anÁlise da influÊncia de energy saving devices...
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ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DE ENERGY SAVING
DEVICES EM CASCO TWIN-SKEG OTIMIZADO DE
NAVIO GASEIRO
Yuri Magnani Berbert
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte
dos requisitos necessários à obtenção do título de
Engenheiro Naval.
Orientador: Antonio Carlos Fernandes
Rio de Janeiro
Março de 2015
ii
ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DE ENERGY SAVING DEVICES EM CASCO
TWIN-SKEG OTIMIZADO DE NAVIO GASEIRO
Yuri Magnani Berbert
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO
DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO NAVAL.
Examinado por:
________________________________________________
Prof. Antonio Carlos Fernandes, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Luiz Antonio Vaz Pinto, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Crístofer Hood Marques, M.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
MARÇO de 2015
iii
Magnani Berbert, Yuri
Análise da Influência de Energy saving devices em casco Twin-skeg
Otimizado de Navio Gaseiro/ Yuri Magnani Berbert – Rio de Janeiro:
UFRJ/ Escola Politécnica, 2015.
xv, 49 p.: il.; 29,7cm
Orientador: Antonio Carlos Fernandes
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de
Engenharia Naval e Oceânica 2015.
Referências Bibliográficas: p. 46-59.
1. Energy saving devices
I. Fernandes, Antonio C. II. Universidade Federal do Rio
de Janeiro, UFRJ, Engenharia Naval e Oceânica. III.
Análise da Influência de Energy saving devices em casco
Twin-skeg Otimizado de Navio Gaseiro.
iv
Ao meu avô e ex-aluno dessa
Escola, José Gonçalves de
Araújo Pinheiro (in memoriam),
que foi a minha primeira e
maior inspiração na escolha da
carreira de engenheiro.
v
Agradecimentos
À minha avó Dilma e meu pai Eduardo pela criação exemplar dada a mim por todos
esses anos. Também à minha mãe Neia, meu padrasto Marcelo, meu irmão Renan e
minha avó Neia pela dedicação e conselhos, acompanhando dia-a-dia as minhas
conquistas. E aos meus primos, tios, tios-avós e toda a minha família, que também
constribuiram nessa minha trajetória. Não poderia deixar de lembrar da minha madrinha
Glaucia que foi minha motivadora em todos os momentos.
Agradeço à minha companheira Raphaella Postorivo, com quem compartilho
grande amor e que incansavelmente me apoia em todas as decisões. À sua família, em
especial seus pais Raphael e Solange e suas irmãs Priscilla e Danielle, que me acolhem
da melhor forma possível.
Aos meus amigos e praticamente irmãos, com quem sempre posso contar, Adriano,
Allan, Arthur, Felipe (Jack), Flávio, Gabriel, Gabriel (Ph), João Paulo, Lucas (Mineiro),
Lucas (Paulista), Marina, Matheus, Matheus Leite, Miguel, Nicholas, Ricardo Figueira,
Thyago, Wagner, Yure e tantos outros que compartilham desse momento. E aos meus
companheiros de engenharia naval, que fizeram com que esses anos fossem os mais
agradáveis possíveis, Gustavo, Higuel, Pedro Lund, Ramon, Renan e Ricardo Fiasca.
Agradeço aos profissionais da Queiroz Galvão Óleo e Gás, Cenpes/Petrobras e
Technip, que desempenharam papéis de mentores por onde passei, em especial Alberto
Nigro, Gerson Peccioli, Michel Galbrun, Rafael Dellisola e Robert Balaguer.
Às pessoas que contribuíram para que eu entrasse nessa estimada instituição, a
UFRJ, com seu conhecimento e me tratando de forma ímpar, Evaldo Zaroni, Maria
vi
Lúcia e Marlene. Aos docentes e funcionários do Pedro II, Cristina, Christine, Glória,
Isabela, Maria Helena, Tânia e Tatiana. Aos profissionais da UFRJ que
complementaram a minha formação e buscam a excelência na instituição, Andreia
Rangel, Annelise, Belchior, Cristina Riche, Eduardo Serra, Elaine Vazquez, Luiz
Felipe, Luiz Vaz, Marcelo Igor, Marcelo Neves, Moraya, Murilo, Protasio, Ribamar
Reis, Richard, Sanglard, Severino, Simone Morandini e Theodoro. E aos demais
profissionais envolvidos no meu desenvolvimento nas instituições de ensino que passei.
Por último e não menos importante, ao professor Antonio Carlos Fernandes que
prontamente me possibilitou participar desse projeto, com o qual aprendi muito e tive a
oportunidade de conhecer outro país. E a toda equipe do LOC que também fazem parte
disso tudo, Crístofer, Eduardo, Ivan, Julio e Yuri.
vii
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval.
Análise da Influência de Energy saving devices em casco Twin-skeg Otimizado de
Navio Gaseiro
Yuri Magnani Berbert
Março/2015
Orientadores: Antonio Carlos Fernandes
Curso: Engenharia Naval e Oceânica
O presente trabalho aborda a influência de Energy saving devices (ESDs) no
aumento da eficiência de cascos twin-skeg. Esses dispositivos são apêndices acoplados
ao casco que melhoram a entrada e saída do fluxo do fluido no propulsor, direcionando
as linhas de corrente para o propulsor. Primeiramente é apresentado um levantamento
bibliográfico resumindo os ESDs conceituados até então, e a partir de um casco twin-
skeg de referência, já otimizado com relação às suas dimensões e forma de proa e popa,
tais dispositivos serão selecionados e acoplados. A influência dos ESDs será analisada
através de programas de CFD (Computational Fluid Dynamics), que fornecem
informações como resistência ao avanço e coeficiente de esteira. Ao final, será possível
definir se um casco ótimo de twin-skeg é obtido para o caso em estudo, combinando os
ESDs selecionados.
Palavras-chave: Energy saving devices, Twin-skeg, Navio Gaseiro, Eficiência
Energética, Otimização de Casco, Resistência ao Avanço, Coeficiente de Esteira
viii
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfilment of the
requirements for degree of Naval Architecture.
Analysis of influence of the Energy saving devices on an Otimized Twin-skeg Hull of
Gas Carrier
Yuri Magnani Berbert
March/2015
Advisors: Antonio Carlos Fernandes
Course: Naval Architecture and Marine Engineering
This paper discusses the influence of Energy saving devices on the efficiency of
twin-skeg hulls. These devices are appendages attached to the hull which improve the
inlet flow in the Propeller, directing the streamlines to the Propeller. First of all a
literature review summarizing the ESDs is presented, and from a twin-skeg reference
hull, already with dimensions and shape of the bow and stern optimized, such devices
will be selected and placed on the model. The influence of ESD will be analyzed by
CFD softwares (Computational Fluid Dynamics), providing information such as hull
resistance and wake coefficient. At the end, it can be determined if a optimum hull twin-
skeg is obtained for this case study, combining the selected ESDs.
Keywords: Energy saving devices, Twin-skeg, Gas Carrier, Energy Efficiency, Hull
Optimization, Ship Resistance, Wake Coefficient
ix
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ........................................................................................... xii
LISTA DE FIGURAS........................................................................................... xiii
1 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 1
1.1 Motivação ............................................................................................................... 1
1.2 Objetivos ................................................................................................................. 2
1.3 Metodologia ............................................................................................................ 3
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................... 4
2.1 Energy saving devices ............................................................................................. 4
2.1.1 Defletores ........................................................................................................ 5
2.1.2 Pre-swirl ......................................................................................................... 9
2.1.3 Dutos ............................................................................................................... 9
2.1.4 Dispositivos no propulsor ............................................................................. 11
2.1.5 Hélice de Contra rotação............................................................................... 13
2.1.6 Surf-bulb ou Rudder Bulb ............................................................................. 14
2.1.7 Post-swirl ...................................................................................................... 15
2.1.8 Resumo ......................................................................................................... 17
x
3 ESTUDO DE CASO ..................................................................................... 19
3.1 Cascos Twin-skeg ................................................................................................. 19
3.2 Navios Gaseiros .................................................................................................... 20
3.3 Eficiência Energética ........................................................................................... 22
3.4 Otimização Preliminar ........................................................................................ 23
3.5 Modelagem ........................................................................................................... 24
3.5.1 Defletor ......................................................................................................... 25
3.5.2 Duto .............................................................................................................. 25
3.5.3 Cascos Analisados ........................................................................................ 26
4 COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) ...................................... 28
4.1 Configuração dos Modelos .................................................................................. 29
4.1.1 Malha ............................................................................................................ 29
4.1.2 Domínio ........................................................................................................ 29
4.1.3 Condição de Contorno .................................................................................. 30
5 RESULTADOS E ANÁLISE ....................................................................... 32
5.1 Resultados ............................................................................................................ 33
5.1.1 Casco 1 (Casco nu) ....................................................................................... 33
xi
5.1.2 Casco 2 (Defletor) ......................................................................................... 34
5.1.3 Casco 3 (Defletor + Duto) ............................................................................ 36
5.2 Análise .................................................................................................................. 37
5.2.1 Coeficiente de Esteira ( ) ............................................................................ 40
5.2.2 Resistência ao Avanço .................................................................................. 42
6 CONCLUSÕES ............................................................................................. 44
7 PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS ...................................... 45
REFERÊNCIAS BILIOGRÁFICAS ................................................................... 46
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Dimensões Principais para condição carregado ............................................ 24
Tabela 2 – Propriedades do Domínio ............................................................................. 30
Tabela 3 – Comparação dos Resultados ......................................................................... 43
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Zonas de ESDs ................................................................................................ 4
Figura 2 - Delfetor Transversal (Vortex Generator) ......................................................... 6
Figura 3 - SHI Safer Fin ................................................................................................... 7
Figura 4 - Namura Control Fin ......................................................................................... 8
Figura 5 - Low Viscous Fin .............................................................................................. 8
Figura 6 - Grothues Spoilers ............................................................................................. 8
Figura 7 - Pre-swirl DSME .............................................................................................. 9
Figura 8 - BMS Mewis Duct .......................................................................................... 10
Figura 9 - Semi-Duct ...................................................................................................... 11
Figura 10 – Wake Equalizing Duct ................................................................................ 11
Figura 11 - CLT Propeller.............................................................................................. 12
Figura 12 - Kappel Propeller.......................................................................................... 12
Figura 13 - PBCF ............................................................................................................ 13
Figura 14 - Hélice de Contra Rotação ............................................................................ 14
Figura 15 - Hélice de Contra Rotação Hibrido ............................................................... 14
Figura 16 - Rudder Bulb Hubcap RR ............................................................................. 15
Figura 17 - Interceptor with Rudder Bulb ...................................................................... 15
Figura 18 - HHI Thrust-fin ............................................................................................. 16
Figura 19 - Post Stator .................................................................................................... 16
xiv
Figura 20 – Casco Twin-skeg típico ............................................................................... 20
Figura 21 – Tipos de navios gaseiros ............................................................................. 21
Figura 22 – Navio Gaseiro do tipo Memebrana ............................................................. 21
Figura 23 – Regulamentação IMO de Emissões ............................................................ 22
Figura 24 - Casco otimizado proa................................................................................... 23
Figura 25 - Casco otimizado popa .................................................................................. 24
Figura 26 - Modelo do Delfletor tipo 2 .......................................................................... 25
Figura 27 - Modelo do duto ............................................................................................ 26
Figura 28 – Casco com defletor ...................................................................................... 27
Figura 29 – Casco defletor e duto ................................................................................... 27
Figura 30 – Domínio Computacional ............................................................................. 30
Figura 31 – Condição de Contorno ................................................................................ 31
Figura 32 – Campo de Pressão no Casco ....................................................................... 32
Figura 33 – Linhas de Corrente no Casco 1 ................................................................... 33
Figura 34 – Campo de Velocidades no Casco 1 ............................................................. 34
Figura 35 – Linhas de Corrente no Casco 2 ................................................................... 35
Figura 36 – Campo de Velocidades no Casco 2 ............................................................. 35
Figura 37 – Linhas de Corrente no Casco 3 ................................................................... 36
Figura 38 – Campo de Velocidades no Casco 3 ............................................................. 37
Figura 39 – Programa Propulsão Inteligente .................................................................. 39
Figura 40 – Programa Hélice B ...................................................................................... 40
xv
Figura 41 – Coeficientes de Esteira em Twin-skeg......................................................... 41
1
1 INTRODUÇÃO
A otimização de um casco passa por diversas etapas, a principal delas é a redução
da resistência ao avanço, obtida através de alterações na forma do casco. Ainda assim, a
resistência mínima não garante a melhor condição operacional, mesmo com uma correta
integração do motor e propulsor. É possível aumentar o fluxo de entrada no propulsor a
fim de aumentar a força propulsiva gerada sem alterar equipamentos ou a condição de
operação.
Para isso, serão estudados os efeitos de dispositivos conhecidos como Energy
saving devices, citados também como ESDs, no aumento da eficiência propulsiva. As
soluções propostas serão combinadas a um casco tween-skeg de navio gaseiro,
carregando gás natural liquefeito (LNG), otimizado e analisadas através de programas
de hidrodinâmica computacional, comumente conhecido como CFD (Computational
Fluid Dynamics).
1.1 Motivação
O aumento da eficiência energética em navios além de reduzir custos operacionais,
reduz as emissões de gases tóxicos e poluentes, sendo uma questão cada vez mais
avaliada pelos órgãos regulamentadores de meio ambiente e a IMO, International
Maritime Organisation. Atualmente existem áreas chamadas Emission Control Areas
(ECAs) onde a IMO diminui periodicamente o limite de emissão de gases derivados do
dióxidos de carbono, enxofre e nitrogênio.
2
Um esforço crescente de armadores e fabricantes de propulsores e motores vem
sendo feito a fim de atingir condições ótimas de operação. Além da seleção de um
propulsor eficiente, é possível optar por motores dual-fuel, ou seja, que utilização como
combustível o HFO (Heavy Fuel Oil) e o MGO (Marine Gas Oil). Contudo, a condição
ótima só será alcançada após a obtenção de um casco que forneça resistência mínima e
máxima eficiência propulsiva para enfim, trabalhar em conjunto com o motor e
propulsor.
O estudo de caso sugerido para análise inclui situações e questões reais, que podem
ser encontrados por armadores e projetistas. O transporte de gás natural vem crescendo
ano a ano com a demanda do mercado por um combustível cada vez mais barato e
limpo, sendo assim, as soluções para navios gaseiros para esse fim vem sendo cada vez
mais aprimoradas, ao ponto que cascos twin-skeg são atualmente um indicativo da
solução otimizada. Além disso, vem se aproveitado cada vez mais os motores de baixa
rotação dual-fuel por serem mais eficientes e poderem aproveitar parte do gás
evaporado dos tanques de carga como combustível.
1.2 Objetivos
O estudo aqui desenvolvido tem como objetivo demonstrar que um navio otimizado
pode alcançar resultados melhores ainda, obtendo um melhora na eficiência propulsiva
para um casco twin-skeg de navio gaseiro (LNG), considerando os efeitos dos Energy
saving devices.
3
1.3 Metodologia
A partir de um casco twin-skeg de referência, característico de navios gaseiros
(LNG) e já otimizado com relação às suas dimensões e forma de proa e popa, será feita
uma revisão de literatura com o objetivo de identificar potenciais soluções de ESD para
redução da resistência ao avanço. O casco será remodelado através de software
Computer Aided Design (CAD) e sua resistência calculada através de softwares de
hidrodinâmica computacional (CFD). Então, as soluções e seus respectivos resultados
serão analisados e o casco otimizado final será sugerido.
4
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Energy saving devices
Na década de 80, com o aumento do preço de combustíveis navais e a criação de
regulamentações ambientais de emissão de gases, começaram a ser desenvolvidos
dispositivos focados em melhorar o desempenho dos navios, chamados Energy saving
devices. Por definição Energy saving devices são apêndices acoplados ao casco que
melhoram a entrada e saída do fluxo do fluido no propulsor, sendo assim, direcionam as
linhas de corrente para o propulsor, evitando perdas e aumentando sua eficiência. Por
tais motivos, os ESDs devem ser tratados como uma pós-otimização da forma do casco
e podem ser encontrados em 3 zonas do casco, avante do propulsor, na região do
propulsor e a ré do propulsor, como na figura abaixo.
Figura 1 – Zonas de ESDs
Os tipos mais conhecidos de ESDs são:
o Dispositivos avante do propulsor
5
Defletores
Pre-swirl
Dutos
o Dispositivos no propulsor
CLT Propeller
Kappel Propeller
PBCF
o Dispositivos a ré do propulsor
Hélice de contra-rotação
Surf-bulb
Post-swirl
2.1.1 Defletores
Os defletores são dispositivos alocados na região de popa, próximo ao propulsor,
com o objetivo de melhorar o fluxo de entrada do fluido no propulsor, reduzindo os
pulsos de pressão e vibração na superestrutura. Diversos tipos de defletores vem sendo
desenvolvidas com diferentes perfis e resultados, alguns com perfis planos e outros com
perfil de asa.
6
2.1.1.1 Transversais à linha de fluxo (Vortex generator fin)
Esses dispositivos tem a capacidade de gerar vórtices e assim, modificar a esteira
a ponto de reduzir em até 50% dos pulsos de pressão e vibração, com a penalidade de
aumentar em torno de 2% a resistência.
Figura 2 - Delfetor Transversal (Vortex Generator)
Outros modelos de defletores transversais foram criados como o SHI Safer Fin,
desenvolvidos pela Samsung Heavy Industries, a qual tem estudos que mostram um
aumento de até 3,2% na eficiência propulsiva, mantendo os efeitos de redução de
pressão e vibração.
7
Figura 3 - SHI Safer Fin
2.1.1.2 Alinhados à linha de fluxo
Esses dispositivos podem ser longos ou curtos, e oferecem menos resistência se
comparado com os defletores transversais (em torno de 1%), porém, mantendo bons
resultados na eficiência propulsiva ao melhorar a esteira. Alguns desses dispositivos
podem ser destacados como o SUP Fin, Namura Control Fin, Low Viscous Fin e o
Grothues Spoilers.
O ganho em eficiência propulsiva, estudada nesses casos, chegam a 2 a 5% para
Namura, 2% para Low Viscous e 3 a 9% para o Grothues. Esse último possui um
diferencial de ter defletores curvados, com bordo de ataque a vante alinhado com o
fluxo e o bordo de fuga alinhado com o eixo propulsor, esperando que se tenha uma
redução da resistência ao avanço, ao mesmo tempo em que um aumento da eficiência
propulsiva. Todos os resultados podem ser obtidos ou não com a combinação do duto.
8
Figura 4 - Namura Control Fin
Figura 5 - Low Viscous Fin
Figura 6 - Grothues Spoilers
9
2.1.2 Pre-swirl
Com formato de um aerofólio, o objetivo desse tipo de dispositivo é induzir uma
assimetria do fluxo ao propulsor, provocando uma esteira mais uniforme, e
consequentemente, aumentar a eficiência do casco, mas podendo diminuir a eficiência
propulsiva e a rotação. O seu projeto é complexo pois cada aerofólio tem uma
angulação baseado no campo da esteira nominal, podendo ter um tamanho menor ou
maior que o diâmetro do hélice e acompanhados ou não de um túnel. O estaleiro de
Daewoo desenvolveu um Pre-swirl que pode oferecer um aumento da eficiência
propulsiva entre 1 e 6,3%.
Figura 7 - Pre-swirl DSME
2.1.3 Dutos
Inicialmente usados para reduzir os problemas com vibração, esses dispositivos
têm o objetivo de uniformizar o fluxo e reduzir os efeitos de pico da esteira, podendo
ser acoplados avante ou no propulsor e em geral combinados com o Pre-swirl. Alguns
10
desses dispositivos podem ser mais efetivos para navios de grande coeficiente de bloco
e em velocidades abaixo de 20 nós. Alguns dutos podem ser destacados como o BMS
Mewis Duct, Sumimoto Integrated Lammeren Duct (SILD), Semi-duct System,
WAFon-Duct e o Wake Equalizing Duct.
O Mewis reduz as perdas rotacionais, prometendo um ganho na força propulsiva
de 1,5 a 7,7%, acoplado com pré-swirl, localizado fora do eixo do propulsor e menor do
diâmetro do mesmo. Ao passo que a combinação de SILD com defletores mostrou uma
redução da resistência de 2,7% em um navio single screw. Além disso, outros estudos
mostram que a redução da combinação duto e Pre-swirl pode chegar a 7%.
O duto Wake Equalizing foi proposto por Shneekluth para melhorar a eficiência
propulsiva fazento com que o fluxo de entrada seja mais uniforme, acelerando o fluxo
na parte duperior do disco, e diminuindo as componentes de velocidade tangencial do
campo de esteira.
Figura 8 - BMS Mewis Duct
11
Figura 9 - Semi-Duct
Figura 10 – Wake Equalizing Duct
2.1.4 Dispositivos no propulsor
A modificação nas pás do propulsor, na sua forma ou com dispositivos influem
diretamente na eficiência propulsiva, já que ele é o responsável por transformar o efeito
rotacional em empuxo. Além disso, podem reduzir a vibração e as flutuações de baixa
pressão. Podem se destacar os propulsores CLT Propeller, Kappel Propeller e PBCF. O
12
CLT promete um aumento no expuxo entre 6 e 12%, enquanto o Kappel até 6% e PBCF
até 3%.
Figura 11 - CLT Propeller
Figura 12 - Kappel Propeller
13
Figura 13 – PBCF
2.1.5 Hélice de Contra rotação
Consiste em dois eixos propulsores, um dentro do outro, com direção rotacional
contrária, podendo aumentar a eficiência propulsiva em até 10%. Outro tipo conhecido é
o híbrido, no qual consiste em um eixo propulsor e um propulsor azimutal, tal
combinação pode garantir um aumento da eficiência em até 15%, além de garantir uma
melhor manobrabilidade através do azimutal.
14
Figura 14 - Hélice de Contra Rotação
Figura 15 - Hélice de Contra Rotação Hibrido
2.1.6 Surf-bulb ou Rudder Bulb
O Surf-bulb garante uma melhora na eficiência propulsiva e e na
manobrabilidade ao conduzir o fluxo ao leme, diminuindo o vórtice na região e
convertendo em força propulsiva. Existem dois sistemas de Surf-bulb conhecidos, um
da Rolls-Royce, o Rudder Bulb Hubcap RR e o Interceptor and Rudder Bulb. O
15
primeiro promete uma melhora da eficiência propulsiva de 6 a 8% e o segundo em torno
de 4,4%.
Figura 16 - Rudder Bulb Hubcap RR
Figura 17 - Interceptor with Rudder Bulb
2.1.7 Post-swirl
São dispositivos acoplados ao leme que aumentam a força propulsiva recuperada
da energia rotacional. Existem dois principais dispositivos desse tipo, o HHI Thrust-fin,
16
criado pela Hyundai, e o Post Stator. O primeiro prevê um aumento de 4,9% da força
propulsiva, enquanto o segundo de até 9%.
Figura 18 - HHI Thrust-fin
Figura 19 - Post Stator
17
2.1.8 Resumo
A partir dos dados levantados acima, foi possível elaborar uma tabela
consolidada das características dos ESDs com o intuito de permear o presente estudo.
Dispositivos Resistência Eficiência Prop.
Vortex Generator +2% S/I
SHI Safer Fin S/I 3,2%
SUP Fin +1% S/I
Namura Control Fin S/I 2 a 5%
Low Vicous Fin S/I 2%
Grothues Spoilers S/I 3 a 9%
Pre-swirl S/I 1 a 6,3%
BMS Mewis Duct* S/I 1,5 a 7,7%
SILD* -2,7% S/I
Semi-duct System* -3 a -7% S/I
WAFon-Duct* -6,1% S/I
Wake Equalizing
Duct
S/I S/I
CLT Propeller S/I 6 a 12%
Kappel Propeller S/I até 6%
PBCF S/I até 3%
Contra Rotação S/I 10%
Contra Rotação S/I 15%
18
Hibrido
Rudder Bulb
Hubcap
S/I 6 a 8%
Interceptor +
Rudder Bulb
S/I 4,4%
HHI Thrust-fin S/I 4,9%
Post Stator S/I Até 9%
* Resultados obtidos na combinação com Pre-swirl ou defletor
19
3 ESTUDO DE CASO
O caso de estudo consiste em um casco twin-skeg para navio gaseiro, que transporte
174 mil m³ de gás natural liquefeito em tanques do tipo membrana. Seu perfil de
operação compreende três velocidades, sendo elas 12, 16 e 19,5 nós para condição
lastrada e totalmente carregada. Além disso, opera com dois motores da Wartsila
X62DF de baixa rotação alimentados por HFO, MGO ou BOG (Boil-off Gas),
permitindo que emita menos gases poluentes em áreas restritas pela IMO, chamadas
Emission Control Areas (ECAs).
3.1 Cascos Twin-skeg
Cascos twin-skeg permitem adotar dois propulsores e dois motores, fornecendo
melhor manobrabilidade e maior força propulsiva quando não possível em casco de um
propulsor, por exemplo, em casos de calado restrito. Apesar de elevar os custos de
construção e aumentar a área molhada, recentes testes feitos pela empresa SSPA com
modelos reduzidos e CFD mostraram que é possível alcançar 2 a 3% mais eficiência em
cascos twin-skeg que em cascos single screw otimizados. Os skegs podem fornecer
melhor campo de esteira, com menos possibilidade de cavitação e pulsos de pressão na
estrutura, a posição longitudinal do centro de flutuação do navio (LCB) pode ficar mais
à popa, permitindo que o ângulo de entrada seja menor, além de fornecer melhor
estabildiade direcional.
20
Figura 20 – Casco Twin-skeg típico
3.2 Navios Gaseiros
A necessidade dos países em obter combustíveis mais baratos e menos poluentes
para aplicações industriais e domésticas, inseriu o gás natural no mercado de venda e
transporte de combustíveis. É possível transportar o gás natural através do meio
rodoviário, marítimo e gasodutos, tanto na forma gasosa quanto liquida. Apesar do
gasoduto ser uma solução mais barata que a rodoviária, percebe-se que tem uma
limitação para grandes distâncias, destacando-se o transporte marítimo entre grandes
distâncias.
O transporte marítimo de gás natural em forma líquida ocupa menos volume do que
na forma gasosa, então, navios com tecnologia para carregar esse gás líquido (LNG)
foram desenvolvidos, ao passo que devem ter tecnologia capaz de armazenar o gás a
uma temperatura em torno de -160º C, que é a temperatura de liquefação do gás.
Existem dois tipos principais de navios transportadores de gás natural liquefeito em
operação no mundo, dependendo do tanque de carga. O primeiro é o de tanque esférico,
21
desenvolvido na década de 70 e construído com chapas de alumínio bem espessas, e o
tipo membrana, de formato prismático com camadas de material isolante.
Figura 21 – Tipos de navios gaseiros
A tecnologia utilizada hoje permite construir tanques independentes ou integrados
ao casco. A tendência dos navios maiores é de adotar o tanque integrado membrana. As
vantagens da membrana em comparação com tanques independentes é que não causa
perda de espaço da carga por ser totalmente adaptada a forma dos tanques e os
carregamentos estruturais são totalmente transferidos para a estrutura.
Figura 22 – Navio Gaseiro do tipo Memebrana
22
3.3 Eficiência Energética
O principal orgão regulamentador do transporte marítimo, a IMO, vem criando
regulamentações que obrigam a redução de emissões de óxidos de nitrogênio e enxofre
(NOx e SOx), assim, como de dióxido de carbono (CO2). A redução do dióxido de
carbono é feita através da redução do consumo de combustível, já o NOx e SOx são
relacionados com todo o processo de combustão e o tipo de combustível. Obter a
máxima eficiência enérgica é uma etapa importante do projeto, principalmente para
navios que passarão pelas ECAs. No caso em estudo, o uso do gás como combustível
nas ECAs, através de um motor dual-fuel, permite uma redução significativa das
emissões de NOx e SOx, no entanto, no perfil de operação de navegação o principal
combustível utilizado é o HFO. Para reduzir as emissões de CO2 vindas da queima de
HFO é necessário um processo de otimização do casco, permitindo alcançar o menor
consumo de combustível possível. Esse processo inclui redução da resistência ao avanço
e aumento da eficiência propulsiva.
Figura 23 – Regulamentação IMO de Emissões
23
3.4 Otimização Preliminar
O casco otimizado fornecido passou por um processo de otimização, começando
por um estudo de resistência ao avanço através de programas de CFD para todas as
condições de operação afim de obter as dimensões ótimas de comprimento, boca e
calado, desconsiderando os efeitos do bulbo.
Após essa primeira etapa, alterações na proa e na popa foram realizadas, alterando
o bulbo em comprimento, altura e largura, alterando a área mergulhada do espelho de
popa e posicionamento dos skegs. Análises feitas através de CFD foram feitas
novamente para todas as condições de operação. Com esta forma, que forneceu menor
resistência ao avanço na média de todas as operações, serão sugeridos, testados e
analisados possíveis soluções de ESDs afim de obter a resistência mínima e a máxima
eficiência propulsiva.
Figura 24 - Casco otimizado proa
24
Figura 25 - Casco otimizado popa
Tabela 1 - Dimensões Principais para condição carregado
Lpp 293,7 m
Boca 49 m
Calado 11,5 m
Deslocamento 120.938 ton
Coef. de Bloco 0,712
Velocidade 19,5 nós
3.5 Modelagem
Como visto, nesta etapa do projeto ainda não estão definidos o propulsor e o leme,
sendo assim, a seleção dos ESDs, baseado na tabela 1, só poderá abordar os defletores,
os pré-swirl e os dutos.
No que diz respeito aos defletores, é possível inferir que os defletores longitudinais
têm menos impacto na resistência ao avanço ao passo que podem oferecer maior
eficiência propulsiva, e que o Grothues pode fornecer os melhores resultados tanto na
esteira como na eficiência. Além disso, o duto é um potencial dispositivo a oferecer
25
aumento na eficiência propulsiva atrelada à baixa resistência, porém, cabe destacar que
o Wake Equalizing Duct pode oferecer bons resultados na esteira, podendo ser
combinando com o defletor. A dificuldade de modelagem associada ao Pre-swirl e ao
semi-duto inviabilizam inicialmente sua aplicação no estudo, já que seria necessário ter
uma análsie prévia do fluxo na região.
3.5.1 Defletor
Seu perfil foi inspirado no Grotheus Spoiler e modelado também em Autocad.
Primeiramente foi modelado um perfil de asa NACA 2410 e posteriormente tratado
ponto a ponto. Depois do perfil criado, este foi copiado em escala 1,5x maior e a
superfície foi gerada através da função ‘Loft’.
Figura 26 - Modelo do Delfletor tipo 2
3.5.2 Duto
O duto foi gerado no programa Autocad a partir de dois círculos, sendo o menor
com o diâmetro igual a metade do diâmetro do propulsor esperado, e o maior sendo 1,5x
26
maior que o menor, aproximando-se o melhor possível da idealização do Wake
Equalizing Duct. A superfície também foi gerada através da função ‘Loft’ e adicionada
uma espessura de 5 mm.
Figura 27 - Modelo do duto
3.5.3 Cascos Analisados
As análises compreenderam 3 cascos diferentes, o casco nu, o casco com defletor e
o casco combinado, que possui defletor e duto.
27
Figura 28 – Casco com defletor
Figura 29 – Casco defletor e duto
28
4 COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
Nos últimos anos, os avanços em códigos computacionais capazes de descrever o
comportamento dinâmico do fluido ao redor de um corpo têm permitido análises cada
vez mais acuradas, sendo uma valiosa ferramenta de otimização. Desta forma, é
possível realizar diversas modificações em um casco inicial, buscando uma forma ótima
antes mesmo da construção de modelos reduzidos.
A análise em CFD ocorre em águas calmas, ou seja, as ondas avaliadas pelo
programa são ondas geradas pelo próprio casco. O programa consegue avaliar a
resistência das ondas geradas e a resistência friccional dentro da camada limite com a
imposição da condição de contorno no casco e na superfície livre. A forma do casco
funciona como uma parede e ao seu redor são prescritos painéis representando fluido.
Alguns métodos de solução do escoamento viscosos foram desenvolvidos como
Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS), Large Eddy Simulation (LES), Detached
Eddy Simulations (DES) e Direct Numerical Simulations (DNS). Além disso, podemos
encontrar diferentes modelos de turbulência, destacando o k-ε e k-ω, e diferentes modos
de geração de malha.
Para a etapa de projeto, como a que o presente caso se encontra, o CFD torna-se a
ferramenta ideal para avaliar modificações da forma. Sendo assim, será a única
ferramenta utilizada para gerar resultados deste caso.
29
4.1 Configuração dos Modelos
Uma das partes principais da análise utilizando CFD é a configuração do modelo,
ou seja, definição dos parâmetros como forma, tipo de malha e domínio que deseja que
o programa rode. Os modelos foram testados no programa de CFD, “CFX” da empresa
Ansys.
4.1.1 Malha
A malha é a discretização do fluido no programa, ao passo que quanto mais
refinado, fornece resultados mais acurados, o tempo computacional de cada análise
aumenta. Nesta etapa é definido o número de nós em cada bloco.
4.1.2 Domínio
Para que haja pouca influência das condições de contorno é preciso criar um
domínio grande, porém, sem comprometer significativamente o tempo computacional.
O domínio foi definido como três Lpp á ré do casco e dois Lpp á vante do casco e suas
propriedades seguem na tabela abaixo.
30
Figura 30 – Domínio Computacional
Tabela 2 – Propriedades do Domínio
Viscosidade Dinâmica (Ar) 1.831E-05 [kg m^-1 s^-1]
Viscosidade Dinâmica (Água) 8.899E-4 [kg m^-1 s^-1]
Densidade (Ar) 1.185 [kg m^-3]
Densidade (Água) 997.0 [kg m^-3]
Temperatura 25 ºC
Gravidade -9,80665 [m s^-2] (direção Z)
Modelo de Turbulência k-ω
4.1.3 Condição de Contorno
As condições de contorno orientam a resolução das equações dinâmicas do modelo,
sendo assim, definem o comportamento esperado nas faces do domínio. As
característisticas são descritas abaixo.
Entrada Inlet (direção -1,0,0)
Topo Wall (parede sem atrito)
31
Simetria Symetry (no eixo 0,1,0)
Lateral Wall (parede sem atrito)
Casco Wall (parede com atrito)
Fundo Wall (parede sem atrito)
Saida Opening
Critério de Convergência Residuo RMS
Nº de Iterações 1000
Figura 31 – Condição de Contorno
32
5 RESULTADOS E ANÁLISE
Abaixo está o campo de pressões no casco, esse campo sofre pouca variação devido
à presença do ESD, nota-se que o pico de pressão encontra-se no bulbo em vermelho.
Contudo os resultados das linhas de corrente e do campo de velocidade na região do
propulsor serão mostrados em detalhes posteriormente.
Figura 32 – Campo de Pressão no Casco
33
5.1 Resultados
As imagens abaixo mostram as linhas de correntes e o campo de velocidades na
posição do propulsor para todos os 3 cascos. Foi colocada uma circunferência de 6,5 m
de diâmetro, que corresponde ao do propulsor, mostrando as velocidades nessa região.
5.1.1 Casco 1 (Casco nu)
É possível observar que as linhas de correntes estão bem comportadas, e a escala de
velocidade mais alta é representada em vermelho. Para o campo de velocidades, nota-se
uma assimetria das velocidades, provocada pela forma twin-skeg. Neste caso, a escala
de velocidade mais alta é representada pela cor azul.
Figura 33 – Linhas de Corrente no Casco 1
34
Figura 34 – Campo de Velocidades no Casco 1
5.1.2 Casco 2 (Defletor)
A pequena alteração no casco com o defletor não foi suficiente para modificar
muito as linhas de correntes, e a escala de velocidade mais alta é representada em
vermelho. Nota-se que a assimetria foi alevemente acentuada nesse caso, mostrando a
atuação do defletor.
35
Figura 35 – Linhas de Corrente no Casco 2
Figura 36 – Campo de Velocidades no Casco 2
36
5.1.3 Casco 3 (Defletor + Duto)
Observando as imagens abaixo, é possível verificar a influência do duto nas linhas
de corrente, direcionando algumas linhas para o propulsor. Sendo a escala de velocidade
mais alta é representada em vermelho. No campo de velocidades, nota-se uma
assimetria mais acentuada das velocidades.
Figura 37 – Linhas de Corrente no Casco 3
37
Figura 38 – Campo de Velocidades no Casco 3
5.2 Análise
Para analisar a influência dos Energy saving devices no casco, será necessário
comparar a sua eficiência antes e depois da adição dos dispositivos. A eficiência do
casco é uma relação entre a potência efetiva, que tem relação direta com a resistência ao
avanço, e a potência desenvolvida pelo propulsor, relacionada ao empuxo do propulsor.
38
Como a velocidade de avanço pode ser colocada em função da velocidade de
serviço e o empuxo em função da resistência:
Para calcular a eficiência será necessário determinar o coeficiente de redução de
empuxo e o coeficiente de esteira. O coeficiente de esteira será deteminado de forma
direta, já que o ‘CFX’ dará a velocidade média na região do propulsor. Para calcular o
coeficiente de redução de empuxo, primeiramente é preciso determinar um propulsor e
suas características para o casco nu. Foi utilizado o programa ‘Propulsão Inteligente’, do
Rafael Passos (UFRJ), que a partir dos parâmetros de entrada fornece o propulsor com
maior eficiência propulsiva pelos diagramas da série B de propulsores. No programa foi
tuilizado a solução para o tipo 9, que solicita a entrada da velocidade de serviço, da
39
resistência ao avanço, da rotação do propulsor, nº de pás e razão de área. A resistência
ao avanço será a metade da resistência total dada pelo ‘CFX’, já que são utilizados 2
propulsores. Os demais parâmetros de entradas foram selecionados com base em navios
típicos deste porte, variando a razão de área para os valores 0,60, 0,70 e 0,80, foi
selecionado o caso de maior eficiência:
Figura 39 – Programa Propulsão Inteligente
O propulsor de maior eficiência foi:
40
Utilizando a planilha Hélice B, de Alexandre Alho (UFRJ), é possível determinar o
empuxo disponível e os coeficientes propulsivos de avanço, de empuxo e de torque (J,
Kt e Kq) utilizando a Série B, para o coeficiente de esteira calculado. Com a variação do
coeficiente de esteira nos cascos 2 e 3, o empuxo foi recalculado para cada caso.
Figura 40 – Programa Hélice B
5.2.1 Coeficiente de Esteira ( )
Qualquer corpo se deslocando na água gera uma esteira por onde passa. A esteira
gerada por navios ocorre é influenciada pelas linhas de corrente e pelo aumento da
camada limite ao redor do corpo. A esteira faz com que a velocidade com que o
propulsor opera seja diferente da velocidade de serviço do casco, influenciando o
potência propulsiva e, portanto, a eficiência do casco. Diferentemente de cascos single-
screw, os cascos twin-screw oferecem um perfil de esteira assimétrico em cada
HéliceBâ
h
h
Executar
41
propulsor. No caso estudado, será feita uma comparação da esteira nominal, que é a
esteira sem interferência do propulsor. A esteira nominal é composta por esteira
friccional, esteira potencial e esteira induzida pelas ondas, e pode ser calculada por:
Figura 41 – Coeficientes de Esteira em Twin-skeg
Esteira Potencial – É a esteira obtida pelo navio em um fluido ideal, sem
fricção e ondas. Essa esteira pode ser calculada matematicamente.
Esteira induzida por Ondas – É originada dos movimentos rotacionais das
partículas de água nas ondas.
Esteira Friccional – É o mais importante componente, sendo originada pela
friccção do fluido no corpo, que faz com que as partículas percam
velocidade e não se transportem mais na mesma velocidade do corpo.
42
È possível determinar o coeficiente de esteira a partir de estudos empíricos, no
entanto, a base de dados para navios single-screw é mais consistente que para o caso de
twin-skeg. Muitos parâmetros influenciam na esteira, assim, os programas de CFD se
destacam por poder computar a velocidade do escoamento no propulsor. Os parâmetros
que mais influenciam a esteira são:
Coeficiente de bloco;
Razão B/L
Razão D/L
5.2.2 Resistência ao Avanço
O movimento de um corpo imerso na água faz com que esta faça uma força oposta
ao movimento. Essa força é chamada de resistência ao avanço e pode ser dividida em
vários componentes:
Resistência Friccional – É obtida pela integração das componentes
tangencias do fluido na área molhada.
Resistência de Pressão Viscosa – É obtida pela integração das componentes
de pressão normal no corpo devido a viscosidade e turbulência do fluido.
Resistência de Ondas – É a resistência causada pelas ondas geradas pelo
corpo ao se deslocar no fluido.
Resistência de Apêndices – É a resistência adicional causada por elementos
acoplados ao casco, como leme, eixo etc.
43
E outras componentes menores como Resistência de Rugosidade,
Resistência em Ondas, Resistência do Ar.
Na simulação feita nesse trabalho, as únicas ondas analisadas são as geradas pelo
corpo ao passar no fluido, sendo assim, não há análise da resistência em ondas, assim
como do ar e de rugosidade. Além disso, espera-se que o aumento da resistência total
com os apêndices (ESDs) sejam compensados pelo ganho na eficiência do casco.
Comparando os resultados é possível fazer uma análise mais específica de cada
casco. É possível observar que houve um aumento na resistência ao avanço ao inserir os
ESDs, para ambos os casos, situação já esperada. Além disso, nota-se que a perda em
resistência é compensada pelo aumento na eficiência do casco, que ocorre nos cascos 2
e 3. Destaca-se o casco 3 que apresentou melhora na eficiência do casco de 0,7%, se
comparado com o casco 1.
Tabela 3 – Comparação dos Resultados
Resistência
ao Avanço
(kN)
Variação
de Rt
(%)
Empuxo
de 1
Prop
(kN)
Empuxo
Total
(kN)
Coef. de
Redução
de Emp.
Va
(m/s)
Coef.
de
Esteira
Eficiência
do Casco
Variação
da
Eficiência
Casco 1 1433,04 0% 847,695 1695,39 0,155 8,065 0,209 1,069 0%
Casco 2 1439,07 0,42% 849,932 1699,86 0,153 8,057 0,210 1,072 0,3%
Casco 3 1441,13 0,56% 845,458 1690,92 0,148 8,071 0,208 1,076 0,7%
44
6 CONCLUSÕES
O estudo apresentado mostra que é possível realizar análises posteriores à
otimização comum de navios mercantes com o intuito de melhorar a eficiência
energética. No caso apresentado, foi visto um aumento da eficiência do casco em 0,7%
utilizando o duto e defletor combinados e de 0,3% utilizando apenas o defletor. Estudos
vêm sendo feitos em cima da conceituação de dispositivos que forneçam cada vez mais
eficiência energética, os chamados Energy saving devices, no entanto pouco foi feito
tratando do caso específico de cascos twin-skeg. Sendo assim, a inserção correta de um
ESD na popa do casco twin-skeg é complexa e demanda análises mais precisas e com
uma gama maior de ESD testados. No entanto, ao melhorar o fluxo do escoamento no
propulsor na forma final do casco é possível obter uma solução otimizada do casco.
Além disso, foi possível notar que o CFD ainda é uma ferramenta em
desenvolvimento, que em pouco tempo pode fornecer resultados mais precisos para
casos atípicos, no entanto, já se mostra como uma ferramenta trivial no projeto, evitando
re-trabalho, tempo e custos excessivos com construção de modelos reduzidos. As
variáveis que interferem na análise em CFD são múltiplas desde o programa e solução
utilizada por ele a geração de malha e condição de contorno, portanto é necessário
controlá-las para identificar potenciais erros.
45
7 PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS
Uma análise mais ampla e complexa do caso pode oferecer resultados melhores,
buscando a solução ótima para um navio gaseiro twin-skeg. A falta de referências
científicas acerca do uso de ESDs em casco twin-skeg trás a necessidade de realizar
análises para vários Energy saving devices em diferentes configurações. Alguns destes
só poderão ser feitos após a definição final do propulsor e do leme, podendo-se
comparar também a eficiência propulsiva. Há ainda que se destacar que foi utilizada
apenas a maior velocidade de serviço (19,5 nós) na condição carregada (calado de 11,5
m), que se motra como a condição de maior influência na esteira. Sendo assim, é
importante realizar análises para todas as condições de operação e definir a melhor
eficiência nesse panorama.
Além disso, a malha ou o domínio podem interferir positivamente ou
negativamente nos resultados, pois, ao adicionar um ESD no casco, a malha pode ser
alterada na região, sugere-se, então, um teste de malha e domínio. Por último, a
comparação da esteira efetiva seria uma forma de se aproximar o melhor possível da
situação real, acrescentando um propulsor que irá succionar o escoamento na popa. Uma
análise como essa no CFD pode ser feita utiliando um disco propulsor de mesmo
diâmetro do propulsor real ou, ainda, modelando o propulsor propriamente dito no
modelo computacional, este último sendo o mais adequado, porém, trazendo mais
dificuldade na solução computacional do escoamento.
46
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