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O ano de 1983 foi marcado por um grande furor para os adeptos da vela, e, em particular, das regatas oceânicas. Com a introdução pelo barco australiano de quilhas com asas na America's Cup foi inaugurada a era das plataformas de quilhas radicais. Desde então embarcações tem sido desenvolvidas com asas enflexadas para a frente, com bordo de fuga elíptico, com winglets com pivotamento, ou outras inúmeras inovações. |
A força de sustentação gerada pela quilha depende de pelo menos 3 parâmetros: sua área, seu coeficiente de sustentação e a velocidade da embarcação. Sob este ponto de vista, o desejável seria uma quilha com grandes áreas e coeficientes de sustentação. Entretanto, sob a água, a quilha também gera arrasto. Um aumento de área também resultará em um aumento do arrasto. De fato, a força de arrasto resultará de dois efeitos: o arrasto induzido e o arrasto de forma. O arrasto induzido é produzido pela componente de força de sustentação que age em sentido contrário ao do escoamento. O arrasto de forma depende da geometria da quilha: do atrito superficial, e do atrito provocado pela esteira que se forma. O arrasto induzido pode ser minimizado pela confecção de quilhas com uma grande razão de aspecto. O arrasto de forma requer uma cuidadosa escolha do perfil transversal da quilha para sua minimização.
Portanto, o projeto de uma quilha deve começar pela escolha do perfil que lhe forneça a força de sustentação desejada. Esse mesmo perfil deverá desenvolver a menor força de arrasto possível. Quilhas mais esbeltas provocam um arrasto menor; entretanto, a força de sustentação provocada também será menor. Isso obrigará o projetista a aumentar a área da quilha com um decorrente aumento de arrasto. É justamente essa relação de compromisso que torna o projeto que quilhas uma tarefa difícil.
Em adição aos requisitos listados acima, o projeto de uma quilha também deve atender outras condições.
A quilha deve:
1) Fornecer suficiente volume para lastro;
2) Proporcionar uma posição de deslocamento lateral adequada para equilibrar o mastro;
3) Suportar lastro adicional em sua base para equilibrar a embarcação. Fica, portanto, evidente que o projeto da quilha de uma embarcação requer a elaboração de ferramentas sofisticadas para o seu desenvolvimento.
O objetivo da presente pesquisa é avaliar como o presente estado da arte para a modelagem de escoamentos turbulentos complexos pode ser utilizado para o projeto racional de plataformas complexas de quilhas. Não será feito um estudo exaustivo de toda e possível modelagem turbulenta existente. Mas, sim, pretende-se estudar com bastante cuidado o desempenho de modelos diferenciais de duas equações e modelos de tensão de Reynolds.
Todo esse esforço deverá ser validado contra medições obtidas em túneis de vento por intermédio da anemometria de fio-quente, de velocimetria por imagem de partículas e por anemometria laser Doppler.
Todas as previsões numéricas serão testadas contra dados de perfis médios, bem como contra características turbulentas do escoamento. Dois tipos de quilha serão ensaiados.
Simulador para o projeto de propulsores navais
Historicamente, a análise da operação dos propulsores marítimos do tipo hélice tem sido baseada em resultados de ensaios experimentais conduzidos em tanques de provas e túneis de cavitação. Tal procedimento não representa necessariamente uma opção, mas sim, uma alternativa viável para o estudo das características do escoamento ao redor de propulsores marítimos.
A complexidade da geometria dos hélices impõe dificuldades para o desenvolvimento de métodos de análise aptos a fornecer uma detalhada descrição das propriedades do campo de escoamento ao seu redor. Não obstante a disponibilidade de técnicas experimentais plenamente consolidadas para o estudo da operação de hélices, são óbvias as limitações de caráter prático para a medição dos campos de velocidades e de pressões nas superfícies das pás.
Recentemente, os avanços observados nos modelos numéricos e métodos matemáticos em dinâmica dos fluidos computacional (CFD – Computational Fluid Dynamics) têm proporcionado bons resultados na análise de escoamentos complexos. Vários trabalhos têm sido apresentados na literatura sobre o tema da análise do escoamento ao redor de propulsores marítimos.
Sendo assim, a definição geométrica dos hélices precisa ser implementada de forma numérica a fim de abastecer os modelos computacionais em CFD. O programa computacional Hélix vem sendo desenvolvido por alunos de mestrado do Laboratório Mecânica da Turbulência a fim de representar a superfície das séries de hélices mais utilizadas na Engenharia Naval e exportar para os modelos em CFD e além disse, ser capaz de efetuar estimativas preliminares de torque e empuxo utilizando a teoria potencial em método dos painéis. A atual fase do programa já permite a modelação geométrica das séries B e Kaplan, e exportação destas geometrias para o modelo em CFD. Diversos hélices modelados já foram testados e validados com base em resultados experimentais.
A figura a seguir mostra a interface gráfica do programa Hélix.
As figuras a seguir, extraídas do modelo em CFD, mostram os resultados encontrados para hélices Série B.
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Redução do arrasto de embarcações por formas ativas e passivas
Técnicas de redução do arrasto podem ser geralmente classificadas em ativas e passivas. Inúmeros mecanismos especiais de redução do arrasto incluindo:
1) A injeção ou sucção normal de fluido na parede;
2) A injeção tangencial de fluido por aberturas na parede;
3) A utilização de material rugoso para a prevenção de separação;
4) A otimização de formas para o controle dos gradientes de pressão
5) A adição de polímeros, entre outros, têm recebido um tratamento privilegiado nos últimos 40 anos.
Mais recentemente, três tópicos têm recebido importância crescente em aplicações navais: a redução do arrasto pela (i) inserção de ranhuras longitudinais na superfície molhada, (ii) pela inserção de micro-bolhas e (iii) pela utilização de tintas (material polimérico) especiais. O domínio dessas técnicas garante uma substancial redução na resistência por atrito de corpos flutuantes, ou mesmo, totalmente imersos.
A presente pesquisa estuda as características de desempenho de superfícies com ranhuras longitudinais. O objetivo central é investigar como as ranhuras interagem com a morfologia da camada limite turbulenta provocando uma redução no arrasto.
Como forma padrão de superfície ranhurada para a redução do arrasto foi escolhida a silhueta das baleias azuis (balaenoptera musculus). Superfícies lisas e ranhuradas baseadas em sua geometria estão sendo ensaiadas em túneis de vento com vistas à caracterização do escoamento. Medições tomadas com velocimetria por imagem de partículas e anemometria laser Doppler estão sendo utilizadas para quantificar a estrutura do escoamento em ambas situações.
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Desafio Solar
Coppe participa do primeiro rali brasileiro de barcos à energia solar
Alunos, professores e pesquisadores da Coppe participaram e venceram o primeiro rali de barcos movidos à energia solar realizado no Brasil. Dos 14 barcos inscritos na competição, que aconteceu dos 16 a 24 de outubro de 2009, na cidade de Paraty, no Rio de Janeiro, quatro foram conduzidos por professores e alunos da Coppe. A competição teve, ao todo, sete dias de prova, com quatro horas e 40 km de percurso em cada.
Das quatro embarcações da Coppe inscritas no evento, os barcos Carcará e Gabriela foram construídos com tecnologia própria, desenvolvida no Laboratório de Mecânica da Turbulência (LabMecTurb) da Coppe sob a coordenação do professor Átila Pantaleão.
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| Barco Carcará em teste na água, com integrantes da equipe do Laboratório de Mecânica da Turbulência. |
Gabriela pilotado pelo aluno Luis de Luca, integrante do Laboratório de Mecânica da Turbulência. |
Canal d’água
O projeto ótimo de navios depende em seu desenvolvimento de métodos capazes de reduzir as forças de resistência ao avanço por atrito. Esses métodos dependem, por sua vez, do apoio de simulações experimentais especializadas e completas. Por esse motivo, LabMecTurb pretende construir um canal d’água capaz de fornecer suporte experimental para a validação de teorias de controle de escoamentos com vistas a aplicações navais. |
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Com esse objetivo, foi pensando um aparato com as seguintes características:
Dimensões gerais do canal:
- Altura = 0,70m
- Altura máx lâmina d’água = 0,60 m
- Largura = 0,60 m
- Área seção transversal = 0,36 m2
- Comprimento = 12,00 m
- Volume = 4,32 m3
- Condições operacionais: Vmax = 0,5 m/s
- Tubulação: material termoplástico.
- Diâmetro nominal do tubo de retorno = 400 mm.
- Medidor de vazão: Eletromagnético, calibrado e com rastreabilidade. Instalado na tubulação para monitoramento da vazão.
- Estrutura metálica: alumínio.
- Seções de contração e expansão: fibra de vidro ou polipropileno.
- Característica especial: grande área de visualização, incluindo o fundo.
- Ensaios mecânicos segundo normas NBR para avaliação do resultado da colagem dos vidros e de sua resistência.
- Distribuição das placas laterais de vidro: 1,5 + 3 + 3 + 3 +1,5 = 12 metros.
- Razão da seção de contração: 2:1.
- Comprimento da seção de contração: 2,46 m.
Esse canal será construído assim que um financiamento específico seja obtido.
