Metodologia
O projeto de embarcações é uma atividade multidisciplinar dominada por duas matérias preponderantes: mecânica estrutural e mecânicas dos fluidos. A segunda dessas duas áreas do conhecimento, em particular, é dominada por fenômenos não-lineares, o que, no passado, resultou no estabelecimento de diversas práticas fortemente ancoradas em ensaios em escalas reais e laboratoriais, através do estabelecimento de relações de projeto baseadas em regressões e grupos adimensionais.
Em tempos modernos, a predição do desempenho de embarcações alcançou um nível elevado de sofisticação, sendo alicerçada por dinâmica dos fluidos computacional (DFC). A validação de predições, entretanto, depende de uma precisa modelagem dos elementos, para a correta distinção das forças atuantes sobre corpos flutuantes. Por este motivo, a modelação matemática, a experimentação e a simulação numérica passaram a ser entidades indissociáveis. O canal d’água estabelece as condições para que investigações teóricas e numéricas ora realizadas possuam contrapartida experimental.
Uma embarcação é um complexo sistema interconectado cujos detalhes de projetos influenciam simultaneamente as várias forças existentes. Por exemplo, uma mudança na forma do casco para diminuir o arrasto, afetará também sua estabilidade. Assim, determinar quando uma mudança pode trazer vantagens, ou não, pode ser uma tarefa muito difícil. Simulações destinadas a responder perguntas deste tipo necessitam de experimentos em escala real ou reduzida para sua validação.
A modelagem da resistência hidrodinâmica de navios freqüentemente decompõe este termos em cinco contribuições. Dentre estas, destacamos a resistência por atrito, a resistência provocada por apêndices e a resistência resultante das ondas.
Embora a resistência por atrito seja a maior delas, ela é também a menos amena ao tratamento teórico/numérico. Nos últimos anos, vários pesquisadores vêm aplicando modelos turbulentos baseados nas equações promediadas de Navier-Stokes (RANS) para a previsão da resistência viscosa de embarcações. A literatura registra normalmente comparações entre simulações numéricas e ensaios para navios de grande porte dos coeficientes de pressão e de atrito na parede com erros da ordem de 30%.
No presente, nenhum método existente pode ser considerado adequado para a simulação das forças de resistência por atrito de cascos e sua interação com os efeitos de superfície.
Para apêndices – quilha, bulbo, leme – métodos baseados em RANS deveriam ser capazes de fornecer bons resultados. Em artigos publicados, ficou demonstrado que simulações de sistemas quilha-bulbo podem ter suas propriedades médias estimadas com erros de 10%. A previsão de grandezas turbulentas, entretanto, falha por duas ordens de grandeza.
Técnicas de redução do arrasto podem ser classificadas em ativas e passivas. Inúmeros mecanismos especiais de redução do arrasto incluindo (i) a injeção ou sucção normal de fluido na parede, (ii) a injeção tangencial de fluido por aberturas na parede, (iii) a utilização de material rugoso para a prevenção de separação, (iv) a otimização de formas para o controle dos gradientes de pressão, (v) 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. Portanto, o desenvolvimento de projetos de pesquisa nos temas listados acima e seus correlatos devem ser apoiados.
O breve histórico apresentado acima evidencia que o projeto ótimo de navios depende em muito do 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.
O canal d’água do NIDF é capaz de fornecer suporte experimental para a validação de teorias de controle de escoamentos. Suas características são:
- 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
- Seções de contração e expansão: fibra de vidro ou polipropileno.
- Característica especial: grande área de visualização, incluindo o fundo.
- Razão da seção de contração: 2:1.
- Comprimento da seção de contração: 2,46 m.
O canal possibilita a execução de ensaios específicos em uma lâmina d’água relativamente alta e número de Reynolds da ordem de 105. Suas dimensões permitem a utilização de instrumentação sofisticada, particularmente, permitindo o uso de lasers de média potência.
Após a construção do canal, nos últimos 6 meses de duração do projeto, técnicas de redução do arrasto por inclusão de ranhuras longitudinais em superfícies e por injeção de micro-bolhas serão investigadas.
A instrumentação a ser utilizada será baseada em velocimetria por imagem de partículas (PIV) e anemometria laser Doppler (LDA).
A velocimetria por imagem de partículas (PIV) é uma técnica baseada na determinação do caminho percorrido por partículas traçadoras suspensas no escoamento. Portanto, como o LDA, esta é uma técnica de medição indireta. Logo, deseja-se que as partículas traçadoras estejam homogeneamente distribuídas pelo escoamento e que não alterem suas propriedades. Neste caso, a velocidade local do escoamento pode ser obtida a partir de múltiplas imagens dos traçadores, quando os deslocamentos identificados são divididos pelo tempo decorrido entre duas imagens sucessivas. Para que se obtenha uma velocidade instantânea, é necessário que o tempo entre exposições, e a resolução espacial, sejam pequenos quando comparados com as escalas temporais e espaciais do escoamento.
