Ing. Laurențiu OANCEA [301594]

UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANȚA

Facultatea de Electromecanică Navală

Catedra Inginerie Mecanică

TEZĂ DE DOCTORAT

Ing. Laurențiu OANCEA

Conducător științific:

Prof. Univ. Dr. Ing. [anonimizat]: [anonimizat]. Laurențiu OANCEA

Conducător științific:Prof. Univ. Dr. Ing. Dumitru DINU

Introducere

Transportul este o parte integrantă a economiei, [anonimizat]-[anonimizat]. Transportul s-a dezvoltat odată cu necesitatea omului de a [anonimizat]/[anonimizat].

Transporturile ocupă un loc primordial în dezvoltarea unei economii, o [anonimizat]. Nevoia de a [anonimizat] a [anonimizat], au dus la o [anonimizat], [anonimizat], minimizarea timpilor de transport prin alegerea de rute optime sau îmbunătățirea infrastructurii de transport și a dimensionării optime a acesteia, în vederea eliminării blocajelor.

În ultimii ani, s-a observat o creștere accentuată a [anonimizat]. [anonimizat] a [anonimizat] a forței de muncă. Pe lângă faptul că a [anonimizat].

În ultimul deceniu, s-a [anonimizat], [anonimizat], din punct de vedere al eficienței și emanațiilor de gaze cu efect de seră. [anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat]/sau a [anonimizat] a [anonimizat] a cifrei de afaceri. Acest aspect a [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]-o avansată stare de degradare.

[anonimizat], care să urmărească trendul viitor de dezvoltare a modurilor de transport și a logisticii. [anonimizat], [anonimizat]emului existent din punct de vedere logistic, financiar sau a impactului asupra activităților curente din sistem fiind foarte dificilă.

Importanța și oportunitatea lucrării

Din punct de vedere social și economic, sistemele de transport joacă un rol esențial în dezvoltarea umană. Pe de o parte, acestea sunt principalele conexiuni între diferite tipuri de localități, iar pe de altă parte, efectuează legături importante între centrele de producție la nivel mondial.

De-a lungul timpului, s-a observat faptul că țările cu un sistem de transport dezvoltat au cunoscut o mai mare dezvoltare economică decât cele care nu pun un accent major pe dezvoltarea, optimizarea și întreținerea acestuia. Acest lucru se poate observa foarte ușor în Europa, luând în considerare densitatea și calitatea rutelor de transport, în sensul că țările dezvoltate din vestul Europei sunt mult mai „vascularizate” decât țările în curs de dezvoltare din regiunea sud-estică. Această dezvoltare a fost asociată și cu prezența unui sistem bine pus la punct de transport fluvial în vestul Europei.

Figura 1-1: Transportul rutier de mărfuri în Europa [berntbergman.com]

În România este vizibilă această problemă, datorită faptului că majoritatea investițiilor au fost dezvoltate în apropierea rutelor principale de transport și a centrelor industriale importante. După cum se poate observa în , rutele principale de transport european prin România sunt Coridoarele IV, VII și IX. Două dintre ele trec prin București și Constanța (coridoarele IV si IX), iar cel de-al 3-lea trece relativ aproape de aceste orașe (coridorul VII). Legătura portului Constanța cu Dunărea se realizează prin intermediul canalului Dunăre – Marea Neagră.

Figura 1-2 – Coridoarele de transport Pan-europene în România [ro.wikipedia.org]

Legătura orașului București cu Dunărea se realizează în principal pe cale rutieră, cu toate că între 1986 și 1989, au fost efectuate lucrări de realizare a canalului Dunăre – București în proporție de 70%, lucrările fiind în acest moment sistate [Antoniu G, 2005].

Astfel, datorită mai multor factori, dintre care prezența sistemelor de transport fiind unul din cei mai importanți, regiunea dintre București și Constanța a cunoscut o importantă dezvoltare în ultimii ani.

Bucureștiul, ca centru administrativ al României, a atras investiții majore în domeniul industrial. De cealaltă parte, Constanța s-a dezvoltat datorită prezenței portului și a poziției geografice a acestuia în sud-estul Europei și în bazinul Mării Negre.

Datorită aceste poziționări strategice, în acest moment portul Constanța reprezintă unul dintre cei mai importanți factori de dezvoltare ai României, dar și ai Europei centrale și de sud-est, în principal din prisma dezvoltării transporturilor fluviale de-a lungul Dunării.

În acest cadru, prin creșterea fluxurilor de transport intermodal, în portul Constanța s-a realizat una din cele mai importante investiții în anul 2004, și anume dezvoltarea terminalului de containere Constanța Sud (CSCT – Constanța South Container Terminal). În prezent, capacitatea terminalului este de 1,2 milioane TEU, existând planuri de expansiune pentru viitor. [www.dpworld.ro]

Oportunitatea lucrării de față constă în posibilitatea efectuării unei analize din punct de vedere al optimizării unui terminal de containere, luând în considerare situația existentă, precum și posibilitățile de utilizare a aparatului matematic din mecanica fluidelor, dar și a noilor abordări dezvoltate în cadrul Teoriei Constructale.

Obiectivele lucrării

Deoarece întregul sistem de transport este foarte complex și se observă o creștere substanțială a traficului de mărfuri containerizate, în aceasta lucrare voi încerca să abordez unul dintre cele mai importante aspecte ale sistemului și anume modelarea unui terminal de containere, care să satisfacă cerințele de eficientă energetică și de minimizare a timpilor de transport în interiorul terminalului, precum și optimizarea accesului la spațiile de depozitare sau de încărcare în mijloacele de transport și a spațiilor anexe. Rezultatul urmărește creșterea capacității de manipulare a containerelor din terminal, prin optimizarea aspectelor de bază ale terminalului.

Această modelare va fi făcută pe baza analogiei transport-hidraulică, considerând sistemul intern al terminalului ca un sistem hidraulic. În acest sens, noua teorie constructală aparținând Prof. Adrian Bejan, oferă câteva nișe interesante, pe care voi încerca să le dezvolt și să le analizez, în paralel cu aparatul matematic al hidraulicii.

Gratitudine

Stadiul actual în transportul containerizat

Context actual

Transportul este parte integrantă a oricărei economii de succes, facilitând accesul la resurse naturale și la piețe de desfacere. O mare parte din produsul finit este reprezentat de costurile de transport, începând de la materialele de bază, până la livrarea produsului finit.

Odată cu introducerea containerelor în a doua jumătate a secolului trecut, transportul acestora a cunoscut o uriașă dezvoltare, existând astfel posibilitatea ca o gamă largă de mărfuri să poată fi transportată nefiind necesară manevrarea mărfii însăși, la schimbarea modurilor de transport. În același timp, deoarece dimensiunile containerelor au fost standardizate în anii `70, s-a facilitat transportarea aceluiași container cu ajutorul mai multor moduri de transport. Acest mod de a transporta containerele este cunoscut ca transport intermodal. Avantajele constau în minimizarea costurilor implicate de-a lungul lanțului de transport, dar și în reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră, prin utilizarea și combinarea inteligentă a diferitelor moduri de transport.

Situația pe plan mondial a înregistrat o creștere spectaculoasă a capacității de transport și implicit a capacității terminalelor de containere. De exemplu, cel mai mare terminal de containere din România, situat în partea de sud a Portului Constanța, și-a deschis porțile în anul 2003 cu o capacitate de 206.499 TEU, ajungând în anul 2007 la o cifră a traficului de containere prin terminal de 1.411.370 TEU.

Deși criza economică mondială din ultimii ani a determinat o scădere semnificativă a traficului de mărfuri pe plan mondial, în prezent se observă o ușoară creștere, iar marile firme de transport maritim se pregătesc pentru construcția unor port-containere cu capacitate mai mare, cum este cazul firmei Maersk, ce a încheiat un contract cu Daewoo Coreea pentru livrarea a zece nave port-container cu capacitatea de 18.000 TEU, cu opțiunea de a mai construi alte douăzeci de nave în viitor.

Aceasta se întâmplă în contextul dezvoltării piețelor estice și mai ales a piețelor de import/export chinezești și coreene, care au devenit principalul hub la nivel internațional, cu o masivă capacitate de producție, dar și de consum. Condițiile favorabile, au determinat marii producători să își mute activitățile în această regiune, pentru obținerea avantajului competitiv pe piață sau pentru menținerea acestuia.

Această situație a condus la necesitatea transportării tuturor produselor între piețele producătoare și piețele de consum. În acest caz, transportul maritim containerizat a devenit singurul mod de a realiza acest lucru la un nivel satisfăcător, dispunând de capacități foarte mari, fiind și cel mai ieftin dintre toate modurile de transport existente, cu o cotă de piață de peste 90% din capacitatea mondială existentă.

În acest fel, transportul intermodal este un principal jucător în dezvoltarea economiei internaționale și un principal subiect de cercetare și optimizare în scopul obținerii unor performanțe compatibile cu cerințele clienților.

Transportul intermodal

Odată cu apariția și dezvoltarea spectaculoasă a transportului de containere, a fost definit conceptul de intermodalism sau multimodalism.

Conform legislației românești și mai precis a legii 74/2000 pentru ratificarea Acordului dintre Guvernul României și Guvernul Republicii Armenia, privind transportul combinat internațional, semnat la Erevan la 3 iulie 1998, transportul intermodal a fost definit ca „deplasarea mărfii în una și aceeași unitate de transport, vagon sau vehicul, utilizându-se succesiv mai multe moduri de transport, fără manevrarea mărfii la schimbarea modului de transport”. Această definiție este cea agreată de către Națiunile Unite și Conferința Europeană a Miniștrilor de Transport (ECMT), actualul Forum Internațional de Transport (ITF). [Strategia De Transport Intermodal În România 2020]

Astfel, diferența dintre transportul intermodal și multimodal se regăsește doar la nivel de contract de transport, deoarece transportul intermodal este efectuat de o singură firmă, dar cu ajutorul mai multor moduri de transport, în timp ce transportul multimodal se efectuează de mai multe firme de transport. În acest mod, transportul intermodal este considerat ca un caz particular al transportului multimodal. [Manaadiar H. 2013]

În contextul globalizării, acest mod de transport oferea o serie de avantaje față de alte tipuri de transport, datorită faptului că marfa transportată nu mai era manipulată individual, iar containerele au fost clasificate ca unități de transport. Pe de o parte, manipularea containerelor a devenit din ce în ce mai facilă, iar pe de altă parte, mărfurile nu mai necesitau un control vamal la fiecare trecere de la un mod de transport la altul. În prezent, datorită volumelor foarte mari de containere ce sunt transportate zilnic prin marile porturi, controlul vamal nu se mai efectuează decât în anumite cazuri, și anume când există suspiciuni, când containerele au trecut printr-un port cu risc ridicat sau se efectuează controale aleatoare la o mică parte din acestea.

Costurile de transport scăzute, împreună cu timpii de transport acceptabili pentru mărfuri în special neperisabile, au dus la o mutare a centrilor de producție a marilor firme, rezultând în deschiderea unor noi piețe. Pe plan mondial există în prezent trei regiuni principale angajate în schimburi masive de produse, și anume Asia, Europa și America. Schimburile comerciale au ca subiect o mare varietate de produse, începând de la materii prime și până la produse finite și alte servicii adăugate.

O mare parte dintre aceste schimburi și mai ales livrarea de componente și produse care necesită un oarecare grad de protecție sau condiții speciale de transport, se realizează în containere.

În ultimul deceniu, datorită dezvoltării piețelor asiatice, s-a înregistrat o mărire a cifrei de containere transportate între aceste regiuni. Conform statisticilor UNCTAD realizate pe baza informațiilor colectate de companii de statistică la nivel global, traficul de containere a cunoscut o creștere cu o medie de 8,2% în ultimii 20 de ani.

Figura 2-1 – Transportul global de containere, mărfuri în vrac și produse petroliere [UN Review of Maritime Transport 2011]

Deși în anul 2009 s-a înregistrat prima scădere bruscă în istoria transportului containerizat, piața a început să își revină în forță, înregistrându-se o creștere cu 12,9% în anul 2011 față de 2009, ajungând la o cifră globală de 140 milioane TEU.

Traficul de containere în Europa

În Europa conform datelor existente, traficul de containere crește semnificativ cu până la 10,5% până în anul 2007, moment în care criza economică determină scăderea acestuia. Ulterior, până în anul 2012, traficul de containere din Europa a beneficiat de o ușoară creștere, cu o medie de 1,26%, de la un trafic de 90,7 milioane TEU în 2009, până la 95,2 milioane TEU în 2012.

Figura 2-2: Transportul containerizat în Europa [Notteboom, T.,2013]

Din graficul de mai sus se pot observa tendințele de trafic a regiunilor din Europa. Acesta evidențiază echilibrul existent între nord-vestul Europei și porturile mediteraneene, observându-se faptul că în momentul în care regiunea Hamburg – Le Havre pierdea din trafic, o creștere simetrică era realizată de porturile din Marea Mediterană.

O astfel de simetrie se poate vedea și între porturile din regiunea Marii Britanii și porturile din Marea Baltică. Porturile din Marea Neagră, în special cele din România și Bulgaria, au înregistrat o ușoară creștere a traficului de containere, care a fost stopată ulterior de criza economică din anul 2008, iar cel puțin până în anul 2012 acest fapt a determinat plafonarea ponderii containerelor tranzitate.

În contextul actual al transportului containerizat din Europa, există un dezechilibru major între vest și est. Cu toate că în anii 2000-2008 traficul de containere din Marea Neagră și în special din Constanța a crescut de la zero până la o cifră de 1,38 milioane TEU, criza economică a determinat o scădere bruscă până la cifra de 594.229 TEU, iar până în anul 2012, această cifră ajungând la 684.059 TEU. Datorită dezvoltării terminalelor de containere din Grecia și Turcia, a crescut traficul de feedere (nave port-container cu capacități de 300-500 TEU), în detrimentul transporturilor directe, porturile trecând de la statutul de hub principal la statutul de destinație finală.

Concluzii

Odată cu intrarea în Uniunea Europeană a statelor din sud-vestul Europei, porturile de la Marea Neagră au devenit puncte strategice de transport a mărfurilor, în special pentru mărfurile dinspre și către piețele asiatice. Aceste porturi erau ideale pentru reducerea timpilor de transport pentru țările est europene, prin utilizarea rutelor de transport fluviale, feroviare și rutiere.

În acest context, au fost prevăzute o serie de investiții majore în infrastructura de transport, însă în unele cazuri, acestea au întârziat să fie implementate. Astfel, diferențele majore existente între Europa de vest și Europa de est s-au acutizat.

Din punct de vedere al transporturilor, era de așteptat ca odată cu intrarea României în Uniunea Europeană, poziția și conectivitatea portului Constanța cu rutele de transport fluvial să aducă o echilibrare a acestor sisteme.

După cum se vede și în , o explicație pentru dezvoltarea masivă care a fost realizată în vestul Europei era pusă pe seama existenței transportului fluvial foarte dezvoltat.

Figura 2-3 – Sistemul de transport fluvial, 1997 [Turro M 1997], [goingtens.turro.cat]

Acest mod are avantajul de a permite transportul unor cantități mult mai mari de mărfuri față de cel feroviar și rutier, cu costuri scăzute. Astfel, odată cu deschiderea gurilor Dunării și a portului Constanța, exista posibilitatea reducerii considerabile a distanței de transport spre centrul Europei, dar și dezvoltarea de noi piețe din estul Europei.

În cazul transportului feroviar și rutier, situația este asemănătoare, deoarece acestea nu sunt dezvoltate la un nivel acceptabil. Acest lucru, combinat cu criza economică din 2008, au dus la o reducere a interesului pentru sistemele de transport din estul Europei, ceea ce a permis apariția de noi terminale în Turcia și Grecia.

Posibilitatea de dezvoltare economică și de echilibrare a piețelor vestice și estice nu este posibilă fără o serie de intervenții, cum ar fi:

Regândirea mentalității comerciale și oferirea de servicii adăugate la nivel european;

Investiții majore în infrastructura de transport;

Modificări de legislație și birocrație pentru fluidizarea activităților și fluxurilor de transport și documente;

Investiții în activități de cercetare și dezvoltare în vederea optimizării terminalelor de containere, cât și a intermodalismului și multimodalismului acestora;

Investiții în echipamentele terminalelor de containere în vederea dezvoltării unui sistem eficient și uniform.

Terminale de containere la Marea Neagră

Din punct de vedere al transportului de mărfuri, principalele porturi maritime de la Marea Neagra sunt [en.wikipedia.org]:

Georgia: Batumi, Sukhmi, Poti;

Ucraina: Bilhorod, Illichivsk, Odessa, Sevastopol, Yuzhny;

Bulgaria: Burgas, Varna;

Rusia: Novorossiysk;

România: Mangalia, Midia – Năvodari, Constanța;

Turcia: Erdemir, Samsun, Trabzon.

Dintre acestea, cele mai importante pentru transportul de containere sunt Illichivsk, Odessa, Novorossiysk, Constanța, Poti și Varna. Aceste porturi dispun capacități de transport containerizat și facilități de tip RO-RO, LO-LO, pasageri etc.

Situația transportului intermodal la Marea Neagră

În cadrul bazinului Mării Negre, datorită limitărilor generate de dimensiunile maxime ale navelor care pot trece prin strâmtoarea Bosfor, dar și a limitărilor de adâncime ale porturilor, s-a creat un sistem de transport bazat pe nave de tip feeder. Acestea aveau ca port principal până în anul 2008 portul Constanța, cu cele patru terminale de containere, din care cel mai mare este Terminalul de Containere Constanța Sud.

Datorită crizei economice din anul 2008 ce a adus o micșorare a volumelor de mărfuri transportate, portul Constanța a suferit pierderi importante. În același timp, datorită dezvoltării unor noi porturi în Turcia și Grecia, porturile din Marea Neagră au trecut în mare parte de la rangul de port de transfer la rangul de destinație finală pentru nave de tip feeder.

Conform unui articol din revista electronica „Bunker Ports News”, a fost realizată o analiză pe baza datelor livrate de „INFORMALL BUSINESS GROUP” [www.”Informall Business Group”.biz]. Aceste date arată situația existentă la finele anului 2013 în Marea Neagră din punct de vedere al transportului de containere.

Tabelul 3-1 – Transportul de containere pline în Marea Neagră

În total, transportul de containere a însumat cifra de 2.636.998 unități TEU pline și goale. Dintre aceasta, containere pline pentru 2013 au reprezentat 1.842.866, cu o creștere medie de 12,01% față de anul 2012.

Din se poate observa faptul că, deși până în anul 2008 terminalul de containere Constanța Sud (CSCT) ajunsese la o cifră de transport anuală de aproximativ 1.200.000 TEU [www.csct.ro], în acest moment această cifră a scăzut considerabil. În analiza efectuată de “INFORMALL BUSINESS GROUP”, au fost luate în considerare două terminale de containere din portul Constanța, și anume CSCT și SOCEP, deținând cifrele de transport cele mai semnificative

Astfel, terminalele de containere din Ucraina și Rusia prezintă cel mai mare număr de containere transportate din bazinul Mării Negre. Pe de altă parte, se poate observa că cea mai mare creștere a cifrelor de transport față de 2013 a fost realizată de terminalele de containere din Ucraina și România, cu 19,65% respectiv 13,72%.

Același trend reiese și din analiza efectuată pentru „BSNews” de către “INFORMALL BUSINESS GROUP” pentru prima jumătate a anului 2013, raportată la aceeași perioadă din 2012 [www.blackseanews.net].

Figura 3-1 – Transportul de containere în Marea Neagră în prima jumătate a anilor 2012 și 2013

Conform aceleiași analize, în se poate vedea cota de pe piața transportului de containere din bazinul Mării Negre. Cu toate că în anii precedenți România, prin intermediul terminalului de containere Constanța Sud a atins un record al traficului de containere cu o cifră de 1.411.387 [www.portofconstantza.com], datorită crizei economice ce a urmat în anul 2008, Ucraina a devenit liderul de piață cu un procentaj de 31% din traficul total de containere din Marea Neagră.

Figura 3-2 – Ponderea unităților de transport pline în Marea Neagră

Figura 3-3 – Ponderea pe terminale de containere din prima jumătate a anului 2013

Figura 3-4 – Ponderea pe linii de transport de containere, pentru prima jumătate a anului 2013

Luând în considerare operatorii principali care deservesc terminalele de containere de la Marea Neagră, operatorii de la MSC, Maersk Line, ZIM și CMA CGM, au deținut 64,54% din capacitățile totale de transport de containere, ținându-se cont doar de unitățile pline. Această pondere a pieții a rămas relativ constantă în ultima perioadă. [Informall Business Group], [Black Sea Container Market Review 2013]

Transportul intermodal în România

Odată cu ascensiunea României la Uniunea Europeană, transportul în ansamblu a devenit unul din punctele principale de dezvoltare și optimizare, în special datorită decalajelor existente între sistemele vestice și estice.

În acest sens, au fost dezvoltate o serie de analize și studii finanțate prin fonduri europene, în sensul conectării sistemului de transport românesc la realitatea Europeană. Acestea au vizat pe de o parte analiza principalelor moduri de transport, dar și analiza coridoarelor de transport din România.

România este străbătută de trei coridoare de transport pan-europene principale și anume:

coridorul IV (rutier, feroviar): Dresden / Nürnberg — Praga — Viena — Bratislava — Győr — Budapesta — Arad — București — Constanța / Craiova — Sofia — Salonic / Plovdiv — Istanbul;

coridorul VII (fluvial): Viena – Belgrad – Calarasi – Braila – Galati – Tulcea;

coridorul IX (rutier, feroviar) Helsinki — Vîborg — Sankt-Petersburg — Pskov — Moscova — Kaliningrad — Kiev — Liubașevka / Rozdilna (Ucraina) — Chișinău — București — Dimitrovgrad — Alexandroupolis. [ro.wikipedia.org]

Figura 3-5: Coridoare de transport pan-europene

Coridoarele pan-europene au fost definite la Conferința a II-a pan-europeană privind transportul din Creta din martie 1994, cu adăugiri în Conferința a III-a din Helsinki din 1997. Aceste coridoare vizau în special regiunea centrală și de est a Europei, ce necesitau investiții majore în sistemul de transport.

În paralel, Uniunea Europeană a definit în anul 1990, odată cu adoptarea planurilor de acțiune, sistemul de transport Trans-European (TEN-T). Acesta diferă în ansamblu de coridoarele Pan-Europene, în sensul că vizează rutele de transport în interiorul Uniunii Europene. Odată cu extinderea UE în Europa centrală și de est, au existat propuneri de combinare a coridoarelor TEN-T și Pan-Europene. În plus față de sistemul de transport, sistemul Trans European cuprinde și sistemul de telecomunicații (eTEN), urmărind și dezvoltarea unei rețele energetice (TEN-E). [en.wikipedia.org]

După cum se poate vedea în , , și sistemul TEN-T este mult mai complex și cuprinde toate tipurile de transport, și anume rutier, feroviar, fluvial, maritim și aerian.

Figura 3-6 – Coridoarele de transport TEN-T [ec.europa.eu]

Figura 3-7 – Rețeaua rutieră (linie continua-construite, linie întreruptă-planificate, combinate-planificate pentru îmbunătățire)

Figura 3-8 – Rețeaua fluvială [ec.europa.eu]

Figura 3-9 – Rețeaua feroviară [ec.europa.eu]

Cele două coridoare de transport TEN-T ce traversează România sunt Coridorul Rin-Dunăre (culoare albastră în ) și Coridorul Orient/Est – Mediteranean (culoare maro în ). În paralel cu rețeaua rutieră, o importanță deosebită o are și dezvoltarea rețelei feroviare (), care în ultima perioadă a reprezentat unul din proiectele majore de investiție din România. Conform CFR S.A., modernizarea va permite viteze de circulație de 160 km/h pentru trenurile de călători și 120 km/h pentru trenurile de marfă. [Zilele Feroviare2012]

În cadrul Uniunii Europene, România și Bulgaria au avantajul poziției, ambele țări fiind puncte de acces a mărfurilor în Europa. Avantajul țării noastre față de Bulgaria a fost Portul Constanța, care se află la intersecția mai multor moduri de transport: maritim, fluvial, feroviar și rutier, dar și cu posibilitate de conectare cu transportul aerian datorită vecinătății aeroportului Kogălniceanu (25 km rutieri).

Conectivitatea portului Constanța cu transportul fluvial nu este însă naturală, aceasta realizându-se prin intermediul canalului Dunăre – Marea Neagră. Canalul a fost inaugurat în anul 1984 de către regimul comunist și permite traficul navelor cu pescaj de până la 7.00 m pe ramura principală și a navelor cu pescaj până la 5.5 m pe ramura nordică (Poarta Albă – Midia Năvodari). [ro.wikipedia.org]

Conectivitatea rutieră este asigurată în prezent de rețeaua existentă de drumuri naționale și județene, precum și de Autostrada A2 (Autostrada Soarelui), care a fost dată în folosință pentru conectarea directă a orașului Constanța de București în anul 2004. [ro.wikipedia.org]

În ceea ce privește rețeaua feroviară, dezvoltarea acesteia a fost urmărită în prima fază pentru conectarea orașului Constanța cu Bucureștiul. Gările din București erau și încă mai sunt unele dintre cele mai importante noduri de legătură cu întreaga țară dar și cu sisteme internaționale de transport. Unul din proiectele urmărite de la integrarea în UE și o prioritate majoră a CFR S.A., a fost dezvoltarea conectivității de mare viteză pe ruta feroviară între Constanța și Budapesta. În prezent, deși tronsonul dintre Constanța și București a fost finalizat, o mare parte a bugetului CFR (8 milioane lei) a fost alocat pentru reabilitarea acestuia, datorită binecunoscutelor furturi de echipamente din cadrul sistemului. În ceea ce privește continuarea dezvoltării sistemului pe coridorul IV Pan-European, CFR S.A. beneficiază de fonduri UE în proporție de 85%, cu o valoare totală de 1 miliard de euro. [www.economica.net]

O serie de analize a sistemelor existente de transport au dus la elaborarea unor studii la nivel național și european, ce au avut ca rezultat modificarea strategiilor naționale. Ultima publicație a strategiei pentru dezvoltarea transportului intermodal pentru anul 2020, vizează alinierea sistemelor de transport la standardele europene. Câteva exemple de recomandări sunt:

dezvoltarea de terminale intermodale în regiuni strategice;

transferul unui segment al transportului de marfă rutier către transportul feroviar și fluvial;

dezvoltarea unei Unități de Management a Proiectelor care să inițieze, să dezvolte și să gestioneze politica și sistemul de transport intermodal;

promovarea unei „culturi” intermodale;

dezvoltarea unor platforme logistice;

îmbunătățirea cooperării cu țările vecine;

îmbunătățirea serviciilor vamale.

Concluzii

După cum s-a evidențiat în acest capitol, datorită localizării și confluenței modurilor de transport, Portul Constanța are oportunitatea de a beneficia prin valorificarea poziției în lanțul de transport. În acest sens, se urmărește dezvoltarea coridorului VII, ce oferă o reducere a transportului maritim de la 3373 mile marine la 944 mile marine (luând în calcul traficul ce trece prin Canalul Suez) cu aproximativ 2429 mile marine, respectiv 4498 km. Astfel, mărfurile având ca destinație Europa Centrală și de vest, pot fi transferate în Portul Constanța pentru traficul fluvial și/sau feroviar.

Figura 3-10: Avantajul utilizării sistemului fluvial Rin – Main – Dunăre

Astfel, în urma unui calcul simplu, diferența de distanță ar putea fi tradusă într-o reducere a timpului de transport maritim cu aproximativ șapte zile, urmând ca ultima parte a transportului să fie preluată de celelalte moduri de transport, în funcție de necesități: rapid cu un cost ridicat – sistemul rutier, mediu și cost moderat – sistemul feroviar, lent și ieftin – sistemul fluvial. În acest caz, inclusiv țările ce nu au ieșire la mare pot beneficia de o dezvoltare a sistemului de transport fluvial, un flux sporit de mărfuri și implicit o dezvoltare proporțională a economiei locale și regionale.

Sistemul intermodal implică utilizarea combinată a mai multor moduri de transport cu scopul de a expedia unități de transport fără ca marfa să fie manipulată direct. În mod generic, acesta este asociat de cele mai multe ori cu transportul de containere.

În Portul Constanța există 4 terminale de containere: SOCEP, UMEX, APM Terminal și CSCT (Constanta South Container Terminal). Dintre acestea, cel mai important este CSCT, deținut de DP World. Acesta este cel mai mare terminal specializat din Marea Neagră. Terminalul a fost proiectat în prima fază pentru o capacitate de 500.000 TEU/an, apoi a fost mărit la 1,2 milioane TEU/an, urmând ca în viitor să fie extins până la o capacitate anuală de 4,5 milioane TEU. După cum a fost prezentat mai sus, datorită crizei economice din 2008, transportul prin Portul Constanța a avut de suferit. Deși cifrele pentru anii 2006 și 2007 arătau o creștere a containerelor transportate de la 1.037.077 la 1.411.414 TEU, în anul 2008 s-a înregistrat o scădere relativ mică la 1.381.935 TEU, urmând ca în anul 2009, acest trafic să scadă brusc la 594.303 TEU. Cifrele de trafic sunt pentru toate cele patru terminale de containere din Portul Constanța, însă CSCT deține aproximativ 95% din total. [Duma A. 2010]

În prezent CSCT operează sub capacitatea maximă, datorită situației economice regionale și globale. În perioada 2005-2009, DP World a investit în dezvoltarea terminalului CSCT suma de 152 milioane de dolari, urmând ca între 2008-2009 să fie aprobat un plan pentru extinderea terminalului în vederea manipulării a 4,5 milioane TEU/an. Datorită limitărilor constructive ale terminalului, acest lucru se preconiza a fi realizat prin mărirea zonei de stocare, după cum este prezentat în :

Figura 3-11: Configurația preconizată pentru perioada 2008-2009 [Bullock R., 2008]

În cele din urmă, datorită situației economice din perioada 2008-2009, aceste planuri au fost amânate. Cu toate acestea, chiar și în eventualitatea în care planurile de expansiune ar fi fost implementate, pentru a ajunge la creșterea capacității la 4,5 milioane TEU/an, exista necesitatea impunerii unui program de management pentru optimizarea fluxurilor din terminal.

Metode de cercetare utilizate în teză

Metoda elementului finit

În vederea analizării sistemelor complexe, în care rezolvarea analitică a acestora implica rezolvarea unui număr foarte mare de ecuații complexe, a fost necesară introducerea de noi tehnici de simplificare a acestora. Astfel, au fost dezvoltate încă din anii 1950 noi abordări ce implicau o analiză aproximativă [http://en.wikipedia.org/wiki/Finite_element_method], [autodesk.com].

În principal analiza implică rezolvarea de ecuații diferențiale de conservare și cu derivate parțiale pentru probleme la limită. Aceste abordări au fost realizate pe mai multe direcții, cum ar fi metoda diferențelor finite, metoda elementului finit, metoda elementului de frontieră sau metoda volumelor finite, fiecare cu avantajele și dezavantajele sale.

Metodele au ca bază împărțirea sistemelor complexe în elemente simple, acțiune numită discretizare, ce are ca rezultat o rețea de discretizare (mesh), ce poate fi pentru domenii unidimensionale (1D), bidimensionale (2D) sau tridimensionale (3D) [http://ro.wikipedia.org/wiki/Mecanica_fluidelor_numerică].

Figura 4-1 – Tip de discretizare 2D: structurată (stânga), nestructurată (dreapta)

Figura 4-2 – Tip de discretizare 3D: structurată (stânga), nestructurată (dreapta)

O analiză tipică în element finit se realizează în prezent cu ajutorul aplicațiilor software. Acestea necesită cunoașterea următoarelor informații:

Locația punctelor nodale (geometria);

Elementele de conectare a nodurilor;

Proprietăți de masă;

Condiții la limită sau constrângeri;

Detalii pentru funcțiile de încărcare sau forțe;

Opțiuni de analiză.

Deoarece analiza în element finit este o metodă de discretizare, numărul de grade de libertate ale modelului trebuie sa fie finite. Aceste date sunt colectate într-o așa numită coloană a gradelor de libertate sau de stare a vectorilor.

Procedura normală implică:

Divizarea structurii în bucăți mai mici (elemente și noduri), procedură denumită și discretizare sau mesh;

Asamblarea elementelor la noduri, pentru formarea unui sistem aproximativ de ecuații pentru întreaga structură (formarea matricelor elementelor);

Rezolvarea sistemelor de ecuații cu cantități necunoscute la noduri;

Calculul cantităților necesare pentru elementele selectate.

Modul în care se realizează obținerea parametrilor necunoscuți din sistem (temperatură, forțe, fluxuri etc.) este de a minimiza energia totală a sistemului. Această energie reprezintă suma tuturor energiilor asociate modelului în element finit. Pe baza legii de conservare a energiei, energia totală a elementului finit trebuie să fie egală cu zero.

Metoda elementului finit obține soluția corectă a oricărui model prin minimizarea energiei totale. Minimul energiei este calculat prin egalarea cu zero a raportului dintre derivata energiei interne și potențialul necunoscut din fiecare punct al rețelei. Astfel, ecuația de bază a analizei în element finit este:

(4.1)

Unde F este energia internă, iar p este potențialul ce trebuie calculat. Acesta se bazează pe principiul lucrului mecanic virtual, care presupune că dacă o particulă este în echilibru sub acțiunea unui sistem de forțe, atunci pentru orice deplasare, lucrul mecanic virtual este egal cu zero. Fiecare element finit va avea propria valoare unică a energiei interne. [http://www.me.berkeley.edu/ – Introduction to Finite Element Modeling]

Platforme de analiză CFD

Odată cu apariția analizei cu element finit și a opțiunilor de simplificare a calculelor introduse de aceasta, au fost realizate aplicații computerizate care să poată rezolva un număr din ce în ce mai mare de ecuații pentru un număr din ce în ce mai mare de elemente finite. În prezent, aceste metode reprezintă confluența a trei componente principale: matrice de analiză structurală, metode variaționale de aproximare și computere digitale [University of Colorado at Boulder, Department of Aerospace Engineering Sciences – Introduction to Finite Element Methods (ASEN 5007)].

Analizele de tip FEM au fost concepute înainte de dezvoltarea primelor computere. Odată cu apariția primelor computere digitale și creșterea capacității de calcul, au fost concepute noi aplicații care să rezolve aceste tipuri de probleme. În prezent, analiza computerizată a devenit una dintre cele mai importante metode de rezolvare a problemelor inginerești, metodele clasice „manuale” rămânând la nivel de teorie și baze pentru analiza computerizată. Acest fapt a fost posibil datorită enormei capacități de calcul disponibilă în acest moment a nivel mondial.

Figura 4-3: Capacitatea de procesare [http://en.wikipedia.org/wiki/Supercomputer]

Această capacitate de procesare a permis analiza sistemelor mult mai exactă, prin descompunerea acestora în elemente foarte mici, iar prin aplicarea ecuațiilor matematice pentru fiecare element, să se analizeze comportarea fiecărui element. Apoi, prin compunerea comportărilor individuale, se poate prezice comportarea reală a întregului sistem.

Astfel de aplicații soft pot analiza în prezent sisteme din punct de vedere al:

Stres mecanic;

Vibrații mecanice;

Oboseli mecanice;

Mișcare;

Transfer de căldură;

Dinamica fluidelor;

Electrostatică;

Electronică;

Magnetism;

Injecția de plastic în forme etc.

Aplicațiile de tipul CAE (Computer Aided Engineering) au permis în ultimele decenii înlocuirea metodologiei de lucru pentru dezvoltarea de noi sisteme. În mod tradițional, testarea unui prototip era realizată prin construcția efectivă a acestuia, de obicei în mai multe exemplare, și testarea acestuia în diverse condiții pentru a determina limitele în care poate să funcționeze sistemul.

Un astfel de exemplu vine din producția de automobile, în care dezvoltarea unui nou tip de vehicul implică construcția acestuia în mai multe exemplare și testarea în diverse condiții de mers, precum și teste de impact. Din nefericire, testele de impact sunt efectuate cu distrugerea irecuperabilă a autovehiculului, iar alt tip de test de impact trebuie realizat cu un alt vehicul, care implică costuri suplimentare [Karim Nice – How Crash Testing Works].

Pentru reducerea costurilor de dezvoltare a prototipurilor din diverse domenii, aplicațiile de inginerie asistată de calculator au adus un aport major, în sensul că majoritatea nevoilor de testare au putut fi realizate virtual. Pe de o parte virtualizarea nu implică distrugerea prototipului, acesta putând oricând fi reîncărcat în memoria calculatorului și testat din alte puncte de vedere, la urmă prototipul necesitând un număr minim de teste distructive. Un alt avantaj constă în faptul că odată proiectat prototipul pentru testare, acesta poate fi modificat direct în proiect, iar acesta constituie și proiectul efectiv de realizare a prototipului în serie.

În prezent, aplicațiile care pot realiza analize în element finit sunt multiple, iar marii producători de aplicații de proiectare au introdus acest tip de analiză pentru a putea supraviețui pe piață.

Conform listei de aplicații FEM publicată de Wikipedia, existau în anul 2014, 19 aplicații de tip „open source”, precum și 45 de aplicații proprietare (cu plată). Dintre acestea, cele mai cunoscute și mai utilizate sunt Elmer (aplicație gratuită dezvoltată de Ministerul de Educație Finlandez), ANSYS sau COMSOL Multiphysics.

Dintre acestea, una dintre cele mai populare platforme de analiză este cea produsă de ANSYS, Inc., o companie renumită din Statele Unite ale Americii, care începând cu anul 1970 au dezvoltat o serie de aplicații din ce în ce mai complexe, ajungând în prezent la oferirea unui pachet de aplicații care oferă diverselor tipuri de utilizatori o multitudine de unelte de proiectare, analiză și procesare a rezultatelor. ANSYS este o aplicație de tip CAE (Computer Aided Engineering) ce conține aplicații pentru simulări tehnologice și fluxuri de lucru.

Platforma ANSYS oferă un mediu de proiectare, precum și pregătirea detaliată a analizei, rezolvarea acesteia, procesarea și post-procesarea rezultatelor. Uneltele de analiză se întind practic în toate domeniile fizice, existând posibilitatea de analiză 2D și 3D pentru analiza sistemelor pentru un singur tip de mărime fizică, analiză multifazică, dinamica fluidelor, analiză structurală, electrică și electronică [http://www.ansys.com].

Concluzii

Din punct de vedere al analizei sistemelor de transport, analiza în element finit poate oferi o perspectivă diferită asupra fluxurilor de trafic existente. În cazul de față, analiza fluxurilor de containere poate fi modelată cu ajutorul unei asemenea aplicații, in vederea determinării unei forme optime pentru terminalul de containere, în special a zonei de stocare.

Popularitatea aplicației ANSYS și disponibilitatea cursurilor de utilizare pentru diversele tipuri de analiză, au făcut din aceasta una dintre cele mai cunoscute și în același timp una dintre cele mai utilizate aplicații la nivel mondial. Oferirea acesteia în condiții extrem de avantajoase către mediul academic, a făcut posibilă utilizarea directă a aplicației, datorită achiziționării acesteia în cadrul Universității Maritime din Constanța.

În vederea dezvoltării analizei pentru fluxurile de containere dintr-un terminal, aplicația cea mai potrivită a fost identificată ca fiind ANSYS Fluent, o aplicație CFD (Computational Fluid Dynamics). Aceasta cuprinde o gamă largă de unelte pentru analiza fluxurilor laminare și turbulente, transfer de căldură și reacții, îmbunătățită cu unelte adiționale pentru analiza combustiei în cilindrii, aeroacustică, turbomașini și sisteme mulltifazice.

În concluzie, situația existentă permite analiza sistemelor abordate pentru a realiza o vedere de ansamblu asupra fluxurilor existente într-un terminal de containere, precum și analiza opțiunilor de optimizare a fluxurilor în vederea reducerii energiei consumate în sistem, a reducerii costurilor de operare și implicit a costurilor la utilizatorul final al serviciilor oferite.

Analogia hidraulică – transport containerizat

Înainte de toate, trebuie specificat faptul că nu se dorește dezvoltarea unei similitudini între hidraulică și transport. În vederea unei mai bune înțelegeri a modului în care lucrează sistemele de transport și în cazul de față a fluxurilor existente în terminalele de containere, s-a încercat dezvoltarea unei analogii simple între aceste două domenii.

Aparatul matematic al hidraulicii a fost folosit într-o gamă largă de domenii, având posibilitatea de a oferi soluții pentru segmente mai puțin dezvoltate și de a contribui la o mai bună înțelegere a fenomenelor studiate. Există mai multe astfel de abordări ce oferă posibilitatea de dezvoltare a unei similitudini între fenomene diferite.

Dezvoltarea analogiei între hidraulică și tensiunea electrică (analogia Electro-hidraulică), este una dintre cele mai folosite analogii, deoarece a oferit printre altele și posibilitatea înțelegerii intuitive a conceptului. Într-un sistem hidraulic, lucrul mecanic rezultat din mișcarea apei este egal cu presiunea înmulțită cu volumul apei mutate. În mod similar, într-un circuit electric, lucrul mecanic necesar pentru a muta electronii este egal cu presiunea electrică înmulțită cu numărul de electroni mutați. Această analogie poate continua, realizându-se cu succes similitudinea dintre potențialul electric și presiune, diferență de potențial – diferență de presiune, curent electric – debit, sursă de curent electric – pompă și altele.

Ca și obiect de studiu, sistemele de transport au început să fie abordate științific abia in ultima jumătate de secol, odată cu dezvoltarea în anii 1959-1960 a programului de design urban din cadrul Universității Harvard [www.gsd.harvard.edu].

În principal, sectorul s-a bazat pe experimente empirice în urma cărora s-au tras concluzii. În acest sens, au fost analizate în teren o serie de elemente care mai târziu și-au dovedit sau nu funcționalitatea sau eficiența. Din păcate, adoptarea unui sistem de transport pentru a fi analizat în teren dar care în același timp este folosit și de populație, nu poate fi modificat foarte ușor datorită costurilor implicate.

Abordările actuale se axează în principal pe maximizarea eficienței sau a timpilor de deplasare pe sistemele fixe ce nu au fost construite în mod optim din lipsa unui mod eficient de proiectare a acestora.

Prin folosirea analogiei transport-hidraulică, se urmărește posibilitatea de a utiliza aparatul matematic al hidraulicii în probleme de optimizare a sistemelor de transport, precum și utilizarea fondului experimental al hidraulicii în vederea grăbirii procesului de dezvoltare a unui aparat matematic propriu sistemelor de transport.

Pentru elaborarea unei alternative viabile de analiză a sistemelor de transport, în această lucrare a fost propus un nou concept, și anume analiza pe baza analogiei sistemelor de transport cu mecanica fluidelor.

Aparatul matematic prezent în analiza curgerii fluidelor s-a dezvoltat substanțial în ultimele decenii, iar în prezent acesta oferă o alternativă mult mai exactă și mai aprofundată, față de abordarea empirică, prin utilizarea de sisteme de calcul avansat și a unor noi aplicații de analiză de tip FEM (Metoda Elementului Finit) sau FEA (Analiza Elementului).

Asemănarea dintre sistemele de transport și rețelele de conducte este evidentă, în ansamblu ambele fiind folosite pentru transportul de unități, existând particularități din prisma modului în care energia este utilizată sau transferată către unitățile de transport. În plus, analiza este simplificată, fiind necesară doar o evaluare a sistemului bidimensional.

Parametrii de analogie

În cazul sistemelor de transport, lucrul mecanic necesar deplasării unităților de transport se obține local, aceste unități fiind însăși vehiculele. Deoarece există posibilitatea de modificare a vitezei proprii, independent de celelalte vehicule, analiza unui astfel de caz imprevizibil este practic imposibilă.

De cealaltă parte, fluidul care circulă în rețelele de conducte, se deplasează în realitate, datorită lucrului mecanic efectuat de una sau mai multe pompe din circuit. Mișcarea rezultată de-a lungul conductei este datorată interacțiunii dintre particule.

Această interacțiune nu este posibilă pentru vehicule, deoarece ele în principiu nu se pot atinge, nefiind proiectate pentru astfel de interacțiuni. Acest lucru este valabil pentru modurile de transport rutiere. Totuși există situații în care fenomenul este utilizat și anume în cazurile de transport prin remorcaj sau împingere, după caz (feroviar, fluvial, remorcaj rutier).

Pentru a putea efectua această analiză din perspectiva mecanicii fluidelor, este necesară aproximarea mișcării vehiculelor pe diferitele rute de transport, în așa fel încât să se comporte ca și componente ale fluidului ce se deplasează cu viteze constante, fără a lua în calcul eventualele variații de viteză de-a lungul rețelei, datorate unor factori externi sau independenți.

În dezvoltarea analogiei, se va avea în vedere asemănarea dintre diferite aspecte ale mișcării vehiculelor și aspecte din hidraulică, cu ar fi analogia dintre:

punct de plecare – sursă

destinație – puț (absorbție)

cale de transport – conductă

spațiu de depozitare – rezervor

TEU/timp – debit

rezistența la înaintare – viscozitate

Cu toate că există aceste elemente de analogie între cele două domenii, în realitate nu se poate pune problema dezvoltării unei similitudini, deoarece scările la care se realizează aceste procese precum și legile de mișcare, conduc la diferențe majore. De exemplu, putem considerarea o conductă și o rută de transport. În cazul rutei de transport, un potențial profil de viteze poate fi dat, în funcție de numărul de benzi (e.g. Autostrada Katy cu un număr total de 26 de benzi de circulație), în timp ce pentru o conductă cu un diametru de doar un milimetru prin care circulă apă, profilul de viteze este realizat de un număr de aproximativ 3,64 x 106 molecule (diametrul moleculei ) [www1.lsbu.ac.uk].

Dezvoltarea analogiei

Cele două domenii oferă variate posibilități de dezvoltare a elementelor de analogie. Pentru aceasta, este necesar să se găsească elementele principale care sunt folosite.

Cea mai dinamică componentă a sistemului de transport este cea rutieră, un subsistem extrem de dinamic care a cunoscut la nivel european amplă dezvoltare în detrimentul transportului feroviar și fluvial. În acest caz, analogia poate fi creată între vehicul și particula de fluid din hidrodinamică. Pentru a putea generaliza mai mult, se pot realiza analogii cu particula de fluid și pentru alte unități din alte tipuri de sisteme de transport, cum ar fi din domeniul naval, unde unitățile de măsură sunt extrem de variate. Astfel, particula de fluid poate fi corespondenta TEU-rilor, capetelor de animale transportate, saci, butoaie, baloți și alte unități specifice. Mai departe, această analogie poate fi continuată cu crearea corespondenței între debitul din hidraulică și unități de marfă transportate în timp, tone marfă/timp, TEU/timp etc. Plecând de la acestea, se pot integra pentru a se obține viteze, și mai departe, cantități.

Analogia poate fi extinsă și pentru a defini analogia între structuri. Astfel, conducta din hidraulică își găsește corespondența în căile de transport, rezervorul de fluid (sursa) își găsește corespondența în spațiile de depozitare sau parcări și chiar se poate folosi această analogie pentru crearea de bypass-uri rutiere, în corespondență cu bypass-ul folosit la vanele de control hidraulice din instalațiile de presiune.

Deoarece centrul orașelor prezintă periodic acumulări și degajări mari de trafic (dimineața populația se deplasează către locul de muncă, pentru ca seara să plece către casă), acestea pot fi analizate separat din perspectiva puțului din hidraulică sau din perspectiva sursei.

Figura 5-1: Sursa (dreapta) și puțul (stânga)

În cazul sursei, se consideră potențialul complex [Dinu D., 2010]:

, (5.1)

în care Q este o constantă reală, pozitivă.

Scriind variabila complexă sub formă exponențială , potențialul complex devine:

, (5.2)

de unde se obțin funcțiile și :

, (5.3)

, (5.4)

care egalate cu constante ne dau ecuațiile liniilor echipotențiale și ale liniilor de curent:

.

.

Știind că:

și ,

în punctul , componentele vitezei vor fi:

, (5.5)

. (5.6)

Constanta Q se numește debitul sursei care printr-o suprafață circulară de rază r și lățime unitară este:

. (5.7)

Inversând sensul vitezei din potențialul complex, se obține absorbția sau puțul:

. (5.8)

În sensul analogiei pentru sursa și puțul din hidraulică, un exemplu este orașul București, a cărei configurație geometrică a sistemului de transport are efectul de a aduna traficul către centrul orașului, după cum se observă în :

Figura 5-2: Orașul București, rutele principale de acces în oraș

Majoritatea orașelor au centrul puternic dezvoltat, acesta fiind cel mai probabil loc de existență a mediului economic principal, care pe timpul zilei tinde să adune majoritatea fluxului de mașini din oraș sau cel puțin să încurajeze tranzitarea centrului de către vehicule, prin lipsa unui management adecvat al mobilității urbane. În acest caz, se poate crea analogia cu un puț, diferența între acestea fiind acela că ieșirea din centru se face aproximativ pe aceeași cale, analogia putând fi făcută cu sursa din hidraulică. Acest sistem însă, nu poate fi analizat din punct de vedere al hidraulicii ca sursă sau puț, deoarece fluxul nu se realizează pe toată suprafața, ci pe drumuri sau canale ce ocupă o suprafață mică în funcție de suprafața totală. În acest caz este posibilă abordarea sistemului ca o rețea de conducte, analiza acestora fiind disponibilă matematic.

Pentru început, se determină elementele principale ce caracterizează transportul pentru a se putea realiza o analogie cât mai bună. Presupunând vehiculele ca fiind puncte elementare, considerate la nivel micro în comparație cu întreg sistemul, se pot asemăna cu particulele de fluid. Vehiculele, deși în realitate prezintă diferite tipuri de interacțiuni cu mediul, cum ar fi forțele de frecare cu aerul sau cu asfaltul, la nivel macro aceste forțe pot fi neglijate deoarece prin lucrul mecanic efectuat de motorul propriu, se anulează aceste forțe, vehiculele fiind capabile să-și mențină starea de mișcare la o viteză constantă. Astfel, ca în cazul fluidelor ideale, viteza vehiculelor este considerată constantă, iar fluxul total este „incompresibil” și viscozitatea este nulă. Forțele de frecare se neglijează, neexistând pierderi de energie. Fluxul este considerat ca fiind dezvoltat în regim laminar.

Pentru o abordare mai generală, se poate considera și analiza pe baza curgerii reale a fluidelor, care dezvoltă un profil parabolic de curgere prin conducte. Conform legislației rutiere, benzile de circulație au diferite regimuri de viteză, începând cu banda întâi de viteză mică, aceasta putând fi majorată până la limita maximă de viteză pentru benzile superioare în cazul depășirilor. [Codul Rutier Românesc]

Această particularitate a sistemelor de transport cu mai multe benzi de mers, prezintă posibilitatea dezvoltării unei analogii între un fluxul de fluid ce curge de-a lungul unei plăci și o secțiune de drum, ca în .

Figura 5-3: Analogie între curgerea de-a lungul unei plăci și deplasarea vehiculelor pe drumuri cu mai multe benzi pe sens

Din acest punct de vedere, se poate crea analogia viscozității, care în cazul fluidelor reprezintă proprietatea acestor de a se opune mișcării relative a particulelor sale, fiind percepută ca o rezistență la curgere. [Dinu D., 2010][ro.wikipedia.org]

Pentru determinarea eforturilor de frecare între straturile de fluid, Newton a postulat că pentru o curgere uniformă între două plăci plane paralele în mișcare, tensiunea tangențială între două straturi de fluid este proporțională cu gradientul vitezei în direcția perpendiculară pe straturi:

, (5.9)

în care reprezintă viscozitatea dinamică a fluidului, fiind o proprietate fizică a fluidului.

Aspectul prezentat mai sus ridică problema utilizării viscozității ca analogie în probleme de transport. Însă acest lucru este posibil pentru drumuri cu mai multe benzi pe sens, deoarece la un drum cu o singură bandă, viteza este de obicei dictată de condițiile de mers și, cel puțin pentru segmente de drum limitate, viteza de deplasare este aceeași pentru toate vehiculele.

Debitul se poate exprima ca debit masic sau debit volumic. Debitul volumic reprezintă volumul unui fluid care trece într-o suprafață în unitatea de timp. Debitul masic reprezintă cantitatea de substanță care trece printr-o suprafață în unitatea de timp. [http://ro.wikipedia.org/wiki/Debit_masic], [http://ro.wikipedia.org/wiki/Debit_volumic_de_curgere]

Debitul volumic printr-o suprafață reprezintă fluxul vectorului viteză prin punctele suprafeței [Dinu D., 2010]:

, (5.10)

în care versorul reprezintă versorul normalei suprafeței elementare , în punctele în care viteza fluidului este , iar este unghiul dintre și .

Dacă într-un curent de fluid și sunt coliniari, în toate punctele unei suprafețe, aceasta se numește suprafață transversală () îar relația pentru debit ul volumic devine (Dinu D., 2010):

. (5.11)

O altă noțiune utilizată este cea de debit masic, notat cu M și care are formula:

, (5.12)

Care pentru un fluid incompresibil () ia forma Dinu D., 2010:

. (5.13)

În transporturi, „diferența de presiune” se realizează din existența unor centre comerciale ce exportă mărfuri și a unor centre ce au nevoie de aceste mărfuri (cerere și ofertă), ducând la crearea unor rețele complexe de producție, expediere și consum. Un exemplu poate fi interdependența între orașe, după cum se poate vedea în și :

Figura 5-5: Sistemul de transport Constanța – București

Figura 5-6: Analogie între sistemul de transport și sistemul sursă – conductă – puț din hidraulică

Analogia sistemului este posibilă în ambele sensuri. În s-a arătat dependența orașului București față de Constanța și invers, cel din urmă fiind principalul punct de intrare al mărfurilor de import în România.

În analiza traficului intern al unui terminal de containere, se poate crea în același mod analogia între sursă – conductă – puț și navă – drum – zonă de depozitare.

Figura 5-7: Conducta echivalentă a lanțului de transport intern al unui terminal

În cazul proceselor de curgere, o abordare importantă ce este esențială în analiza sistemelor pentru determinarea nivelului de corectitudine al rezultatelor, este aplicarea legii de conservare, sub forma ecuației de continuitate (Dinu D., 2010):

. (5.14)

Pentru un fluid incompresibil (), ecuația devine:

, (5.15)

care în sistem cartezian de axe, ia forma:

. (5.16)

În cazul terminalelor de containere, se va realiza analogia între un sistem de transport intern al unui terminal teoretic, dezvoltat pe baza teoriei constructale și rețeaua hidraulică echivalentă, ținând cont de existența coturilor, gâtuirilor rețelei, viteză de deplasare, precum și alți parametrii ce influențează dezvoltarea unui flux optim.

În cele ce urmează, vor fi definite o serie de presupuneri ce au fost utilizate în cazul de față, pentru a face posibilă analiza sistemelor de transport din perspectiva mecanicii fluidelor.

Figura 5-9: Dezvoltarea analogiei hidraulice

Deoarece viteza fluidului ce va face obiectul principal al analizei nu poate fi modificată independent de-a lungul rețelei de transport, și în același timp se dorește analiza întregului sistem de conducte, nu doar pe anumite porțiuni, se va folosi ca referință viteza de intrare.

Punctele de intrare sau ieșire a fluidului în și din suprafață, funcție de cazul analizat, vor fi considerate punctele cele mai defavorizate și anume punctele de la extremități, notate generic cu P și M în .

În primul caz, în care punctele P sunt puncte de intrare, acestea vor fi înlocuite cu sursa din mecanica fluidelor, iar ieșirea din suprafață (punctul M) va fi asemănat cu puțul din mecanica fluidelor.

Diferitele rute de transport din interiorul zonei ce va fi analizată, pot fi asociate cu ușurință cu conducte circulare de transport fluide, diametrul fiind în funcție de lățimea rutei de transport.

Deplasarea pe rutele de transport se realizează în majoritate în spațiul bidimensional. Acest fapt prezintă posibilitatea dezvoltării analizei din perspectiva mecanicii fluidelor cu ajutorul aplicației Ansys Fluent 2D.

În vederea realizării unei comparații între un sistem ideal și un sistem real, nevoia de concepere a studiilor de caz trebuie realizată în așa fel încât să acopere principalele probleme de studiat, să se bazeze pe analiza sistemelor și parametrilor identificați și să poată realiza o asemănare diferențială dintre un sistem generic teoretic (optim) și sistemul real.

Concluzii

Sistemele de transport pot fi asemănate cu ușurință cu sisteme hidraulice, la un nivel de bază. Dacă se iau în considerare aspecte din transporturi care nu pot fi simulate cu ajutorul mecanicii fluidelor cum este cazul factorului uman, aparatul matematic al curgerii fluidelor nu mai prezintă posibile elemente de analogie.

În cazul terminalelor de containere, circulația vehiculelor este controlată în mod riguros, teoretic posibilitatea apariției de accidente sau alte evenimente nedorite fiind foarte redusă. Cu toate acestea, datorită dezechilibrului existent în unele terminale dintre diversele capacități ale utilajelor ce deservesc terminalul, în anumite perioade ale zilei pot apărea ambuteiaje. Acesta este un aspect care este urmărit îndeaproape în interiorul terminalelor de containere, deoarece echipamentele sunt cumpărate în funcție de capacitățile individuale de încărcare/descărcare sau transport și perioadele zilei în care se așteaptă aceste creșteri ale traficului prin terminal sunt monitorizate permanent.

Figura 5-10: Media zilnică a traficului de TEU pe intrări și ieșiri, pentru anul 2007 în CSCT [Bullock R.,2008]

De exemplu, în este prezentată media traficului prin terminalul de containere Constanța Sud, în funcție de oră. Se observă că în jurul prânzului (în afara pauzei de prânz) există o creștere masivă a fluxului de containere prin terminal. Existența graficului arată faptul că aceste fluctuații sunt privite cu foarte mare seriozitate, iar în planificarea fluxurilor previzionările de trafic sunt esențiale.

În aceste cazuri, o analiză amănunțită a fluxurilor vine în ajutorul factorilor de decizie. Prin considerarea sistemului din punct de vedere hidraulic, acesta poate fi analizat pentru evidențierea punctelor „fierbinți” sau a punctelor „negre” din interiorul zonei de stocare.

Utilizat corespunzător, aparatul matematic al mecanicii fluidelor poate oferi o altă viziune asupra proceselor și fluxurilor care apar în interiorul terminalelor de containere și nu numai. În funcție de necesități, analiza poate fi efectuată pentru cazul unui transport organizat (curgere laminară – caz ideal) sau pentru un flux dezorganizat (cazul curgerii turbulente – caz nedorit). Analiza cu ajutorul unei aplicații de tipul CFD, permite vizualizarea directă a zonelor cu potențial crescut de apariție a problemelor de trafic, iar pentru zonele care nu permit o curgere laminară, acest lucru se va vedea prin faptul că fluxul nu va avea o soluție finală, va varia permanent, iar managementul zonei va necesita implementarea de metode suplimentare de management al traficului.

Teorie Constructală – Probleme de optim în mecanica fluidelor

Prezentare generală

Relativ nouă, teoria constructală a fost dezvoltată în anii ’90 de către de către domnul Adrian Bejan, profesor de inginerie mecanică și om de știință de renume mondial, cu o deosebită contribuție în domeniul ingineriei, energeticii, minimizării entropiei, analizei exergetice, convecție naturală, transfer combinat de masă și căldură, regimuri turbulente și multe alte.

După cum spunea și prof. Adrian Bejan, informațiile necesare dezvoltării acestei teorii, existau în literatura de specialitate, un exemplu fiind publicațiile laureatului Nobel Ilya Prigogine, dar și în alte publicații de altă natură.

Teoria Constructală, demonstrează prin formule matematice simple, formele naturale ce se dezvoltă de-a lungul timpului din necesitatea sistemelor de a-și minimiza pierderile energetice și de a se auto-optimiza.

Astfel, enunțul legii teoriei constructale este „Pentru ca o curgere prin geometrii finite să persiste în timp (să trăiască), configurația acestora trebuie să evolueze în așa fel încât să permită accesul din ce în ce mai mare la curenții care trec prin ele”. [Bejan A., 2000]

Legea se aplică sistemelor „vii”, adică sisteme ce nu se găsesc în starea de echilibru, acestea fiind supuse unor curgeri, diferențe de presiune etc. Conform acestei legi, nevoia unui sistem de a se optimiza în funcție de constrângerile locale și globale, generează forma și structura acestui sistem, în timp devenind din ce în ce mai optimizat prin distribuirea optimă a imperfecțiunilor de-a lungul sistemului. Teoria precizează că imperfecțiunile nu pot fi eliminate dintr-un sistem, calea constructală fiind de a distribui regimurile mai rezistive la cea mai mică scală a acestuia, sistemul ca atare rămânând imperfect, cu rezistențe de curgere. Aceste aspecte se pot observa în, cum ar fi forma și structura albiei râurilor, structura plantelor și animalelor, a structurilor dendritice naturale și altele.

Teoria constructală, printr-o mulțime de exemple, evidențiază faptul că de cele mai multe ori, optimizarea laborioasă efectuată de ingineri, se regăsește deja în natură, iar inginerii nu trebuie să se concentreze pe copierea naturii, ci a principiilor de funcționare a sistemelor naturale.

Domeniul de aplicare al teoriei constructale este vast și încă în continuă creștere, noi domenii de aplicare abordând teoria în dorința de a explica teoretic unele aspecte ce în acest moment sunt explicate mai ales pe cale empirică. Această teorie oferă inginerilor posibilitatea unei noi abordări de optimizare a sistemelor artificiale, reducând considerabil necesitatea de încercare-eșuare (trial and error), aducând, pe lângă micșorarea timpului necesar de proiectare și o mai bună înțelegere a principiilor de bază ce guvernează sistemul. [Bejan A., 2000], [Bejan A., 2009].

Structuri mecanice

Se poate ajunge la o formă optimizată a structurilor de rezistență prin determinarea formei externe și a structurii interne în vederea obținerii unui echilibru între necesarul de rezistență și necesarul de material folosit pentru obținerea rezistenței necesare. [Bejan A., 2000]

Pentru obținerea unei traverse care este încastrată la un capăt, iar celuilalt capăt i se aplică o forță, se poate calcula necesarul minim de material pentru ca traversa să-și îndeplinească funcția.

Constrângerea locală este necesitatea ca toate stresurile să nu depășească o anumită valoare smax , iar constrângerea globală este ca traversa să ofere o anumită rezistență sau constantă elastică.

Figura 6-1: Forțele principale ce acționează asupra unei grinzi încastrate

Torsiunea (δ) este îndoirea verticală a capătului liber față de linia de încastrare ce se definește cu ajutorul metodei lui Castigliano:

. (6.1)

Momentul încovoietor pe direcția x este constant, rezultând M=Px, relația devenind:

, (6.2)

unde I este momentul de inerție al secțiunii:

, (6.3)

în care y este distanța de la linia centrală, ce are valoarea stresului egală cu zero.

Figura 6-2: Optimizarea formei grinzii încastrate

Momentul de încovoiere pe fiecare secțiune este echilibrat de efectul colectiv al forțelor de stres s(y).

Valoarea forțelor de sres asupra traversei este dată de:

, (6.4)

stresul maxim obținându-se la distanța cea mai mare față de linia centrală:

. (6.5)

Constrângerea locală a traversei este de a nu permite valorii smax să depășească valoarea maxima admisibilă (sma) a stresului, adică:

, (6.6)

smax fiind o variabilă în funcție de poziția pe axa longitudinală, în timp ce sma este o constantă. [Bejan A., 2000]

Structuri termice

O abordare a teoriei contructale este pentru aplicații de răcire a unor componente prin convecție, în mod natural. Astfel, s-a pus problema optimizării degajării de căldură din componentele electronice și a eliminării pe cât posibil a punctelor fierbinți, prin dispunerea într-un mod corespunzător a plăcilor ce preiau căldura generată, pentru a fi mai departe degajată în mediul înconjurător și a realiza o răcire corespunzătoare.

Un exemplu este conceperea structurii unui răcitor pentru un microprocesor, ce se supune unor constrângeri globale și locale, acestea fiind necesitatea răcitorului de a disipa cât mai multă căldură sau de a nu lăsa temperatura în componenta electronică să depășească o anumită valoare critică (constrângere locală) ocupând un spațiu cât mai mic (constrângere globală). Folosind teoria constructală, se poate optimiza distribuția plăcilor paralele pentru dispersia căldurii. [Bejan A., 2000], [Bejan A., 2004], [Bejan A., 2006]

Figura 6-3: Reprezentare bidimensională a dispunerii plăcilor paralele a unui răcitor de microprocesor

Pentru aceasta, distanța se poate determina prin calculul limitei minime și maxime a lui D, urmând ca intersecția celor două să genereze distanța optimă pentru care degajarea de căldură este maximă.

Se consideră o distanță mică între plăci, astfel încât fluxul și transferul de căldură este complet dezvoltat. În acest caz, aceasta fiind cantitatea de căldură extrasă dintr-unul din canalele cu distanța D, unde T0 reprezintă temperatura de intrare, iar Tmax este temperatura la ieșire. Debitul masic este , unde U reprezintă viteza medie, care poate fi estimată prin înlocuirea raportului cu în ecuația Hagen-Poiseuille:

. (6.7)

Pentru fluxuri laminare între plăci paralele, , iar

Astfel,

, (6.8)

. (6.9)

Capacitatea de preluare a căldurii din întregul sistem de plăci este sau , rezultând o asimptotă care variază în funcție de D2 ce se va folosi mai departe în metoda intersectării asimptotelor.

În cazul în care D este destul de mare în așa fel încât depășește dimensiunea stratului termic ce se formează pe fiecare suprafață, adică unde . Astfel, distanța dintre plăci se consideră mare, atunci când , spațiul dintre plăci fiind în acest caz ocupat de straturi distincte cu temperaturi diferite, regiunea centrală având temperatura T0 (de intrare). Rata de transfer a căldurii printr-un strat este în care coeficientul h este dat de relația

, (6.10)

unde . Capacitatea de a extrage căldura din întregul sistem este de 2n ori mai mare decât , adică:

. (6.11)

Această ecuație, determină o asimptotă ce variază în funcție de D-1.

Cele două asimptote sunt mai departe intersectate pentru a se afla distanța optimă dintre două plăci paralele

Figura 6-4: Maximizarea conductivității termice globale pentru un răcitor, în convecție naturală

Prin această metodă, se poate ajunge la un rezultat destul de apropiat de rezultatele obținute pe cale experimentală, avantajul fiind faptul că aceste calcule se pot face într-un timp foarte scurt. [Bejan A., 2000], [Bejan A., 2004], [Bejan A., 2006]

Structuri ramificate

În această categorie intră o mulțime de aplicații, cum ar fi sisteme termice, sisteme de transport, rețele naturale și artificiale de apă, precum și alte sisteme care prezintă configurația arborescentă. O aplicație interesantă a teoriei s-a realizat prin determinarea pe cale pur teoretică a suprafeței respiratorie de contact din plămâni, fiind aproximativ egală cu , unde M reprezintă masa corpului, valoare care este foarte apropiată de valoarea obținută pe cale empirică, relația acesteia fiind , unde l este un parametru de optimizare cu o valoare aproximativă de 3. Alt exemplu este determinarea suprafeței rădăcinii unui copac. Acest lucru se poate determina deoarece pentru un copac de o anumită masă, este nevoie de o anumită suprafață a rădăcinii care să-l deservească. Astfel, cu ajutorul teoriei constructale, tot pe cale pur teoretică, s-a arătat că suprafața rădăcinii este proporțională cu , unde M este masa copacului. Acestea sunt doar câteva exemple dintr-o listă de aplicații care se extinde în permanență în tot mai multe domenii. [Bejan A., 2000], [Bejan A., 2008], [Bejan A., 2009]

Calculul structurilor ramificate va fi evidențiat în amănunt în capitolul următor, ce abordează problema accesului la suprafețe.

Abordarea constructală în probleme de acces volum-punct, punct-volum

Din punct de vedere al structurilor termice ramificate, se pune problema răcirii eficiente a unor componente, în special electronice, deoarece este evidentă tendința de minimizare. În acest caz, eliminarea căldurii din pachetele electronice nu se mai poate face prin convecție din cauza dimensiunilor reduse, alternativa fiind captarea căldurii prin conducție. Optimizarea constă în introducerea eficientă a unor materiale termoconductoare în pachetele electronice, astfel încât acestea să ocupe cât mai puțin spațiu, și să extragă o cantitate de căldură suficient de mare pentru a nu permite apariția punctelor fierbinți sau de a depăși temperatura critică de funcționare a pachetului electronic. Această problemă este abordată în principal din punct de vedere geometric, presupunând că volumul pachetului degajă căldură în mod egal din fiecare punct al său.

Determinarea structurii și formei sistemului de captare, începe de la o formă elementară și se dezvoltă mai departe pe baza acesteia până la scări din ce în ce mai mari, în funcție de necesități. [Bejan A., 2000], [Bejan A., 2006]

Pentru simplicitate, analiza se va face în sistem bidimensional (aria A), dezvoltarea tridimensională ( V=A·l) fiind asemănătoare.

Se consideră aria elementară A0 ca fiind formată în majoritate de materialul cu joasă conductivitate termică ce emană căldura q’’’. Această suprafață va fi acoperită pe o porțiune cât mai mică, de materialul cu conducție termică foarte mare. Pentru a deservi o cât mai mare suprafață posibilă și pentru a minimiza rezistența, aceasta se așează pe axa longitudinală (axa de simetrie) a A0. Suprafața ariei elementare nu este arbitrară, ea fiind dictată de diferitele constrângeri existente, însă forma acesteia (raportul H0/L0) se optimizează în așa fel încât rezistența dintre suprafața A0 și locul de degajare al căldurii către exterior, să fie minimă.

Figura 6-5: Volumul elementar

Lățimea acestei arii se alege ca fiind suprafața din care lamela de înaltă conducție termică poate prelua căldura. Aceasta se deplasează vertical prin materialul de conducție mică (k0), apoi orizontal prin lamelă (kp). Astfel, aplicând legea lui Fourier pentru curentul de căldură vertical q’’’H0, ce se generează între două puncte, se obține . Pentru variația de temperatură pe lamela kp, aplicând legea lui Fourier se obține . Variația totală de temperatură dintre un punct din interiorul ariei și punctul de evacuare este , unde A0=H0L0.

Expresia lui ΔT0 poate fi derivată și scrisă sub următoarea forma adimensională:

, (6.12)

unde D0 este lățimea benzii de înaltă conductivitate termică.

Vom nota cu , deoarece este o constantă ce ține de proporționalitatea dintre kp și A0, adică . Cu acestea, se poate observa că rezistența poate fi minimizată în funcție de optimizarea formei elementare H0/L0, adică:

, (6.13)

iar

. (6.14)

Mai departe se mai pot obține și valorile optime ale înălțimii și lungimii ariei elementare:

. (6.15)

Mai departe, cu ajutorul acestei suprafețe elementare, se poate începe construirea primului construct (trecerea la următoarea scară). Pentru aceasta, se asamblează mai multe volume elementare de mărime A0 ce vor fi conectate la o bandă de conducție termică de lățime D1, capabilă să preia căldura degajată în suprafețele elementare.

Figura 6-6: Primul construct: un număr mare de volume elementare conectate la o bandă cu conducție termică mare

În acest caz, singura modificare este aceea că, conductivitatea în plan vertical se realizează într-un material compozit, iar . Variația de temperatură maximă ΔT1 se va realiza între punctul de coordonate (L1,H1/2), iar expresia transferului de căldură devine

. (6.16)

Pentru a se putea observa mai ușor influența lui n1, ecuația (6.16) se poate scrie sub forma:

, (6.17)

unde . Din ecuația (6.17) se observă că transferul de căldură crește odată cu creșterea ariei suprafeței A1 (sau a valorii lui n1). Se mai poate observa că odată cu creșterea numărului de arii elementare, scade rezistența internă. Aceasta se întâmplă până la o anumită valoare a lui n1 după care începe să crească rezistența termică și să scadă transferul de căldură. Astfel se poate determina valoarea optimă a lui n1 ca fiind:

. (6.18)

Rezistența minimă a primului construct este

. (6.19)

Atunci când volumul de material kp disponibil pentru A1 este fix, se observă o a doua posibilitate de minimizare a rezistenței, unde , rezultând constrângerea:

. (6.20)

Din ecuațiile (6.18), (6.19), (6.20), rezultă că

, (6.21)

, (6.22)

, (6.23)

indicele mm semnificând faptul că s-a realizat minimizarea rezistenței de două ori.

În continuare, se pot construi structuri din ce în ce mai mari cu ajutorul acestor ecuații, evidențiindu-se faptul că optimizarea în natură se realizează prin creștere, asamblare sau agregare, ca un mecanism de minimizare a rezistenței globale. [Bejan A., 2000], [Bejan A., 2006]

Soluții geometrice ale teoriei constructale în transporturi

Principiul constructal, complet determinist, permite anticiparea formei și structurii care apar în mod natural. El se constituie într-o teorie care explică formele geometrice ale sistemelor naturale de curgere și evidențiază principiul fizic responsabil de organizarea sistemelor și prin urmare, de forma lor geometrică.

Teoria constructală a fost enunțată prima oară în contextul optimizării accesului curgerii între un punct și o suprafață, cu aplicații în problemele de trafic și în răcirea sistemelor electronice. Traseul curgerii este construit într-o secvență de pași care începe de la cel mai mic bloc de construcție (aria elementară) și continuă, în timp, cu blocuri de construcție mai mari (ansamble și structuri).

Ideea urmărită este aceea că structura spațială este rezultatul unui proces de optimizare supus constrângerilor globale și locale. Conform acestui principiu, un sistem heterogen de dimensiuni finite suferă schimbări de formă și structură astfel încât să ofere acces ușor (căi cu rezistență redusă) curenților săi interni. [Bejan A., 2000], [Bejan A., 2006]

În contrast cu legea lui Fermat, legea constructală se referă la un sistem de dimensiuni finite în care curentul curge între un punct (M) și fiecare dintre punctele (o infinitate) conținute într-un volum. În două dimensiuni volumul poate fi reprezentat de aria dreptunghiulară A0=h0l0.

Mărimea A0 este impusă, dar factorul ce definește forma h0/l0, nu este precizat. Sistemul este format din două medii prin care mișcarea are viteze diferite, v0<<v1. Volumul de material care curge cu viteză mare (v1) este mic și fix – mult mai mic decât restul volumului, ocupat de materialul care curge cu viteză redusă (v0). Pentru conciziune, presupunem că A0 este atât de mică încât conține numai un canal (bandă) de material care curge cu viteza mare: A0 este numit sistem elementar.

Legea constructală reprezintă cerința ca accesul dintre toate punctele A0 și punctul M să fie maximizat. Din această cerință rezultă structura geometrică complexă: forma externă h0/l0 și structura internă a lui A0, adică distribuția propagării rapide prin spațiul, mult mai mare, acoperit de propagarea mai lentă. Structura internă optimă este deja arătată în figură ca fiind faptul că, cea mai bună cale de distribuire a materialului v1 este de a-i da forma unei benzi înguste, rectilinii și care să fie plasate pe axa lungă de simetrie a dreptunghiului A0., fapt ce a fost arătat și în capitolele anterioare, ca aplicabilitate în circuite electrice sau transfer de căldură. Maximizarea accesului volum-punct este realizată prin minimizarea duratei de parcurs.

Astfel, deplasările între P și M vor fi

, (6.24)

ce poate fi optimizat ținând cont de factorul h0/l0.

Mai departe optimizarea se realizează cu ajutorul suprafeței elementare din , considerându-se un sistem ce dispune de mai multe regimuri de deplasare odată cu creșterea mărimii. Pentru o mai bună înțelegere, se poate folosi analogia cu sistemul de străzi al unui oraș, unde ca suprafață elementară se folosește un mic cartier, unde viteza de deplasare este mică, apoi legătura acestuia cu o stradă superioară cu posibilitatea de a merge cu viteză mai mare, mai departe aceasta este conectată la un bulevard, bulevardul este conectat la o stradă națională, iar strada naționala este conectată la o autostradă.

Astfel se obține o suprafață A1 care este compusă dintr-un număr n1 de suprafețe elementare A0. Mărimea lui A1 este fixă, însă raportul h1/l1 variază. Pentru a optimiza accesul la toată suprafața, este necesar să se optimizeze accesul lui P la M1.

Figura 6-8: Optimizare a primului construct prin variația unghiului

Se obține:

, (6.25)

unde

iar . (6.26)

Unghiul α1 este format între calea v0 și perpendiculara pe v1 (primul drum de transport.). Eliminând pe l1 din ecuația (6.25), se obține

, (6.27)

remarcându-se un minim a lui t1 în raport cu h1:

, (6.28)

, (6.29)

, (6.30)

unde

O mai bună optimizare se obține și prin optimizarea unghiului α, adică:

. (6.31)

Dacă v1 este cel puțin de trei ori mai mare decât v0, unghiul optim α este apropiat de zero, iar f1 este aproximativ egal cu unu. Pentru a vizualiza mintal construcția și repetiția care urmează, este util să considerăm că v0< v1< v2<… vn, astfel încât fiecare nouă cale este perpendiculară pe afluenții ei. Unghiurile optimizate provin dintr-o generalizare care este o consecință a construcției.

Mergând mai departe cu construcția suprafeței A2 care este , relațiile de optimizare devin:

, (6.32)

, (6.33)

, (6.34)

unde , iar .

Aceste rezultate sunt adevărate dacă tan α este mai mică decât aproximativ 2l2/h2. Numărul de elemente A1 asamblate în elementul optimizat A2 este:

. (6.35)

În final se obțin suprafețe de formă arborescentă, ce au proprietăți de acces optim la oricare punct din suprafață, în condițiile în care accesul direct (o linie dreaptă) nu este posibil din cauza existenței diferitelor construcții din areal. Aplicând formulele prezentate până acum, se obține o arie cum este prezentată în , care reprezintă un construct de gradul 2. [Bejan A., 2000]

Figura 6-9: Exemplu de structură geometrică a unui sistem de transport sub formă arborescentă

În , s-a realizat o optimizare fictivă a sistemului de transport pe un areal, pentru un număr de 4352 de loturi de 500 m2 cu deschidere la stradă de 10 m. Formulele aproximative și spațiile rămase liber în interiorul suprafeței, sunt un aspect important al teoriei constructale, deoarece în natură nu există nimic perfect, ci sistemele tind să-și distribuie imperfecțiunile într-un mod optim, sistemul ca atare rămânând imperfect.

Soluții ale teoriei constructale în hidraulică

Acest capitol al teoriei constructale se ocupă de optimizarea accesului sistemelor ce prezintă fluxuri de fluide. Teoria constructală vine în contradicție cu abordarea non-deterministă ce exista înainte de aceasta, forme ale unor sisteme precum plămânii, copacii sau râurile fiind determinate cu ajutorul unor algoritme computerizate.

Teoria constructală intervine și în acest caz cu abordarea accesului volum-punct, urmărind evoluția sistemelor prezentate în capitolele anterioare, continuând abordarea deterministă și asupra acestor tipuri de sisteme. [Bejan A., 2000]

Pentru aceasta, se bazează pe cel mai simplu model care conține caracteristica esențială a sistemului și anume scopul acestuia.

Figura 6-10: Rețea de conducte ce efectuează transferul într-un singur sens, la un moment dat, între toate volumele elementare și punctul M

În , de exemplu, scopul este de a distribui fluxul prin punctul M către toate volumele elementare . este semnificativă pentru un sistem care folosește același traseu și pentru intrare și pentru ieșire, cum este cazul sistemului pulmonar. În cazul sistemului circulator însă, este nevoie de două sisteme suprapuse.

Figura 6-11: Sistem dublu de conducte care fac posibilă distribuția optimă a fluidului către toate punctele ale sistemului și preluarea acestora pentru evacuare (e.g.: aprovizionare cu apă potabilă-canalizare)

Luând ca referință conducta neagră, diferența de presiune între volumul și ieșire, se obține o diferență de presiune a cărei mărime depinde de lungimea sistemului. De o importanță deosebită este diferența maximă de presiune a celui mai defavorizat element de volum (cel mai depărtat de origine), , ceea ce reprezintă o constrângere locală. [Bejan A., 2000]

În continuare, se consideră volum A:

Figura 6-12: Volum compus dintr-un mediu poros, înconjurat de o membrană impermeabilă, cu excepția punctului M

Fluxul masic curge prin punctul M și ajunge în fiecare punct al volumului. Considerăm că debitul volumetric masic este distribuit uniform în spațiu, adică .

Spațiul A este compus dintr-un mediu poros, saturat cu un lichid într-o singură stare de agregare, ce are proprietăți constante. Dacă permeabilitatea este uniformă în interiorul lui A, atunci câmpul de presiuni P(x,y) și distribuția fluxului pot fi determinate individual cu ajutorul problemei Poisson asociată configurației punct-sursă.

Însă problema mult mai interesantă ce se poate aborda, este atunci când există un mediu poros neomogen, compus dintr-un material cu permeabilitate scăzută K și un număr de straturi cu permeabilitate mult mai mare (K1, K2,…..). Grosimea (D1, D2,…) și lungimea (l1, l2,.) acestor straturi nu este specificată. Presupunem că volumul ocupat de aceste regiuni cu permeabilitate mare este mult mai mic în comparație cu volumul materialului cu permeabilitate K.

În cazul acesta, constrângerile sunt tipurile și cantitățile materialelor permeabile ce se folosesc. Problema se va aborda, considerând suprafața A ca fiind formată dintr-o multitudine de arii rectangulare (A0, A1, A2, ….). Cel mai mic element A0 conține în marea majoritate material de permeabilitate scăzută și doar o fâșie de material de permeabilitate mare (D0, K0), poziționat pe axa longitudinală a lui A0.

Figura 6-13: Volumul elementar

Toate volumele mai mari Ai reprezintă o compunere de volume Ai-1 cu proprietățile Ki Di li .

În , A0 are o valoare fixă, însă raportul h0/l0 este supus optimizării. Fluxul este colectat din mediul de permeabilitate K de mediul cu o mai mare permeabilitate K0 și grosime D0. Fluxul este împins către origine de câmpul de presiuni P(x,y), iar granița suprafeței este impermeabilă excepție făcând punctul de ieșire din origine. Deoarece fluxul masic are o valoare fixă, pentru minimizarea rezistenței globale se urmărește minimizarea unei presiuni critice ce se poate dezvolta în interiorul A0.

Pentru simplificare se presupune K<<K0 și D0<<H0. Astfel, fluxul prin regiunea K este paralel cu y , iar fluxul prin regiunea K0 se realizează în lungul axei x.

, (6.36)

unde este viteza medie pe direcția y . Fluxul real este orientat în realitate în direcția opusă. Putem determina câmpul de presiuni P(x,y) prin eliminarea vitezei din ecuația (6.36) și din condiția locală de continuitate:

, (6.37)

iar aplicând condițiile la limită în și P=P(x,0) în y=0, se obține:

. (6.38)

Ecuația 6.38 este valabilă doar pentru . Pentru cazul în care , se înlocuiește h0 cu -h0. Se obține distribuția de presiune P(X,0) pe stratul K0 în mod similar cu cazul în care se aplică legea lui Darcy pe stratul D0 în apropiere de :

, (6.39)

unde u este viteza relativă pe direcția x.

După cum s-a arătat, fluxul se duce către origine. Fluxul masic canalizat prin materialul K0 este . În plus, legea conservării spune că masa generată în volumul elementar (infinitezimal) h0dx trebuie să contribuie la fluxul cu rata . Integrând această ecuație în direcția opusă planului impermeabil x=L0 unde și ținând cont că , vom obține

. (6.40)

Combinând și cu ecuația 6.40, vom obține distribuția presiunilor pe axa x :

. (6.41)

Presiunea critică se obține în punctul cel mai îndepărtat de originea sistemului, adică în :

. (6.42)

Se poate minimiza această presiune în funcție de forma elementului h0/l0 precizând că l0=A0/h0 și Φ0=D0/h0<<1 . Forma optimă se poate descrie prin:

, , (6.43)

, . (6.44)

Non-dimensionarea folosită în formulele 6.43 și 6.44, se bazează pe luată ca unitate de lungime și K luat ca unitate de permeabilitate:

, , (6.45)

, . (6.46)

Ecuațiile arătate până acum, confirmă presupunerile făcute la începutul capitolului cu privire la stratul D0: permeabilitate mare () și o fracționare a volumului cât mai mică (), ce arată că forma ariei A0 este subțire (h0<<l0), cu condiția .

Continuând în mod asemănător cu abordarea asupra structurilor termice sau a sistemelor de transport, se pot dezvolta în sisteme de ordin 1,2….n.

Se consideră următorul volum ca mărime A1=h1l1, ce conține doar elemente A0 optimizate anterior. Fluxurile sunt colectate într-un flux prin intermediu noului strat aflat pe axa longitudinală (K1,D1, l1) ce conectează A1 cu punctul P=0.

Figura 6-14: Primul construct, format dintr-un număr „n” de suprafețe elementare

Aici, problema se pune pentru condiția în care Pcr,1 se va dezvolta datorită fluxului Pcr,0 iar apoi prin stratul K1D1, adică:

, (6.47)

ce poate fi aranjată sub forma:

. (6.48)

Presiunea Pcr,1 poate fi minimizată prin definirea optimă a formei A1 (a raportului h1/l1).

Formele generale ale expresiilor de optimizare a geometriei sunt date în :

Tabelul 6-1: Formulele de calcul pentru aria elementară și pentru constructele de ordin superior [Bejan A., 2000]

unde ,căderea de presiune Pcr,i în formă generală putând fi scrisă sub forma:

. (6.49)

Continuând cu determinarea constructelor de ordin din ce în ce mai mari, se ajunge la formarea unor structuri arborescente de forma celei din :

Figura 6-15: Formă geometrică de minimă rezistență pentru cazul accesului volum-punct într-un mediu compozit

Avantajul acestei structuri stă în faptul că are capacitatea de a prelua întreaga cantitate de fluid ce se dezvoltă în mulțimea de volume elementare și de a le canaliza către punctul de ieșire, folosind cantitatea minimă (optimă) de material cu înaltă permeabilitate.

Concluzii

Istoria transporturilor a fost dintotdeauna confruntată cu diferite probleme, unul din motive fiind schimbările permanente a focarelor economice internaționale, naționale și locale, ce determină un mediu extrem de dinamic. În aceste condiții, dezvoltarea sistemelor de transport ar trebui să țină pasul, dar acest lucru nu se întâmplă aproape niciodată. O serie de studii ale sistemelor de transport au evidențiat această diferență, prin compararea numărului de vehicule cumpărate sau a raportului vehicul/km parcurs cu numărul de kilometrii de străzi construite. Diferențele sunt evidente, din moment ce de exemplu în România, în anul 2007 se înregistrase o triplare a numărului de autovehicule față de 1990, dar fără dezvoltări semnificative ale sistemelor de transport, ducând la apariția congestiilor și a suprasolicitării infrastructurii.

Încă din antichitate, s-a pus problema optimizării rutelor de transport, dar mai ales optimizarea orașelor prin definirea unor metode de planificare urbană, abia la mijlocul secolului 20 devenind un subiect cu aspect ingineresc.

Unele orașe au fost construite sub forma de grilă, acest design fiind recunoscut pentru avantajele sale, implicând costuri mai scăzute deoarece necesită mai puține străzi pentru a servi același număr de locuitori (același areal). Alt aspect este legat de conectivitatea în interiorul ariei, sistemul oferind un echilibru bun între geometria străzilor și loturile locuibile.

Figura 6-16: Exemple de orașe dezvoltate ssub formă de grilă – Manhattan (stânga) și Barcelona (dreapta)

În același timp, optimul nu s-a conformat esteticului, existând o serie de dezechilibre, în special în zonele urbane, unde s-au adoptat alte tipuri de modele de urbanizare, unul semnificativ fiind cel dezvoltat de Frederick Law Olmsted și Calvert Vaux, ambii arhitecți și proiectanți, ce au dezvoltat o serie de proiecte a unor comunități din America și Canada. Aceștia se împotriveau modelului grilă, motiv pentru care au dezvoltat modelul curvi-linear, un model ce introducea delimitarea părții carosabile de trotuar prin construcția de trotuare și plantarea de copaci între cele două, dar și noi concepte asupra esteticului, prin mutarea caselor la o distanță mai mare de partea carosabilă.

Figura 6-17: Zonă rezidențială din Riverside, Illinois – SUA

Străzile nu se mai întâlneau în unghiuri drepte, ci erau ramificate sub diferite unghiuri, astfel obținându-se forme rotunjite, estetice, în detrimentul optimizării accesului la suprafață.

Alte soluții adoptate au fost bulevardele lungi, acestea având avantaje evidente pentru acces. Din punct de vedere social, acestea au fost preferate și pentru promenadă, ca modalitate de interacționare sau de afișare a statutului în societate. Din această perspectivă, optimizarea accesului a căzut pe plan secundar.

Abordând aceste aspecte, se pot observa o serie de probleme ce rezultă din dezvoltarea neconformă a rutelor de transport sau din incapacitatea de a le putea dezvolta în același timp cu creșterea traficului rutier, rezultând ambuteiaje sau congestii în anumite puncte din sistem.

Din Capitolul 6.3 și 6.4, se poate observa asemănarea dintre soluțiile introduse de teoria constructală în probleme de optimizare a sistemelor hidraulice, și sistemele de transport.

În cazul terminalelor de containere, forma de bază a zonei de stocare a ajuns în urma optimizărilor realizate de-a lungul timpului, la o formă de tip grilă, recunoscută ca oferind cel mai bun acces la suprafață, în special pentru mișcarea vehiculelor în interiorul ariei.

Luând în considerare aceste aspecte, abordarea teoriei constructale se apropie foarte mult de formele optime care până în prezent au fost supuse optimizării pe baza încercărilor în teren, în decursul a mii de ani. Datorită faptului că această teorie a fost introdusă de curând în lumea științifică, există posibilitatea de a încerca rezolvarea și analiza unor sisteme de transport. Pentru confirmarea rezultatelor este nevoie de un aparat matematic riguros. Prin dezvoltarea analogiei între sistemele de transport și hidraulică, se va încerca analiza sistemelor concepute cu ajutorul teoriei constructale din prisma mecanicii fluidelor.

Modelarea fluxului de containere într-un terminal

Definirea studiilor de caz

În cazul unui terminal de containere și în condițiile identificate în organizarea curentă a terminalelor, nu este necesar un calcul pentru constructe mai mari de ordinul 2, deoarece în general zonele de stocare sunt prevăzute în lungul zonei de încărcare.

Figura 7-1: Terminalul de containere Constanța Sud

Problema reală în cazul optimizării timpului de deplasare a utilajelor ce deservesc terminalul de containere în vederea încărcării-descărcării navelor, se poate rezolva prin aducerea căilor de acces din terminal (străzilor) la o dimensiune finită. Problema este una de alocare a unei căi de acces de lungime finită fiecărei zone de depozitare de arie mai mică decât aria totală și una de conectare a acestora în mod optim.

În continuare, vom analiza în detaliu secvența de construire și optimizare, pe baza formulelor arătate în Capitolul 6.3.

Pentru aceasta, s-au considerat dimensiunile standard ale unui container de 20 picioare pentru determinarea ariei elementare și vitezele de deplasare, funcție de ordinul de mărime al constructului, cu valorile v0=5 km/h (1.39 m/s), v1=20km/h (5.55 m/s), v2=50 km/h (13.89 m/s).

Partea interesantă a acestui calcul este că valorile arătate mai sus sunt suficiente pentru a calcula întreaga formă geometrică a zonei de stocare. În acest sens, s-a considerat că suprafața este acoperită de două rânduri de șase containere dispuse pe lungime de-o parte și de alta a unei căi de acces.

Astfel,

, iar (7.1)

obținându-se aria

. (7.2)

Pentru această arie, în funcție de vitezele de deplasare v0, respectiv v1, se poate calcula timpul necesar de acces pentru cel mai defavorizat container:

, (7.3)

, (7.4)

rezultând timpul minim:

(7.5)

unde:

α1, – este unghiul format între calea v0 și perpendiculara pe v1;

v0 – viteza primului mijloc de transport, 5 km/h (1.39 m/s);

v1 – viteza celui de-al doilea mijloc de transport, 20 km/h (5.55 m/s);

f1,min – funcție de unghiul de confluență;

A1 – suprafața ariei în m2;

Continuând cu aceste valori, se poate genera următorul construct, format din n arii A1. Pentru aceasta,este nevoie să calculăm unghiul optim și factorul :

, (7.6)

iar

. (7.7)

Rezultă un număr de arii A1 ce va acoperi întreaga suprafață A2:

. (7.8)

Din aceasta rezultă că aria suprafeței A2 va fi aproximativ egală cu:

, (7.9)

acum fiind posibilă calcularea dimensiunii h2:

. (7.10)

și a dimensiunii l2:

. (7.11)

Pentru suprafața calculată mai sus, timpul minim de acces va fi:

. (2.23)

Suprafața rezultată este prezentată în :

Figura 7-2: Zonă de stocare calculată cu ajutorul Teoriei Constructale

După cum se poate observa din exemplul de mai sus și din rezultatele obținute, forma geometrică generată nu este un fractal, deoarece parametrii utilizați pentru calculul primului nivel de suprafețe se modifică pentru cel de-al doilea nivel, astfel modificându-se dimensiunile și unghiul optim.

În același timp se pot observa imperfecțiunile din sistem, existând suprafețe din aria A2 ce nu sunt acoperite de suprafețe A1. Aceasta este o consecință a faptului că Teoria Constructală permite existența imperfecțiunilor din sisteme, ca un fapt ce se găsește în mod normal în natură. Astfel, teoria nu încearcă să elimine imperfecțiunile din sistem, ci se axează pe distribuția imperfecțiunilor de-a lungul sistemului la o scară cât mai mică.

Forma generată este arborescentă, iar în cazul în care s-ar continua calculele pentru suprafețe de ordin superior, această formă ar deveni mult mai evidentă.

Făcând o analiză vizuală asupra formei geometrice rezultate din calcule, este evident faptul că accesul la suprafață este îmbunătățit față de forma tradițională de grilă. Din acest motiv, analiza din perspectiva hidraulicii, va fi efectuată în paralel pentru cazul în care se ia în considerare unghiul α și pentru cazul în care forma este generată fără a se ține cont de unghiul de înclinare, geometria zonei de încărcare fiind ca în , sub forma clasică de grilă.

Figura 7-3: Zonă de stocare sub formă de grilă

În acest caz, s-au păstrat aceleași dimensiuni rezultate din ecuațiile de mai sus, însă nu a mai fost luat în considerare unghiul de înclinare α, astfel oferindu-se posibilitatea de a compara rezultatele dintre cele două.

Transpunerea studiului de caz în aplicația de analiză

În continuare, analiza formelor geometrice generate pe baza teoriei constructale, a fost pregătită pentru analiza cu ajutorul aplicației ANSYS-Fluent. Deoarece în acest caz s-a folosit o versiune anterioară a aplicației, proiectarea, meșa preliminară și condițiile la limită, s-au realizat cu ajutorul aplicației GAMBIT, apoi exportate către Fluent pentru a fi analizate.

Pentru a putea analiza diferența dintre profilele determinate în subcapitolul 7.1, datele de intrare sunt aceleași în fiecare caz. Pentru analiză a fost utilizat ca fluid de lucru apa, cu o viteză de intrare de 5.55 m/s la presiune normală. Proiectarea sistemului a fost realizată la scară reală.

Deoarece analiza vizează un sistem din perspectiva accesului la suprafață pe orizontală și deoarece prin crearea analogiei cu mecanica fluidelor sistemul rezultat este un sistem de conducte circulare, analiza în Fluent a fost realizată în sistem bidimensional în planul xy.

Aceste date au fost necesare pentru a analiza diferența dintre geometrii ce au fost optimizate cu ajutorul Teoriei Constructale și mai precis prin introducerea unghiului α în generarea formelor, dar și geometrii ce se bazează pe experiența umană în dezvoltarea de sisteme de transport.

Astfel, pentru a analiza formele geometrice din și din Figura 2-4 din perspectiva mecanicii fluidelor, au fost extrase căile de transport și tratate ca o rețea de conducte, după cum se observă în :

Figura 7-4: Analogia hidraulică a zonei de stocare

În figura de mai sus, se poate observa faptul că există zece conducte de aceeași parte a suprafeței, însă în sunt nouă arii A1. Aceasta se întâmplă deoarece containerele de la extremități pot fi abordate și din exteriorul ariei.

Analiza studiului de caz cu ajutorul metodelor de element finit

În cele ce urmează, cele două suprafețe au fost importate în Fluent pentru dezvoltarea analizei. Pentru aceasta este nevoie de definirea condițiilor la limită și crearea rețelei de discretizare. La dezvoltarea unui mesh structurat este nevoie de o formă geometrică definit în principal pe bază de dreptunghiuri. În cazul de față, deoarece forma geometrică dezvoltată nu permite acest lucru și pentru a nu exista diferențe de analiza între cele două sisteme, a fost dezvoltată o discretizare nestructurată (formată din triunghiuri).

Figura 7-5: Discretizarea suprafețelor de analizat

Pentru analiză a fost utilizat ca fluid de lucru apa, cu o viteză de intrare de 5.55 m/s la presiune normală. Proiectarea sistemului a fost realizată la scară reală (1:1).

În primul caz, s-a efectuat o analiză în Fluent pentru accesul din punctul P ca fiind cel mai defavorizat punct din suprafață, până în punctul M, ca punct de ieșire din suprafață, pentru cazul în care se ia în considerație înclinarea ariilor A1, funcție de unghiul α, comparat cu situația în care nu se folosește unghiul α.

Figura 7-6: Vectori viteza pentru zonă de stocare arborescentă (P→M)

În acest caz, viteza maximă obținută în interiorul profilului a fost de 6,73 m/s, respectiv de 24.23,52 km/h, în condițiile în care viteza de intrare a fost de 5,55 m/s.

Figura 7-7: Vectori viteza pentru zonă de stocare de tip grilă (P→M)

Pentru aceleași valori de intrare, se pot observa valorile maxime ce sunt atinse în acest caz, acestea fiind de 6,63 m/s, respectiv 23,87 km/h.

O analiză la îndemână poate fi și din perspectiva scăderii presiunii statice din rețeaua de conducte, după cum se poate observa din și , pentru cele două cazuri.

Figura 7-8: Contur presiune statică pentru zonă de stocare de tip arborescentă (P→M)

Figura 7-9: Contur presiune statică pentru zonă de stocare de tip grilă (P→M)

Și în acest caz se poate observa o îmbunătățire. În cazul formei arborescente față de forma grilă, se obțin presiuni ușor scăzute, de la 2,48*104 Pa la 2,37*104 Pa. Încă odată, aceste valori sunt relativ mici, însă arată faptul că doar prin simpla modificare a unghiului de înclinare, se poate obține o viteză sporită de deplasare și o scădere de „presiune” asupra terminalului.

În următoarea simulare, s-a analizat fluxul de intrare în suprafață din punctul M pentru întreaga suprafață. În mod similar, s-au analizat în paralel forma grilă și forma arborescentă.

Figura 7-10: Vectori viteza pentru zonă de stocare arborescentă (M→P)

Figura 7-11: Vectori viteza pentru zonă de stocare de tip grilă (M→P)

După cum se poate observa din figurile de mai sus, pentru aceleași condiții de intrare se obține o creștere a vitezei de deplasare prin suprafață de la forma grilă la forma arborescentă, de la 5,69 m/s la 5,71 m/s.

Același lucru se poate observa și din contururile de presiune statică, ce arată o reducere a presiunii de la 1,48*104 Pa la 1,36*104 Pa.

Figura 7-12: Contur presiune statică pentru zonă de stocare de tip arborescentă (M→P)

Figura 7-13: Contur presiune statică pentru zonă de stocare de tip grilă (M→P)

Acest aspect a fost urmărit într-un mod special, deoarece chiar dacă în cazul de față este analizată viteza de deplasare din perspectiva mecanicii fluidelor, în realitate această mișcare este realizată de utilajele din terminal, care în momentul în care necesită o schimbare de drum, trebuie să frâneze pentru a putea vira în siguranță și apoi să accelereze către noua viteză de deplasare. Cu toate că această diferență de viteze dintre cele două sisteme este relativ mică, se poate ține cont de faptul că aceasta se aplică vehiculelor existente în terminal, care pot efectua astfel de drumuri de zeci și chiar sute de ori pe zi. Astfel, reducerile de combustibili, de uzură asupra vehiculelor și chiar a terminalului în sine, pot deveni semnificative.

Concluzii

Analiza terminalului de containere DPW Constanța Sud

Transpunerea geometriei în aplicația de analiză

Analiza comparativă a rezultatelor cu cele teoretice

Concluzii

Contribuții personale și direcții de continuare a cercetărilor

Contribuții personale

Analiza situației terminalelor de containere în cadrul lanțului de transport

După cum a fost evidențiat în capitolul 2 și capitolul 3, în contextul actul de descentralizare a piețelor de producție și desfacere, transportul este coloana vertebrală a economiei mondiale. Dintre sistemele de transport existente, transportul intermodal a devenit unul din modurile preferate pentru livrarea de produse, deoarece permite transferul fără manipulare a produselor de la un mod de transport la altul.

De-a lungul lanțului de transport, terminalele de containere joacă un rol primordial. Terminalele sunt concepute pentru transferul dintre toate modurile de transport terestru, fluvial și maritim, având de obicei posibilitatea de conectivitate pentru transportul aerian (cazuri speciale de urgență).

Fiind considerate mari consumatoare de energie dar și datorită importanței pe care o au în sistemul intermodal, terminalele de containere au fost în permanență ținta a numeroase analize de optimizare. Scopul principal îl constituie creșterea capacității anuale de containere, scăderea consumurilor energetice, utilizarea optimă a forței de muncă și reducerea coturilor sau creșterea profitului. În cazul de față, analiza de optimizare a fost realizată în vederea reducerii consumurilor energetice, de reducere a impactului utilajelor asupra mediului și de creștere globală a eficienței. O analiză economică nu a făcut obiectul prezentei lucrări.

Dezvoltarea analogiei dintre sistemele de transport și mecanica fluidelor

Una din abordările mecanicii fluidelor este de a considera fluidul ca fiind compus din volume elementare de dimensiune foarte mică, dar care să păstreze proprietățile de bază ale fluidului. Acest concept permite analiza de mișcare a fluidului pe baza principiilor introduse de Newton. Ecuații stau și la baza mișcării corpurilor în general, inclusiv a vehiculelor.

Pentru sistemele de transport nu se poate pune problema dezvoltării unei simetrii cu sistemele hidraulice în vederea aplicării legilor existente în mecanica fluidelor. În schimb, a fost realizată o analogie între cele două sisteme, pentru a se putea evidenția mult mai ușor modul de funcționare al sistemelor de transport. Aplicarea legilor din hidraulică pentru rezolvarea sistemelor de transport nu este posibilă, în primul rând datorită diferenței de scară, dar și a componentelor implicate în analiză (particule, suprafețe sau volume elementare, cu dimensiuni care tind spre zero, versus vehicule compuse dintr-un număr foarte mare de atomi și molecule). În cazul fluidelor, profilul de viteză este realizat de un număr foarte mare (infinit) de atomi sau molecule, în timp ce pentru sistemele de transport, acesta se poate realiza în general cu două-cinci vehicule.

Cu toate acestea, dezvoltarea analogiei dintre cele două domenii, a permis o mai bună înțelegere a ceea ce se întâmplă în terminalele de containere, precum și posibilitățile de optimizare a acestora, prin minimizarea sau chiar eliminarea suprapunerilor de fluxuri, care duc la scăderi în eficiența totală a terminalului.

Sistemele de transport rutier sunt în general concepute să funcționeze într-un sistem bidimensional, în afara situațiilor de schimbare de drum prin utilizarea podurilor, a străzilor suspendate sau alte situații asemănătoare. Asemănarea rutelor de transport cu o secțiune a unui sistem de conducte, a dat posibilitatea dezvoltării unei analogii mai evidente, dar și realizarea analizei bidimensionale în ANSYS Fluent. Datorită acestor aspecte, a fost posibilă dezvoltarea analogiei dintre sistemele de transport și sistemele hidrodinamice.

Transpunerea și analiza sistemelor de transport cu o aplicație de analiză CFD

Datorită considerării vehiculelor ca fiind părți componente ale unui fluid, a fost posibilă dezvoltarea unor concepte de aranjament geometric a zonei de stocare din cadrul terminalelor de containere.

Pentru cazurile analizate, a fost nevoie de dezvoltarea aranjamentului optim al containerelor în suprafața de stocare, iar pentru a putea analiza accesul vehiculelor la containere, străzile de acces au fost considerate sisteme de conducte.

Utilizarea unui proiect bidimensional a fost utilă datorită simetriei de curgere prin conductele circulare, ceea ce a determinat o analiză mult mai simplificată, dar și timpi de procesare mai mici în cazul analizei în aplicația CFD.

Analiză comparativă a posibilităților de optimizare a terminalelor de containere

Pe baza teoriei constructale, au fost definite două geometrii de bază, pentru a fi analizate. În același timp, o secțiune a terminalului de containere Constanța Sud a fost transpusă în aplicația de analiză. Cu ajutorul acestor geometrii, a fost posibilă evidențierea avantajelor și dezavantajelor dintre formele analizate.

De-a lungul timpului, aranjamentul sub formă de grilă a devenit popular datorită avantajelor superioare pentru accesul la suprafață în comparație cu abordările estetice. Cu toate acestea, inclusiv aceste sisteme permit introducerea de noi concepte în vederea optimizării globale, în ceea ce privește dimensiunile și vitezele permise de deplasare.

Formatul arborescent care a fost dezvoltat pe baza teoriei constructale, a arătat un mai bun acces la suprafață, cu anumite constrângeri, și anume existența unui singur punct de intrare sau ieșire din suprafață. Din acest considerent, sistemul oferă un acces superior sistemului de tip grilă. Problema se pune însă pentru deplasările din interiorul ariei, care în acest caz sunt inferioare din punct de vedere al timpilor de transport. Pentru un sistem care nu necesită fluxuri între diferite puncte în interiorul ariei (e.g. transfer termic), formatul arborescent tinde către ideal.

Luând în considerare aceste aspecte, a fost evidențiată o posibilitate de a utiliza parțial conceptele teoriei constructale cu privire la dimensiunile maxime ale ariilor pentru primul și al 2-lea construct, însă menținând formatul de grilă.

Dezvoltarea unei posibilități alternative de validare a rezultatelor experimentale

Datorită faptului că o serie de informații în cadrul firmelor și mai ales în cadrul companiilor multinaționale sunt considerate secrete, accesul în interiorul terminalului de containere nu a fost posibil. În plus, eventualele modificări care ar fi putut confirma sau infirma rezultatele teoretice dezvoltate în lucrarea de față, nu ar fi fost posibile datorită investițiilor majore sau a perturbațiilor care ar fi intervenit în activitățile zilnice din terminal.

Din acest motiv, am încercat să caut metode alternative de analiză comparativă a rezultatelor. Pentru aceasta, am utilizat o abordare mai veche de șase ani [Potere D., 2008] prin care se încerca un calcul al erorilor existente în aplicația Google Maps. Pe baza acestei idei, în vederea extragerii geometriei de bază a terminalului de containere, am încercat o nouă determinare. Cunoscând dimensiunile standard a unui container de 40 de picioare, am făcut o serie de măsurători, care au reprezentat eșantionul de date.

În vederea aflării erorii introduse de hărțile Google Maps față de valoarea adevărată, pentru regiunea în care se găsește terminalul de containere Constanța Sud, a fost determinată eroarea măsurătorilor față de valorile reale. Aceasta s-a realizat prin aplicarea metodei de eliminare a erorilor (determinarea principalilor parametri statistici, eliminarea erorilor grosolane, verificarea caracterului aleatoriu al șirului de date, verificarea normalității repartiției, estimarea valoarii adevărate).

Eroarea valorii măsurate (lungimea unui container) față de valoarea adevărată a fost de ±0,1066% care pentru analiza doar a unei porțiuni din terminal de lungime de 191 metri putea introduce o eroare de ±20 centimetri.

În acest caz, această eroare a fost considerată acceptabilă, iar analizele asupra terminalului au fost efectuate luând în considerare valorile întregi ale măsurătorilor.

Dezvoltarea unui nou concep de optimizare a terminalelor de containere

Deși formatul de grilă în geometria sistemelor de transport este recunoscut ca fiind un aranjament optim, în cadrul analizelor efectuate asupra diverselor forme rezultate din teoria constructală a rezultat faptul că încă există posibilități de optimizare a formei generale.

Ideea de bază a teoriei constructale este că natura însăși are tendința de continuă optimizare, iar sistemele naturale printre care și flora și fauna, au tendința de a-și modifica forma, astfel încât să consume o cât mai mică energie pentru a deservi același scop.

Terminalele de containere nu pot fi considerate ca fiind forme care se supun acestor reguli, deoarece pe de o parte multiplele fluxuri prin terminal sunt practic suprapuse în cadrul aceluiași sistem de transport, iar modul de organizare al transportului containerelor în funcție de sursă și destinație nu este determinist, putând apărea modificări în plan în orice moment.

Astfel, ipotezele introduse de teoria constructală combinate cu modelul de grilă utilizat în mod curent și analizele efectuate asupra formelor geometrice, au condus la emiterea unei ipoteze de dezvoltare administrativă a zonei de stocare sub formă de frunză. Pentru deplasări cu viteze relativ constante atât pe drumurile principale cât și pe cele secundare, formatul de frunză permite același acces pentru toate rândurile de containere aflate la aceeași distanță față de punctul de intrare în suprafață.

Acest lucru este posibil doar prin utilizarea unor anumite tipuri de utilaje în interiorul zonei de stocare, utilaje cu capacitatea de a se întoarce pe același drum (e.g. stivuitor). În cazul terminalului de containere Constanța Sud, o problemă suplimentară este reprezentată de amestecul traficului în regiunea rutelor principale, deoarece acestea deservesc atât intrarea într-o secțiune a zonei de stocare cât și ieșirea din secțiunea adiacentă.

Considerarea secțiunilor de stocare ca zone administrative independente, ar duce la separarea traficului, dar și o optimizare a timpilor de transport a containerelor în și din zona de stocare. În acest caz, transferul containerelor de la o zonă la alta ar fi realizată ca în prezent de utilajele de cheu specializate de tip poduri rulante (rubber tyred gantry cranes)

Conceptul e-transport și transport inteligent

Perspective în utilizarea modelelor hidraulice în problemele de transport

Direcții de continuare a cercetărilor

Concluzii finale

Bibliografie

Antoniu G., Canalul Broaștelor, Jurnalul Național, 22 iulie 2005

Bejan A. – Shape and Structure, from Engineering to Nature, Cambridge University 2000

Bejan A., Lorente S. – The counstructal law and the thermodynamics of flow systems with configuration, International Journal of Heat and Mass Transfer 47 (2004) 3203-3214

Bejan, A. & Lorente, S. – Constructal theory of configuration generation in nature and Engineering, Journal of Applied. Physics., 100, pp. 041301, 2006

Bejan, A., Lorente, S. – Design with Constructal Theory, Wiley: Hoboken, 2008

Bejan A., Lorente S. – Constructal theory of generation of configuration in nature and engineering, Journal of Applied Physics vol. 100, 041301 (2006)

Bejan, A., Lorente, S., Miguel, A.F., Reis, A.H. – Constructal theory of distribution of city sizes, Advanced Engineering Thermodynamics, ediția a 3-a, A. Bejan, Wiley: Hoboken, 2006

Bejan, A., Lorente, S., Miguel, A.F., Reis, A.H. – Constructal theory of distribution of river sizes, Advanced Engineering Thermodynamics, ediția a 3-a, A. Bejan, Wiley: Hoboken, 2006.

Bejan, A., Marden, J.H. – Constructal unification of biological and geophysical design, Physics of Life Reviews, 6, pp. 85–102, 2009

Blumenfeld M. – Introducere în Metoda Elementului Finit, București 1995

Bullock R. – Global Ports Connecting Global Markets, Students Seminar on: “Intermodality – Current Status and Future Perspectives” – Universitatea “Ovidius” din Constanța 22.02.2008

Călimănescu, I., Chițac, V., Buzbuchi N. – Aplicațiile analizei cu elemente finite în științele inginerești, Ed. ANMB, 2009

Ciobănaș A.I., Bejan A., Fautrelle Y. – Dendritic solidification morphology viewed from the perspective of constructal theory, Journal of Physics D: Applied Physics 39 (2006) 5252-5266

Coiciu D., Oancea L., Fercu C., Mamut E. – Tehnologii informatice și de comunicații (TIC) cu aplicabilitate la sistemele de transport durabil, Revista Ingineria Automobilului, Septembrie 2010

Dinu D. – Hydraulics and Hydraulic Machines, Editura Nautica, Constanța 1999

Dinu D. – Mecanica Fluidelor pentru Navigatori, Editura Nautica,Constanța 2010

EUROSTAT – Energy, transport and environment indicators, ediția 2010

Gosselin L., Bejan A. – Tree networks for minimal pumping power, International Journal of Thermal Sciences 44 (2005) 53–63

Khatib, Zaher K;Rouphail, Nagui M – Observations and comparisons of maximum entry and circulating capacities at multilane roundabouts, Road & Transport Research; Mar 2006; 15, 1; ProQuest Central pag. 17

Lorente S., Bejan, A. – FEW LARGE MANY SMALL: HIERARCHY IN MOVEMENT ON EARTH, Int. J. of Design & Nature and Ecodynamics. Vol. 5, No. 3 (2010) 1–14

Manaadiar H.- Intermodal Vs Multimodal – what is the difference..??, 1 august 2013, shippingandfreightresource.com/

Notteboom, T. (2013). “Recent traffic dynamics in the European container port system”. Port Technology International, ediția 58, 2013

Poirier, H. – A theory explains the intelligence of nature, Science & Vie, 1034, pp. 44–63, 2003

Queiros-Conde D., Bonjour J., Wechsatol W., Bejan A. – Parabolic scaling of tree-shaped constructal network, PHISCA A 384 (2007) 719-724

Reis, A.H. – Constructal theory: from engineering to physics, and how flow systems develop shape and structure, Applied Mechanics Review, 59, pp. 269–282, 2006

Reis, A.H. – Constructal view of scaling laws of river basins. Geomorphology, 78, pp. 201–206, 2006

Saunders, Michael J;Krumdieck, Susan;Andra, Dantas – Energy reliance, urban form and the associated risk to urban activities, Road & Transport Research; Mar 2006; 15, 1; ProQuest Central, pag. 29

da Silva A.K., Bejan A. – Dendritic counterflow heat exchanger experiments, International Journal of Thermal Sciences 45 (2006) 860-869

Steenken D., Voß S., Stahlbock R. – Container terminal operation and operations research – a classification and literature review, OR Spectrum (2004) 26: 3–49

Stahlbock R., Voß S. – Operations research at container terminals: a literature update, OR Spectrum (2008) 30:1–52

Tom V. Mathew and K V Krishna Rao – Introduction to Transportation Engineering, National Programme oon Technology Enhanced Learning, Ministerul Dezvoltarii Resurselor Umane, Guvernul Indian, NPTEL May 24, 2006

Turro, M., Going Trans-European Planning and Financing Transport Networks for Europe, Elsevier Science, 30 Sep 1997, ISBN: 9780080430591

Vacca, I; Salani, M; Bierlaire M – Optimization of operations in container terminals: hierarchical vs integrated approaches, Swiss Transport Research Conference, Septembrie 2010

Wechsatol W., Lorente S., Bejan A. – Tree-shaped flow structures: are both thermal-resistance and flow-resistance minimisations necessary?, International Journal of Exergy, Vol. 1, No. 1, 2004

Wills, Andrew;Biggs, Herbert;Watson, Barry – Road safety in corporate fleet settings: approaches from organisational and industrial psychology, Road & Transport Research; Mar 2006; 15, 1; ProQuest Central pag. 61

********

Black Sea Container Market Review 2013, 5 februarie 2014, Bunker Ports News

Capt. Ambroziu Duma, Operațiuni Portuare, Director Siguranță și Securitate – Port of Constanta – The Container Hub at the Black Sea, Container Event in Belgrade, 25 martie 2010

Codul Rutier Românesc, Capitolul V, Secțiunea a 2-a, Art. 42

Dynamar B.V. – Black Sea Container Trades, Ports & Terminals, HinterlandDynamar B.V., iunie 2009

European Road Transport Research Advisory Council – ERTRAC Multi-Annual Implementation Plan for Horizon 2020

Informall Business Group, analiză specială pentru BSNews

LEGEA Nr. 74 din 4 mai 2000, pentru ratificarea Acordului dintre Guvernul României și Guvernul Republicii Armenia privind transportul combinat internațional, semnat la Erevan la 3 iulie 1998, ACT EMIS DE: PARLAMENT, ACT PUBLICAT ÎN: MONITORUL OFICIAL NR. 202 din 10 mai 2000

Ministerul Transporturilor și Infrastructurii, Strategia De Transport Intermodal în România 2020

United Nations Conference on Trade and Development – Review of Maritime Transport 2011

Zilele Feroviare 2012 – Summitul Feroviar pentru Investiții în Spațiul Extins al Mării Negre

********

http://berntbergman.com/category/uncategorized/

http://ec.europa.eu/transport/infrastructure/tentec/tentec-portal/site/maps_upload/09_01_2014SchematicA0_EUcorridor_map_outlined.pdf

http://ec.europa.eu/transport/infrastructure/tentec/tentec-portal/site/en/maps.html

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Pan-European_corridors.svg

http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_seaports#Black_Sea

http://en.wikipedia.org/wiki/Trans-European_Transport_Networks

http://goingtens.turro.cat/maps.html

http://ro.wikipedia.org/wiki/Autostrada_A2_(România)

http://ro.wikipedia.org/wiki/Canalul_Dunâre-Marea_Neagră

http://ro.wikipedia.org/wiki/Coridoare_pan-europene

http://ro.wikipedia.org/wiki/Debit_masic

http://ro.wikipedia.org/wiki/Debit_volumic_de_curgere

http://ro.wikipedia.org/wiki/Dezvoltare_durabil%C4%83

http://ro.wikipedia.org/wiki/Mecanica_fluidelor_numeric%C4%83

http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_molecule.html

http://www.ansys.com/

http://www.blackseanews.net/

http://www.constructal.org

http://www.csct.ro/

http://www.dpworld.ro

Ce lucrări pe calea ferată se fac în acest an, din banii statului

http://www.english-online.at/geography/new-york/new-york-city.htm

Home

http://www.”Informall Business Group”.biz

http://www.maerskline.com/link/link/?page=news&path=/news/news20110221

http://www.orangesmile.com/travelguide/barcelona/city-maps.htm

www.portofconstantza.com

http://www.portofconstantza.com/apmc/portal/static.do?package_id=term_containere&x=load

http://www.scritube.com/economie/comert/TRANSPOR-TUL-MARITIM-DE-MARFUR1111261615.php

http://www.traffic-simulation.de/

Anexe