0 0,709 η0

w 0,032 w

ηR 0,701 ηR

ηH 0,216 ηH

QPC 0,723 QPC

PD 16221 kW PD kW

Propulsor 1 Propulsor 2

Autopropulsão - Casco 1

KT 0,197 KT 0,209

KQ 0,035 KQ 0,034

JV 1,022 JV 0,945

CT 2,452 CT 2,463

t 0,128 t 0,132

η0 0,789 η0 0,733

w 0,035 w 0,036

ηR 0,704 ηR 0,671

ηH 0,226 ηH 0,225

QPC 0,805 QPC 0,801

PD 14153 kW PD 14217 kW



Página 55

Figura 7.19 – Escoamento na popa em diferentes seções (Casco 01 a esquerda e Casco 08 a

direita)

Página 56

Figura 7.20 – Esteira no disco propulsor (Casco 01 a esquerda e Casco 08 a direita)

Houve um comportamento mais difuso do descolamento da camada limite,

possivelmente pela concentração do corpo a ré. Entretanto, este comportamento não

se traduziu em uma menor resistência de pressão viscosa.

Avaliação

A seguir é possível analisar a resistência ao avanço nos oito cascos, bem como

suas componentes.

Tabela 7.2 – Resumo de Resistência ao Avanço – Rodada 1

LCB Desl S RF RPV RW RT

{SMN} m³ [m²] [kN] [kN] [kN] [kN]

1 -1,45 160.698 18.775 883 207 335 1.425

2 -0,43 160.698 18.793 879 205 318 1.403

3 0,60 160.620 18.802 883 207 305 1.395

4 1,62 160.551 18.812 880 208 306 1.394

5 -2,47 160.887 18.766 883 207 306 1.396

6 -3,48 160.931 18.757 885 209 299 1.393

7 -0,52 158.160 18.637 875 208 304 1.386

8 -0,52 158.165 18.637 875 207 302 1.384

Resistência ao AvançoHidrostática

Case

Página 57

A resistência friccional diminuiu com a diminuição da área molhada; a resistência de

pressão viscosa permaneceu praticamente inalterada e a resistência de ondas teve um

decréscimo de 10%. No total a resistência ao avanço reduziu 3%, um valor não muito

expressivo.

Foi analisado o desempenho propulsivo com o propulsor da primeira iteração na

tabela a seguir.

Tabela 7.3 - Resumo de Autopropulsão com Propulsor 1 – Rodada 1

Em seguida, foi analisado para a segunda iteração.

Tabela 7.4 – Resumo de Autopropulsão com Propulsor 2 – Rodada 1

Como se escolhe pelo método o propulsor com o maior QPC, chegou-se a

Tabela 7.5, onde é possível avaliar a evolução de queda da potência propulsiva ao longo

do processo.

KT KQ JV t η0 w ηR ηH QPC

1 0,199 0,034 0,91 0,156 0,70 0,216 0,957 1,077 0,723

2 0,226 0,038 0,93 0,149 0,72 0,200 0,968 1,064 0,739

3 0,152 0,022 0,79 0,139 0,70 0,238 0,944 1,129 0,748

4 0,143 0,021 0,77 0,132 0,72 0,194 0,938 1,077 0,725

5 0,173 0,029 0,93 0,176 0,72 0,230 0,942 1,070 0,731

6 0,155 0,022 0,78 0,168 0,70 0,241 0,950 1,096 0,725

7 0,180 0,029 0,85 0,138 0,71 0,195 0,951 1,070 0,719

8 0,197 0,035 1,02 0,128 0,70 0,226 1,014 1,127 0,805

CASE Simulação de Auto-Propulsão (Shipflow)

Propulsor 1


1 1,077 0,723

2 0,259 0,046 0,99 0,149 0,716 0,200 0,974 1,064 0,742

3 0,208 0,035 0,94 0,146 0,727 0,200 0,966 1,068 0,750

4 0,185 0,033 0,97 0,147 0,739 0,197 0,948 1,062 0,743

5 0,152 0,023 0,87 0,172 0,726 0,231 0,951 1,077 0,743

6 0,189 0,032 0,96 0,184 0,715 0,242 0,956 1,077 0,737

7 0,195 0,034 1,00 0,150 0,748 0,203 0,963 1,066 0,768

8 0,209 0,034 0,95 0,132 0,671 0,225 1,066 1,120 0,801


Propulsor 2

Página 58

Tabela 7.5 – Resumo de Desempenho – Rodada 1

Finalmente na Tabela 7.6 apresenta-se o ganho econômico do caso ótimo da

Rodada 1 o de número 8.

Tabela 7.6 - Economia do Casco Ótimo da Rodada 1

7.2. Rodada 02

Esta proposta aqui é aperfeiçoar o casco, alterando livremente sua geometria,

conforme o raciocínio físico e intuição do projetista, de forma que ao avaliar as variações

geométricas, o projetista encontre a geometria mais eficiente.

Geometria do Casco

A geometria do casco foi comparada com a geometria da rodada anterior. Esta

nova geometria possui um perfil mais protuberante na gôndola, suavizando o fluxo que

chega no hélice, isto foi realizado, elevando-se as linhas do alto na região da gôndola

com um formato mais convexo, acreditou-se que esta forma melhoraria o fluxo na

região.

Da Figura 7.21 até a Figura 7.24 é possível fazer um comparativo da variação

geométrica.

Caso Prop Resistencia

[kN] n0 QPC

PD

[kW]

01 2 1425 0,701 0,723 16222

02 2 1403 0,718 0,742 15556

03 2 1395 0,727 0,750 15297

04 2 1394 0,739 0,743 15438

05 2 1396 0,726 0,743 15466

06 2 1393 0,715 0,737 15558

07 2 1386 0,748 0,768 14862

08 1 1384 0,704 0,805 14154

Análise de Desempenho Propulsivo

Caso ótimo = 8

∆Pot = 2068 kW

Cesp = 180,0 g/kW.h

Custo = 300,50 US$/ton

periodo = 1,0 ano

Economia =

Análise Economica

859.078,92$

Página 59



Figura 7.23 – Plano de Linhas do Casco Ótimo da Rodada 1

Figura 7.24 – Geometria do Casco Otimizado da Rodada 2

Outra alteração importante, foi realizada no espelho de popa, tornando-o mais

pontiagudo, esta alteração serviu para alterar o padrão de interferência da esteira de

ondas da embarcação para criar um padrão mais favorável, perdendo menos energia

com a geração de ondas e assim diminuindo esta componente.


Segue o comparativo numérico da resistência ao avanço:

CB 0,684

CP 0,701

CWL 0,850

LCB -0,5 m

Desl 158165 m³

Csm 0,976

Asm 744,9 m²

Awl 12294 m²

Dimensionais

CB 0,684

CP 0,701

CWL 0,851

LCB -3,4 m

Desl 158159 m³

Csm 0,975

Asm 744,3 m²

Awl 12308 m²

Dimensionais

Página 60



O padrão de ondas mostrado na Figura 7.27 pode dar a impressão de ter

aumentado sua amplitude, mas, basta ver a escala para cada casco, que na verdade,

houve um decrescimo.

K 0,212

S 18637 m²

RW 302 kN

RF 875 kN

RPV 207 kN

RT 1384 kN


K 0,220

S 18729 m²

RW 179 kN

RF 901 kN

RPV 209 kN

RT 1288 kN


Página 61


Observando-se a escala da Figura 7.28 e Figura 7.29 se percebe uma diminuição

significativa das amplitudes, reduzindo em mais de 20% a elevação da superfície livre.

Página 62



A Figura 7.30 representa o campo potencial de pressão do casco otimizado na

presente rodada com o otimizado da rodada anterior.


Página 63

Com esta forma, foi possível suavizar os campos de pressões, diminuindo seus

picos e regularizando o fluxo na popa, em consequência, também se regularizou o

escoamento próximo ao propulsor.


A resistência viscosa foi levemente diminuída, alterando-se o campo de pressão

viscoso na popa, como é possível observar nas imagens da Figura 7.32. O

comportamento da resistência de pressão viscosa é bastante imprevisível e complexo

de se entender, entretanto, é possível ter alguns parâmetros, analisando-a

qualitativamente.

Página 64


Seleção de Hélice

A Figura 7.33 e Figura 7.34 mostram um comparativo numérico da otimização

do hélice:


Figura 7.34 – Resultado da Otimização

do propulsor (Casco 15)

A seleção do hélice ótimo, foi fundamental para o sucesso da segunda rodada.

O ponto de operação do propulsor passou a ser mais próximo de seu ponto ótimo, como

D 9,8 m D 9,9 m

Z 4 Z 5

Jv 0,65 Jv 0,70

P/D 1,00 P/D 1,00

Ae/Ao 0,55 Ae/Ao 0,75


Propulsor - Casco 8

D 11,0 m D 11,0 m

Z 4 Z 5

Jv 0,65 Jv 0,70

P/D 0,90 P/D 0,90

Ae/Ao 0,70 Ae/Ao 0,60


Propulsor - Casco 15

Página 65

é possível ver na Figura 7.35 e Figura 7.36, fazendo com que a eficiência do hélice

aumentasse em mais de 7%.



Autopropulsão

Então, segue-se com um comparativo de otimização propulsiva na Figura 7.37 e

Figura 7.38.

Página 66

Figura 7.37 - Resultados da simulação

de autopropulsão (Casco 08)

Figura 7.38 - Resultados da simulação de autopropulsão (Casco 15)

A análise de autopropulsão, incorporou todos os aspectos da resistência ao

avanço e propulsão em um único cenário, dando ao projetista a capacidade de analisar

uma situação mais realista.

A Figura 7.39 mostra um comparativo entre o casco otimizado na rodada anterior

e o casco otimizado na rodada atual, a partir da representação do escoamento e sua

camada limite para diversas seções.

KT 0,197 KT 0,209

KQ 0,035 KQ 0,034

JV 1,022 JV 0,945

CT 2,452 CT 2,463

t 0,128 t 0,132

η0 0,789 η0 0,733

w 0,035 w 0,036

ηR 0,704 ηR 0,671

ηH 0,226 ηH 0,225

QPC 0,805 QPC 0,801

PD 14153 kW PD 14217 kW



KT 0,145 KT 0,156

KQ 0,022 KQ 0,024

JV 0,896 JV 0,931

CT 2,328 CT 2,333

t 0,149 t 0,151

η0 0,725 η0 0,754

w 0,022 w 0,025

ηR 0,729 ηR 0,766

ηH 0,190 ηH 0,190

QPC 0,768 QPC 0,805

PD 13795 kW PD 13166 kW



Página 67

Figura 7.39 – Escoamento na popa em diferentes seções (Casco 08 a esquerda e Casco 15 a direita)

Página 68


É possível observar que o escoamento se deu de forma mais livre no disco

propulsor ótimo da rodada atual do que o propulsor obtido na rodada anterior.

Avaliação

Na Tabela 7.7 é possível analisar a resistência ao avanço dos oito cascos, bem

como suas componentes.

Tabela 7.7 – Resumo de Resistência ao Avanço - Rodada 2

A resistência friccional foi majorada com o aumento da área molhada, a

resistência de pressão viscosa praticamente permaneceu constante e a resistência de


{SMN} m³ [m²] [kN] [kN] [kN] [kN]

8 -0,52 158.165 0,21 18.637 875 207 302 1.384

9 -0,55 158.192 0,21 18.646 875 207 305 1.387

10 -0,57 158.224 0,21 18.646 875 208 302 1.384

11 -0,61 158.113 0,21 18.665 894 209 299 1.402

12 -3,49 158.469 0,23 18.646 900 211 333 1.444

13 -0,58 158.265 0,22 18.665 894 211 313 1.418

14 -3,40 158.101 0,22 18.701 900 207 211 1.318

15 -3,45 158.159 0,22 18.729 901 209 179 1.288

16 -0,69 158.386 0,22 18.701 895 215 290 1.401


CaseK

Página 69

ondas caiu pela metade, em grande medida, em decorrência da diminuição da formação

de ondas na esteira da embarcação. No total, a resistência ao avanço caiu quase 7%

da primeira rodada para a segunda.

Em seguida, foi analisado o desempenho propulsivo com o propulsor da primeira

iteração.

Tabela 7.8 – Resumo de Autopropulsão para o Propulsor 1 - Rodada 2

Para então, proceder-se à análise do desempenho propulsivo para o propulsor

da segunda iteração.


Selecionando o propulsor com o melhor desempenho, obteve-se o seguinte

quadro comparativo.


8 0,197 0,035 1,02 0,128 0,70 0,226 1,014 1,127 0,805

9 0,234 0,038 0,94 0,136 0,71 0,222 1,008 1,111 0,794

10 0,166 0,026 0,94 0,131 0,73 0,224 1,010 1,120 0,829

11 0,204 0,032 0,92 0,147 0,71 0,226 1,009 1,101 0,786

12 0,223 0,036 0,94 0,175 0,72 0,222 1,012 1,061 0,769

13 0,160 0,021 0,75 0,115 0,71 0,197 1,006 1,102 0,786

14 0,154 0,024 0,91 0,150 0,76 0,185 0,999 1,043 0,790

15 0,145 0,022 0,90 0,149 0,73 0,190 1,002 1,052 0,768

16 0,172 0,025 0,84 0,128 0,73 0,185 1,012 1,069 0,792


Propulsor 1


8 0,209 0,034 0,95 0,132 0,671 0,225 1,066 1,120 0,801

9 0,213 0,035 0,95 0,133 0,710 0,232 1,009 1,129 0,808

10 0,213 0,035 0,95 0,134 0,709 0,234 1,009 1,130 0,809

11 0,210 0,034 0,94 0,151 0,730 0,196 1,011 1,055 0,779

12 0,183 0,030 0,96 0,128 0,739 0,213 1,010 1,109 0,828

13 0,239 0,042 0,97 0,136 0,732 0,159 1,011 1,028 0,760

14 0,237 0,040 0,99 0,140 0,716 0,226 1,009 1,110 0,801

15 0,156 0,024 0,93 0,151 0,766 0,190 1,003 1,048 0,805

16 0,186 0,031 0,98 0,134 0,752 0,191 1,013 1,071 0,815


Propulsor 2

Página 70

Tabela 7.10 – Resumo de Desempenho Propulsivo – Rodada 2

Na Tabela 7.11 é mostrado o ganho econômico do caso ótimo da rodada, de

número 15 em relação ao casco inicial.

Tabela 7.11 – Economia do Casco Ótimo da Rodada 2

7.3. Rodada 03

Optou-se por realizar mais uma rodada de otimização, como forma de testar os

limites e progressão dos ganhos econômicos. Nesta rodada foram buscadas novas

soluções e alternativas de casco que maximizassem o ganho econômico, partindo do

casco ótimo da rodada anterior.

Geometria do Casco

A geometria foi modificada ao longo do projeto pensando em seu desempenho

hidrodinâmico, nesta rodada, foi alterado a forma de popa do casco, de forma que o

escoamento nesta região fosse favorável a propulsão da embarcação, canalizando o

fluxo no propulsor para que o mesmo desempenhasse seu papel de forma otimizada.


[kN] n0 QPC

PD

[kW]

01 2 1425 0,701 0,723 16222

08 1 1384 0,704 0,805 14154

09 2 1387 0,710 0,808 14127

10 1 1384 0,733 0,829 13748

11 1 1402 0,730 0,786 14677

12 2 1444 0,739 0,828 14359

13 1 1418 0,732 0,786 14847

14 2 1318 0,758 0,801 13542

15 2 1288 0,766 0,805 13167

16 2 1401 0,752 0,815 14147


Caso ótimo = 15

∆Pot = 3055 kW

Cesp = 180,0 g/kW.h


periodo = 1,0 ano

Economia =

Análise Economica

1.269.241,25$

Página 71

Da Figura 7.41 até a Figura 7.44, é mostrado as diferenças entre a geometria

do casco otimização:



Figura 7.43 – Geometria do Casco Otimizado da Rodada 2

Figura 7.44 – Plano de Linhas do Casco Otimizado da Rodada 3

É possível visualizar que houve uma maximização do espaço disponível para o

propulsor, diminuindo a interferência do casco no fluxo do propulsor. A gôndola foi

desenhada e dimensionada para permitir um fluxo mais suave e direcionado ao

propulsor, com um formato mais tênue e arredondado, de forma a oferecer um bom

desempenho hidrodinâmico.

CB 0,684

CP 0,701

CWL 0,851

LCB -3,4 m

Desl 158159 m³

Csm 0,975

Asm 744,3 m²

Awl 12308 m²

Dimensionais

CB 0,684

CP 0,701

CWL 0,851

LCB -3,5 m

Desl 158211 m³

Csm 0,975

Asm 744,3 m²

Awl 12307 m²

Dimensionais

Página 72


Segue comparativo numérico da otimização de resistência ao avanço do casco:



A resistência ao avanço total, aumentou, devido ao aumento da resistência de

ondas, entretanto, como se comprova na Figura 7.47, o campo de ondas de ambas as

soluções, praticamente, não se alterou.

K 0,220

S 18729 m²

RW 179 kN

RF 901 kN

RPV 209 kN

RT 1288 kN


K 0,218

S 18729 m²

RW 200 kN

RF 901 kN

RPV 202 kN

RT 1302 kN


Página 73


O padrão de ondas do casco otimizado na rodada anterior e o padrão de ondas

do casco otimizado na rodada atual são muito semelhantes, o que mostra que teve

pouca alteração na resistência de ondas.

Página 74



Não houve praticamente alteração no padrão de elevação ao longo do eixo

longitudinal. É possível também notar que quase não houve alteração global no campo

potencial hidrodinâmico de pressão.


Página 75


Na parcela viscosa do escoamento, houve uma leve redução do campo de

pressão viscoso, diminuindo a pressão negativa na popa da embarcação.

Página 76


Seleção do Hélice

Segue comparativo numérico da otimização do hélice:



A seleção do hélice ótimo, nesta etapa, contribuiu de forma significativa para a

solução otimizada do casco-hélice, posto que, novamente, o ponto de operação se

aproximou do ponto ótimo de operação do hélice.

D 11,0 m D 11,0 m

Z 4 Z 5

Jv 0,65 Jv 0,70

P/D 0,90 P/D 0,90

Ae/Ao 0,70 Ae/Ao 0,60



D 11,0 m D 11,0 m

Z 5 Z 5

Jv 0,65 Jv 0,75

P/D 0,90 P/D 1,00

Ae/Ao 0,60 Ae/Ao 0,75



Página 77



Autopropulsão

A seguir é mostrado os resultados de otimização propulsiva:


KT 0,159 KT 0,182

KQ 0,025 KQ 0,030

JV 0,941 JV 1,006

CT 2,321 CT 2,327

t 0,133 t 0,135

η0 0,750 η0 0,803

w 0,025 w 0,031

ηR 0,763 ηR 0,755

ηH 0,203 ηH 0,202

QPC 0,834 QPC 0,830

PD 12843 kW PD 12908 kW



KT 0,145 KT 0,156

KQ 0,022 KQ 0,024

JV 0,896 JV 0,931

CT 2,328 CT 2,333

t 0,149 t 0,151

η0 0,725 η0 0,754

w 0,022 w 0,025

ηR 0,729 ηR 0,766

ηH 0,190 ηH 0,190

QPC 0,768 QPC 0,805

PD 13795 kW PD 13166 kW




Página 78

A simulação de autopropulsão representa a situação física real de navegação

em águas tranquilas e sua visualização pode indicar a eficiência da operação. A Figura

7.59 mostra o comportamento do escoamento na popa do casco de referência e o

otimizado nesta rodada.

Figura 7.59 – Escoamento na popa em diferentes seções (Casco 15 a esquerda e Casco 18 a direita)

Praticamente não houve mudança no fluxo, indicando que a pressão viscosa se

manteve constante. A seguir, na Figura 7.60, é mostrado a esteira efetiva no disco

propulsor.

Página 79


Da análise do fluxo, no disco propulsor, é possível visualizar uma leve melhora

no fluxo, uma vez que as curvas de nível do escoamento, são mais homogenias no disco

propulsor a direita, otimizado na rodada atual.

Avaliação

A seguir, na Tabela 7.12, é possível avaliar a resistência ao avanço do casco de

referência, dos melhores cascos das rodadas anteriores e os cascos da rodada atual.

Tabela 7.12 – Resumo de Resistência ao Avanço - Rodada 3

A resistência friccional aumentou um pouco com a majoração da superfície

molhada, a resistência de pressão viscosa praticamente não se alterou e a resistência


{SMN} m³ [m²] [kN] [kN] [kN] [kN]

1 -1,45 160.698 0,21 18.775 883 207 335 1.425

8 -0,52 158.165 0,21 18.637 875 207 302 1.384

15 -3,45 158.159 0,22 18.729 901 209 179 1.288

17 -3,45 158.159 0,22 18.729 901 209 179 1.288

18 -3,49 158.211 0,22 18.729 901 202 200 1.302

19 -3,45 158.172 0,22 18.701 901 207 202 1.309

20 -3,49 158.225 0,22 18.711 900 209 198 1.307


CaseK

Página 80

de ondas caiu mais da metade. No total, houve uma diminuição de quase 10% na

resistência ao avanço total.

Em seguida, foi analisado o desempenho propulsivo com o propulsor da primeira

iteração.


Analisou-se, então, o desempenho propulsivo com o propulsor da segunda

iteração.


Escolhendo-se o propulsor com o maior QPC, chegou-se a Tabela 7.15, onde é

possível avaliar a evolução de queda da potência propulsiva ao longo do processo.

Tabela 7.15 - Resumo do Desempenho Propulsivo – Rodada 3


1 0,199 0,034 0,91 0,156 0,70 0,216 0,957 1,077 0,723

8 0,197 0,035 1,02 0,128 0,70 0,226 1,014 1,127 0,805

15 0,145 0,022 0,90 0,149 0,73 0,190 1,002 1,052 0,768

17 0,129 0,020 0,92 0,154 0,77 0,179 0,991 1,030 0,791

18 0,159 0,025 0,94 0,133 0,76 0,203 1,005 1,088 0,834

19 0,132 0,019 0,85 0,149 0,74 0,210 0,992 1,076 0,795

20 0,129 0,019 0,83 0,175 0,75 0,180 0,994 1,006 0,745


Propulsor 1


1 1,077 0,723

8 0,209 0,034 0,95 0,132 0,671 0,225 1,066 1,120 0,801

15 0,156 0,024 0,93 0,151 0,766 0,190 1,003 1,048 0,805

17 0,209 0,033 0,94 0,140 0,719 0,231 1,008 1,118 0,811

18 0,18 0,03 1,01 0,135 0,755 0,202 1,014 1,084 0,830

19 0,19 0,03 1,03 0,151 0,762 0,208 1,017 1,073 0,831

20 0,20 0,03 0,91 0,161 0,727 0,199 1,013 1,048 0,772


Propulsor 2


[kN] n0 QPC

PD

[kW]

01 2 1425 0,701 0,723 16222

09 2 1387 0,710 0,808 14127

15 2 1288 0,766 0,805 13167

17 2 1288 0,774 0,811 13072

18 1 1302 0,763 0,834 12844

19 2 1309 0,762 0,831 12963

20 2 1307 0,746 0,772 13929


Página 81

Finalmente, na Tabela 7.16, demonstra-se o ganho econômico do caso 18,

sendo este o casco ótimo, em relação ao casco inicial.

Tabela 7.16 – Economia do Casco Ótimo da Rodada 3

7.4. Resumo

Abaixo, apresenta-se o quadro geral dos coeficientes e dimensionais

hidrostáticos, bem como os hidrodinâmicos. O parâmetro de desempenho neste caso é

a resistência ao avanço total. Na Tabela 7.17 é mostrado o resumo das simulações de

resistência ao avanço, destacando os cascos com menor resistência.

Tabela 7.17 – Resumo Geral de Resistência ao Avanço

O casco com a menor resistência hidrodinâmica é o casco 15.

Em seguida, foi analisado o posicionamento dos propulsores. Houve a

necessidade de se estabelecer um espaçamento médio entre o fim da gôndola o disco

propulsor, para não mascarar efeitos de esteira na otimização. Em função da

necessidade de se estimar o diâmetro do propulsor, coeficiente de esteira e coeficiente

Caso ótimo = 18

∆Pot = 3379 kW

Cesp = 180,0 g/kW.h


periodo = 1,0 ano

Economia =

Análise Economica

1.403.532,13$

Tp V LCB PR LCB Desl CF CPV CW CT S RF RPV RW RT

m nós m {SMN} m³ *10^5 *10^5 *10^5 *10^5 [m²] [kN] [kN] [kN] [kN]

1 16,00 16,00 0,695 0,712 0,856 0,505 -1,45 160.698 0,21 0,205 135,4 31,8 51,4 219 18.775 883 207 335 1.425

2 16,00 16,00 0,695 0,712 0,858 0,501 -0,43 160.698 0,21 0,205 134,8 31,5 48,8 215 18.793 879 205 318 1.403

3 16,00 16,00 0,694 0,712 0,860 0,498 0,60 160.620 0,21 0,205 135,2 31,8 46,7 214 18.802 883 207 305 1.395

4 16,00 16,00 0,694 0,712 0,862 0,495 1,62 160.551 0,21 0,205 134,8 31,9 46,8 213 18.812 880 208 306 1.394

5 16,00 16,00 0,695 0,712 0,853 0,508 -2,47 160.887 0,21 0,204 135,6 31,8 46,9 214 18.766 883 207 306 1.396

6 16,00 16,00 0,696 0,712 0,851 0,511 -3,48 160.931 0,22 0,204 135,9 32,1 45,9 214 18.757 885 209 299 1.393

7 16,00 16,00 0,684 0,701 0,850 0,502 -0,52 158.160 0,21 0,203 135,2 32,1 47,0 214 18.637 875 208 304 1.386

8 16,00 16,00 0,684 0,701 0,850 0,502 -0,52 158.165 0,21 0,203 135,2 32,1 46,6 214 18.637 875 207 302 1.384

9 16,00 16,00 0,684 0,701 0,851 0,502 -0,55 158.192 0,21 0,203 135,1 32,0 47,1 214 18.646 875 207 305 1.387

10 16,00 16,00 0,684 0,701 0,851 0,502 -0,57 158.224 0,21 0,203 135,1 32,1 46,6 214 18.646 875 208 302 1.384

11 16,00 16,00 0,683 0,701 0,851 0,502 -0,61 158.113 0,21 0,203 137,9 32,2 46,2 216 18.665 894 209 299 1.402

12 16,00 16,00 0,685 0,701 0,845 0,512 -3,49 158.469 0,23 0,203 139,1 32,5 51,4 223 18.646 900 211 333 1.444

13 16,00 16,00 0,684 0,701 0,850 0,502 -0,58 158.265 0,22 0,203 138,0 32,6 48,3 219 18.665 894 211 313 1.418

14 16,00 16,00 0,683 0,701 0,851 0,511 -3,40 158.101 0,22 0,204 138,6 31,9 32,5 203 18.701 900 207 211 1.318

15 16,00 16,00 0,684 0,701 0,851 0,511 -3,45 158.159 0,22 0,204 138,5 32,1 27,5 198 18.729 901 209 179 1.288

16 16,00 16,00 0,685 0,701 0,851 0,502 -0,69 158.386 0,22 0,204 137,9 33,2 44,7 216 18.701 895 215 290 1.401

17 16,00 16,00 0,684 0,701 0,851 0,511 -3,45 158.159 0,22 0,204 138,5 32,1 27,5 198 18.729 901 209 179 1.288

18 16,00 16,00 0,684 0,701 0,851 0,512 -3,49 158.211 0,22 0,204 138,5 31,0 30,7 200 18.729 901 202 200 1.302

19 16,00 16,00 0,684 0,701 0,851 0,511 -3,45 158.172 0,22 0,204 138,7 31,8 31,2 202 18.701 901 207 202 1.309

20 16,00 16,00 0,684 0,701 0,852 0,512 -3,49 158.225 0,22 0,204 138,6 32,1 30,5 201 18.711 900 209 198 1.307


CaseK S'CB CP CWL

Página 82

de redução de empuxo, foi adicionado uma etapa preliminar, servindo como ponto de

partida para a seleção do hélice ótimo.

A Tabela 7.18 mostra a posição do centro do disco propulsor e sua altura livre

máxima, além das primeiras estimativas

Tabela 7.18 – Posição do Propulsor e estimativas iniciais

Com as informações acima, selecionou-se o hélice ótimo e em seguida simulou

à autopropulsão para se avaliar o desempenho propulsivo.

Tabela 7.19 – Resumo Geral de Autopropulsão (Propulsor 1)

Xprop Zprop Z max D 0 w 0 t 0

1 7,00 7,13 14,80 10,7 0,29 0,16

2 7,20 7,13 14,70 10,7 0,29 0,16

3 7,40 7,13 14,55 10,7 0,29 0,16

4 7,50 7,13 14,60 10,7 0,29 0,16

5 6,60 7,13 14,85 10,7 0,29 0,16

6 6,50 7,13 14,80 10,7 0,29 0,16

7 6,45 7,13 14,75 10,7 0,28 0,17

8 6,40 7,13 14,70 10,7 0,28 0,17

9 6,50 7,20 14,75 10,7 0,28 0,16

10 6,50 7,20 14,80 10,7 0,28 0,16

11 6,70 7,50 14,80 10,7 0,28 0,17

12 3,30 7,50 15,20 10,7 0,28 0,16

13 3,80 7,50 15,40 10,7 0,28 0,16

14 3,60 7,50 14,50 10,7 0,28 0,17

15 3,60 7,50 14,50 10,7 0,28 0,17

16 3,20 7,60 15,60 10,7 0,28 0,16

17 3,60 7,50 14,50 10,7 0,28 0,17

18 2,50 7,60 14,80 10,7 0,28 0,16

19 4,30 7,70 14,60 10,7 0,28 0,17

20 4,50 7,70 14,50 10,7 0,28 0,16

Preliminar

Prop 0

CASEPosição do Propulsor

D Z Jv P/D Ae/Ao η0 ηB N ηR ηH QPC KT KQ JV CT t JTM KQ0 η0 w ηR ηH QPC

1 10,0 4 0,60 0,90 0,55 0,62 0,63 55 1,01 1,19 0,74 0,199 0,034 0,91 2,59 0,156 0,71 0,032 0,70 0,216 0,957 1,077 0,723

2 9,5 6 0,65 1,00 0,65 0,61 0,62 54 1,01 1,19 0,73 0,226 0,038 0,93 2,53 0,149 0,74 0,037 0,72 0,200 0,968 1,064 0,739

3 9,8 4 0,55 0,80 0,55 0,61 0,62 62 1,01 1,19 0,73 0,152 0,022 0,79 2,48 0,139 0,60 0,021 0,70 0,238 0,944 1,129 0,748

4 9,8 4 0,55 0,80 0,55 0,61 0,62 62 1,01 1,19 0,73 0,143 0,021 0,77 2,46 0,132 0,62 0,020 0,72 0,194 0,938 1,077 0,725

5 11,0 6 0,65 0,90 0,80 0,63 0,63 46 1,00 1,19 0,74 0,173 0,029 0,93 2,60 0,176 0,71 0,027 0,72 0,230 0,942 1,070 0,731

6 9,8 4 0,55 0,80 0,55 0,61 0,62 61 1,02 1,19 0,74 0,155 0,022 0,78 2,57 0,168 0,60 0,021 0,70 0,241 0,950 1,096 0,725

7 9,6 5 0,60 0,90 0,75 0,61 0,61 48 1,00 1,16 0,71 0,180 0,029 0,85 2,49 0,138 0,68 0,028 0,71 0,195 0,951 1,070 0,719

8 9,8 4 0,65 1,00 0,55 0,62 0,63 53 1,01 1,16 0,73 0,197 0,035 1,02 2,45 0,128 0,79 0,035 0,70 0,226 1,014 1,127 0,805

9 9,3 6 0,65 1,00 0,65 0,61 0,62 56 1,01 1,17 0,72 0,234 0,038 0,94 2,48 0,136 0,73 0,038 0,71 0,222 1,008 1,111 0,794

10 11,0 6 0,65 0,90 0,80 0,62 0,62 48 1,00 1,17 0,73 0,166 0,026 0,94 2,46 0,131 0,73 0,026 0,73 0,224 1,010 1,120 0,829

11 9,8 4 0,65 1,00 0,55 0,62 0,63 53 1,01 1,16 0,73 0,204 0,032 0,92 2,50 0,147 0,71 0,033 0,71 0,226 1,009 1,101 0,786

12 10,0 5 0,70 1,00 0,55 0,65 0,65 52 1,00 1,17 0,76 0,223 0,036 0,94 2,70 0,175 0,73 0,036 0,72 0,222 1,012 1,061 0,769

13 9,0 4 0,55 0,80 0,55 0,61 0,62 62 1,01 1,17 0,72 0,160 0,021 0,75 2,47 0,115 0,60 0,022 0,71 0,197 1,006 1,102 0,786

14 11,0 5 0,65 0,90 0,75 0,64 0,64 48 1,01 1,16 0,75 0,154 0,024 0,91 2,39 0,150 0,74 0,024 0,76 0,185 0,999 1,043 0,790

15 11,0 4 0,65 0,90 0,70 0,64 0,65 47 1,01 1,16 0,75 0,145 0,022 0,90 2,33 0,149 0,73 0,022 0,73 0,190 1,002 1,052 0,768

16 9,8 4 0,60 0,90 0,55 0,62 0,63 57 1,01 1,17 0,73 0,172 0,025 0,84 2,48 0,128 0,69 0,026 0,73 0,185 1,012 1,069 0,792

17 12,0 4 0,68 0,90 0,70 0,65 0,66 42 1,01 1,16 0,77 0,129 0,020 0,92 2,34 0,154 0,76 0,020 0,77 0,179 0,991 1,030 0,791

18 11,0 5 0,65 0,90 0,60 0,64 0,65 49 1,02 1,17 0,76 0,159 0,025 0,94 2,32 0,133 0,75 0,025 0,76 0,203 1,005 1,088 0,834

19 11,0 5 0,50 0,80 0,75 0,62 0,62 51 1,00 1,17 0,73 0,132 0,019 0,85 2,37 0,149 0,67 0,019 0,74 0,210 0,992 1,076 0,795

20 11,0 5 0,60 0,80 0,75 0,62 0,62 51 1,00 1,17 0,73 0,129 0,019 0,83 2,44 0,175 0,68 0,019 0,75 0,180 0,994 1,006 0,745

Simulação de Auto-Propulsão (Shipflow)

Propulsor 1

CASE Otimização por Formulação Empírica

Página 83

O propulsor da primeira iteração com a melhor eficiência propulsiva, foi o do caso

18.

Com as informações acima, selecionou-se o hélice ótimo novamente e em

seguida foi simulada a autopropulsão para se avaliar o desempenho propulsivo com o

segundo hélice.

Tabela 7.20 – Resumo Geral de Autopropulsão (Propulsor 2)

O propulsor da segunda iteração com a maior eficiência propulsiva foi o do caso

19.

Houve casos, em que o propulsor ótimo selecionado era o da primeira iteração

em outros, era o da segunda iteração. Isto demonstra que a utilização do método

empírico-estatístico, produziu desvios no resultado, pois se o mesmo fosse acurado,

levaria sempre o segundo propulsor a ser a solução ótima. Por se tratar de um processo

progressivo de apuração dos dados de entrada, quanto mais se refinasse os dados de

entrada, melhores o resultado da otimização.

Para contemplar o processo completo, a Tabela 7.21, classifica os principais

parâmetros de desempenho, culminando na potência propulsiva, parâmetro chave de

otimização, no método proposto.

D Z Jv P/D Ae/Ao n0 nB N ηR ηH QPC KT KQ JV CT t JTM KQ0 η0 w ηR ηH QPC

1 10,0 4 0,65 0,90 0,55 0,649 0,658 54 1,01 1,08 0,71 SIM 1,077 0,723

2 9,5 6 0,75 1,10 0,65 0,645 0,650 53 1,01 1,06 0,69 NÃO 0,259 0,046 0,99 2,54 0,149 0,79 0,05 0,716 0,200 0,974 1,064 0,742

3 10,0 5 0,70 1,00 0,60 0,647 0,652 51 1,01 1,13 0,74 NÃO 0,208 0,035 0,94 2,50 0,146 0,75 0,03 0,727 0,200 0,966 1,068 0,750

4 11,0 5 0,75 1,00 0,75 0,671 0,669 46 1,00 1,08 0,72 NÃO 0,185 0,033 0,97 2,50 0,147 0,78 0,03 0,739 0,197 0,948 1,062 0,743

5 11,0 4 0,60 0,80 0,55 0,638 0,649 56 1,02 1,07 0,69 NÃO 0,152 0,023 0,87 2,59 0,172 0,67 0,02 0,726 0,231 0,951 1,077 0,743

6 11,0 4 0,70 1,00 0,70 0,646 0,652 48 1,01 1,10 0,71 NÃO 0,189 0,032 0,96 2,62 0,184 0,73 0,03 0,715 0,242 0,956 1,077 0,737

7 11,0 6 0,75 1,00 0,65 0,660 0,664 47 1,01 1,07 0,71 NÃO 0,195 0,034 1,00 2,52 0,150 0,80 0,03 0,748 0,203 0,963 1,066 0,768

8 9,9 5 0,70 1,00 0,75 0,646 0,646 52 1,00 1,13 0,73 NÃO 0,209 0,034 0,95 2,46 0,132 0,73 0,04 0,671 0,225 1,066 1,120 0,801

9 9,9 5 0,70 1,00 0,75 0,646 0,647 53 1,00 1,11 0,72 NÃO 0,213 0,035 0,95 2,47 0,133 0,73 0,03 0,710 0,232 1,009 1,129 0,808

10 9,9 5 0,70 1,00 0,75 0,646 0,646 53 1,00 1,12 0,72 NÃO 0,213 0,035 0,95 2,47 0,134 0,73 0,03 0,709 0,234 1,009 1,130 0,809

11 10,0 5 0,70 1,00 0,75 0,646 0,647 52 1,00 1,10 0,71 NÃO 0,210 0,034 0,94 2,55 0,151 0,76 0,03 0,730 0,196 1,011 1,055 0,779

12 11,0 4 0,70 1,00 0,70 0,646 0,600 54 0,93 1,06 0,64 NÃO 0,183 0,030 0,96 2,56 0,128 0,76 0,03 0,739 0,213 1,010 1,109 0,828

13 9,6 5 0,75 1,10 0,75 0,648 0,649 52 1,00 1,10 0,72 NÃO 0,239 0,042 0,97 2,53 0,136 0,14 0,04 0,732 0,159 1,011 1,028 0,760

14 9,5 4 0,75 1,10 0,55 0,651 0,662 54 1,02 1,04 0,69 NÃO 0,237 0,040 0,99 2,32 0,140 0,77 0,04 0,716 0,226 1,009 1,110 0,801

15 11,0 5 0,70 0,90 0,60 0,659 0,669 50 1,02 1,05 0,70 NÃO 0,156 0,024 0,93 2,33 0,151 0,75 0,02 0,766 0,190 1,003 1,048 0,805

16 11,0 5 0,75 1,00 0,75 0,671 0,671 47 1,00 1,07 0,72 NÃO 0,186 0,031 0,98 2,49 0,134 0,80 0,03 0,752 0,191 1,013 1,071 0,815

17 9,5 4 0,65 1,00 0,55 0,620 0,631 54 1,02 1,03 0,65 NÃO 0,209 0,033 0,94 2,30 0,140 0,72 0,03 0,719 0,231 1,008 1,118 0,811

18 11,0 5 0,75 1,00 0,75 0,671 0,674 51 1,00 1,09 0,73 NÃO 0,18 0,03 1,01 2,33 0,135 0,80 0,03 0,755 0,202 1,014 1,084 0,830

19 11,0 6 0,75 1,00 0,65 0,660 0,668 46 1,01 1,08 0,72 NÃO 0,19 0,03 1,03 2,38 0,151 0,82 0,03 0,762 0,208 1,017 1,073 0,831

20 9,6 4 0,70 1,00 0,55 0,652 0,663 57 1,02 1,01 0,67 NÃO 0,20 0,03 0,91 2,39 0,161 0,73 0,03 0,727 0,199 1,013 1,048 0,772

Otimização por Formulação Empírica Simulação de Auto-Propulsão (Shipflow)

Propulsor 2

Conv?CASE

Página 84

Tabela 7.21 – Resumo dos parâmetros de desempenho da otimização

7.5. Avaliação da Otimização

Foi possível reduzir a potência propulsiva em mais de 20% ao longo do processo

de otimização, corroborando o funcionamento do método, podendo produzir bons

resultados se submetido às condições de contorno corretas. Delimitando o problema e

sujeitando-o às restrições adequadas, pode-se otimizar a propulsão de qualquer

estrutura móvel aquática, desde que se consiga modelar o problema e as geometrias

envolvidas, devido à flexibilidade do método.

A economia conseguida com a otimização do casco, foi de mais de US$ 1,4

milhão em um ano, somente em função da redução do consumo de combustível

diretamente, sem contar na redução dos custos de aquisição, por se necessitar de Motor

de Combustão Principal menor, na redução dos custos de aquisição e de operação dos

sistemas auxiliares, que são proporcionais ao tamanho do MCP, dentre outros ganhos.

O ganho econômico foi considerado satisfatório, podendo ser maior se fossem

adicionadas outras etapas, como a inclusão de ESD (Energy-Saving Devices), ou novos

formatos de proa, diferentes dimensões principais, etc.


[kN] n0 QPC

PD

[kW]

01 2 1425 0,701 0,723 16222

02 2 1403 0,718 0,742 15556

03 2 1395 0,727 0,750 15297

04 2 1394 0,739 0,743 15438

05 2 1396 0,726 0,743 15466

06 2 1393 0,715 0,737 15558

07 2 1386 0,748 0,768 14862

08 1 1384 0,704 0,805 14154

09 2 1387 0,710 0,808 14127

10 1 1384 0,733 0,829 13748

11 1 1402 0,730 0,786 14677

12 2 1444 0,739 0,828 14359

13 1 1418 0,732 0,786 14847

14 2 1318 0,758 0,801 13542

15 2 1288 0,766 0,805 13167

16 2 1401 0,752 0,815 14147

17 2 1288 0,774 0,811 13072

18 1 1302 0,763 0,834 12844

19 2 1309 0,762 0,831 12963

20 2 1307 0,746 0,772 13929


Página 85

O grau de otimização alcançado, tende a ser, em certa medida, proporcional ao

universo de possibilidades testados. Em outras rodadas, o projetista poderia alterar o

ângulo de entrada hidrodinâmico da proa, adicionar diferentes formatos de bulbos, ou

até mesmo criar uma proa sem bulbo. Poderia criar diversas formas do espelho de popa

e diversas formas distintas de gôndola, alterar seu comprimento e posição, enfim, fazer

qualquer mudança na forma, para chegar a configuração otimizada.

Página 86

8. Críticas ao Método

O método possui suas limitações decorrentes de suas premissas básicas, por

exemplo: a metodologia de otimização do propulsor Série-B ocorre por análises

empírico-estatísticas. Para contornar esta situação, pode ser estabelecida uma etapa

adicional, para testar mais de um propulsor da lista dos melhores propulsores

encontrados pelo método do programa Hélice UFRJ, realizando mais simulações

hidrodinâmicas com os propulsores.

Outra solução seria reescrever a formulação empírica, realizando simulações

hidrodinâmicas de Águas Abertas com diferentes configurações de Hélice, variando o

diâmetro, número de pás, razão de área expandida e razão de passo diâmetro, para

diferentes avanços. Pode-se pensar mais longe e criar um método acoplando

simulações hidrodinâmicas com a seleção do hélice ótimo, por meio de simulações,

utilizando a Teoria das Linhas de Sustentação.

Surgiram limitações da ferramenta de simulação, uma vez que não foi possível

avaliar as interações viscosas causadas pela esteira da embarcação com a superfície

livre, mas somente as interações potenciais. Para contornar esta deficiência, somente

utilizando uma abordagem mais geral e complexa com um programa que resolva as

equações de Navier-Stokes de forma acoplada, não distinguindo a parcela potencial da

viscosa.

Os resultados, caso fossem de um caso real de projeto, deveriam ser reavaliados

por outros meios, complementando-os até com ensaios com modelo reduzido, de modo

a corroborar os resultados obtidos pelo método, aumentando a robustez dos resultados.

Página 87

9. Conclusão

O método se mostrou satisfatório, cabendo, entretanto, algumas adaptações,

como mencionado anteriormente, com o objetivo de mitigar possíveis desvios da

abordagem empírica, podendo ser utilizado por um projetista solo, ou por uma

corporação, para propor novas soluções e conceitos de projeto.

Não importa, a alteração que se faça, ou a inovação na geometria, desde que

sejam obedecidas as seis sequencias básicas de tarefas:

• Variação Geométrica;

• Simulações de Resistência;

• Seleção de propulsor ótimo;

• Simulação de Águas Abertas;

• Simulações de autopropulsão;

• Avaliação de Potência Propulsiva.

O projetista é capaz de otimizar a propulsão de uma embarcação, apenas com

a proposição de novas soluções e testando-as nos moldes acima. De acordo com sua

experiência, crescimento profissional e estudo de casos semelhantes, o número de

tentativas necessárias para chegar ao resultado esperado tende a diminuir.

A hidrodinâmica envolvida na propulsão de uma embarcação é complexa, assim

como a interação do casco-hélice, por óbvio, é necessário testar todas as combinações

de variações possíveis, para garantir resultados satisfatórios, como por exemplo: o

bulbo de uma embarcação altera no desempenho de um espelho de popa Transom e

pode ser que uma configuração ótima, isoladamente, tenha um desempenho ruim

quando combinada. Esta metodologia, permite que sejam investigadas todas essas

interações e ao fim se obtenha o melhor caso.

Página 88

10. Trabalhos Futuros

Este trabalho possibilita outros estudos, que podem ser elaborados futuramente,

podendo se fundamentar neste texto como eixo inicial de pesquisas a serem

aprofundadas.

10.1. Otimização Automática

A otimização automática é um ponto de discussão na engenharia, pois, tiraria do

projetista a função de desempenhar tarefas braçais de ajustes de simulação, variações

geométricas na forma, busca de hélice ótimo e todos os outros acertos feitos pelo

projetista no caminho de otimização.

O presente trabalho apresentou um método semiautomático, em que o projetista

deve disparar cada etapa do processo, mas já vinculadas com as informações das

etapas anteriores. O próximo passo, é a elaboração de um algoritmo de acesso

programado, onde se controlaria os parâmetros de contorno da simulação, definindo a

sequência de variações geométricas, seleção de propulsor, ajustes de simulação

hidrodinâmica, além de definir o parâmetro de desempenho.

Uma das etapas mais complexas para a automatização é o processo de busca

a partir de variações geométricas do casco, etapa desempenhada neste estudo pelo

projetista, a partir de seus conhecimentos técnicos e práticos. No estudo futuro, deveria

primeiramente parametrizar todas as variações geométricas do casco, ordena-las, pré-

estabelecer avaliações locais, em que a partir das soluções anteriores, se realizaria as

variações geométricas seguintes.

10.2. Formulações Empíricas para Propulsores em Águas Abertas

Conforme foi percebido ao longo do projeto, as formulações empíricas feitas pelo

Hélice UFRJ, utilizando propulsores Série-B, apresentam limitações e divergem das

simulações hidrodinâmicas. Uma solução possível é reescrever as formulações para

que a partir dos dados geométricos do hélice seja possível determinar seu

comportamento em águas abertas. Assim, pode-se seguir a mesma lógica deste

trabalho, todavia, com uma nova formulação.

Isto resulta em um grande ganho computacional, por oferecer bons resultados,

sem necessitar de simular as infindáveis combinações das características do hélice,

como diâmetro, número de pás, razão passo-diâmetro e razão de área expandida.

Página 89

11. Bibliografia

Alan, M., Bernardo, F., Cristian, L., Gabriel, R., Lucas, C., & Renan, C. (2016).

Campeonato de Hidrodinâmica Aplicada I - Parte 2. UFRJ, Rio de Janeiro.

Anderson, J. (1995). Computacional fluid dynamics (Vol. 206). New York: McGraw-Hill.

Anderson, J. D. (2001). Fundamental of aerodynamics. Boston: McGraw-Hill.

Batchelor, G. (1967). An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge UP.

Eckhardt, K. M., & Morgan, W. B. (1955). A Propeller Design Method. SNAME

Transaction.

Evans, J. (1959). Basic Design Concepts. Naval architects journal.

Feng, B., Liu, Z., zhan, C., Chang, H., & Cheng, X. (2009). Ship hull automatic

optimization techniques research based on CFD. Elsevier.

Fernandes, A. C. (1977). Hélices pela teoria da circulação - Um método de projeto. Tese

de Mestrado, EPUSP, PNV.

Flowtech International AB. (2006). Shipflow. Gothenburg, Suécia.

Froude, W. (1872). Experiments on the Surface-friction Experienced by a Plane Moving

Through Water. British Association for the Advancement of Science Report,.

Harlow, F., Welch, J., Shannon, J., & Daly, B. (1963). Laboratory Report LA-3425. Los

Alamos.

Harries, S. (1998). Parametric Design and Hydrodynamic Optimization of Ship Hull

Forms. Berlim: Technische Universität Berlin.

Heimann, J. (2005). CFD Based Optimization of the Wave-Making Characteristics of

Ship Hulls. Berlim.

Hess, L., & Smith, A. (1967). Calculation of Potential Flow About Arbitrary Bodies.

Progress in Aerospace Sciences(8), 1-138.

Holtrop, J., & Mennen, G. (Outubro de 1978). A statistical power prection method. ISP.

Holtrop, J., & Mennen, G. (1979). An Approximate Power Prediction Method. ISP, p. 166.

ITTC QS Group. (1978). International Towin Tank Convention. Performance, Propulsion

1978 ITTC Performance Prediction Method, (pp. 1-31).

Johnson, R. W. (1998). The Handbook of Fluid Dynamics. Boca Raton: CRC Press LLC.

Página 90

Karim, M., & Naz, N. (2016). Computation of Hydrodynamic Characteristics of Ships

using CFD. Bangladesh University of Engineering and Technology, Deparment

of Naval Architecture and Marine Engineering, Bangladesh.

Kerwin, J. E., & Leopold, R. (1964). A design theory for subcavitating propellers. MIT,

Department of Ocean Engineering. SNAME Transaction.

Khalil, E. (2012). CFD History and Applications. CFD Letters, 43-46.

Lackenby, H. (1950). On the systematic geometrical variation of ship forms. RINA

Transaction.

Larsson, L. (2000). A workshop on numerical ship hydrodynamics. Gothenburg:

Chalmers University.

Lerbs, H. W. (1952). Moderately loaded propellers with a finite number of blades and an

arbitrary distribution of circulation. SNAME, Transactions.

Lewis, E. V. (1988). Principles of Naval Architecture (Vol. 2). Jersey City: SNAME.

Picanço Pessoa, H. (1999). Resistência ao avanço: Uma aplicação de dinâmica dos

fluidos computacional. Tese de Mestrado, Universidade Federal do Rio de

Janeiro, COPPE, Rio de Janeiro.

Piri Reis University. (2008). Resistance of ships. Faculty of Maritime, Department of

Marine Engineering.

Prandtl, L. (1918). Tragflügeltheorie. Königliche Gesellschaft der Wissenschaften zu

Göttingen.

Ramiro, André; Taffarel, Gabriel;. (2005). Hélice. Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

Richardson, L. (1910). Hand Calculations with human computers. Philosophical

Transactions of the Royal Society A., pp. 307-357.

Richardson, L. F. (1910). The Approximate Arithmetical Solution by Finite Differences of

Physical Problems Involving Differential Equations, with an Application to the

Stresses In a Masonary Dam. Em S. A (Ed.), Transactions of the Royal Society

of London, 210, pp. 307-357.

Schlichting, H. (1968). Boundary Layer Theory. New York: McGraw-Hill.

Schneekluth, H., & Bertram, V. (1998). Ship design efficiency and economy. Butterworth

Heinemann.

Página 91

Srinivas, & Auld. (2016). 3D PRANDTL LIFTING LINE THEORY. Fonte:

www.aerodynamics4students.com.

Timoshenko, V. (2013). FreeShip. Engeland, Holanda.

UTL. (s.d.). Fundamentos de Aerodinâmica. Lisboa: Instituto Superior Técnico.

Van Lammeren, W., Van Manen, J., & Oosterveld, M. (1969). The Wageningen B-Screw

Series. SNAME.

Wikipedia, The Free Encyclopedia. (s.d.). Airfoil. Acesso em 17 de Setembro de 2017,

disponível em

https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Airfoil&oldid=800154475.

Página 92

12. Anexos

Em anexo, um maior detalhamento da utilização do software de CFD Shipflow e

o detalhamento do processo de otimização realizado.

12.1. Shipflow

A seguir um detalhamento das simulações de Resistência ao avanço, de Águas

abertas e de autopropulsão.


Para entender como funcionam a simulação de resistência ao avanço no

Shipflow, apresenta-se um exemplo de um script, ou seja, linhas de comando que

comandarão toda a simulação:

Figura 12.1 - Script de Resistência ao Avanço (Shipflow)

Os comandos do Shipflow, guiam todo a simulação, alguns comandos são

opcionais, outros, contudo, são obrigatórios. Cada módulo tem sua função especifica e

se inter-relaciona com os outros módulos, existindo módulos de configuração geral da

simulação, de controle paramétrico de malha, de solver e de pós-processamento. Esta

forma de configuração, dá ao Shipflow, uma gama de possibilidades de configurações,

o que se traduz em sua versatilidade.

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Figura 12.2 - Funcionamento dos módulos (Shipflow)

XFLOW

O primeiro módulo controla os parâmetros gerais da simulação:

• Title: Define o título da simulação, nos relatórios e imagens, identificando

cada simulação;

• Program: Define quais os módulos que estarão ativos na simulação,

caso se queira rodar somente o caso potencial ou viscoso, ou todos em

conjunto;

• Vship: Define a velocidade da embarcação e o comprimento de

referência, transformando estas informações em Número de Reynolds e

Froude;

• Hull: Define as configurações do casco, podendo-se optar por um

catamaram, monohull, twinskeg, planeio, entre outros. Além disto, define

a qualidade da malha e a presença da superfície livre;

• Offset: Define as dimensões, calado e nome do arquivo da geometria

utilizado, bem como as diferentes partes da geometria do casco em que

se deseja dividi-lo, conforme exemplo a seguir:

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Figura 12.3 - Divisões do Casco (Shipflow)

Enfatiza-se esta divisão quando se deseja diferenciar as densidades de painéis

nas simulações potenciais por região do casco, adensando mais nas regiões com maior

curvatura e diminuindo-a em regiões mais planas.

O programa, já faz estas divisões de forma automática quando o arquivo de

entrada é um arquivo de geometria como STL ou IGS. Se o arquivo for um arquivo texto

OFFSET, esta divisão precisa ser acrescida na linha de comando.

XMESH

Este módulo controla os parâmetros da malha da teoria potencial, pelo método

dos painéis:

• Body: Define um grupo de painéis e suas características de malha.

XPAN

Este módulo controla a simulação potencial.

• Iterations: Define o número de iterações máximas que o solver poderá

realizar;

• Parall: Define a quantidade de processadores utilizados nos cálculos,

podendo realizar cálculos em paralelo.

XGRID

Controla a malha tridimensional das simulações RANSE, bem como sua

distribuição.

• Size: Controla a densidade da malha no sentido radial;

• Xdist: Controla a distribuição da malha no sentido longitudinal;

• Radius: Controla o tamanho do raio máximo da malha.

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A distribuição da malha é feita da seguinte forma:

Figura 12.4 - Distribuição de Malha Tridimensional (Shipflow)

Segue exemplo de comandos para a abordagem global e zonal,

respectivamente:

Figura 12.5 - Comando para abordagem global (Shipflow)

Figura 12.6 - Comando para abordagem zonal (Shipflow)

Os comandos anteriores, possuem como referência a distribuição a seguir.

Sendo que, as nomenclaturas NW, NA, NM, NF e NU, são as respectivas densidades

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de malha e XEND, XAPD, XAPU, XFPD, XFPU e START as posições de cada região,

conforme figura a seguir:

Figura 12.7 - Distribuição Longitudinal da Malha (Shipflow)

A distribuição pode-se dar de forma automática, através de três comandos:

1. Size > coarse: Malha grossa, servindo somente para treinamentos e

demonstrações. O tamanho médio é de 113x49x71 = 393.127 elementos;

2. Size > medium: Esta malha é a padrão, não sendo necessário digitar

nada no campo XGRID para que o programa a utilize. Nesta resolução,

o programa roda mais rápidos as simulações, já com uma boa resolução,

entretanto há uma insegurança quanto a confiabilidade dos resultados. O

tamanho médio é 135x59x84 = 669.060 elementos;

3. Size > fine: Esta malha é mais refinada, portanto, oferece maior

confiabilidade nos resultados e boa qualidade de simulação, indicado

para realizar otimizações e fazer comparativos com outros métodos e

programas. O tamanho médio da malha é 160x70x100 = 1.120.000

elementos.

XCHAP

Controla os parâmetros da simulação RANSE.

• Control: Define o estágio inicial da simulação, o número máximo de

iterações e o controle do progresso do solver;

• Convergence: Controla os critérios de convergência do solver, ligando-

o, o solver para a simulação quando os resultados atingiram o critério de

convergência padrão, desligando-o, o solver somente encerrará quando

o número máximo de iterações, for alcançado.

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Simulação de Águas Abertas

Para melhor entendimento, apresenta-se um exemplo de comando de simulação

de Águas Abertas (POW):

Figura 12.8 - Script de POW (Shipflow)

XFLOW

• Propeller: Define as características físicas do hélice, como diâmetro do

propulsor e do eixo, número de pás, coeficiente de avanço, razão de área

expandida e distribuição ao longo do raio da corda, espessura,

envergadura e razão passo-diâmetro, bem como o sentido e direção de

rotação;

• SelfPropulsion: Liga a autopropulsão, isso significa que o programa

analisará o somatório de forças na direção do movimento;

• Spauto: Define qual simulação será realizada, neste caso a simulação

de Propelled Open Water (POW), ou simulação de águas abertas.

XCHAP

• Lline: Define as configurações necessárias para se utilizar a teoria das

linhas de sustentação, definindo um coeficiente friccional para o

propulsor e sua identificação;

• POW: Define para quantos coeficientes de avanço, serão realizado as

simulações de águas abertas, nome do arquivo de saída e número de

iterações.

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Simulação de Autopropulsão

Para melhor entendimento, apresenta-se um exemplo de comando de

simulação de autopropulsão:

Figura 12.9 - Script de Autopropulsão

XFLOW

• Propeller: Além das funcionalidades dita anteriormente, esta linha de

comando, define a posição do propulsor na embarcação, sempre tendo

como referência a perpendicular de ré;

• Spauto: Com o comando “Selfprop”, liga a simulação de autopropulsão

individualmente, necessitando dos dados da simulação de resistência ao

avanço e POW ou liga todas as simulações em sequência, com o

comando “ALL”.

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AVALIAÇÃO CONJUNTA DO CASCO-HÉLICE ATRAVÉS DA …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10021270.pdf · AVALIAÇÃO CONJUNTA DO CASCO-HÉLICE ATRAVÉS DA POTÊNCIA PROPULSIVA