Simulação avançada ajuda a resolver a água de lastro

Oct 21, 2023

Por Tobias Zorn, Jan Kaufmann, FutureShip & Milovan Peric, CD-adapco 13 de fevereiro de 2013

A gestão da água de lastro apresenta problemas no projeto e na operação dos navios. A dinâmica de fluidos computacional (CFD) oferece soluções com design, homologação e solução de problemas.

Dinâmica dos fluidos computacional (CFD) denota coletivamente técnicas para resolver equações que descrevem a física do fluxo de fluidos. O CFD é agora amplamente conhecido e aceito na indústria marítima, mas principalmente associado a fluxos ao redor do casco e das hélices, por exemplo, no contexto do projeto de navios mais eficientes em termos de combustível. No entanto, o CFD é, em muitos aspectos, muito mais versátil do que o teste de modelo clássico. O mesmo software pode ser aplicado a uma variedade de fluxos, incluindo também problemas de fluxo interno. Uma das principais vantagens do CFD é a percepção dos detalhes do fluxo. Como as quantidades de fluxo são calculadas (e armazenadas) em muitos locais discretos no espaço (células computacionais) e para muitas etapas de tempo, é fácil no pós-processamento observar seções transversais arbitrárias e aumentar e diminuir o zoom à vontade. Os sistemas de gerenciamento de água de lastro se tornaram o centro das atenções para os operadores de navios com os recentes regulamentos da IMO que impulsionam a transição para o gerenciamento de água de lastro para conter a propagação de espécies invasoras. Mas, além das particularidades dos novos regulamentos, o manuseio da água de lastro pode representar desafios para os operadores de navios, onde as vantagens das simulações de CFD entram em jogo. Os seguintes estudos de caso ilustram problemas e soluções tiradas da experiência da indústria.

Estudo de caso 1: Homologação baseada em CFD A água de lastro dos navios transporta plantas e animais que frequentemente se instalam em regiões marítimas estrangeiras, representando um perigo para o ambiente aquático indígena, podendo causar grandes danos ecológicos, sanitários e econômicos. O crescente tráfego de navios aumentou consideravelmente essa ameaça. A "Convenção Internacional para o Controle e Gerenciamento da Água de Lastro e Sedimentos" da IMO exige um plano de gerenciamento da água de lastro. A partir do ano de 2016, todos os navios terão que basear a gestão da água de lastro no tratamento da água de lastro. Se este tratamento for baseado em abordagens químicas, a mistura rápida e eficaz do componente químico com a água de lastro é vital para atingir uma concentração homogênea do biocida. Para homologação de novos sistemas, as simulações podem ser uma ferramenta valiosa. Em um caso, o FutureShip simulou a mistura de cloro e água de lastro em tubulações durante a operação de lastro. As simulações de CFD foram usadas para determinar o comprimento de tubo necessário da zona de mistura para garantir uma mistura homogênea. As simulações mostraram que a mistura no projeto inicial era ineficiente. Modificações muito simples e econômicas da geometria de entrada serviram para aumentar significativamente o nível de turbulência, resultando em um comprimento de tubo muito menor para uma mistura completa. A Figura 1 mostra as linhas de corrente calculadas e a concentração de cloro no tubo de mistura resultante de uma dessas simulações. As autoridades aceitaram as simulações como prova de engenharia para aprovação de tipo.Estudo de caso 2: Sedimentos de água de lastro Os sedimentos tendem a se acumular em tanques de água de lastro. Eles reduzem o peso morto (carga útil), restringem o fluxo de água, atrasando assim o deslastro, e aumentam o calado, resultando em maior consumo de combustível. Para um navio graneleiro Capesize, o armador queria reduzir o acúmulo de sedimentos e encarregou a FutureShip de análises detalhadas e sugestões de redesenho para minimizar o assentamento de sedimentos nos tanques de lastro. Neste caso, os sedimentos reais não foram modelados. Em vez disso, a visão de engenharia facilita a simulação. Os sedimentos se depositam em regiões de baixa velocidade da água, como ocorre tipicamente em áreas de recirculação e estagnação do fluxo; estas são comumente referidas como regiões de águas mortas. A Figura 2 mostra sedimentos em um tanque de água de lastro real. As simulações bifásicas (água e ar) de fluxo em tanques de lastro primeiro identificaram áreas de água morta correspondentes ao acúmulo de sedimentos observado no projeto original. A Figura 3 mostra a distribuição de velocidade calculada perto da parede inferior. Em seguida, várias alternativas de projeto para os tanques de água de lastro exploraram variações de espaçamento e recortes de reforço. As simulações identificaram o projeto alternativo com menor sedimentação (ou seja, menores regiões de águas mortas) para futuros pedidos de navios graneleiros.