A simulação de hélices impulsiona seu trabalho de design
A simulação numérica tem sido amplamente aceita como uma ferramenta para obter insights sobre fenômenos físicos e entender como aprimorar projetos, especialmente quando se trata de hélices. A simulação de hélices, nas mãos de engenheiros de projeto, pode ajudar a aumentar a confiabilidade dos projetos.
Resultados da simulação do fluxo em torno de uma hélice rotativa, mostrando a distribuição de pressão e a iso-superfície de vorticidade
Por que a confiabilidade é um problema?
As hélices tornaram-se o principal sistema de propulsão naval no final do século XIX. Elas substituíram muitos navios com rodas de pás, que eram o método de propulsão predominante para embarcações a motor. Desde então, as hélices têm sido amplamente utilizadas em barcos de pesca e de recreio, navios de passageiros e porta-contentores, navios petroleiros de cruzeiro de grande porte (VLCC), etc.
Figura 1: Navio a vapor fluvial típico (à esquerda) (Autor desconhecido, Domínio público, via Wikimedia Commons) e hélices do RMS Olympic, navio irmão do RMS Titanic e do HMHS Britannic (Estaleiro Harland & Wolff, Domínio público, via Wikimedia Commons)
Devido às longas distâncias de cruzeiro, especialmente para navios de grande porte, a confiabilidade é essencial tanto para as hélices quanto para os motores. Além disso, o ambiente de trabalho da hélice, ou seja, debaixo d'água, é muito severo. Portanto, a fabricação de hélices requer tecnologias de projeto e produção de alto nível. Hélices de alto desempenho precisam atender aos seguintes critérios: resistência, eficiência e cavitação.
Cavitação refere-se ao fenômeno em que bolhas são geradas na água quando a pressão da água se torna menor que a pressão de saturação. Quando a hélice gira em alta velocidade, a velocidade da água na ponta da hélice torna-se muito alta e a pressão diminui, de acordo com o princípio de Bernoulli. Quando a área de cavitação aumenta na superfície das pás, isso causa redução do empuxo, vibração e ruído. Além disso, a energia liberada pelo colapso das bolhas causa erosão nas pás.
Desafio para engenheiros de projeto
Para os engenheiros de projeto, encontrar um projeto que alcance um bom desempenho é um desafio devido ao equilíbrio entre três áreas: resistência, eficiência e cavitação. Por exemplo, se a prioridade for dada apenas à eficiência, a hélice precisaria ser mais fina, resultando em resistência insuficiente ou forte cavitação, o que danificaria a embarcação. Portanto, é imprescindível investigar o desempenho nessas três áreas. Para a investigação da resistência, podem ser aplicadas a Análise de Elementos Finitos (FEA) e testes de materiais, enquanto a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) e experimentos simulados seriam a maneira ideal de estudar a eficiência e a cavitação.
O CFD consolidou-se como uma ferramenta para prever o escoamento de fluidos, a interação fluido-estrutura e fenômenos mais complexos, como a cavitação. Os parâmetros de escoamento integrados ao longo da superfície de uma hélice são utilizados para avaliar sua eficiência e como dados de entrada para análises estruturais, representando uma carga. Além disso, a CFD permite testar virtualmente diversas variantes de produtos e otimizar o projeto de forma prática e econômica.
Quando rapidez e precisão são importantes
Um engenheiro de projeto interessado em usar CFD para trabalhar no projeto de hélices tem necessidades específicas que exigem o uso de um produto específico. Como a principal tarefa de um engenheiro de projeto é o próprio projeto, o software de CFD usado para simulação precisa ser fácil de usar, poderoso para lidar com modelos complexos (e com imperfeições), preciso e rápido para acompanhar o ritmo do processo de projeto. E, talvez o mais importante, precisa ser integrado ao CAD.
O Simcenter FLOEFD é uma ferramenta de CFD integrada ao Designcenter NX, Designcenter Solid Edge, CATIA V5 e Creo. É uma ferramenta ideal para engenheiros de projeto, pois permite realizar análises de CFD dentro do ambiente CAD de sua preferência, sem a necessidade de aprender uma nova interface de usuário. O Simcenter FLOEFD é altamente automatizado e, graças à sua tecnologia exclusiva SmartCells™, os engenheiros de projeto podem realizar simulações de CFD facilmente, sem simplificar a geometria. É rápido e, ao mesmo tempo, altamente preciso para acompanhar o ritmo acelerado do ambiente de projeto. Vejamos um exemplo.
Caso de teste de simulação de hélice de Potsdam
Foi utilizado o caso de teste de referência Potsdam Propeller Test Case (PPTC).
Os dados relativos ao caso de teste de referência foram publicados pela Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH (SVA) para testar e validar metodologias de simulação. Uma parte significativa do trabalho realizado pela SVA está relacionada a projetos de pesquisa. Com seus três departamentos — Resistência e Propulsão, Hélices e Cavitação, e Manobras e Ondas —, a SVA abrange todo o espectro da prática moderna de testes na construção naval.
A hélice VP1304 foi utilizada no teste de referência. Projetada para gerar um vórtice de ponta, a VP1304 é uma hélice de passo controlável com rotação no sentido horário.
Diâmetro | D = 0,25 m |
Relação de inclinação r/R = 0,7 | P0,7 /D = 1,635 |
Proporção de área | AE/A0 = 0,77896 |
Comprimento da corda r/R = 0,7 | c0,7 = 0,10417 m |
Distorção | θEXT = 18,837° |
Proporção do cubo | dh /D = 0,3 |
Número de lâminas | Z = 5 |
Sentido de rotação | direita |
Tabela 1: Principais características geométricas do VP1304
Figura 2: Modelo da hélice VP1304
Modelo de simulação
Na simulação do teste em águas abertas, duas escalas geométricas do modelo são consideradas: um modelo em escala reduzida com uma relação de escala de 12 e um modelo em tamanho real. Para esses dois casos, as propriedades da água diferem ligeiramente entre si, sendo a taxa de rotações de 15 1/s para o modelo em escala reduzida e de 4,33 1/s para o modelo em tamanho real. Os resultados das simulações para cinco coeficientes de avanço J = 0,6, 0,8, 1,0, 1,2 e 1,4 são comparados com os dados experimentais. Para essa comparação, são considerados o coeficiente de empuxo (KT), o coeficiente de torque (KQ) e a eficiência em águas abertas (η0). A malha no Simcenter FLOEFD foi criada como uma malha retangular uniforme dominante com alta densidade na vizinhança das pás e estendida em direção aos limites do domínio computacional com uma determinada proporção. Graças à tecnologia exclusiva SmartCells™ do Simcenter FLOEFD, não é necessário resolver a camada limite pela malha. O tamanho total da malha para esta tarefa é de 6 milhões de células (Figura 3).
Figura 3: Malha ao redor da hélice com refinamento local da malha
Os cálculos foram realizados no regime transiente utilizando a tecnologia de malha deslizante para simular a rotação da hélice. O intervalo de tempo para o modelo em escala reduzida é de 0,0024 s e para o modelo completo é de 0,0083 s.
Tarefa | Tempo [min] |
Preparação/Reparo de Modelos | 0 |
Configuração do modelo físico | 10 |
Configuração da malha/Geração de grade | 30 (tempo parcialmente em computador) |
Resolvendo | 350 por caixa (10 trabalhos em paralelo) |
Pós-processamento | 240 |
Investimento humano total | 280 (4,5 h) |
Tempo total (humano + solucionador) | 630 (10,5 |
Tabela 2: Fluxo de trabalho e esforços humanos/computacionais
O desempenho da hélice é geralmente representado por meio de coeficientes adimensionais, como os coeficientes de empuxo e torque e a eficiência em águas abertas. A comparação entre os resultados da simulação e os dados experimentais em termos desses coeficientes é mostrada nas Figuras 4 e 5. Esses gráficos mostram boa concordância entre os dados do Simcenter FLOEFD e as medições, com erros relativos ponderados em todos os coeficientes de avanço para o modelo em escala de 0,62% para KT, 2,65% para KQ e 3,18% para η0. Para o modelo completo, esses erros são de 1,69% para KT, 4,46% para KQ e 5,86% para η0. Todos os dados mostram que KT e KQ diminuem com o aumento de J e η0 atinge o máximo em J = 1,4.
Figura 4: Características em águas abertas do modelo de hélice em escala reduzida
Figura 5: Características em águas abertas do modelo de hélice completa
As figuras a seguir mostram a distribuição de velocidade e pressão ao redor da hélice para J = 0,6 e 1,2 na seção transversal central nos planos lateral e frontal do modelo em escala (Figuras 6 e 7).
Figura 6: Distribuições de velocidade (acima) e pressão (abaixo) em J = 0,6 (esquerda) e J = 1,2 (direita) para o modelo em escala na seção transversal central no plano lateral
Figura 7: Distribuições de velocidade (acima) e pressão (abaixo) em J = 0,6 (esquerda) e J = 1,2 (direita) para o modelo em escala na seção transversal central no plano frontal.
A Figura 8 mostra a distribuição de pressão na seção transversal central e as iso-superfícies de vorticidade para os modelos escalonado (velocidade angular de 15 1/s) e completo (velocidade angular de 4,33 1/s).
Figura 8: Distribuição de pressão na seção transversal central e iso-superfícies de vorticidade para os modelos escalonado (esquerda) e completo (direita)
A SVA também publicou dados experimentais do regime de cavitação para o modelo em escala reduzida em termos de coeficiente de empuxo, e os resultados do Simcenter FLOEFD desse fenômeno complexo foram comparados com as medições. O caso com J = 1,019 e número de cavitação (σn) = 2,024 foi considerado. Para este teste, a taxa de rotações foi de 24,987 1/s.
A comparação entre as previsões do Simcenter FLOEFD e os dados experimentais é mostrada na Tabela 5 e nas Figuras 9 e 10. Deve-se notar que eles são comparáveis.
Figura 9: Observação da cavitação no experimento (esquerda) e iso-superfícies para volume de vapor com valor de 20% no Simcenter FLOEFD (direita)
J | σn | KT | |
Simcenter FLOEFD | 1.019 | 2.024 | 0,3703 |
Experimentar | 1.019 | 2.024 | 0,3725 |
Erro, % | – | – | 0,6 |
Tabela 3: Características do teste de cavitação do modelo de hélice em escala reduzida
Conclusão
Em conclusão, este estudo demonstra a capacidade do Simcenter FLOEFD de resolver este tipo de aplicações para hélices marítimas e de encontrar características não só para testes em mar aberto, mas também para regimes de cavitação. A possibilidade de realizar este tipo de estudo no sistema CAD de sua preferência é uma grande vantagem para os engenheiros de projeto que desejam otimizar o desempenho da hélice nas fases iniciais do projeto.
Figura 10: Observação do fluxo no experimento (esquerda) e no Simcenter FLOEFD (direita) para o regime de cavitação
Referências
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