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
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
Simulador
de manobras
Sistema de
Visualização
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
TPN-USP
Diferentes Requisitos
•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
TPN-USP
Diferentes Requisitos
•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.
•Reproduzir qualitativamente
comportamento físico na navegação
Navio com onda de través
rola muito.
Uado para dar a sensação de
desconforto da navegação
nesta situação.
TPN-USP
Principal Objetivo
•O simulador deve ser um extrapolador
confiável
•O simulador deve ter um ambiente operacional
idêntico ao do navio real
TPN-USP
•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
Arranjo,
batimetria,
condições de
vento, maré,
onda,
correnteza
TPN-USP
Modelo Matemático
3000
2500
2000
1500
Modelo Matemático
é calibrado e
validado para
manobras padrão
1000
500
0
-2000
-1000
TPN-USP
0
1000
2000
Modelo Matemático
Modelo Matemático
é usado para “prever”
comportamento nestas
situações
TPN-USP
Diferentes Processos de Validação
•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.
TPN-USP
•Processo de certificação
Simuladores para treinamento e capacitação
Equipamentos
Requisitos avaliados pela
STCW/DNV
Comportamento do navio
Operação
TPN-USP
•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)
•Documento ainda em construção
•Elenca procedimentos gerais para
demonstrar que o modelo matemático
do simulador pode ser usado em
análises de engenharia e pesquisa.
TPN-USP
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.
TPN-USP
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
Premissa: o modelo deve ser
publicado para que seja
submetido a um crivo da
comunidade internacional
TPN-USP
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
TPN-USP
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
TPN-USP
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
TPN-USP
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.
Apoio da praticagem e
comandantes no processo
de calibração e validação.
TPN-USP
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
TPN-USP
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
Trajetória Real
Note que o prático usa as condições
ambientais a seu favor no giro
TPN-USP
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
• .....
TPN-USP
Modelo matemático
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
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
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
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
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
TPN-USP
Agente Ambiental 2 - Onda
Ensaios de validação
Utilização de tanques de onda
Calibrador Hidrodinâmico
CH-TPN/USP
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
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
TPN-USP
Agente Ambiental 3
Ensaios de reboque estático
+ Rotating Arm
(Tanque de Reboque IPT-SP)
Adotado até o momento no TPN
Coeficientes
CFD ou experimentais
Enfoque modular para apêndices e
elementos de controle (leme/propulsor)
CFD
TPN-USP
Agente Ambiental 3
Correnteza
no Terminal de Coari (AM)
Modelo permite considerar campo não
uniforme de correnteza
Correnteza no Canal de Acesso ao
Porto de Tubarão (ES)
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.
TPN-USP
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
TPN-USP
2
2,2
2,4
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
TPN-USP
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
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
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
0.0
0
0.2
0.4
0.6
(T/H)
TPN-USP
0.8
1
1.2
Leme – manobras
Marine Rudders and Control
Surfaces
Mollan, Turnock 2007
Pouco efetivo
Funcionamento reverso
TPN-USP
Pouco efetivo
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
TPN-USP
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, ....)
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
TPN-USP
Rebocadores
Modelados como:
-Navios em separado
-Forças aplicadas sobre o
casco
Redução de
força para ré
(puxar)
Redução de forças
para segurar a
posição do próprio
rebocador (>10% BP)
Tempos de
reversão ou
para se
posicionar
TPN-USP
Elementos de amarração
Linhas – Elementos de tração
Modelo Matemático
- Curva restauração não linear
Modelo Matemático
• Modelos avançados – consideram peso próprio
• Elementos finitos ou modelo de catenária
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
TPN-USP

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