Slides - Tanque de Provas Numérico
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ESCOLA POLITÉCNICA DA USP Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri Prof. Associado, Dept. Eng. Mecatrônica e Sistemas Mecânicos Coordenador do Centro de Simulações do TPN-USP AGOSTO 2014 Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Objetivos Apresentar todos os aspectos técnicos de um simulador de manobras e discutir a validação dos mesmos Refinamento baseado em Teorias Básicas Experimentos experiência de de Mecânica e em escala reduzida práticos e Hidrodinâmica ou provas de mar comandantes Fenômeno Observado na Natureza Modelo matemático Técnicas de implementação computacional Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Simulador de manobras Sistema de Visualização Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Comandos e Instrumentos Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia Dupla Aplicação Pesquisa e Engenharia Treinamento e Capacitação •Estudos de Obras e Operações Portuárias •Estudos de Operações Offshore •Estudos de Navegação e Manobrabilidade •Formação de oficiais •Reciclagem e aprimoramento Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia Diferentes Requisitos Pesquisa e Engenharia Treinamento e Capacitação •Reproduzir fielmente comportamento físico na navegação •Prover ambiente de passadiço, equipamentos e recursos semelhantes à realidade •Reproduzir ambiente de passadiço •Reproduzir equipamentos e recursos •Reproduzir qualitativamente comportamento físico na navegação Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia Diferentes Requisitos Pesquisa e Engenharia •Reproduzir fielmente comportamento físico na navegação Navio de 285m carregado, com onda de 1m de altura, período 10s incidindo a 90º com a proa rola até 10º. Usado para definir dragagem necessária. Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Treinamento e Capacitação •Reproduzir qualitativamente comportamento físico na navegação Navio com onda de través rola muito. Uado para dar a sensação de desconforto da navegação nesta situação. Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia Principal Objetivo Pesquisa e Engenharia Treinamento e Capacitação •O simulador deve ser um extrapolador confiável •O simulador deve ter um ambiente operacional idêntico ao do navio real Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia •O simulador para Pesquisa e Engenharia deve ser um extrapolador confiável Exemplo – o navio A pode operar nas condições do porto X? Dados Disponíveis Manobras padrão do navio A em condições controladas Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Arranjo, batimetria, condições de vento, maré, onda, correnteza Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia •O simulador para Pesquisa e Engenharia deve ser um extrapolador confiável Exemplo – o navio A pode operar nas condições do porto X? Modelo Matemático 3000 2500 2000 1500 Modelo Matemático é calibrado e validado para manobras padrão Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores 1000 500 0 -2000 -1000 Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP 0 1000 2000 Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia •O simulador para Pesquisa e Engenharia deve ser um extrapolador confiável Exemplo – o navio A pode operar nas condições do porto X? Modelo Matemático Modelo Matemático é usado para “prever” comportamento nestas situações Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia Diferentes Processos de Validação Pesquisa e Engenharia Treinamento e Capacitação •O modelo matemático é o mais importante para ser avaliado. •STCW define que simuladores usados para avaliação e treinamento devem seguir critérios e ser aprovados pela Marinha . •Órgãos internacionais discutem ainda o melhor processo de validar um modelo matemático de simulação de manobras •A DNV é o órgão certificador para simuladores de treinamento mais usualmente adotado. •Avalia itens de ambientação de passadiço, equipamentos e realismo físico qualitativo. Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia •Processo de certificação Simuladores para treinamento e capacitação Equipamentos Requisitos avaliados pela STCW/DNV Comportamento do navio Operação Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia •Processo de validação Simuladores para engenharia e pesquisa Principal referência: Report 7.5-02-0603 Comitê de Manobrabilidade da ITTC ITTC é um órgão de 1932 que define procedimentos para testes experimentais e (mais atualmente) numéricos relacionados à área naval. Comitê de Manobras: composto por 9 instituições de pesquisa na área de simulação e ensaios de manobras: -Marin (Holanda) -Univ. Kyushu (Japão) -Moeri (Coréia do Sul) -Univ. Wuhan (China) -Univ. de São Paulo (Brasil) -Ecòle Central de Nantes (França) - Univ. Ghent e Flanders Hid. Inst. (Bélgica) -FORCE (Dinamarca) Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores •Documento ainda em construção •Elenca procedimentos gerais para demonstrar que o modelo matemático do simulador pode ser usado em análises de engenharia e pesquisa. Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia •Processo de validação Simuladores para engenharia e pesquisa Report 7.5-02-06-03 Comitê de Manobrabilidade da ITTC Generally, the method of prediction applied must be validated against benchmark data, and the documentation of such validation should be available in the form of a report or published paper. Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia •Processo de validação Simuladores para engenharia e pesquisa Premissa 1: Simulador deve ser totalmente DOCUMENTADO e PUBLICADO Dados do navio Estrutura geral do modelo matemático (forças ambientais, leme e propulsor, ...) Modelo de cálculo das forças hidrodinâmicas Método de Integração Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Premissa: o modelo deve ser publicado para que seja submetido a um crivo da comunidade internacional Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia •Processo de validação Simuladores para engenharia e pesquisa Premissa 2: O modelo deve ser confrontado com dados de Benchmark Exemplos: -Cascos KVLCC -Casco KCS Premissa: o modelo testado em casos em que os resultados são conhecidos. Resultados devem ser demonstrados. -Dados de provas de mar de navios semelhantes Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia •Processo de validação Simuladores para engenharia e pesquisa Modelo deve ser calibrado (ajustes em alguns parâmetros de manobra, interação lemecasco,...) para obter melhor representação das manobras tipo: Predição às cegas da manobra de giro (Marin, Marintek, Kyushu, IOWA, NMRI, Hokkaido, HSVA, ....) -Giro -Zig-Zag -Parada Brusca -Espiral -.... Grandes Diferenças Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia •Processo de certificação Simuladores para engenharia e pesquisa Mas como garantir que o modelo validado e calibrado garantirá boa extrapolação? 25 Simulador SMH-TPN 20 15 Maneuvering Characteristics Recebido do cliente (“navio”) 6 8.587 10 Trajetória x 10 Deg 5 8.5869 0 -5 -10 8.5868 -15 -20 -25 8.5867 0 100 200 300 time(s) 400 X: 478.3 500 Y: -23.54 First Overshoot = 7.7º (navio) ; 7.8º (TPN) Second Overshot = 15.3º (navio) ; 13.7º (TPN) Time for 10º heading change 48.5s (Navio) ; 52.1s(TPN) 8.5866 0.058kn 900800 -0.058kn 0.12kn -0.097kn 1000 1100 0.16kn 700 -0.27kn 1200 -1.1kn 2000 0.21kn 600 -1.3kn 1900 -1.1kn 2100 -1.4kn 1800 -0.078kn 1300 0.72kn 500 -1.5kn 1700 0.058kn 1400 -1.3kn -0.7kn 2.2kn 1500 400 1600 8.5865 Period = 330s(navio) ; 363s(TPN) 3.4kn 300 8.5864 3.6kn 200 8.5863 3.9kn 100 8.5862 4.4kn 0 8.5861 8.586 8.5859 5.552 5.554 5.556 5.558 5.56 5.562 5.564 5.566 5.568 5.57 5.572 5 x 10 Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Treinamento x Engenharia •Processo de certificação Simuladores para engenharia e pesquisa Condições ambientais (correnteza, onda, vento, maré) obtidas com a melhor técnica Publicado na literatura (Journals, Conferências de impacto) Modelo Matemático •Comunidade internacional realiza o crivo e verificação quanto à adequação e compatibilidade da modelagem físico-matemática adotada •Modelos Caixa Preta não podem ser usados em projetos de engenharia. Testado (e calibrado) com manobras padronizadas (de preferência, testes em escala real) e resultados publicados. Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Apoio da praticagem e comandantes no processo de calibração e validação. Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Engenharia • Fast Time – Controlada por computador – Trajetória pré-definida, e uso de piloto-automático Vantagens -Rapidez, Diversas condições ambientais -Verificação de esforços ambientais -Pode ser usado para cálculo de bollard-pull requerido Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Engenharia • Fast Time - Desvantagem – Trajetória pré-definida e pode não representar a real ação do prático em alguns casos – Ideal apenas para canais nos quais o conceito de trajetória de referência é válido – Ganhos do piloto-automático devem ser ajustados Trajetória definida para Simulação Fast-Time Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Trajetória Real Note que o prático usa as condições ambientais a seu favor no giro Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Simuladores de Manobras Engenharia • Real Time • Controlada por operador • Ideal para projeto detalhado • Verificação de Canal de Acesso (largura, alinhamento) • Verificação de Bacia de Evolução (diâmetro, posição) • Verificação de Sinalização Náutica • Verificação de região de atracação (distância entre berços, restrições operacionais) • Verificação de condições limites • ..... Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Modelo matemático Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Modelo Matemático Fenômenos -Corpo flutuante em movimento na água -Agentes Ambientais -Forças de Interação entre Corpos e com Restrições -Elementos de atuação (leme, propulsor, thrusters) -Rebocadores -Elementos de amarração (linhas, fenders) Porto de Santos, SP Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Corpo Flutuante Navio em manobras -Modelado como corpo rígido -2ª Lei de Newton para 6 DOF -Inclui massas adicional hidrodinâmica (“massa de água transportada”) M adicional lateral ~ Massa do navio M adicional avanço ~ 10% Massa do navio Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Agente Ambiental 1 - Vento 1 2 FiV a CVi ( V ) AFrontal / LateralVrelativa 2 -Velocidade relativa de vento -Considera rajadas (Espectros) -Em pesquisa: Campo não uniforme de vento (sombras) Coeficientes de vento 0,600 Cvx 0,400 Cvy Cvn - Lpp 0,200 0,000 0 100 200 300 400 Túnel de Vento IPT-SP -0,200 -0,400 Rebocador offshore Maersk Handler -0,600 CFD – Computational Fluid Dynamics Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Agente Ambiental 2 - Ondas Forças de 1ª Ordem -Mesma frequência da onda (~6s a 15s) -Proporcionais à amplitude da onda Forças de deriva média e lenta (2ª Ordem) -Baixa frequência (> 200s) -Proporcionais ao quadrado da amplitude da onda deriva 1ª ordem Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Dr. Eduardo A. Tannuri Navio PSV: Prof. Ensaio Experimental DP TPN-USP Agente Ambiental 2 - Onda Campo de ondas no Porto do Pecém Programas Comerciais Wamit / AQUA / Hydrostar Domínio da Frequência Pré-processamento Considera o fundo (águas rasas) Simulador TPN importa os dados Campo variável de onda Programa Método Rankine (em desenvolvimento Petrobras-TPN-Argonáutica) Domínio do Tempo Resolve a hidrodinâmica acoplada (Navio / Fundo / Quebra-mar / Ondas) Pesquisa: Integração com Simulador em tempo real Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Agente Ambiental 2 - Onda Ensaios de validação Utilização de tanques de onda Calibrador Hidrodinâmico CH-TPN/USP Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Agente Ambiental 3 Forças de Correnteza e Manobras V navio V correnteza V relativa 2 classes de modelos de forças hidrodinâmicas C Modelos de derivadas hidrodinâmicas Abkowitz (1964) | Norrbin (1970) Takashina (1986) | Wichers (1987) Sphaier et al. (2000) Regressão matemática (séries de Taylor) Representação acurada dos efeitos hidrodinâmicos Grande dependência com o casco ensaiado Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Modelos heurísticos Faltinsen (1979) | Obokata (1987) Oltmann;Sharma(1984) Leite et al. (1998) + Simos (2001)-USP Baseado em princípios físicos de Cross-flow e teoria de Asa Válido para maior amplitude de velocidades e demanda menos ensaios Alguns fenômenos são aproximados Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Agente Ambiental 3 Forças de Correnteza e Manobras Ensaios de reboque estático + Rotating Arm (Tanque de Reboque IPT-SP) Modelos heurísticos Adotado até o momento no TPN Coeficientes CFD ou experimentais Enfoque modular para apêndices e elementos de controle (leme/propulsor) CFD Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Agente Ambiental 3 Forças de Correnteza e Manobras Correnteza no Terminal de Coari (AM) Modelos heurísticos Modelo permite considerar campo não uniforme de correnteza Correnteza no Canal de Acesso ao Porto de Tubarão (ES) Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Interação com fundo e margem Águas rasas 1 Aumento da resistência ao avanço (correção ad-hoc dos coeficientes de correnteza) Squat : Fluxo de água na quilha é acelerado, com redução da pressão – Eq. Bernoulli (redução da ukc) Força de afundamento Águas profundas Águas rasas Fluxo de água na quilha é acelerado, com aumento das forças viscosas (resistência friccional) alteração no comprimento das ondas geradas pelo casco As ondas em águas rasas retiram mais energia do navio do que em águas profundas. Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Interação com fundo e margem Águas rasas 2 – Efeito Potencial Elevam-se as massas adicionais (considerado no cálculo dos coeficientes hidrodinâmicos) Navio Panamax (60.000TPB) Cheio T=13m Massa adicional aumenta em 2.5X 5,0 4,5 4,0 Nv, m22,Yr 3,5 m22 m66 Yv Nv Yr Nr 3,0 2,5 2,0 M = 90.000 ton M adicional lateral = 150.000 ton prof. 18m M adicional lateral = 60.000 ton prof. infinita 1,5 1,0 0,5 0,0 1 1,2 1,4 1,6 1,8 H/T Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP 2 2,2 2,4 Interação com fundo e margem Águas rasas 3 – Forças de Asa e Cross-Flow (fluxo lateral) Elevam-se as forças de cross-flow devido à restrição do fundo Considerados nos coecientes de correnteza Tug Use in Ports Águas profundas Águas Rasas Fluxo acelerado Curvas para barcaça Ensaio IPT-SP Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Interação com fundo e margem Ensaios IPT Programa Método Rankine (em desenvolvimento Petrobras-TPN-Argonáutica) Considera interação com margem/fundo Pesquisa: Integração com Simulador em tempo real Bacia Amazônica Oriental Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Equipamentos de manobra Rebocador offshore DP Modelo experimental Validação de modelos matemáticos Projeto pesquisa TPN-USP, 2012 Tunnel thruster Propulsor + Leme Azimuth thruster Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Modelo do Leme Leme 1º quadrante (Favante, Vavante) FL FD leme Vx Vy Vleme 1 16 2 Vx Vi Vi T prop 2 2 DP Aumento de 1,2 a 4 vezes a velocidade de avanço FL ( leme ) 1 2 Aleme C L ( leme )Vleme 2 Aumento da força lateral em águas rasas – correção no modelo modular Yasukawa, 1998 Fator Fy 2.0 1.8 Lift 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Stall ~35º Leme convencional ~70º Leme high-lift Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores 0.0 0 0.2 0.4 0.6 (T/H) Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP 0.8 1 1.2 Equipamentos de manobra Leme – manobras Marine Rudders and Control Surfaces Mollan, Turnock 2007 Pouco efetivo Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Funcionamento reverso Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Pouco efetivo Equipamentos de manobra Tunnel Thrusters eme Vx leme Relação aproximada Empuxo / Potência 0,11 kN / kW Potência Potência Empuxo Empuxo (kW) (HP) (KN) (ton) 200 268.2 22 2.2 400 536.4 44 4.5 600 804.6 66 6.7 800 1072.8 88 9.0 1000 1341 110 11.2 1500 2011.5 165 16.8 Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Equipamentos de manobra Azimuth Thrusters Relação aproximada Empuxo / Potência 0,14 kN / kW Fluxo induzido por prop. azimutal Proj. Pesquisa TRUST-JIP 2010-2013 (Marin, Petrobras, USP, Wartsila, ....) Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Potência Potência Empuxo Empuxo (kW) (HP) (KN) (ton) 300 402.3 42 4.3 500 670.5 70 7.1 1000 1341 140 14.3 1500 2011.5 210 21.4 2000 2682 280 28.6 3000 4023 420 42.9 Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Rebocadores Modelados como: -Navios em separado -Forças aplicadas sobre o casco Redução de força para ré (puxar) Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Redução de forças para segurar a posição do próprio rebocador (>10% BP) Tempos de reversão ou para se posicionar Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Elementos de amarração Linhas – Elementos de tração Modelo Matemático - Curva restauração não linear Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Modelo Matemático • Modelos avançados – consideram peso próprio • Elementos finitos ou modelo de catenária Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP Elementos de acostagem Fenders ou Defensas – Elementos de compressão Modelo Matemático - Curva restauração não linear Defensas Porto de Suape (PE) Elementos com elastômeros Elementos Pneumáticos Modelagem matemática de manobras e validação de simuladores Prof. Dr. Eduardo A. Tannuri TPN-USP