Reduzindo o barulho submarino das hélices de barcos

O barulho debaixo d'água causado pelas hélices de navios tá se tornando uma preocupação crescente para os ecossistemas marinhos. Tem uma necessidade real na indústria de reduzir esse barulho durante as operações dos navios. Esse estudo foca em entender como as hélices marinhas produzem barulho e como esse som se espalha pela água. O objetivo principal é estudar uma hélice marinha em tamanho real e encontrar maneiras de diminuir o barulho que ela gera.

#Contexto

As hélices de navios criam barulho subaquático que pode prejudicar a vida marinha e impactar a navegação. Esse som vem de três fontes principais: máquinas, hélices e o movimento da água. Embora o barulho das máquinas seja muitas vezes alto, o barulho das hélices pode ser especialmente prejudicial. A maioria das hélices modernas é projetada para trabalhar de forma eficiente, mas isso pode, às vezes, resultar em um aumento do barulho devido à Cavitação.

Cavitação acontece quando a pressão ao redor da hélice cai tanto que bolhas se formam. Essas bolhas então colapsam, criando barulho e vibrações. É crucial analisar tanto o fluxo de água ao redor da hélice quanto como essa cavitação afeta os níveis de barulho.

#Abordagem do Estudo

Neste estudo, ferramentas avançadas de modelagem por computador são usadas para analisar como a água se move ao redor de uma hélice e como esse movimento gera barulho. Isso envolve o uso de Simulação de Grandes Vórtices (LES), que é um método para simular fluxos turbulentos, e um modelo especial para levar em conta a cavitação. O barulho produzido é então estudado usando métodos acústicos.

Um caso de teste bem conhecido chamado de Caso de Teste da Hélice de Potsdam (PPTC) é usado para a análise. Comparando os resultados do modelo com dados experimentais, a precisão da simulação pode ser confirmada. As áreas de foco incluem a Distribuição de Pressão na hélice, o comportamento da cavitação e os níveis de barulho resultantes.

#Entendendo o Barulho da Hélice

Quando uma hélice opera, ela interage com a água de uma maneira que gera som. Fatores chave incluem:

1. Mudanças de Pressão: A pressão na superfície da hélice muda devido ao fluxo de água. Essa mudança é mais caótica quando a cavitação ocorre.

2. Padrões de Cavitação: A formação de bolhas de cavitação e seu colapso desempenham um papel importante nos níveis de barulho.

3. Frequência do Barulho: O barulho inclui sons constantes (tonais) relacionados às lâminas da hélice passando pela água e sons mais aleatórios (de banda larga) do fluxo turbulento e bolhas colapsando.

#Metodologia

O estudo envolve simulações por computador que analisam tanto condições com cavitação quanto sem cavitação de uma hélice de cinco lâminas. O trabalho de simulação é dividido em várias etapas:

1. Mecânica dos Fluidos: Modelar o comportamento da água ao redor da hélice, levando em conta a turbulência e a cavitação.

2. Modelagem da Cavitação: Usar um método para simular como e quando a cavitação ocorre, e como isso afeta o fluxo de água.

3. Modelagem Acústica: Aplicar um método específico para prever como o barulho é gerado pela hélice e como se espalha pela água.

4. Geração de Malha: Uma grade detalhada (ou malha) é criada para garantir que a simulação capture todos os detalhes importantes do movimento do fluido e da cavitação.

5. Validação: Os resultados das simulações são comparados com dados experimentais do mundo real para verificar a precisão.

#Resultados

#Características do Fluxo

Os resultados mostram que o comportamento da água ao redor da hélice muda significativamente quando a cavitação ocorre. O fluxo se torna mais caótico, especialmente ao redor das pontas das lâminas. Esse fluxo caótico leva a maiores variações na pressão e contribui para o aumento dos níveis de barulho.

#Distribuição de Pressão

A pressão na superfície da hélice se mostrou mais desigual durante condições de cavitação em comparação com condições sem cavitação. Essa pressão desigual contribui para padrões de barulho mais fortes e complexos. Quando a cavitação ocorre, certas áreas da hélice experimentam baixa pressão, que se correlaciona com os locais das bolhas de cavitação.

#Vórtice e Geração de Barulho

O estudo identifica padrões de vórtice distintos associados à cavitação. Esses vórtices se quebram à medida que se movem rio abaixo, levando a mais turbulência e barulho. O barulho gerado por hélices com cavitação é mais alto, com picos fortes em sons de baixa frequência, que estão diretamente associados ao colapso das bolhas de cavitação.

#Desempenho Acústico

Os níveis de pressão sonora (SPL) para condições com e sem cavitação são comparados. As descobertas indicam que hélices com cavitação produzem níveis de pressão sonora mais altos.

#Direcionalidade do Barulho

O barulho é registrado em vários ângulos ao redor da hélice, tanto perto quanto longe dela. A análise mostra que o barulho é mais forte na direção a montante da hélice. Isso significa que a vida marinha e as embarcações localizadas nessa direção seriam mais afetadas pelo barulho gerado.

#Análise do Espectro de Frequência

Uma análise detalhada das frequências do barulho revela que a cavitação leva a uma gama mais ampla de sons em diferentes frequências. A energia associada ao barulho é consistentemente maior em condições de cavitação em comparação com condições sem cavitação, apontando para um impacto mais significativo nos ambientes marinhos.

#Conclusões

Esse estudo enfatiza a importância de entender a relação entre cavitação, dinâmica de fluxo e geração de barulho em hélices marinhas. As descobertas sugerem que:

1. Cavitação Aumenta o Barulho: A presença de cavitação leva a um aumento significativo na intensidade e complexidade do barulho subaquático gerado por hélices.

2. Características do Barulho: Tanto os componentes tonais quanto os de banda larga do barulho são ampliados devido à cavitação, o que pode ter efeitos adversos na vida marinha e na navegação.

3. Importância da Modelagem Precisa: Usar métodos computacionais avançados permite uma melhor compreensão desses processos, ajudando a desenvolver tecnologias marinhas mais silenciosas.

4. Trabalho Futuro: Mais pesquisas são necessárias para explorar maneiras de reduzir a cavitação e a geração de barulho sem comprometer a eficiência das hélices marinhas.

#Direções Futuras

O conhecimento adquirido com esse estudo pode ser usado para projetar sistemas de hélices mais silenciosos e eficientes. Além disso, entender como o rastro de cavitação interage com outras partes da embarcação, como o casco ou estruturas ao redor, será crucial para estudos futuros.

Em resumo, à medida que a tecnologia dos navios continua a evoluir, enfatizar a redução do barulho subaquático beneficiará muito os ecossistemas marinhos, enquanto garante operações seguras e eficientes em ambientes marítimos.