94128755 Aulas UPE Modulo 3 Parte 1 Resistencia
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Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Curso de Especialização em Engenharia Naval
Curso de Especialização em Engenharia Naval
Módulo 3: HidrodinâmicaParte 1
Introdução e Resistência ao Avanço
Prof. Dr. Alexandre Nicolaos Simos
Módulo 3: HidrodinâmicaParte 1
Introdução e Resistência ao Avanço
Prof. Dr. Alexandre Nicolaos Simos
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
ApresentaçãoApresentação
Prof. Alexandre Nicolaos Simos ([email protected])– Graduado em Engenharia Naval e Oceânica, em 1995
– Mestrado e Doutorado em Engenharia Naval pela EPUSP-PNV,
respectivamente em 1997 e 2001
– Pesquisador Visitante da Universidade de Michigan – Ann Arbor em
1999
– Pós-Doutoramento pela USP em 2002
– Professor Doutor junto ao Departamento de Engenharia Naval e
Oceânica da EPUSP desde 2002. Cursos ministrados:• Mecânica dos Meios Contínuos (grad.)
• Métodos Computacionais para Engenharia I (grad.)
• Princípios Gerais do Projeto de Veleiros (grad.)
• Hidrodinâmica I (pós-grad.)
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
ApresentaçãoApresentação
Pesquisa– Área: Hidrodinâmica de Sistemas Oceânicos
– Foco: Modelagem Analítica e Numérica
– Linhas Atuais:• Estudo de Movimentos de 2a Ordem de Sistemas Oceânicos em Ondas
(EPUSP/Petrobras)
• Estimação de Espectro Direcional de Ondas a partir dos Movimentos de um
Navio Estacionário (EPUSP/Petrobras)
• Interação Hidrodinâmica nas Forças de Correnteza de um Sistema FPSO-
Aliviador (EPUSP/Petrobras)
• Modelo de Air Gap para Plataformas Semi-Submersíveis (EPUSP/Petrobras)
• Desenvolvimento de um programa de predição de velocidades (VPP) e
simulador de manobra de veleiros (FAPESP)
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
ApresentaçãoApresentação
Extensão
– Projeto e Construção de
um Veleiro-Escola para
Deficientes Físicos
EPUSP/FEVESP/FINEP
www.veleiro.usp.br
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
O Módulo 3: Parte IO Módulo 3: Parte I
Data Período Horários Assunto
22/02/2007Quinta-feira
Noite
18:30h – 19:20h Apresentação: Professor, alunos e módulo 3
19:20h – 20:10h Resistência ao Avanço: Introdução
20:10h – 21:00h Resistência Friccional
21:00h – 21:50h Resistência de Pressão Viscosa
23/02/2007Sexta-feira
Noite
18:30h – 19:20h Resistência por Geração de Ondas
19:20h – 20:10h Métodos para Estimativa de Resistência
20:10h – 21:00h Ensaios em Tanque de Provas
21:00h – 21:50h Estimativa de Potência
24/02/2007Sábado
Manhã
08:00h – 08:50h Comportamento no Mar: Introdução
08:50h – 09:40h O Ambiente Marítimo: Ondas
09:40h – 10:10h Ondas Regulares
10:10h – 11:00h Ondas Irregulares
Tarde
13:00h – 13:50h O Conceito de Espectro de Energia
13:50h – 14:40h Espectros de Energia Padrão
14:40h – 15:30h Aspectos de Geração de Ondas do Mar
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
O Módulo 3: Parte IIO Módulo 3: Parte II
Data Período Horários Assunto
01/03/2007Quinta-feira
Noite
18:30h – 19:20h Revisão dos Tópicos Anteriores
19:20h – 20:10h Equações de Movimento e Períodos Naturais
20:10h – 21:00h Funções de Transferência dos Movimentos
21:00h – 21:50h Exemplos
02/03/2007Sexta-feira
Noite
18:30h – 19:20h Cálculo dos Movimentos: Cruzamento Espectral
19:20h – 20:10h Exemplo
20:10h – 21:00h Período de Encontro
21:00h – 21:50h Estabilizadores
03/03/2007Sábado
Manhã
08:00h – 08:50h Manobrabilidade: Introdução
08:50h – 09:40h Modelagem Hidrodinâmica
09:40h – 10:10h Ensaios em Tanque de Provas
10:10h – 11:00h Testes de Mar
Tarde
13:00h – 13:50h Lemes: Principais Tipos
13:50h – 14:40h Forças e Torque
14:40h – 15:30h Discussão e Encerramento
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoIntrodução
Resistência ao AvançoIntrodução
Complexidade: Forças oriundas de efeitos da viscosidade do fluido e interação entre efeitos viscosos e de ondas
Ainda hoje, o modelo de cálculo se baseia em ensaios em tanque de provas
Resistência Hidrodinâmica: – Força que se opõe ao movimento
de um corpo flutuante ou submerso
Junto com o estudo de hidrostática e estabilidade, é um dos tópicos fundamentais da Arquitetura Naval
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
O Problema da Viscosidade
Sir Isaac Newton
V
V
y
V
V
V
V
y
dy
dV
Philosophiae Naturalis Principia (1687)
Resistência ao AvançoIntrodução
Resistência ao AvançoIntrodução
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Somente 150 anos depois a equação de movimento do fluido foi formulada em sua forma atual, incluindo os efeitos da viscosidade (tensões de cisalhamento):
zzzzz
zz
yz
xz
yyyyy
zy
yy
xy
xxxxx
zx
yx
xx
gz
v
y
v
x
v
z
p
z
vv
y
vv
x
vv
t
v
gz
v
y
v
x
v
y
p
z
vv
y
vv
x
vv
t
v
gz
v
y
v
x
v
x
p
z
vv
y
vv
x
vv
t
v
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
Equações de Navier-Stokes (1822)
Propriedades da água:
/sm 10
salgada) (água kg/m 1025 doce) (água kg/m 1000
26
33
Resistência ao AvançoIntrodução
Resistência ao AvançoIntrodução
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Até hoje, não há solução geral das equações de Navier-Stokes
Mesmo sua solução numérica, através de algoritmos de CFD (Computational Fluid Mechanics), ainda é muito limitada para o problema de interesse (escoamento em torno do casco de um navio)
Resistência ao AvançoIntrodução
Resistência ao AvançoIntrodução
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoIntrodução
Resistência ao AvançoIntrodução
Alternativas para reduzir a resistência?
1 - Planeio
Requisito Básico: Baixo Peso
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Alternativas para reduzir a resistência?
2 - Hidrofólios
Resistência ao AvançoIntrodução
Resistência ao AvançoIntrodução
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Alternativas para reduzir a resistência?
2 - Hidrofólios
Resistência ao AvançoIntrodução
Resistência ao AvançoIntrodução
Requisito Básico: Baixo Peso
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Nosso Foco: Navios Mercantes
Resistência ao AvançoIntrodução
Resistência ao AvançoIntrodução
Requisito Básico: Alta Capacidade de Carga
Resistência Elevada Alta Potência de Motor
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Projeto de um navio:
– Geometria do casco já se encontra bem estabelecida para garantir um
bom compromisso entre capacidade de carga, resistência, estabilidade
e conforto;
– Necessidade de se prever a resistência ao avanço de forma precisa
para se determinar a potência requerida de motor;
– Para isso precisamos conhecer os métodos para cálculo da resistência
ao avanço.
Resistência ao AvançoIntrodução
Resistência ao AvançoIntrodução
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Componentes da Resistência ao Avanço
Resistência ao AvançoComposição
Resistência ao AvançoComposição
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Adimensionais que definem as características de resistência
– Número de Reynolds
– Número de Froude
Resistência ao AvançoParâmetros Importantes
Resistência ao AvançoParâmetros Importantes
WLWL
n
VLVLR Caracteriza os
efeitos viscosos
WL
ngL
VF Caracteriza a
geração de ondas
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Análise Dimensional: Metodologia para identificação dos parâmetros de controle de um problema em função das varáveis presentes– Consiste em escrever a quantidade procurada em função das
quantidades básicas:• Massa (M)• Comprimento (L)• Tempo (T)
Problema de Resistência ao Avanço de uma embarcação -Variáveis envolvidas:
• Velocidade da embarcação (V);• Tamanho da embarcação, que pode ser representado por L;• Densidade do fluido (r);• Viscosidade do fluido (m);• Aceleração da gravidade (g);• Pressão do fluido sobre o casco (p);
Resistência ao AvançoParâmetros Importantes
Resistência ao AvançoParâmetros Importantes
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Escrevemos a força de resistência (R), em função das variáveis do problema
Escrevemos cada variável em função das quantidades básicas:
E chegamos a:
Resistência ao AvançoParâmetros Importantes
Resistência ao AvançoParâmetros Importantes
fedcba pgLVR
fedc
ba
LT
M
T
L
LT
ML
T
L
L
M
T
ML
2232
fed
V
p
gL
VVL
LV
R
2
2
22
222,,
V
p
gL
VVLf
LV
R
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência Friccional
Resistência ao AvançoResistência Friccional
Componente de resistência oriunda do atrito do fluido sobre o casco
Em inglês: Friction Resistance Notação: Rf
Coeficiente de Resistência Friccional:
Modelo de Cálculo: Força equivalente sobre uma placa plana lisa de mesma superfície SW
)(2/1 2
00 n
W
FF Rf
VS
RC
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência Friccional
Resistência ao AvançoResistência Friccional
Essa parcela de força depende do escoamento na chamada camada-limite
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência Friccional
Resistência ao AvançoResistência Friccional
Como já havia antecipado Newton, a força de atrito sobre a placa dependerá diretamente da viscosidade e da variação da velocidade média do fluxo na chamada camada-limite.
Visualização da camada limite laminar em placa plana(Rn = 500):Condição de aderência e espessura da camada limite.
0.99V
d
dy
dV
dy
dV
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Resistência ao AvançoResistência Friccional
Resistência ao AvançoResistência Friccional
A taxa de variação da velocidade na camada-limite depende das características do fluxo, se é laminar ou turbulento
Experiência de Reynolds: Transição do escoamento em dutos.a) escoamento laminar (Rn = 1150); b) escoamento turbulento (Rn = 2520).
Baixos valores de vazão/viscosidade
rVD/m
Altos valores de vazão/viscosidade
rVD/m
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Resistência ao AvançoResistência Friccional
Resistência ao AvançoResistência Friccional
Taxa de variação da velocidade na camada-limite
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0000 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.0000 1.2000
v1/U
x2
/
Blasius Turb
Laminar
Turbulento
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência Friccional
Resistência ao AvançoResistência Friccional
Coeficiente de Atrito em Placa Plana
Fricção em placa plana sobre regime laminar e turbulento
CL Turbulenta
Transição
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência Friccional
Resistência ao AvançoResistência Friccional
Em geral, no estudo de navios os números de Reynolds são bastante elevados, tipicamente acima de 108.
A camada-limite sobre o casco é, assim, turbulenta. A função que representa o coeficiente de atrito de uma placa plana
em regime turbulento é a chamada Linha de Schoenherr (1932):
ITTC (1957): Nova aproximação levando em conta a influência das formas usuais de cascos sobre o atrito.
).(log)(
242.00102/1
0Fn
F
CRC
210
2 )2(log
075.0
2/1
nW
FF
RVS
RC
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência Friccional
Resistência ao AvançoResistência Friccional
ITTC (1957) X Schoenherr
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência Friccional
Resistência ao AvançoResistência Friccional
CURIOSIDADE
– O menor atrito proporcionado pelo fluxo laminar levou a pesquisas
sobre mecanismos de redução da turbulência na camada-limite, dando
origem, por exemplo, ao desenvolvimento de:
• Mecanismos baseados na descarga de polímeros de cadeia-longa
• Revestimentos (shark-skin)
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
Componente de resistência oriunda do efeito da viscosidade sobre
o campo de pressão no casco
Em inglês: Viscous-Pressure Resistance
Notação: RVP
Modelo de Cálculo: Não há método direto para cálculo dessa parcela. Uma estimativa da mesma pode ser obtida a partir de ensaios em tanque de provas
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
Desprezando os efeitos da viscosidade, a pressão no fluido se
relaciona com a velocidade do fluxo através da Equação de
Bernoulli
Nesse caso, o campo de pressões sobre um corpo é tal que a força de arrasto, obtida pela integral do campo de pressão, é NULA (Paradoxo de D’Alembert)
As regiões de proa e popa são regiões de pressão mais elevada, enquanto o centro é uma região de pressão menor
cteghvp
2
2
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Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
Na realidade, porém, a presença da camada-limite altera o campo
de pressão
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Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
Uma das principais alterações decorre da separação da camada-
limite, formando uma esteira rotacional à jusante do escoamento.
A separação normalmente ocorre quando o fluxo próximo ao corpo
enfrenta um aumento mais intenso do campo de pressão.
Separação da camada limite na superfície de um corpo rombudo;(a) corpo sem ponto saliente; (b) com ponto saliente (Batchelor (1970)).
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
Em geral, quanto mais rombudo o corpo, maior a tendência à
separação e maior a esteira
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
A esteira provoca uma redução do campo de pressão na região de
popa do corpo.
A diferença de pressão entre proa e popa origina o que chamamos
de arrasto de forma.
sem viscosidade
com viscosidade
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
Resistência ao AvançoResistência de Pressão Viscosa
A resistência de pressão viscosa resulta, basicamente:
– Da modificação do campo de pressão;
– Da geração dos turbilhões (vórtices) na esteira;
Os métodos empregados para cálculo da resistência normalmente
incorporam essa parcela através de um coeficiente de forma (k) do
casco:
Esse coeficiente é obtido através de ensaios em tanque de provas.
)1( kCC FV
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Componente de resistência oriunda da geração de ondas pelo
casco. A “quebra” das ondas geradas, especialmente a onda de
proa, tem influencia sobre a resistência. Por essa razão costuma-
se dividí-la em “geração” e “quebra” de ondas
Em inglês: Wave Resistance (wave-making e wave-breaking)
Notação: RW
Modelo de Cálculo: Não há método direto para cálculo dessa
parcela. É obtida em ensaios de tanque de provas juntamente com
a parcela de pressão viscosa.
Métodos numéricos são capazes de fornecer uma boa previsão da
parcela de geração de ondas, mas não recuperam os efeitos de
wave-breaking.
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Geração de ondas: perturbação do campo de pressão do fluido
(hidrostático)
cteghvp
2
2
Aumento da pressão Elevação da Superfície
Redução da pressão Depressão na Superfície
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Estudo de Wigley (1931): Identificação dos “sistemas de ondas”
Primário(comprimento
fixo)
Secundário(comprimento varia com V)
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
A combinação das componentes forma o trem de ondas
característico:
19,5o
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
A amplitude de onda gerada varia tipicamente com V2
A energia de onda varia com a A2
Assim:
Sobre essa variação média, há outra imposta pelo padrão de
interferência do sistema secundário
422/1
VVS
RC
W
wW
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Construtiva
Destrutiva
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Curva típica de resistência de ondas (CW x Fn)
construtiva
construtiva
destrutiva
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Acima de uma certa velocidade, a onda de proa “quebra” e isso influencia a composição do sistema de ondas.
Em geral, o efeito é um aumento de resistência.
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Resistência ao AvançoResistência de Ondas
Bulbos de proa são dispositivos projetados para reduzir a amplitude da onda de proa e, assim, a resistência RW
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência Total
Resistência ao AvançoResistência Total
Além das três principais componentes de resistência hidrodinâmica, algumas outras merecem destaque:
– Resistência Aerodinâmica• Atrito e separação da camada-limite aerodinâmica sobre o casco emerso e
super-estrutura;• Normalmente incorporada através de modelos simplificados (ex ITTC
1978).
– Resistência Adicional em Ondas (Added Waves Resistance)• Acréscimo de resistência do navio quando navegando em ondas;• Não há método direto para seu cômputo;• Estimativas baseadas em ensaios de reboque em ondas;• Como medida de projeto, algumas vezes considera-se um coeficiente de
aumento de resistência em ondas.
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoResistência Total
Resistência ao AvançoResistência Total
Proporção característica entre as componentes de resistência ao avanço
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Estimativas Preliminares:
Séries Sistemáticas– Conjunto de regressões sobre resultados experimentais;
– Ensaios de modelos com variação sistemática dos parâmetros geométricos
(L/B, B/T, CB, CP, etc…);
– Séries para navios mercantes (ex. Série 60, Série de Taylor) desenvolvidas até
a década de 70;
– A maioria das séries para navios mercantes se encontra ultrapassada.
Regressões Estatísticas– Baseadas em resultados obtidos para um grande conjunto de navios de
diferentes tipos;– Ex: Holtrop-Mennen, Lap-Keller, Hollenbach;– São encontradas em diversos sistemas de CAD de aplicação naval.
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Estimativas Preliminares:
Navio Semelhante– Comparação com navio semelhante (parent ship), caso exista;
– Fator de conversão mais comum: Coeficiente de almirantado
Potência
V 3/23
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Determinação da Resistência: Ensaios em Tanque de Provas
– Realizados nos chamados tanques de reboque (towing-tanks)
– No Brasil: Tanque da Divisão de Transportes do Instituto de Pesquisas
Tecnológicas do Estado de SP (IPT)
Dimensões
L: 240 m
B: 6 m
H: 5 m
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
– Emprego de Modelos em Escala Reduzida
– Fator de escala: l
rm LL
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Problema: Impossível manter a semelhança de Rn e Fn simultaneamente
– Impondo a igualdade de Fn:
– Impondo a igualdade de Rn:
rn
rrmmmn R
LVLVR
r
m
rrm VL
LVV
rnr
r
m
mmn F
gL
V
gL
VF
r
r
mrm V
L
LVV
Inviável
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
EXEMPLO: Navio Petroleiro (escala 1:100)
m/s 03,1mV
m/s 3,10kn 20
m 16
m 40
m 200
r
r
r
rpp
V
T
B
L
m 16,0
m 40,0
m 00,2
m
m
mpp
T
B
L
Mesmo Fn
Mesmo Rnm/s 1030mV
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
EXEMPLO: Navio Petroleiro (escala 1:100)
m/s 3,10
m 16
m 40
m 200
r
r
r
rpp
V
T
B
L
m/s 03,1
m 16,0
m 40,0
m 00,2
m
m
m
mpp
V
T
B
L
Semelhança de RWrn
mn FF 23,0
906,2606,2 ERER rn
mn
Diferença no nível de turbulência da camada-limite
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
EXEMPLO: Navio Petroleiro (escala 1:100)
906,2 ER rn
606,2 ER mn
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Necessidade de garantir
a turbulência na
camada-limite do
modelo
Dispositivo: Excitadores
de Turbulência
– Pinos
– Faixas de Areia
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Metodologia para cálculo da resistência a partir dos ensaios:
Proposta Original: William Froude (1870)
– Separação dos efeitos viscosos e de ondas
– Procedimento para determinar
– Similaridade de Froude:
rTR
mr VV .rn
mn FF
)()( nWnFT FCRCC
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Proposta Original: William Froude (1870)
– Procedimento
1. Mede-se a resistência total do modelo com velocidade
2. Desconta-se a parcela friccional (placa-plana) para obter a
resistência de ondas
3. Como
rm V
V
rn
mn FF
)(0mn
mF
mT
mW RCCC
2)(2/1 mmW
mTm
T VSRC
).(log242.0
010
0
mF
mnm
F
CRC
mW
rW CC
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Proposta Original: William Froude (1870)
– Procedimento
4. Calcula-se o coeficiente de resistência total do navio:
5. Obtem-se a resistência total do navio para velocidade de avanço rV
mW
rn
rF
rT CRCC )(0
rT
rrW
rT CVSR 2)(
2
1
).(log242.0
010
0
rF
rnr
F
CRC
– Problema: Não considera a resistência de pressão viscosa, que
também varia com o número de Reynolds
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Comparação entre medidas em Escala Real e em Escalas Reduzidas
CVP
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Metodologia proposta pela ITTC 1978
– Baseada no Método de Froude, com alguns aprimoramentos:
– Mantém similaridade de Froude:
– CF calculado pela linha ITTC 1957:
– Inclusão da resistência de pressão viscosa através de um fator de
forma k
– Inclusão de fator de rugosidade do casco CA do navio real
– Inclusão de um fator de resistência aerodinâmica CAA do navio real:
mr VV .
210 )2(log
075.0
nF RC
AAAWFT CCCCkC )1(
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Procedimento ITTC 1978
1. Mede-se a resistência total do modelo:
2. Desconta-se o coeficiente de resistência viscosa para obter o
coeficiente de resistência de ondas:
3. Calcula-se o coeficiente total do navio real:
4. Resistência total do navio:
AAAm
Wr
Fr
T CCCCkC )1(
mr VV .
210 )2(log
075.0
m
n
mF
RC
W
TAA S
AC 001.0
mF
mT
mW CkCC )1(
2)(2/1 mmW
mTm
T VSRC
210 )2(log
075.0
r
n
rF
RC
novos) (cascos 00041.0AC
rT
rrW
mT CVSR 2)(
2
1
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Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Procedimento ITTC 1978
5. O fator de forma, considerado o mesmo para o modelo e o navio real,
é obtido a partir da seguinte regressão sobre os resultados de ensaios
com diferentes velocidades:
mF
bmn
mF
mT
C
Fak
C
C )()1(
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Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Resistência ao AvançoMétodos de Cálculo
Curva de Resistência Típica (CT x Fn)
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoPotência Requerida
Resistência ao AvançoPotência Requerida
Potência Efetiva: Potência requerida para o navio se deslocar
com velocidade de avanço constante V
Em inglês, Effective Horse Power (EHP)
A potência instalada para mover o navio com velocidade V
deverá ser maior em virtude de fatores como eficiência do
propulsor, eficiência da transmissão, eficiência do motor, entre
outros.
Maiores detalhes serão vistos no Módulo 5
VREHP T
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 3: Hidrodinâmica
Resistência ao AvançoPotência Requerida
Resistência ao AvançoPotência Requerida
Exemplo: Estudo de resistência de um navio indicaram que o
coeficiente de resistência total para uma velocidade de 15 nós é
CT=0,0032.
Sabendo que Lpp = 140m, SW = 3300m2, calcule a potência efetiva
(EHP).
Considerar: = 1025 kg/m3