Método baseado em dinâmica de fluidos computacional (CFD) para cálculo de coeficientes de manobra de navios. - Chame, Maria Eduarda Felippe (2024)
A previsão de manobras representa um desafio complexo que visa determinar a trajetória de um navio durante a navegação sob condições de deriva, especialmente em áreas restritas como portos e canais. A manobrabilidade de uma embarcação, uma característica intrínseca do casco, refere-se à capacidade do navio em executar uma variedade de ações quando os dispositivos de controle são acionados. Entre essas ações, destacam-se: iniciar e interromper guinadas, ajustar velocidades, parar o navio, manter o rumo e realizar giros. A manobrabilidade de um determinado navio é avaliada conforme a resolução MSC 137(76) da IMO [Standards for Ship Manoeuvrability]. Dentre as metodologias empregadas há medições em escala real, testes com modelos em escala reduzida que consideram similaridade geométrica, cinemática e dinâmica , e análises com modelos numéricos por meio de simulação computacional. Normalmente, esses modelos matemáticos empregam coeficientes de manobra para descrever a componente hidrodinâmica. A estratégia preferida e tradicional para determinar estas quantidades reside na utilização de descrições empíricas das forças e momentos atuando no casco, também conhecidas como derivadas hidrodinâmicas. Apesar desses coeficientes serem amplamente utilizados, publicações recentes trouxeram à tona dados experimentais de embarcações modernas, revelando uma lacuna quando essas formulações foram comparadas com aquelas medidas, principalmente na determinação da derivada linear que descreve a força lateral. Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) é uma ferramenta promissora para explorar a hidrodinâmica de navios, que permite examinar fenômenos complexos a um custo significativamente menor do que as abordagens experimentais tradicionais. Consequentemente, este método está se tornando cada vez mais popular em simuladores de manobras, com inúmeras aplicações publicadas na literatura. Assim, a questão que levou a esta tese foi originada por este intrigante problema relacionado às manobras e como o método baseado em CFD poderia melhorar a previsão dos coeficientes de manobra, principalmente àqueles de origem linear. Esta tese conduziu um processo de validação em três etapas. Primeiro, as forças e momentos hidrodinâmicos que atuam em um casco em escoamento oblíquo foram calculados através de do método CFD usando o código aberto OpenFOAM. Estes foram validados em relação a casos de referência para três ângulos de deriva diferentes. Nesta fase, a dependência do formato do casco também foi investigada. Uma segunda etapa foi realizada para validar os coeficientes de manobra obtidos pelo método baseado em CFD. Neste contexto, foi abordada a suposição de linearidade para a obtenção dos coeficientes hidrodinâmicos e o ângulo limite foi determinado. Essas derivadas lineares foram validadas com casos de referência, e os resultados obtidos pelo método baseado em CFD concordaram com os medidos. Para o linear sway velocity derivative (YV ), o erro relativo máximo foi de 4, 69%. No entanto, em relação ao linear yaw velocity derivative (NV ), os valores foram encontrados mais elevados, com um erro relativo máximo de 9, 37%. Uma última contribuição deste trabalho foi a proposta de uma fórmula empírica para prever a derivada linear em relação à força lateral obtida a partir de cálculos de CFD e, em seguida, a terceira etapa do processo de validação foi concluída comparando as trajetórias obtidas através do novo método empírico e dados de referência. Conforme demonstrado por estes exercícios de validação, o método proposto previu com sucesso os coeficientes hidrodinâmicos em ângulos de deriva baixos. Mais do que isso, o método baseado em CFD foi uma ferramenta valiosa para realizar vários cálculos necessários para alimentar o modelo de regressão e fornecer uma fórmula empírica bem sucedida para prever a derivada linear. O novo método proposto por esta tese foi capaz de reduzir o erro relativo absoluto de 23% para 10% para um teste de manobra típico. Estas descobertas têm implicações significativas para a segurança nas operações de manobra, uma vez que ao aumentar a acurácia na obtenção desta derivadas lineares, uma consequente melhora nas previsões de manobra é esperada.