Impacto das Superfícies Livres na Energia Cinética Turbulenta em Navios

A energia cinética turbulenta (ECT) é um termo chique pra medir as cargas instáveis que navios enfrentam quando se movimentam na água. Essa medição é importante pra projetar coisas como hélices e dispositivos que ajudam a economizar energia. A maior parte das vezes, simulações são feitas usando um modelo simplificado que assume simetria pra economizar tempo e esforço. No entanto, navios na vida real não têm esse luxo. Eles lidam com uma Superfície Livre de água, o que pode mudar tudo.

Num estudo de caso envolvendo um grande navio conhecido como Japan Bulk Carrier, simulações foram feitas com e sem considerar a superfície livre. Essas simulações analisaram a ECT nos núcleos de vórtice atrás do navio. O foco também estava em localizar o centro desses vórtices, já que acertar isso é crucial pra entender os padrões de fluxo.

Curiosamente, quando simulações com malha mais fina foram feitas, elas revelaram uma tendência inesperada na ECT, levando a uma investigação mais profunda pra descartar qualquer problema relacionado ao método usado com um modelo híbrido. Basicamente, descobrimos que mudar as posições dos núcleos de vórtice alterava significativamente os resultados, o que levanta questões sobre quão confiáveis são as posições centrais experimentais.

Pra melhorar a comparação dos resultados, uma posição fixa pra os núcleos de vórtice foi usada em todos os casos. Essa modificação revelou uma história diferente. As malhas médias foram ajustadas, e uma caixa de refinamento foi estendida mais pra frente, resultando em dados que se alinharam melhor com as malhas finas. No final das contas, ao considerar a ECT como um todo, não houve muita diferença entre simulações que incluíam a superfície livre e aquelas que não incluíam. No entanto, a estrutura do navio ainda era influenciada pela superfície da água, o que mudava características locais.

Com todo mundo mais preocupado com a eficiência energética por causa de razões ecológicas, houve uma forte pressão pra desenvolver otimizações e dispositivos que reduzam a demanda de energia dos grandes navios. Muitos estudos mostraram que as melhorias são frequentemente marginais, gerando debates sobre se os resultados de Simulação realmente podem levar a melhorias no mundo real. Muitos modelos mais simples ignoraram completamente a superfície livre, usando um espelho plano em vez disso. Mas como até navios lentos ainda criam ondulações atrás deles, tá claro que uma superfície livre impacta o fluxo ao redor.

Ferramentas de software mais novas conseguem lidar com superfícies livres por meio de diferentes métodos. Pesquisas sobre corpos submersos perto da superfície mostraram mudanças no padrão de fluxo e arrasto, mesmo em velocidades mais baixas. Pra embarcações maiores, diferenças nas velocidades de fluxo foram notadas, mas geralmente não impactaram fatores chave como resistência. Em situações mais extremas, como em ondas, o impacto nos dispositivos de economia de energia (DEEs) foi significativo o suficiente que a perda de empuxo foi maior com DEEs do que sem.

A energia cinética turbulenta continua sendo uma medição importante, pois não só afeta o empuxo, mas também a integridade estrutural. O objetivo principal desse estudo foi ver como a superfície livre influenciou a ECT ao redor do rastro do Japan Bulk Carrier. Eles esperavam coletar insights pra entender quanto a interface importa ao analisar resultados que poderiam ser afetados por cargas variáveis.

O artigo começou com explicações sobre a motivação e o conhecimento existente antes de se aprofundar no contexto teórico, configurações de malha e especificações de casos. A seção de resultados apresentou alguns dados básicos de verificação, seguida por uma discussão sobre convergência de grade e resultados preliminares. Mais simulações e análises foram realizadas devido a algumas inconsistências que surgiram, e isso foi explorado em profundidade na discussão.

Cargas instáveis que agem sobre hélices no rastro de um navio geralmente são causadas por três coisas: mudanças na velocidade devido a variações na velocidade do navio ou nas ondas ao redor, não uniformidade no rastro e turbulência forte, particularmente em embarcações maiores como petroleiros e graneleiros. Enquanto o primeiro ponto não foi examinado, o segundo podia ser abordado usando técnicas comumente aceitas, enquanto a análise do terceiro exigia olhar as estruturas de turbulência com métodos mais avançados.

Um workshop anterior destacou que os níveis de ECT em várias seções atrás do Japan Bulk Carrier diferiram significativamente quando calculados com técnicas diferentes. Estudos anteriores apontaram que as flutuações de empuxo da hélice identificadas em URANS (um método de simulação mais tradicional) tendem a ser regulares e baixas. Em comparação, flutuações de empuxo identificadas através de métodos híbridos foram irregulares com picos mais altos. Isso destacou a necessidade de usar métodos híbridos pra capturar com precisão a turbulência no rastro.

Curiosamente, enquanto um estudo descobriu que a superfície livre teve algum efeito, outro estudo não encontrou uma relação significativa. No entanto, é crucial analisar essas descobertas de perto. Experimentos realizados anteriormente no Japan Bulk Carrier foram feitos a um baixo número de Froude, permitindo a suposição de simetria na modelagem. No entanto, apenas um punhado de simulações olhou como a superfície livre influenciou o fluxo. Nenhuma delas foi feita usando métodos avançados de resolução de turbulência.

Em pesquisas anteriores, tentativas foram feitas pra medir a influência de superfícies livres na ECT, principalmente através de experimentos. Uma conclusão básica é que há diferenças na distribuição de pressão que ocorrem devido ao navio em movimento criando ondas e alterando a superfície. Essa mudança essencial afeta os padrões de pressão e é particularmente evidente quando se considera pequenos movimentos.

Um pesquisador conduziu experimentos com placas planas e superfícies não perturbadas pra analisar o rastro com velocimetria de imagem de partículas. Ele mostrou que fluxos secundários surgiram das condições de contorno misturadas devido à superfície livre. Outros demonstraram que a turbulência causada por superfícies livres estava ligada ao rompimento de ondas, e depois estudos adicionais mostraram que até ondas de laboratório curtas e íngremes podem resultar em turbulência devido ao movimento da água.

Mais estudos mostraram que superfícies livres podem alterar campos de velocidade, como encontrado em simulações CFD. Os resultados de simulações usando o método de volume de fluido estavam mais alinhados com as descobertas reais dos experimentos. A ECT foi encontrada mais alta devido à superfície livre, causando uma desaceleração no fluxo, mesmo em velocidades mais baixas. No entanto, essas simulações dependeram principalmente de métodos tradicionais, levando a insights limitados sobre características detalhadas do fluxo.

Um estudo recente havia tentado abordar a questão, mas usou apenas um tamanho de malha. Foi reconhecido que números de Courant menores e um tempo médio mais longo eram preferíveis ao usar métodos de resolução de escala, já que escolhas iniciais podem ter levado a uma identificação ambígua dos núcleos de vórtice. A necessidade de diferentes tamanhos de grade não foi reconhecida na época, e as diferenças nos resultados surgiram de ajustes posteriores.

Para embarcações, um fluxo totalmente turbulento é assumido acima de uma certa velocidade. No entanto, a velocidade de design usual para navios geralmente corresponde a uma faixa onde a turbulência não está totalmente desenvolvida. Um modelo híbrido é ideal quando há separações significativas na camada limite. Dado que a turbulência é um comportamento que flutua rapidamente, códigos CFD transientes tornam-se cruciais para descrever o fluxo com precisão.

As simulações utilizaram um modelo de turbulência específico pra garantir que a ECT resolvida se alinhasse com os resultados esperados. Foi essencial implementar uma função de mistura para o modelo híbrido, permitindo uma transição mais suave entre os métodos de modelagem. As malhas criadas foram validadas através de benchmarks anteriores, e simulações foram feitas usando diferentes métodos pra analisar a superfície livre.

Diferentes métodos existem pra modelar a superfície livre na dinâmica de fluidos computacional. O estudo usou principalmente duas abordagens da estrutura OpenFOAM. Uma foi VOF algébrica, enquanto a outra foi VOF geométrica, permitindo interações mais precisas na superfície da água. Essas simulações foram comparadas com saídas de pesquisas anteriores pra garantir consistência e confiabilidade.

Uma parte significativa do estudo envolveu extrair manualmente um setor ao redor do núcleo de vórtice pra analisar a ECT, buscando a vorticidade axial máxima. Os resultados coletados foram processados pra visualizar a ECT e identificar com precisão a posição dos núcleos de vórtice. Essas análises visavam avaliar a intensidade da turbulência relacionada aos vórtices e avaliar as características do fluxo capturadas nas simulações.

Diferentes malhas foram criadas pra garantir um espaçamento de grade adequado para resultados precisos, com um comprimento de referência baseado nas dimensões do navio. O uso de uma abordagem híbrida permitiu usar funções de parede de forma eficiente. As malhas finas precisavam ser adequadamente resolvidas, especialmente ao redor da linha d'água, pra capturar a interface efetivamente.

As condições de contorno foram definidas pra simular comportamentos fluidos realistas, e as avaliações de desempenho foram conduzidas usando recursos de computação de alto desempenho pra rodar as simulações. Os resultados foram analisados através de vários métodos, olhando as distribuições de ECT e garantindo que se alinhassem bem com os dados experimentais.

Uma observação principal foi que os valores de ECT flutuaram significativamente entre os diferentes tamanhos de malha e métodos usados. Embora estudos de convergência de grade sejam essenciais, eles podem se tornar complicados com métodos híbridos. Embora algumas discrepâncias tenham sido notadas, é crucial entender que essas diferenças podem surgir do próprio método ou dos tamanhos de malha usados.

Quando os resultados foram apresentados seguindo diretrizes estabelecidas, ficou claro que as variações na ECT eram evidentes, indicando a complexidade dos padrões de fluxo. A metodologia também estabeleceu um centro de vórtice fixo pra observações futuras. Esse método ajudou a padronizar as comparações e sugeriu um melhor alinhamento dos resultados.

Ao examinar as tendências gerais, notou-se que os valores integrais de ECT não destacaram diferenças significativas entre as simulações de fase única e de fase dupla. No entanto, as distribuições espaciais mostraram algumas variâncias, sugerindo que fatores como o tamanho da malha podem desempenhar um papel crucial sob certas condições.

Após finalizar a análise das posições dos núcleos de vórtice e ajustar as configurações de grade de acordo, as distribuições de ECT começaram a convergir de maneira mais confiável. Apesar das preocupações anteriores sobre a malha fina, novos refinamentos indicaram que ela poderia fornecer insights mais próximos dos achados experimentais.

No final das contas, mesmo que a superfície livre tenha tido pouco impacto nas medições de ECT, como ela apresentou diferentes características espaciais continuou sendo um ponto focal. Ao considerar dispositivos que dependem dos efeitos do fluxo de fluidos, a superfície livre poderia alterar substancialmente as distribuições de pressão e precisa de cuidadosa consideração nas simulações pra garantir designs precisos.

Em conclusão, investigar a influência de superfícies livres ao medir energia cinética turbulenta continua sendo uma tarefa complexa, mas vital pra o design de navios. Embora as descobertas indiquem que não há diferenças significativas na ECT total, a distribuição espacial variável destaca a importância de simulações detalhadas. Pra frente, é essencial levar esses resultados em conta e continuar explorando como superfícies livres afetam diferentes designs de embarcações, especialmente em ambientes mais desafiadores, como águas rasas ou em diferentes velocidades.

Mais pesquisas vão olhar como essas descobertas podem se aplicar a diferentes tipos de navios e condições, levando a uma melhor compreensão da relação entre ECT, superfícies livres e eficiência energética geral. Na busca por práticas de navegação mais verdes e eficientes, cada detalhe conta.