Proiectarea preliminară a unui velier de concurs cu lungimea de 13.6m. Teste de rezistență la înaintare pe model experimental, cu considerarea… [307474]

Lucrare de licență

LUCRARE DE LICENȚĂ

cu tema:

“Proiectarea preliminară a unui velier de concurs cu lungimea de 13.6m. [anonimizat]”

Conținutul proiectului:

I. Temă generală

1. Descrierea generală a navei

2. Clasa navei

3. Dimensiuni principale

4. Planul de forme

5. Calcule hidrostatice carenă nudă

6. Calcule hidrostatice carenă cu derivor

7. Diagrama de Carene drepte

8. Diagrama Bonjean

9. Modelarea apendicilor

10. Estimarea rezistenței la înaintare și a propulsiei

11. Eșantionajul

III. Temă specială

1. Teste de rezistență la înaintare în vederea gasirii asietei optime

Tema a fost comunicată în iarna anului 2016

Predarea s-a făcut la 15.06.2017

Cuprins

1. Introducere ……………………………………………………………………………………………………………………5

2. Descrierea Navei ……………………………………………………………………………………………………………7

2.1 Tipul si destinația navei ………………………………………………………………………………………..7

2.2 Clasificare si reguli ………………………………………………………………………………………………8

2.3 Dimensiuni principale ale navei …………………………………………………………………………….9

3. Planul de forme ……………………………………………………………………………………………………………11

3.1 Considerații teoretice ………………………………………………………………………………………..11

3.2 Realizarea planului de forme ……………………………………………………………………………..15

4. Calcule hidrostatice pe carenă dreapta …………………………………………………………………………….17

4.1 Centralizarea datelor …………………………………………………………………………………………30

4.1.1 Trasarea diagramei de carene drepte ……………………………………………………..31

4.2 Centralizarea datelor …………………………………………………………………………………………34

4.2.1 Trasarea diagramei Bonjean …………………………………………………………………39

5. Modelare apendicilor ………………………………………………………………………………………………………..41

6. Estimarea rezistenței la înaintare si a propulsiei …………………………………………………………………..46

6.1 Generalitați si parametrii de formă ……………………………………………………………………..46

6.2 Abordare numerică …………………………………………………………………………………………..49

6.3 Abordare experimentală ……………………………………………………………………………………50

6.3.1 Generalități ……………………………………………………………………………………………50

6.3.2 Criterii de similitudine …………………………………………………………………………….51

6.4 Puterea de propulsie …………………………………………………………………………………………55

7. Eșantionajul …………………………………………………………………………………………………………………….59

8. Realizarea testelor experimentale pe model …………………………………………………………………………71

8.1 Generalități …………………………………………………………………………………………………………71

8.2 Testele de bazin …………………………………………………………………………………………………..74

8.3 Transpunerea de la model la natură – Metoda ITTC 57 …………………………………………….77

8.4 Centralizare date ………………………………………………………………………………………………….87

8.5 Comparații ………………………………………………………………………………………………………….92

9. Concluzii ………………………………………………………………………………………………………………………..93

10. Referințe bibleografice ……………………………………………………………………………………………………95

1. Introducere

Velierele de competiție se împart pe clase, conform regulilor sportive incadrandu-se astfel in funcție de dimensiuni si calitați de marș.

In această lucrare se prezintă calculele preliminare cat si compararea rezultatelor testelor experimentale cu rezultatele metodelor teoretice astfel urmarindu-se următoarele aspecte:

Realizarea planului de forme pe baza tabelului de trasaj

Caracteristicile hidrostatice în apă calmă

Eșantionajul secțiunii maestre si determinarea…. carbonski.

Evaluarea rezistenței la înaintare cu ajutorul programului php delft)))))

Estimarea preliminară a puterii de propulsie

Determinarea experimentala a rezistenței la înaintare

Transpunerea de la model la natură a rezultatelor obținute experimental folosind programul DAS ce utilizeaza metoda ITTC 57

Estimarea puterii de propulsie pe baza rezultatelor obținute experimental.

În capitolul 3 se prezinta realizarea planului de forme cu ajutorul tabelului de trasaj si elaborarea modelului tridimensional al carenei nude.

Capitolul 4 cuprinde calculele hidrostatice pe plutiri drepte in vederea trasarii atat a diagramei de carene drepte cat si a diagramei Bonjean. Totodata este inclusa si modelarea apendicilor.

Capitolul 5 se refera la determinarea teoretica a rezistenței la înaintare cu ajutorul platformei php cat si la alegerea motorului.

Capitolul 6 include eșantionajul secțiunii maestre conform regulilor cu privire la detaliile constructive si cerintele impuse pentru nave mici cu lungime maxima mai mica de 24m contruite din materiale compozite

Rezultatele rezistenței la înaintare determinate experimental sunt prezentate in capitolul 7. Tot aici este inclusa si transpunerea de la model la natură cat si gasirea asietei optime in vederea minimizarii rezistenței la înaintare.

2. Descrierea navei

2.1 Tipul și destinația navei

Tema de proiect:

Velier de competitie de tip monocorp avand prova conventionala si pupa oglinda, forme fine, dotat cu un derivor central cu lest pentru stabilitatea transversala.

Propulsie: Velatura este principala sursă de propulsie, dar este echipat cu un motor

outboard auxiliar.

Destinație: competiții sportive.

Zona de navigație: costier-maritimă

2.2 Clasificare si reguli

Nava a fost proiectată În conformitate cu regulile organizației internaționale ISO/TC 188, cu privire la detalii constructive si echipamente la nave mici cu lungime maxima mai mică de 24m, sub supravegherea Societății de Clasificare Bureau Veritas.

I 5 HULL HULL MACH Yacht-sailing- EAWP Coastal area

Semnificaƫia simbolurilor componente:

Nava nu a fost construita sub regulile si sub supravegherea Societatii de Clasificare, dar a fost acceptata in clasa;

Semnificaƫia simbolurilor componente:

I5 – simbol de clasă atribuit navelor construite în conformitate cu Regulile sau cu alte reguli recunoscute ca fiind echivalente și menƫinute într-o condiƫie considerată satisfăcătoare de către Societatea de Clasificare; inspecƫia de reînnoire a clasei corespunzătoare acestui simbol se face la 5 ani;

HULL – simbol referitor la corpul navei;

MACH – simbol referitor la instalațiile navei;

Yacht-sailing – notaƫie de clasă atribuită navelor de agrement, propulsate cu ajutorul motoarelor de propulsie;

EAWP- nave propulsate de vânt asistată și de o propulsie auxiliară;

Coastal area – nava este destinată navigației în zonele de coastă, unde înălțimea maximă a valului pentru care este proiectată nava nu depășește 2.5 metri; nave care operează la maxim 20 mile față de țărm și cu maxim 6 ore de navigație de la țărm.

2.3 Caracteristici principale ale navei

Modelarea corpului:

Generarea cuplelor:

Forma finală:

3. Planul de forme

3.1 Considerații teoretice

Pentru prezentarea formelor navei se utilizează planul de forme, acest fiind descris cu ajutorul:

Parții numerice: tabelul de trasaj

Parții grafice: 3 planuri principale de proiecție

Practic planul de forme descrie formele navei si constituie reprezentarea grafica a suprafeței corpului in 3 proiecții obținute obținute din intersecția corpului cu cele 3 planuri principale de referința:

Planul de bază (orizontalul planului de forme)

Planul cuplului maestru (transversalul planului de forme) care practic secționeaza corpul navei in dreptul cuplului maestru impărțind nava in 2 parți nesimetrice (partea prova si partea pupa)

Planul diametral (longitudinalul planului de forme) acesta fiind planul vertical ce împarte nava în 2 borduri simetrice (babord/tribord – stanga/dreapta)

P.D. – Planul diametral B.L. – Linia de bază

P.B. – Planul de bază W.L. – planul plutirii

– Cuplul maestru

Formele sunt descrise de curbele obținute din intersecția corpului cu planuri paralele cu planurile principale de proiecție, acestea fiind:

Cuple – curbele obținute la intersecția corpului cu planurile paralele cu cel al cuplului maestru; Proiecțiile acestor curbe reprezinta practic transversalul planului de forme;

Longitudinalele – curbele obținute la intersecția corpului cu planurile paralele cu planul diametral; acestea reprezinta longitudinalul planului de forme;

Plutirile – curbele obținute la intersecția corpului cu planurile paralele cu planul de baza; acestea reprezinta orizontalul planului de forme;

3.2Realizarea planului de forme

In vederea realizarii planului de forme s-a utilizat tabelul de trasaj al navei in varianta preliminara la scara 1:10.

In vederea realizarii partii grafice a planului de forme s-au utilizat urmatoarele programe:

Rhinoceros

AutoCad

Orca3D

Cu ajutorul acestor instrumente si a tabelului de trasaj s-au conceput cele 3 planuri de referința interpolînd valorile din tabel pentru fiecare cupla in parte, urmand ca apoi sa fie introduse in Rhinoceros.

Urmatoare etapa a fost avierea acestor curbe pana la uniformizare in programul Rhinoceros, finalitatea fiind modelarea tridimensionala si generarea formei finale a carenei nude.

Planul de forme in varianta finala s-a realizat secționand modelul 3d in dreptul fiecarei cuple si plutiri in vederea proiectarii curbelor rezultate pe planurile de referinta.

Rhinoceros este un soft de modelare tridimensionala cu posibilitatea unei multitudini de extensii cu care se pot rula calculele hidrostatice cat si generarea derivorului si a lestului sau alegerea tipului de cîrma (Naca 0012), etc.

Varianta finală a planului de forme

4. Calcule hidrostatice pe carenă dreaptă

În calculul elementelor geometrice ale carenei se presupune că nava se află pe carenă dreaptă, planul de bază fiind paralel cu planul plutirii. Calculele au ca scop determinarea curbelor de variație ale elementelor principale ale flotabilității in funcție de pescajul navei.

Aceste curbe sunt reprezentate sub forma diagramei de carene drepte si sunt utilizate pentru diverse operații din timpul proiectării sau exploatării cum ar fi studiul stabilității sau incărcarea si descărcarea navei.

În vederea calcului efectiv al proprietăților hidrostatice ale carenei este utilizată extensia Orca3D a programului Rhinoceros care utilizeaza metoda Simpson pentru rularea rezultatelor. De asemenea Orca3D permite realizarea unei multitudini vaste de calcule cum ar fi diagramele de stabilitate precum si estimarea rezistenței la înaintare dar si intrumente legate de modelarea efectiva si avierea formelor.

Diagrama de carene drepte cuprinde practic 3 categorii de elemente:

Elementele geometrice care definesc suprafata plutirii (Aria plutiriilor, abscisa centrului de plutire cat si momente de inerție)

Aria secțiunii transversale Ax si a cuplelor teoretice;

Elementele care definesc carena navei (volumul carenei, abscisa centrului de carenă, cota centrului de carenă).

Următoarele etape au fost parcurse in vederea realizarii diagramei:

Realizarea modelului 3d, fara apendici in Rhinoceros

Lansarea aplicației Orca3D si deschiderea viewport specifice

Următorul pas este poziționarea modelului dupa axele de referinta in sensuri pozitive sau negative in functie de cum este dispusă carena.

Declararea secțiunilor de lucru (station, buttocks, waterlines)

Se vor utiliza secțiunile create anterior si se va rula:

În primă fază soft ul va verifica datele introduse pentru eliminarea calculelor eronate, in cazul in care toate testele au fost trecute se vor rula calculele propriu-zise.

Datele obținute in raportul rezultat in urma rulării hidrostaticelor in cele 2 cazuri: carena nudă si carenă cu derivor.

Carenă nudă:

Plutirea de pescaj: 0.45m

Carenă cu derivor:

În acest caz trebuie făcute cateva precizări:

Apendicii trebuie atașați la carenă și orientarea fetelor trebuie sa fie mereu spre exterior.

Sectiunile plutirilor vor fi introduse incepand de la linia de baza a derivorului. Pentru datele de iesire se vor folosi plutirile carenei.

Datele extrase in urma rulării:

Plutirea de pescaj: 0.45m

4.1 Centralizarea datelor

Datele au fost extrase din programul Orca3D urmand a fi centralizate in tabelurile de mai jos pentru fiecare caz de incarcare.

Valorile curbelor hidrostatice: (Carenă nudă)

Coeficienți hidrodinamici:

Carenă nudă + derivor

4.2 Trasarea diagramei de carene drepte

In vederea trasarii diagramei de carene drepte trebuie stabilite scarile de reprezentare si formatul la care se va face printarea:

Se vor reprezenta conform urmatoarelor cerințe:

Claritatea curbelor

Evitarea aglomerarii curbelor

Valorile scărilor sa fie rotunde

Prezentarea scărilor a fost facute prin explicitare:

AW: 1cm= 0.98 m2

XB, XF: 1cm= 0.52 m

zB: 1cm= 0.02 m

V: 1cm= 0.97 m3

Δ: 1cm= 500 kg

r: 1cm= 0.1 m

R: 1cm= 1.9 m

Cw: 1cm= 0.02

Cb: 1cm= 0.02

Cp: 1cm= 0.02

Cm: 1cm= 0.02

Cv: 1cm= 0.02

Trasarea propriu-zisa a curbelor de carene drepte

Observatii:

Curbele trec prin punctele de definițe;

Curbele sunt aviate

Curbele se continua peste CWL si nu ating WL0

Curbele se noteaza

n cazul acesta pentru calculul de carene drepte s a utilizat programul Excel iar pentru trasarea curbelor s-a utilizat programul Rhinoceros. Interpolarea valorilor a fost facută pentru a se obține in final reprezentarea grafică a curbelor (diagrama de carene drepte)

Diagrama Bonjean

În ceea ce priveste proiectarea si exploatarea navei, Diagrama Bonjean reprezinta un document important întrucat permite calculul coordonatelor centrului de carena cat si volumul teoretic al carenei in cazul unei plutiri de forma oarecare inclinata longitudinal, considerand faptul ca nu exista inclinare transversala.

Au fost utilizate 2 programe de calcul:

Excel

Rhinoceros + Orca3D

La fel ca in cazul diagramei de carene drepte s-a folosit extensia Orca3D pentru rularea calculelor si Excel pentru centralizarea datelor.

Pentru rularea datelor s-a introdus o gamă de pescaje de la 0m la 1.3m cu pasul de 0.1m. Rezultatele de iesire fiind practic valorile ariilor transversale si a momentelor statice, corespunzătoare fiecarei cuple in dreptul fiecărei plutiri in parte.

Datele au fost centralizate in Excel urmand a fi scalate si interpolate in vederea reprezentarii curbelor in programul Rhinoceros.

4.3 Centralizare date

Cupla 0: Cupla 1:

Cupla 2: Cupla 3:

Cupla 4: Cupla 5:

Cupla 6 Cupla 7

Cupla 8: Cupla 9:

Cupla 10:

4.4 Trasarea diagramei Bonjean

Etapele de realizare:

se vor adopta scările de reprezentare pentru lungimi, înalțimi, arii si momente (lungimea navei se reprezintă la scară diferita, obținandu-se practic o contracție a navei)

se va trasa caroiajul in proiectie pe planul diametral

se va trasa conturul navei in P.D. si linia punții

pasul final va fi cel de trasare a fiecarei curbe AT(z) si MyT(z) pentru fiecare cuplă in parte, considerand ca axa de referintă verticala cuplei.

Diagrama a fost conceputa utilizant programul Rhinoceros, reprezentarea grafica fiind facuta pe format A3

Mărimile utilizate au fost scalate diferit pentru lizibilitatea diagramei.

Scările fiind prezentate astfel:

Înălțimi: 1cm=0.1m

Lungimi 1cm=0.38m

At: 1cm=0.3 m2

MyT 1cm= 1m4

Diagrama Bonjean:

5. Modelarea apendicilor

Velierul este echipat cu apendicii:

Carmă

Derivor central cu lest pentru stabilitate

In cazul velierelor apendicii prezinta o importanța deosebită intrucat sunt supuse fortelor aerodinamice din velatura obținandu-se înclinari transversale semnificative. În acest caz derivorul poziționat central si echipat cu lest pentru stabilitate transversala produce moment de redresare semnificativ, antideriva datorandu-se chilei-derivor.

Modelare propriu-zisă a apendicilor se va prezenta in etapele de mai jos:

Se incepe prin a se deschide extensia Orca3D unde se va accesa meniul Hull design, acolo vom accesa submeniul Foil Assistant unde se vor introduce parametrii geometrici ai derivorului si ai lestului:

Pentru modelare se acceseaza Design unde putem alege tipul de profil, in acest caz vom folosi NACA 0012. Tot aici vom introduce manual parametrii dimensionali ai derivorului. Soft-ul apoi va genera profilul dorit.

Pentru modelarea lestului se va accesa Bulb Design, unde se vor introduce profilul ales si parametrii dimensionali:

Pentru carmă modelarea a fost facută manual utilizand comenzile de creare a suprafețelor si modelare a acestora, avand la bază următoarele dimensiuni:

Forma finală a derivorului si a carmei

Referințe geometrice:

Atașarea apendicilor la model:

6. Estimarea rezistența la înaintare și a propulsiei

6.1 Generalitați si parametrii de formă

Rezistența la înaintare este printre cele mai importante calitați de navigație, de care depinde direct dimensionarea velaturii si alegerea motorului.

Asupra unei nave care se deplasează cu viteza constanta v, acționează rezultanta forțelor hidro-aerodinamice, Rt. Rezistența la înaintare a navei este proiecția rezultantei fortelor hidro-aerodinamice care acționează asupra navei, pe direcția vitezei de deplasare.

Rezistența totală la înaintare a corpului în apă calmă reprezintă suma:

RT = RAA + RW + RV

RAA – rezistența aerodinamică; este datorată zonei emerse a navei la deplasarea aerului în repaus;

RW – rezistența de val; este datorată valurilor propii create de navă la deplasarea în apă calmă (este practic funcție de raportul B/L, deplasament, forma corpului și numărul Froude)

RV – rezistența vâscoasă; este rezistența de frecare dintre corpul navei și apa (este practic funcție de vâscozitatea apei, viteza și suprafața udată a corpului navei).

Lungimea

Creșterea lungimii duce inevitabil la creșterea rezistenței de frecare. În același timp reduce rezistența de val, dar acest lucru depinde de interacțiunea între valurile din prova și cele din pupa. Ca urmare, navele rapide vor avea o lungime cât mai mare în raport cu lățimea.

Coficientul prismatic

Efectul principal se constata asupra rezistenței de val.

Plenitudinea formelor

Plenitudinea este descrisa de coeficientul bloc sau de coeficientul prismatic. În general rezistența la înaintare crește o dată cu creșterea unuia dintre acești coeficienți. Coeficientul bloc trebuie redus in cazul in care viteza scade.

Zveltețea navei

Este definita ca raportul dintre deplasament si cubul lungimii carenei. Pentru navele rapide cu coeficient bloc mic se recomanda ca acest raport sa aiba de asemenea o valoare mica.

Raportul lățime pe pescaj (B/T)

Odata cu marirea acestui raport in general crește și rezistența la înaintare. Acest fenomen poate fi explicat avand in vedere unghiul plutirilor care cresc, astfel producandu-se o perturbație mai mare in apă.

Distribuția longitudinala a deplasamentului

Aceasta distribuție este descrisa de poziția longitudinala a centrului de carenă (LCB). In cazul unui coeficient bloc dat, poziția LCB descrie plenitudinea extremitaților navei. Practic in cazul navelor rapide LCB se afla in pupa secțiunii maestre la o distanța de maxim 10% din lungimea navei spre deosebire de navele lente la care LCB se afla in prova secțiunii maestre.

Lungimea zonei cilindrice

Navele rapide nu au zona cilindrică. In cazul in care o nava are zona cilindrica prelungita pentru un coeficient bloc dat aceasta va dispune de extremitați mai fine.

Forma secțiunii

Din acest punct de vedere este imposibil de generalizat avand in vedere multitudinea situațiilor posibile influența asupra rezistenței la înaintare. Navele lente dispun de forme U in prova si V in pupa, in acest caz rezistența de val scade. În cazul navelor rapide formele fine, secțiunile V reduc rezisteța la înaintare.

Pentru o mai buna ințelegere a fenomenelor care apar in cazul de fața rezistența la înaintare a fost calculata atat pe cale numerică cat si pe cale experimentală.

În cazul abordării numerice s-a utilizat programul PHP-yacht resistance care se bazeaza pe metodele impuse de Gerritsma in cadrul seriilor de veliere de la Delft

În cazul abordării experimentale testele au fost făcute la Bazinul de carene din cadrul Facultății de Arhitectura Navala. Bazin echipat cu un carucior construit de cei de la Cussons technology

6.2 Abordare numerică

Datele de intrare au fost introduse în platformă cu următoarele precizări:

Pentru calculul dimensionării catargului si a elementelor ce țin de velatură s-au utilizat baze de date de nave asemănătoare si prin interpolare s-au ales dimensiunile aferente.

Avand in vedere zona de navigație (costier-maritima), vom alege caracteristicile apei sărate.

Celelalte caracteristici ale carenei au fost extrase din tabelul centralizator al calculelor hidrostatice

Date de iesire:

6.3 Abordare experimentală

6.3.1Generalitați:

Modelele fizice la scară constituie o componentă deosebit de importantă in studiul hidrodinamicii navei sub acțiunea factorilor de mediu, datele furnizate fiind utile în primul rand pentru proiectare dar si pentru cercetare.

Este important de subliniat că un experiment poate furniza date realiste dacă se realizează o ințelegere corectă a fenomenelor care guvernează comportarea ansamblului studiat, avand implicații decisive atat in metodologia de modelare la scară cat si invers, in metodologia de transpunere la natura (prototip)

Principalele argumente care evidențiază necesitatea studiilor pe modele la scară sunt:

Complexitatea sistemului studiat si imposibilitatea certificării lui pe cale analitica

Modelele analitice conduc la rezultate nereale

Este neceseră o mai buna ințelegere fizică a sistemului

Este necesară studierea comportării numai a unui element component al unui sistem complex (decuplarea problemei generale si eventuala utilizare ulterioară a principiului superpoziției).

6.3.2 Criterii de similitudine:

Problema principală constă in determinarea invarianților de similitudine specifici fenomenului analizat. În acest scop se utilizează practic metodele analizei dimensionale.

Atunci cand se măsoară rezistența la îinaintare a unui model experimental, valoarea masurată depinde de mărimea modelului.

Rezistența la înaintare poate fi adimensionalizată in scopul de a reprezenta rezistența unei forme date de corpul navei independent de mărimea modelului. Rezistența la înaintare poate fi adimensionalizată cu relația:

Unde:

cT – coeficientul rezistenței la înaintare;

ρ- densitatea apei măsurată în [kg/m3];

v- viteza navei în [m/s];

S- suprafața udată a navei în [m2];

RT – rezistența totală la înaintare exprimată în [N].

Forțele de natură vascoasă depind de numărul Reynolds:

ϑ- vascozitatea cinematică;

LWL – lungimea navei la plutire;

Forțele de natură gravitațională depind de numărul Froude:

g- accelerația gravitatională;

L- lungimea navei.

Forțele de natură inerțială determină variația câmpului de presiune, atunci când se modifică distribuția vitezelor pe suprafața udată a corpului. Se poate demostra că:

– Forțele de inerție sunt proporționale cu mărimea: ρ*v2*L2;

– Forțele de frecare sunt proporționale cu mărimea: μ*v*L;

– Forțele gravitaționale sunt proporționale cu mărimea: ρ*g*L3.

μ- vâscozitatea dinamică exprimată în [N*s/m2].

În cazul in care raportul dintre forțele de frecare si cele de inerțje este constant, atunci:

În cazul în care raportul dintre forțele de inerție si cele de natură gravitațională se păstrează neschimbat, obținem:

În concluzie, păstrand cei doi invarianți de similitudine constanți la diferite scări de modelare, rezultă faptul ca forțele de natură gravitaționala, inerțiala si vascoasă se păstrează in rapoarte proporționale la scările de modelare utilizate.

Dacă Froude este constant:

Dacă Reynolds este neschimbat la model si la scară naturală rezultă:

Dacă extragem valorile vitezei modelului din relația de mai sus:

apoi înlocuind in relația Fr:

Din aceasta demonstrație practic rezultă faptul ca cei doi invarianți de similitudine Froude si Reynolds nu pot fi folosiți simultan decat la scară naturală

Pentru testele experimentale vom folosi numărul Froude avand in vedere faptul că în cazul numarului Reynolds vitezele modelului ar trebui sa fie foarte mari iar bazinele de hidrodinamica nu permit acest lucru.

Așadar se adopta criteriul de similitudine Froude, iar viteza modelului se calculează cu următoarea relație:

În același timp, adoptandu-se criteriul Froude, numărul Reynolds al modelului experimental este mult mai mic in comparație cu cel la scară naturală:

Datorita neîndeplinirii criteriului Reynolds, se obțtin diferențe de similitudine, numite efecte de scară. Mărimea acestor efecte de scară trebuie estimata cat mai aproape de adevăr pentru a se putea extrapola corect, la scară naturala.

Puterea de propulsie

În vederea calculării puterii de propulsie, ca date de intrare vom alege rezultatele testelor experimentale de rezistență la înaintare intrucat acestea reflectă realitatea fizica.

Într-un capitol anterior a fost prezentată metoda de calcul a puterii de propulsie preliminare.

Propulsia principala a navei este asigurată de vele dar aceasta este prevăzuta și cu un motor auxiliar, care trebuie sa asigure puterea necesară deplasarii navei la viteza de regim data.

Puterea efectiva se calculeaza cu relația:

unde:

Md=1

Viteza in m/s

RT in N

PE in W

Unde:

MS=0.15

w=0.02…0.03 pentru motoare outboard

t=0.04…0.06 pentru motoare outboard

n0 aprox 1

nR aprox 0.5

Notații:

PE – Puterea efectivă

RT – Rezistența la înaintare

V – Viteza navei

Md – rezerva de proiectare

PB – Puterea la flanșa

nD – randamentul cvasi-propulsiv

Ms – rezerva de serviciu a navei

nH – randamentul corpului

n0 – turația motorului

nR – randamentul relativ de rotație

w – coeficientul de siaj

t – coeficientul de sucțiune

Centralizarea datelor:

Practic avem nevoie de un motor cu o putere de 110 kW, 5500 rpm si 4 cilindrii:

În urmatoarele imagini este prezentat modelul ales:

Yamaha 150D

Specificatii:

YAMAHA 150D

7. Esantionaj

În acest capitol se dorește analizarea carenei din punct de vedere structural cat si analizarea fortelor date din vant pe catarg si din apa pe derivor in programul Siemens Femap. Materialul folosit este fibra de carbon. Avand in vedere volumul relativ mare de timp pentru modelare si mesh analiza va fi finalizată in viitor.

Avand in vedere faptul ca deja s-a realizat esantionajul acestei nave din materiale grele, dimensiunile secțiunilor au fost preluate si remodelate in forma de omega diferența făcand-o grosimile materialelor date in funcție de capacitatea acesteia de a rezista.

Pentru a analiza cu ajutorul elementului finit in primul rand ne trebuie geometria completa a elementelor structurale atasate la carena navei.

Urmand ca apoi sa realizăm mesh-ul pe suprafața dorită și să rulăm analiza.

Caracteristici ale carbonului:

Carbonul este un material compozit (o combinatie de 2 sau mai multe materiale) care se dispune in straturi.

Reinforcement (fibrele) + matrix(rașina) = composite

Proprietățile mecanice ale materialelor compozite

Precizări

Materiale:

În aplicațiile inginerești, materialele ortotropice au 3 plane de simetrie a materialului. Exemple de materiale ortotropice sunt lemnul sau carbonul (unidirectional lamina)

Numărul constantelor care definesc un asemenea material este 9. Matricea de rigiditate fiind simetrica. Toti termenii de pe diagonala principala cat si cei de deasupra si de dedesubtul acestora trebuie definiți. Din fericire soft-urile actuale ne permit definirea Modulilor elastici (E1, E2, E3) cat si a coeficientului Poisson (V12,V13,V23) in loc sa calculam fiecare termen al matricii de rigiditate.

Micromecanica compozitelor:

Studiile comportărilor sunt examinate la scară microscopică pentru a determina efectul acestora asupra proprietăților materialului.

Prezic practic aceste informații, oferindu-ne proprietățile componentelor cat si aranjamentul geometric al fibrelor.

Proprietățile mecanice ale unui compozit depind de procentul de fibre si rașină din care este alcătuit.

Regula mixturii:

În cazul in care proprietătile materialului sunt cunoscute, o estimare rezonabilă poate fi făcută in vederea aflării proprietătile stratului:

Unde:

EL si ET corespund modului longitudinal si transversal al fiecarui strat de compozit.

GlT si VlT corespund modului de forte din plan si coeficientul Poisson.

F – proprietatea fibrei

M – proprietatea matricii

In cazul unei fibre de carbon cu rașina epoxy se consideră un procent mai mare de 55% maximul fiind in jur de 65-70%. Cu cat rașina este in procentaj mai mic cu atat fibrele nu sunt complet ude in procesul de fabricație. Acest fapt duce la puncte uscate (reducerea calității)

Exportarea / importarea fisierului din Rhinoceros in femap se realizeaza convertind fișierul in stp.file:

Modelarea proprietăților in femap:

Precizări:

este important sa creem un system de coordonate potrivit pentru materialul folosit. În cele mai multe cazuri sistemul de coordonate Basic rectangular funcționează dar in cazul suprafețelor curbe trebuie declarate orientările fiecarui strat in parte din meniul layup editor

Vom alege tipul materialului 3D orthotropic.

In cazul proprietăților pentru modelarea 3D, se foloseste solid laminate.

Configurarea traturilor se poate face din meniul layup editor: aici vom introduce toate informațiile legate de numărul straturilor si direcția acestora, materialul folosit pentru fiecare, orientarea fiecarui strat cat si grosimea acestora.

Dispunerea straturilor:

Generarea sistemului de coordonate pentru cazul 3D:

Direcția orientării materialului.

În cadrul documentului clasei cu privire la reguli ale yacht urilor de pană in 24m sunt recomandări legate de presiunile minime ce trebuiesc aplicate pentru fiecare zonă a carenei:

pBS min – presiunea minimă a fundului dată din valuri:

pSS min – presiunea minimă a bordajului dată din valuri:

Dar nu mai puțin de 5 kN/m2

pDS min – presiunea minimă a punții dată din valuri, unde valoare minima acceptată este

pDS min = 5 kN/m2

Totodata sunt calculate presiunile de bază care acționează asupra corpului, după cum urmează:

pBS base – presiunea de bază a fundului dată din valuri:

Unde:

mLDC – deplasamentul navei cu toți apendicii;

kSLS – factor de corecție presiune pentru fenomenul de slamming, unde pentru categoria C :

pDS base – presiunea de bază a punții dată din valuri:

Notații:

mLDC – deplasamentul navei cu toti apendicii

Lwl – lungimea la plutire

kDC – factorul de proiectare in funcție de categoria navei , unde pentru categoria C:

Etape de lucru in modelare:

Prima etapă este realizarea coastelor si a longitudinalelor (flatbar

Avand in vedere materialul utilizat aceste structuri trebuie modelate astfel incat sa fie posibila construcția la final. În acest caz se vor folosi profile Omega pentru a putea fi dispuse straturile.

O atenție deosebita o are imbinarea si capetele acestor profile:

8. REALIZAREA TESTELOR EXPERIMENTALE PE MODEL

8.1 General:

O etapa esențiala in spirala proiectării navale o constituie validarea calculelor facute dupa metode teoretice cu teste experimentale in vederea evaluării puterii necesare instalate la bord.

Testele experimentale ce tin de rezistența la înaintare in mediu lichid se realizează in bazine de carene. Mai jos este prezentat Bazinul de Carene al Facultații Dunărea de Jos, din Galati.

Dimensiuni:

Lungime…..45m

Lățime……..4m

Adancime….3m

Urmatoarele ipoteze trebuie avute in vedere înaintea începerii testelor:

Modelul își păstrează traiectoria rectilinie cu ajutorul unor ghidaje montate de regulă la extremități dar in cazul acesta avand in vedere dimensiunile reduse acesta se fixeaza doar la mijlocul acestuia. În mod normal sunt lăsate libere doar 2 grade de libertate in plan longitudinal-vertical in vederea obținerii asietele si pescajele corespunzatoare. Nu in ultimul rand modelul este tractat in condiții de apă calmă.

În prima etapa a tractării, dupa accelerația inițiala, este necesară o perioada de timp pentru stabilirea curgerii staționare. În funcție de lungimea bazinului si timpul necesar opririi modelului cat si cel al acceleratiei acestuia, intervalul în care rezultatele sunt citite si validate variaza.

Mărimea modelului experimental este condiționata de o serie de factori:

Pentru a se minimiza efectul de scara, modelul trebuie sa fie cat mai mare pentru a se reproduce cat mai exact regimul de curgere (laminar/evita interacțiunturbulent) cat si de separarea curgerii.

Totodată modelul trebuie să fie suficient de mic pentru a se ea cu pereții bazinului, pentru a seta viteza necesară cat si pentru a rezolva problemele legate de rezistența structurală si de asigurarea deplasamentului.

In mod normal lungimea modelelor au lungimi cuprinse intre 4 și 10m variind de la caz la caz in funcție de dimensiunile bazinului, de tipul navei cat și de regimul de curgere. Scările de modelare sunt cuprinse intre 1:15-1:45.

Criteriul Froude este utilizat deoarece numărul Froude pentru modelul experimental cat și pentru nava la scară naturală este același spre deosebire de numărul Reynolds care diferă cu două ordine de mărime.

Aceasta diferență este compensată prin corecții empirice. Acest fenomen se datorează tranziției regimurilor de curgere intr-o zonă apropiata de pupa navei in cazul modelelor experimentale.

Avand in vedere cele enumerate mai sus in practica se instaleaza stimulatoare de turbulență pentru a corecta pe cat posibil reducerea rezistenței la înaintare datorate lungirii zonei de curgere laminara.

Testele experimentale de rezistență la înaintare se realizează în bazine de carene cu apă dulce, la temperatura obișnuită a încăperii, în lipsa acțiunii vântului sau curenților de apă.

Adâncimea apei trebuie să fie suficient de mare, iar suprafața liberă a apei trebuie să fie calmă, fără valuri.

8.2 Realizarea testelor de bazin

Testele au fost facute in condiții de apă calmă atat pe carenă dreapta cat si la diverse unghiuri de inclinare longitudinală in vederea găsirii asietei optime. Cazurile analizate au fost următoarele:

Modelul situat pe carenă dreapta

Asieta 0.6 grade

Asieta 0.9 grade

Asieta 1.1 grade

În toate cazurile modelul a fost echipat cu apendici (derivor+lest și carmă)

Pentru cazurile de încarcare s-a utilizat ipoteza deplasamentului constant.

Mișcare pe verticala a fost blocată.

Cazurile de încărcare:

Testele s-au realizat pentru o gama de 5 viteze valorile obținute fiind centralizate in tabelul de mai jos:

Diagrama comparativă intre cele 4 cazuri studiate:

Așa cum se poate remarca la vitezele de 1 si 1.25 m/s valorile rezistenței la înaintare cele mai mici se regasesc in dreptul asietei de 0.6 grade. Începand cu viteza de 1.5 m/s inclusiv și pana la 2 m/s situația se schimbă, asieta optima devenind cea de 0.9 grade.

Imagini extrase din timpul probelor:

Asieta 0 grade Asieta 0.6 grade

Asieta 0.9 grade Asieta 0.9 grade

8.3 Transpunerea de la model la natură – metoda ITTC57

În momentul in care o navă se deplasează pe suprafața liberă a apei, variațiile presiunii in jurul ei se manifestă prin dezvoltarea unor valuri pe suprafața apei. Pentru crearea acestor valuri este nevoie de o energie pierdută de navă, energie tradusa practic prin apariția unei rezistențe la înaintare. Totodată, fluidele au vascozitate iar deplasarea prin acestea duce la apariția unei forțe tangețiale care se opun defapt mișcarii. Aceste două rezistențe, datorită modului în care apar sunt cunoscute sub numele de rezistență de val (wave-making resistance) si respectiv forță de frecare sau rezistență vascoasă (viscous/frictional resistance). Vascozitatea modifica curgerea in jurul corpului, impiedicand dezvoltarea unui camp de presiune in jurul pupei. Acest efect conduce la rezistența de presiune vascoasă sau rezistența de formă (viscous pressure resistance sau form resistance). În momentul in care corpul prezintă schimbări de secțiune, de exemplu la pupa navei, se formează vartejuri care absorb energia navei. Aceste pierderi fac parte din rezistența de formă. Nava are totodata o serie de apendici care duc la creșterea rezistenței la înaintare. Această componentă se numește rezistența apendicilor.

Avand in vedere faptul ca rezistența de val se poate modela cu criteriul Froude, în timp ce rezistența de frecare depinde de numărul lui Reynolds și deoarece ambele criterii nu pot fi satisfăcute simultan, rezistența la înaintare determinată pe un model nu poate fi scalată direct la nava reală.

Froude a pus bazele transpunerii rezultatelor de rezistență la înaintare de la model la nava reală, propunând ca modelul să satisfacă criteriul Froude, să se măsoare rezistența totală iar rezistența de frecare să fie calculată și scăzuăa din total. Ce rămâne, rezistența reziduală (residuary resistance) este scalată la nava reală proportional cu deplasamentul navei față de cel al modelului. Rezultatul este adăugat rezistenței de frecare determinată pentru o placă plană echivalentă. Deși fiecare componentă a rezistenței a fost considerată ca acționând independent, în practică fiecare tip de rezistență va interacționa una cu alta.

Procedura ITTC ’57 a fost dezvoltată pentru a determina rezistența totală la înaintare a navei. În cele ce urmează se vor prezenta pașii pe care metoda îi parcurge în definitivarea rezultatelor finale:

Se tracteaza modelul cu viteza , determinate din criteriul de similitudine Froude:

g- accelerația gravitațională;

vs – viteza navei la natură;

vm – viteza navei la model;

LWLs – lungimea la plutire a navei la natură;

LWLm – lungimea la plutire a navei la model;

λ – scara modelării.

Se măsoară rezistența la înaintare a modelului cu dinamometru RTm

Se calculează coeficientul rezistenței totale a modelului, dar fără apendici:

ρm – densitate apă dulce, ce depinde de temperatură;

vm – viteza modelului;

Sm – reprezintă suprafața udată a modelului fără apendici.

Se calculează numarul Reynolds pentru model:

LWLm- lungimea modelului la plutire;

ϑm – vâscozitatea cinematică ce depinde de temperatură.

Se calculează coeficientul rezistenței de frecare pentru model:

Se calculează coeficientul rezistenței rezidue pentru model (cRm), care prin criteriul de similitudine Froude este același și pentru navă:

Se calculează numărul Reynolds pentru navă:

ϑs –vâscozitatea cinematică pentru navă la natură în condiții de apă sărată, temperatura de 16gradeC.

Se calculează coeficientul rezistenței de frecare pentru navă:

Se adoptă coeficientul de corelare model-navă:

Se determină coeficientul rezistenței totale ale navei:

Se calculează rezistența totală a navei fără apendici:

ρs – densitate apa, pentru nava la natură(15○ C);

Ss- suprafața udată a navei fără apendici.

Se calculează coeficientul rezistenței apendicilor pentru model:

Se determină coeficientul rezistenței apendicilor pentru nava la natură:

În final rezultă rezistența totală si puterea efectivă de remorcare la nava cu apendici:

Transpunerea s-a realizat pentru toate cele 4 cazuri:

Carenă dreaptă

Asieta 0.6 grade

Asieta 0.9 grade

Asieta 1.1 grade

Transpunerea de la model la natură utilizant platforma Resistance:

Precizări:

-scara de modelare este 1:10

-suprafața apendicilor se ia 0 iar in cazul suprafetei corpului se adauga valoare apendicilor

-suprafața apendicilor se alege ca suprafața totală 3D

Datele de iesire pentru cazul pe carenă dreaptă

Datele de iesire pentru cazul cu asietă 0.6 grade

Datele de iesire pentru asieta 0.9 grade

Datele de iesire pentru asieta 1.1 grade

8.4 Centralizare date:

Tabel rezistență la înaintare pentru modelul experimental

Tabel rezisteță la înaintare pentru nava la scara reala

Diagramele rezistenței la înaintare si puterii efective in toate cele 4 cazuri studiate:

Carenă dreapta:

Date experimentale:

Date interpolate

Asieta 0.6:

Date experimentale:

Date interpolate

Asietă 0.9 grade.

Date experimentale:

Date interpolate

Asieta 1.1 grade:

Date experimentale:

Date interpolate

8.5 Comparații:

În cazul de față se constata clar 2 reduceri semnificative ale rezistenței la înaintare:

În cazul vitezelor cuprinse intre 1 si 1,25 m/s asieta optimă este cea de 0.6 grade.

În cazul vitezelor cuprinse între 1.5 si 2 m/s asieta optimă devine cea de 0.9 grade.

Avand in vedere faptul ca viteza de regim este de 1.5 m/s (9.22 noduri) varianta optimă va fi la un unghi de inlinare de 0.9 grade, rezistența la înaintare practic va fi redusa cu 11.4%.

În cazul puterii efective pentru cazul de asieta 0.9 grade valoarea va scădea cu 15,6%.

9. Concluzii

În lucrarea prezentata s-a conceput un studiu cu privire la găsirea situației optime de inclinare longitudinala inițială in vederea minimizării rezistenței la înaintare a unui velier de competiție bazat pe teste experimentale in bazinul de carene din cadrul facultații Dunarea de Jos.

În partea generala a proiectului au fost expuse calculele preliminare legate de formele carenei si a apendicilor, elementele hidrostatice, eșantionajul navei in zona centrală si evaluarea rezistenței generale a navei, calculele cu privire la rezistența teoretica cu ajutorul seriilor Delft cat si puterea preliminara de propulsie.

Tema specială prezintă rezultatele testelor experimentale in vedere gasirii asietei optime cat și transpunerea acestora la natură cu ajutorul metodei ITTC 57.

Avand in vedere comparațiile facute se constata clar că asieta inițială reduce semnificativ rezistența la înaintare la toata gama de viteze. În primă fază se vede cum o asieta de 0.6 grade este optima la viteze de pană in 1.25 m/s dar avand in vedere viteza de regim de 1.5 m/s varianta optima este de 0.9 grade inclinare longitudinală.

Luand in considerare rezistențele la înaintare calculate dupa testele experimentale si după abordarea numerică constatăm ca există diferențe mari. Acest fapt se datorează urmatoarelor probleme:

In cazul abordării numerice suprafața apendicilor este calculata in proiecție laterală pe cand in cazul transpunerii rezultatelor experimentale aceasta trebuie calculata tridimensional (suprafața totală)

Trebuie avut in vedere că platforma php resistance utilizeaza seriile de yacht-uri de la Delft din anul 1974. În timp formele derivoarelor s-au schimbat dramatic acest fapt constatandu-se in rezultatele eronate.

Totodata platforma resistance calculeaza rezistența la înaintare totală pe cand testele experimentale calculeaza doar rezistența suprafeței imerse. În acest caz se selectează doar rezistența de frecare și rezistența reziduă și se adună, rezultatele fiind comparate cu cele din bazin.

Rezistența reziduă = 811 N

Rezistența de frecare = 815 N

Total = 1626 N

Rezistența la înaintare in urma testelor în bazin: 3058 N

Viteza = 1.5 m/s

Carenă dreaptă.

Dezvoltari viitoare

Finalizarea analizei structurale pentru materiale compozite in vederea concentratorilor de tensiune de la nivelul catargului si al derivorului

Teste experimentale in vederea optimizării apendicilor

Alegerea instalatiilor si mecanismelor de prindere si manipulare velatură

10. REFERINȚE BIBLIOGRAFICE

[1] Small craft-hull constructions and scantlings (ISO 12215).

[2] D. Obreja., Teoria Navei – Concepte și metode de analiză a performanƫelor de navigaƫie, Editura Didactică și Pedagogică, București, 2005.

[3] M. Amorariței – Note de curs – Propulsoare navale.

[4] L. Crudu – Note de curs – Rezistența la înaintare

[5] Lars Larsson and Rolf E Eliasson – Principles of yacht design (Second edition -2000)

[6] Predictive engineering for composite materials

[7] Hull in Composite Materials and Plywood, Material Approval, Design Principles, Construction and Survey Rule Note NR 546 DT R00 E

[8] Rules for the Classification and the Certification of Yachts NR 500