Impatto delle Superfici Libere sull'Energia Cinetica Turbolenta nelle Navi

L'energia cinetica turbolenta (TKE) è un modo fighissimo per misurare i carichi instabili che le navi affrontano quando si muovono nell'acqua. Questa misura è importante per progettare cose come eliche e dispositivi che aiutano a risparmiare energia. Di solito, si fanno simulazioni usando un modello semplificato che presume simmetria per risparmiare tempo e fatica. Ma le navi reali non hanno questo lusso. Si trovano ad affrontare una Superficie Libera d'acqua, il che può cambiare completamente le regole del gioco.

In uno studio di caso che coinvolgeva un grande vascello conosciuto come Japan Bulk Carrier, sono state fatte simulazioni considerando e non la superficie libera. Queste simulazioni hanno esaminato la TKE nei nuclei dei vortici dietro la nave. Ci si è concentrati anche sul pinpointing del centro di questi vortici, perché prenderlo giusto è fondamentale per capire i modelli di flusso.

Curiosamente, quando sono state eseguite simulazioni con una rete più fine, hanno rivelato una tendenza inaspettata nella TKE, spingendo a un’indagine più profonda per escludere problemi legati al metodo usato da un modello ibrido. Fondamentalmente, abbiamo scoperto che spostare le posizioni dei nuclei vorticosi ha alterato significativamente i risultati, il che solleva interrogativi sulla fidabilità delle posizioni centrali sperimentali.

Per migliorare il confronto dei risultati, è stata usata una posizione fissa per i nuclei vorticosi in tutti i casi. Questa modifica ha rivelato una storia diversa. Le maglie medie sono state poi adattate, e un box di rifinitura è stato esteso ulteriormente in avanti, portando a risultati che si adattavano meglio alle maglie fini. Si è scoperto che, guardando alla TKE nel suo insieme, non c’era molta differenza tra le simulazioni che includevano la superficie libera e quelle che non lo facevano. Tuttavia, la struttura della nave era comunque influenzata dalla superficie dell'acqua, che cambiava le caratteristiche locali.

Con tutti che si preoccupano di più dell'efficienza energetica per motivi ecologici, c'era una forte spinta per sviluppare ottimizzazioni e dispositivi per ridurre la domanda energetica per le grandi navi. Molti studi hanno mostrato che i miglioramenti sono spesso marginali, scatenando dibattiti su se i risultati delle simulazioni possano davvero portare a miglioramenti nel mondo reale. Molti modelli più semplici ignoravano completamente la superficie libera, usando invece uno specchio piatto. Ma siccome anche le navi lente creano ancora increspature dietro di loro, è chiaro che una superficie libera impatta il flusso attorno a loro.

Nuovi strumenti software possono gestire superfici libere attraverso metodi diversi. La ricerca sui corpi sottomarini vicino alla superficie ha mostrato cambiamenti nel modello di flusso e nella resistenza, anche a velocità più basse. Per le navi più grandi, sono state notate differenze nelle velocità di flusso, ma generalmente non influenzavano fattori chiave come la resistenza. In situazioni più estreme, come in presenza di onde, l'impatto sui dispositivi di risparmio energetico (ESD) era abbastanza significativo da far sì che la perdita di spinta fosse maggiore con gli ESD che senza.

L'energia cinetica turbolenta rimane una misura importante, poiché non influisce solo sulla spinta, ma anche sull'integrità strutturale. L'obiettivo principale di questo studio era vedere come la superficie libera influenzasse la TKE intorno al risveglio del Japan Bulk Carrier. Speravano di raccogliere informazioni per capire quanto fosse importante l'interfaccia nell'analizzare i risultati che potrebbero essere influenzati dai cambiamenti nei carichi.

Il documento ha iniziato con spiegazioni sul perché e sul sapere esistente prima di addentrarsi nel background teorico, nelle impostazioni della rete e nelle specifiche del caso. La sezione dei risultati ha presentato alcuni dati di verifica di base, seguita da una discussione sulla convergenza della griglia e sui risultati preliminari. Ulteriori simulazioni e analisi sono state condotte a causa di alcune incoerenze emerse, ed sono state esplorate in profondità nella discussione.

I carichi instabili che agiscono sulle eliche nel risveglio di una nave sono generalmente causati da tre cose: cambiamenti di velocità dovuti a variazioni della velocità della nave o delle onde circostanti, non uniformità nel risveglio e forte turbolenza, in particolare in navi più grandi come petroliere e portacontainer. Anche se il primo punto non è stato esaminato, il secondo potrebbe essere coperto usando tecniche comunemente accettate, mentre analizzare il terzo richiedeva di esaminare le strutture turbolente usando metodi più avanzati.

Un workshop precedente ha evidenziato che i livelli di TKE in varie sezioni dietro il Japan Bulk Carrier differivano notevolmente quando calcolati con tecniche diverse. Studi precedenti hanno indicato che le fluttuazioni di spinta delle eliche identificate in URANS (un metodo di Simulazione più tradizionale) tendono a essere regolari e basse. In confronto, le fluttuazioni di spinta identificate attraverso metodi ibridi erano irregolari con picchi più alti. Questo ha messo in evidenza la necessità di utilizzare metodi ibridi per catturare accuratamente la turbolenza nel risveglio.

Curiosamente, mentre uno studio ha trovato che la superficie libera aveva qualche effetto, un altro studio non ha trovato alcuna relazione significativa. Tuttavia, è fondamentale analizzare attentamente questi risultati. Esperimenti precedentemente condotti sul Japan Bulk Carrier sono stati eseguiti a un basso numero di Froude, consentendo di assumere simmetria nella modellazione. Tuttavia, solo poche simulazioni hanno esaminato come la superficie libera influenzasse il flusso. Nessuna di queste è stata fatta utilizzando metodi avanzati di risoluzione della turbolenza.

In ricerche precedenti, sono stati fatti tentativi per misurare l'influenza delle superfici libere sulla TKE, principalmente attraverso esperimenti. Una conclusione di base è che ci sono differenze nella distribuzione della pressione che si verificano a causa della nave in movimento che crea onde e altera la superficie. Questo cambiamento essenziale influisce sui modelli di pressione ed è particolarmente evidente quando si considerano piccoli movimenti.

Un ricercatore ha condotto esperimenti con piastre piatte e superfici non disturbate per analizzare il risveglio con velocimetria a immagine di particelle. Ha dimostrato che i flussi secondari emergevano dalle condizioni al contorno miste a causa della superficie libera. Altri hanno dimostrato che la turbolenza causata dalle superfici libere era legata alla rottura delle onde, e poi ulteriori studi hanno mostrato che anche onde di laboratorio brevi e ripide possono risultare in turbolenza a causa del movimento dell'acqua.

Studi ulteriori hanno mostrato che le superfici libere possono alterare i campi di velocità, come trovato nelle simulazioni CFD. I risultati delle simulazioni usando il metodo del volume di fluido erano più in linea con i risultati sperimentali reali. Si è scoperto che la TKE era più alta a causa della superficie libera, causando un rallentamento nel flusso, anche a velocità inferiori. Eppure, queste simulazioni si basavano principalmente su metodi tradizionali, portando a intuizioni limitate sulle caratteristiche di flusso dettagliate.

Un recente studio ha tentato di affrontare la questione, ma ha utilizzato solo una dimensione di rete. È stato riconosciuto che numeri di Courant più piccoli e un tempo medio più lungo erano preferibili quando si utilizzano metodi di risoluzione delle scale, poiché le scelte iniziali potrebbero aver portato a un'identificazione ambigua dei nuclei vorticosi. La necessità di diverse dimensioni di griglia non è stata riconosciuta all'epoca, e le differenze nei risultati derivavano da aggiustamenti successivi.

Per le navi, si presume un flusso completamente turbolento sopra una certa velocità. Tuttavia, la velocità di progettazione usuale per le navi corrisponde tipicamente a un intervallo in cui la turbolenza non è completamente sviluppata. Un modello ibrido è ottimale quando ci sono separazioni significative nel bordo. Poiché la turbolenza è un comportamento che fluttua rapidamente, i codici CFD transitori diventano cruciali per descrivere il flusso con precisione.

Le simulazioni utilizzavano un modello di turbolenza specifico per garantire che la TKE risolta fosse in linea con i risultati attesi. Era essenziale implementare una funzione di miscelazione per il modello ibrido, consentendo una transizione più fluida tra i metodi di modellazione. Le maglie create sono state validate attraverso benchmark precedenti e sono state eseguite simulazioni usando metodi diversi per analizzare la superficie libera.

Esistono metodi diversi per modellare la superficie libera nella dinamica dei fluidi computazionale. Lo studio ha utilizzato principalmente due approcci del framework OpenFOAM. Uno era il VOF algebrico, mentre l'altro era il VOF geometrico, permettendo interazioni più precise alla superficie dell'acqua. Queste simulazioni sono state confrontate con output di ricerche precedenti per garantire coerenza e affidabilità.

Una parte significativa dello studio ha coinvolto l'estrazione manuale di un settore attorno al nucleo vorticoso per analizzare la TKE, cercando massima vorticità assiale. Gli output raccolti sono stati poi elaborati per visualizzare la TKE e identificare con precisione la posizione dei nuclei vorticosi. Queste analisi miravano a misurare l'intensità della turbolenza legata ai vortici e valutare le caratteristiche del flusso catturate nelle simulazioni.

Sono state create maglie diverse per garantire uno spazio di griglia adeguato per risultati accurati, con una lunghezza di riferimento basata sulle dimensioni della nave. L'uso di un approccio ibrido ha permesso di utilizzare le funzioni al muro in modo efficiente. Le maglie fini dovevano essere adeguatamente risolte, in particolare attorno alla linea d'acqua, per catturare l'interfaccia in modo efficace.

Le condizioni al contorno sono state impostate per simulare comportamenti fluidi realistici, e le valutazioni delle prestazioni sono state condotte utilizzando risorse di calcolo ad alte prestazioni per eseguire le simulazioni. I risultati sono stati analizzati attraverso vari metodi, guardando le distribuzioni di TKE e assicurandosi che fossero allineate strettamente con i dati sperimentali.

Un'osservazione principale è stata che i valori di TKE fluttuavano significativamente tra le diverse dimensioni di rete e metodi utilizzati. Anche se gli studi sulla convergenza della griglia sono essenziali, possono diventare complicati con metodi ibridi. Anche se sono state notate alcune discrepanze, è cruciale capire che queste differenze potrebbero derivare dal metodo stesso o dalle dimensioni delle maglie utilizzate.

Quando i risultati sono stati presentati seguendo linee guida consolidate, è diventato chiaro che le variazioni nella TKE erano evidenti, indicando la complessità dei modelli di flusso. La metodologia ha anche stabilito un centro vorticoso fisso per osservazioni future. Questo metodo ha aiutato a standardizzare i confronti e ha suggerito un miglior allineamento dei risultati.

Esaminando le tendenze complessive, è stato notato che i valori integrali di TKE non evidenziavano differenze significative tra le simulazioni a fase singola e a due fasi. Tuttavia, le distribuzioni spaziali mostravano alcune variazioni, suggerendo che fattori come la dimensione della rete potrebbero giocare un ruolo cruciale in certe condizioni.

Dopo aver finalizzato l'analisi delle posizioni dei nuclei vorticosi e aver regolato le configurazioni della griglia di conseguenza, le distribuzioni di TKE hanno iniziato a convergere in modo più affidabile. Nonostante le preoccupazioni iniziali riguardo alla maglia fine, ulteriori modifiche hanno indicato che poteva fornire intuizioni più vicine ai risultati sperimentali.

In definitiva, anche se la superficie libera ha avuto poco impatto sulle misurazioni di TKE, come si presentava diverse caratteristiche spaziali è rimasto un punto focale. Quando si considerano dispositivi che dipendono dagli effetti del flusso di fluidi, la superficie libera potrebbe alterare sostanzialmente le distribuzioni di pressione e necessita di attenta considerazione nelle simulazioni per garantire design accurati.

In conclusione, indagare sull'influenza delle superfici libere quando si misura l'energia cinetica turbolenta rimane un'impresa complessa ma vitale per la progettazione navale. Anche se i risultati indicano che non ci sono differenze significative nella TKE totale, la variazione della distribuzione spaziale sottolinea l'importanza delle simulazioni dettagliate. Andando avanti, è essenziale tenere in considerazione questi risultati e continuare a esplorare come le superfici libere influenzino i diversi design delle navi, specialmente in ambienti più difficili come acque basse o a diverse velocità.

Ulteriori ricerche esamineranno come questi risultati possano applicarsi a diversi tipi di navi e condizioni, portando a una migliore comprensione del rapporto tra TKE, superfici libere e complessiva efficienza energetica. Nella ricerca di pratiche di navigazione più ecologiche ed efficienti, ogni piccolo aiuto conta.