Estudo de Caso: engenharia naval usa o Simcenter STAR-CCM para otimizar o sistema de propulsão de barco patrulha
- Alvaro Filho
- 15 de jan.
- 8 min de leitura
A MRA usa a solução da Siemens para obter US$ 44.000 em economia anual de combustível por embarcação e aumentar a velocidade máxima em 0,93 nós.
Associados de Pesquisa Marítima
Maritime Research Associates, LLC (MRA) é uma empresa de arquitetura e engenharia naval localizada em Ann Arbor, Michigan, Estados Unidos. A MRA trabalha para clientes nas áreas de pesquisa e desenvolvimento (P&D) hidrodinâmico numérico básico e aplicado que abrangem todos os setores da indústria marítima.
A MRA desenvolveu um sistema de propulsão otimizado para o barco patrulha Global Response Cutter (GRC) de 43 metros (m) do Westport Shipyard, usando o solucionador multiuso Navier Stokes da Siemens Digital Industries Software, o software Simcenter™ STAR-CCM+™, para projetar as hélices, suportes e lemes. O projeto permitiu que o estaleiro alcançasse economia de combustível, aumentasse a velocidade máxima, eliminasse a cavitação erosiva do apêndice e reduzisse o ruído e a vibração.
A hélice e os suportes foram construídos pela Michigan Wheel Marine e os lemes pela Westport Shipyard. O esforço de design do sistema de propulsão foi financiado conjuntamente pela MTU Detroit Diesel e Westport Shipyard.
O GRC 43m é um navio patrulha de última geração, que foi construído para atender aos padrões do American Bureau of Shipbuilding (ABS) para embarcações de alta velocidade. O navio, construído em resposta à demanda mundial antecipada por um cortador de resposta rápida, é construído inteiramente de materiais compostos. Técnicas inovadoras de design e fabricação resultaram em um navio que está no prazo, no orçamento e conforme prometido. A dinâmica de fluidos computacional (CFD) desempenhou um papel importante no design do navio. O CFD foi usado para projetar um sistema otimizado de suporte-leme-hélice que interage eficientemente com o formato do casco do GRC.
Figura 2: Comparação entre resultados experimentais e numéricos selecionados para aplicações TY Offshore 1 e 2.
Projeto de sistema de propulsão marítima
Os principais componentes de um sistema de propulsão são a usina de energia, a transmissão e o propulsor. Com uma demanda cada vez maior por embarcações maiores e mais rápidas, o design otimizado da hélice é essencial para maximizar o desempenho que aumenta a eficiência. Esse aumento na eficiência para determinadas velocidades da embarcação leva a menores custos de combustível ao minimizar o consumo de energia. Por outro lado, para uma determinada potência, o aumento da eficiência maximiza a velocidade da embarcação. Além disso, as demandas de regulamentações de controle de ruído e emissão exigem melhor seleção e interação das hélices com o navio como um sistema.
As hélices são projetadas para eficiência, controle de ruído e vibração, evitando cavitação erosiva e atingindo impacto ambiental mínimo. Ao adotar uma abordagem abrangente para todas essas áreas, há um risco reduzido de desempenho ruim. No entanto, no clima atual de desafios globais de energia, a economia de combustível é frequentemente a consideração predominante para operadores de navios.
Impulsionado por pressões comerciais, o design moderno de sistemas de propulsão tem se apoiado menos em testes de modelos tradicionais e se movido para uma combinação de métodos de design computacional por análise e testes sistemáticos de validação tanto em escala de modelo quanto em escala real. Com os avanços tecnológicos em engenharia auxiliada por computador (CAE) na indústria marítima, mais sistemas de propulsão estão sendo projetados exclusivamente por análise antes do teste experimental do modelo final.
Isso pode potencialmente resultar em enormes economias de tempo e custo, seja reduzindo ou eliminando testes físicos caros. O papel dos testes de modelos físicos está evoluindo para mais um mecanismo de validação. Além disso, o CAE oferece um método rápido e econômico para analisar configurações de hélices e suas interações com toda a embarcação em escala total, evitando assim os efeitos do dimensionamento do modelo.
O objetivo de qualquer projeto de embarcação é produzir uma forma de casco com resistência mínima sujeita a restrições de navegação, um sistema de propulsão que opere eficientemente na esteira da embarcação e um leme que manobre o navio com segurança. No entanto, esses três componentes não podem ser vistos isoladamente, pois cada componente também influencia o desempenho dos outros de várias maneiras. Os solucionadores Reynolds Average Navier Stokes (RANS) podem ser usados para análise de hélice em águas abertas, testes de resistência anexada e análise de autopropulsão, que inclui os efeitos da cavitação.
Figura 3: Malha computacional na superfície livre e no vaso.
Hélice Westport GRC: projeto por análise
O Westport Global Response Cutter é uma embarcação para segurança e patrulha litorânea e offshore. A embarcação tem uma velocidade máxima de 32,8 nós e um alcance de 1.000 milhas náuticas (nm) em velocidade máxima. A embarcação usa dois motores MTU 16V400 acoplados a hélices de cinco pás, todos comprovados para embarcações rápidas com altos fatores de carga e máxima disponibilidade de missão.
As hélices, suportes e lemes foram todos projetados com uma abordagem adaptada à esteira pela MRA usando o Simcenter STAR-CCM+. O design permitiu que os proprietários do GRC 43 reduzissem o consumo anual previsto de combustível em 11.000 galões, alcançando assim US$ 44.000 por ano em economia de combustível por embarcação, aumentando a velocidade máxima em 0,93 nós, reduzindo as amplitudes de pulso de pressão irradiada em 40 por cento, eliminando a cavitação do suporte e do leme e reduzindo o ruído e a vibração.
Para ganhar total confiança na análise computacional, é essencial validar a metodologia numérica com resultados experimentais. O Simcenter STAR-CCM+ tem um código computacional robusto que foi bem validado em várias aplicações marítimas. A MRA também construiu uma metodologia computacional interna usando o Simcenter STAR-CCM+ após validar o desempenho do código em relação aos resultados experimentais para vários problemas.
Um exemplo de validação é mostrado na figura 2. Aqui, a capacidade do Simcenter STAR-CCM+ de prever com precisão o desempenho do sistema de suporte-hélice-leme foi validada em relação a um programa de teste de modelo abrangente no tanque de reboque despressurizado no Instituto de Pesquisa Marítima da Holanda (MARIN). Isso permitiu que a MRA ganhasse confiança e validasse a estratégia de solução computacional. O programa MARIN foi financiado pela TY Offshore e MTU Detroit Diesel. A imagem mostra uma comparação de amostra entre resultados experimentais e numéricos selecionados para a aplicação TY Offshore.
Devido à confiança adquirida com estudos de validação, o projeto do sistema de suporte, hélice e leme foi amplamente realizado usando o Simcenter STAR-CCM+. Os estágios finais do processo de projeto consistiram em 10 projetos de hélice e cinco iterações de projeto para os suportes e lemes. Todos eles foram simulados no Simcenter STAR-CCM+. Essas combinações foram analisadas na configuração “atrás” ou de autopropulsão.
Este modelo computacional consistia no casco do navio, apêndices, hélices, lemes e suportes. Um domínio computacional foi construído em torno do modelo para representar os domínios de fluidos de líquido e ar, com uma superfície livre na junção dos dois fluidos. O método de volume de fluido (VOF) no Simcenter STAR-CCM+ foi usado devido à presença de dois fluidos imiscíveis. O método resolve a fração de volume de cada fluido em cada célula. A superfície livre é o local onde a fração de volume está entre 0 e 1 para capturar a interface entre os dois fluidos. As ondas de superfície livre são especificadas no Simcenter STAR-CCM+ usando a capacidade de ondas VOF.
O domínio computacional foi discretizado em células de formato poliédrico e hexaédrico e as equações de Navier Stokes foram resolvidas dentro de cada célula para ambos os fluidos. A malha perto da superfície livre foi refinada o suficiente para resolver a altura da onda e o comprimento de onda. A análise de autopropulsão exigiu um domínio externo estacionário de células hexaédricas aparadas e um domínio interno rotativo de células poliédricas.
O domínio poliédrico interno definiu a geometria da hélice, permitindo a rotação da hélice, e tinha cerca de 1,5 milhões (M) de células computacionais. O domínio hexaédrico externo definiu o casco do navio, apêndices e os fluidos circundantes com volumes de células de 1,5 a 2M. Uma malha de camada limite consistindo de células prismáticas foi usada para capturar a camada limite do fluxo perto das superfícies sólidas.
Os testes de propulsão foram conduzidos iterando diferentes combinações dos projetos até que todos os requisitos de desempenho fossem atendidos. Os testes foram conduzidos na velocidade máxima de 32,5 nós. A amplitude da onda ao redor da embarcação em um ponto de projeto para a geometria final é mostrada na figura 4. A figura 5 mostra a geometria otimizada inicial e final da hélice, leme e suportes. A cavitação nos componentes foi bastante reduzida do projeto inicial em todos os componentes. Também é vista a geometria final otimizada do suporte em V, adaptada ao perfil de esteira do casco. A figura 6 mostra a comparação dos projetos inicial e final do leme. O projeto otimizado reduziu a cavitação e foi projetado para influência mínima da esteira da hélice na cavitação.
Figura 4: Amplitude de onda para a geometria final.
Projeto final
O projeto otimizado final foi considerado como oferecendo excelente economia de combustível com uma redução estimada de 11.000 galões de combustível com uma economia de custo de $ 44.000 por ano por embarcação quando comparado com a tecnologia comercial pronta para uso (COTS) típica. Houve também um aumento de 0,93 nós na velocidade máxima, o que teria exigido 180 quilowatts (kW) adicionais por motor se uma abordagem COTS padrão tivesse sido adotada.
Um dos principais parâmetros usados para caracterizar o desempenho de um navio é o coeficiente quase propulsivo (QPC), que é a razão entre a potência efetiva e a potência fornecida pelos motores. As comparações de desempenho foram feitas com opções de hardware de propulsão COTS em três velocidades: loiter a 12 nós, trânsito a 22 nós e flanco a 32,5 nós. A economia de combustível por ano com o novo design foi de aproximadamente US$ 11.000 por 1% de QPC, levando a uma economia total de combustível de US$ 44.000 com economia de 4% de QPC. A economia de QPC também levou a um ganho de velocidade de 0,22 nós para loiter, 0,72 nós para trânsito e 0,93 nós para velocidade de flanco. O design otimizado eliminou ainda mais a cavitação no suporte e no leme com alinhamento de esteira. Melhorias adicionais incluíram uma redução de 40% nas amplitudes de pulso de pressão irradiada, levando a embarcações mais silenciosas.
Um sistema de suporte-hélice-leme totalmente otimizado foi projetado exclusivamente com base em métodos computacionais com excelentes retornos em custo, desempenho e eficiência. A embarcação final é uma plataforma de alta qualidade e custo-efetiva para serviços exigentes de barcos de patrulha.
Nos últimos anos, tem havido uma ênfase crescente no uso de domínios computacionais que espelham os tanques de reboque e túneis de cavitação de instalações experimentais tradicionais para o desenvolvimento numérico da forma do casco e dos sistemas propulsores.
À medida que os custos dos processadores continuam a diminuir, juntamente com ferramentas estáveis, validadas e verificadas, como o Simcenter STAR-CCM+, a tendência em direção a uma maior ênfase no desenvolvimento numérico de sistemas marítimos continuará a se expandir.
Figura 5: Comparação dos projetos original e final, mostrando cavitação nos componentes.
Figura 6: Comparação do projeto inicial e final do suporte em V adaptado à esteira.
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