Elementi di dinamica della nave
La generazione del movimento di una nave richiede un potenziale energetico che dipende dalle dimensioni, dal design dello scafo, dalla massa, dalla velocità e dalla capacità di mantenere le prestazioni necessarie in condizioni di maltempo.
La potenza effettiva (Pe) sarà l’energia che il propulsore trasformerà per imprimere il moto alla nave.L'obiettivo del progettista navale sarà il disporre di macchine dal minor dispendio energetico che soddisfino i parametri commerciali desiderato dal cliente.
Premessa la definizione dello scafo, con i suoi volumi commerciali, la compartimentazione, la stabilità, etc., la catena della progettazione impone la conoscenza della potenza necessaria per muovere la nave conformemente ai parametri desiderati dal cliente. Una volta definita la potenza effettiva, ovvero necessaria a muovere la nave, si calcolerà la potenza che dovrà erogare il sistema di propulsione. Le macchine saranno dimensionate in modo tale che, considerati i rendimenti e le condizioni ambientali (temperatura acqua raffreddamento, etc.) , nonché il peggioramento delle caratteristiche idrodinamiche della carena nel tempo, possano consentire al sistema di propulsione di erogare la necessaria potenza effettiva.
La valutazione della potenza si effettua per il moto in acque tranquille, anche se nella realtà l'assunto non si verifica sempre. In realtà la nave dovrà affrontare anche condizioni meteo avverse. Ove si possa prevedere una navigazione di linea ripetitiva, la progettazione ne potrà tenere conto in funzione delle statistiche meteo-oceanografiche per provvedere ad un adeguato potenziamento delle macchine.
In generale il criterio di accettabilità contrattuale di una nave, nelle prove a mare, in condizioni di bel tempo su basi misurate, è legato al raggiungimento di una determinata velocità con una ben determinata potenza.
La potenza effettiva
E’ la potenza necessaria a vincere la resistenza al moto in acque tranquille ad una determinata velocità. E' anche denominata “potenza di traino” o “potenza di rimorchio”.Pe = RtV
Dove:
Pe = potenza effettiva in kWatt (kW),
Rt = resistenza totale in kN,
V = velocità in m/s.
In sede di misure imperial:
ehp = RtVk/326
dove:
ehp = potenza effettiva in cavalli inglesi,
Rt = resistenza totale in libbre,
Vk = velocità in nodi.
La resistenza totale è la sommatoriaa di:
Rt = Rf + RW + Rv + Ra
- resistenza d'attrito Rf;
- resistenza d'onda Rw;
- resistenza al vento Rv;
- Resistenza delle appendici Ra.
1) La resistenza di attrito, rappresenta oltre l’ottanta percento della resistenza totale per le navi lente ed almeno il cinquanta percento per le navi veloci, nonostante l’attenzione posta dai progettisti nel creare carene filanti e lisce, prive di rugosità.
La resistenza di attrito Rf (friction resistance) di una superficie (la carena) in movimento in un liquido viscoso (acqua di mare) si riferisce alla forza opposta che agisce sulla sua superficie immersa mentre si muove attraverso il fluido marino. Questa resistenza è causata dall'interazione tra la superficie di carena e le particelle dell’acqua di mare; dipende da molteplici fattori tra cui la velocità relativa, la viscosità del fluido e le caratteristiche della carena.
La resistenza di attrito è funzione della superficie di carena e del numero di Reynolds. Si calcola con formule derivate dall'idraulica;
ONDE
- formazione dei treni d'onda perpendicolari ai fianchi della nave;
- formazione di onda frangente in corrispondenza della prua della nave;
- Formazione di notevoli turbolenze in corrispondenza della poppa quadra della nave a destra.
2) Resistenza d’onda è la forza che si oppone all'avanzamento della nave; essa è dovuta alla pressione del il fluido che agisce perpendicolarmente su tutte le parti della carena. La Rw è influenzata in particolare dalle forme della carena: il progettista dovrà mediare tra forme snelle e forme commerciali più piene.
La resistenza d’onda Rw, (Wave resi stance) è quella forma di energia spesa per lo spostamento dell’acqua con formazione delle onde. Le onde sono di due tipi diversi, che sommate danno la “resistenza d’onda”.
Rw = Rwp + Rwb
ove:
Rwp = è la resistenza dovuta alla formazione del treno d’onda;
Rwb = è la resistenza dovuta alla formazione di onde frangenti.
ove:
Rwp = è la resistenza dovuta alla formazione del treno d’onda;
Rwb = è la resistenza dovuta alla formazione di onde frangenti.
La resistenza d'onda non si calcola,ma si deriva dalle prove alla vasca o con complessi algoritmi per cui sono richiesti elaboratori di considerevole potenza e di cui si mostra un elaborato grafico dericato.
3) La resistenza dei vortici Rv, (vortex resistance) è l’energia spesa per la formazione di vortici che si staccano dalla carena о dalle appendici. La formazione dei vortici locali si generano dietro alle appendici: alette, timone, bracci portaelica, bottazzi, rigonfiamenti, in maggior misura quando non siano idrodinamicamente allineati con il flusso del fluido circostante. Nota a parte merita la forma poppiera; quando non perfettamente filante o a forme spigolose, l’acqua si staccherà dalla carena formando vortici e resistenza alla separazione.
4) resistenza dell'aria (in assenza di vento); è dovuta alla porzione maestra sopra la linea di galleggiamento, che comprende lo scafo e le sovrastrutture. E’ la resistenza al moto nel fluido “aria”.
Calcolo della resistenza al moto
Il calcolo della Resistenza totale al moto Rt, si può effettuare in due modi che portano agli stessi risultati:
- Metodo tradizionale con prove alla vasca (towing tank) oppure
- metodo innovativo totalmente informatizzato con l'utilizzo di grandi elaboratori.
Metodo tradizionale
prevede il calcolo della resistenza d'attrito e l'utilizzo della vasca navale per la determinazione della resistenza d'onda.
- dal piano di costruzione si ricavano le forme dello scafo per realizzare un modello perfettamente in scala,
- si pone il modello nella vasca navale e compiuta una serie di prove di rimorchio a diverse velocità ed immersione, si ricava la resistenza totale all'avanzamento per determinate velocità, immersioni ed assetto,
- dalla resistenza misurata dai dinamometri del sistema di traino, si ottiene la resistenza totale del modello trainato,
- da tali valori si detrae la resistenza di attrito del modello, che è calcolabile, essendo note la superficie di attrito la scabrosità della "carena modello" e la velocità di rimorchio in vasca,
- ottenuta così la resistenza d'onda del modello la si potrà "scalare" alle dimensioni reali (la scalabilità fu dimostrata dal Tailor), con alcune semplici formule dell'architettura navale,
- alla resistenza d'onda in scala 1:1, si aggiunge la resistenza di attrito della carena, per ciascuna singola immersione e velocità,
- si aggiunge la resistenza all'aria RvRv = ½ K rARIA AT V2K = (circa) 0,6 per vento in prora;
AT= “vela”della nave,
rARIA = densità dell’aria; - Infine la resistenza delle appendici Rp (valutata). Questa resistenza è marginale respetto le prime due.
Rt = Rf + RW + Rv + Ra
Vasca navale canadese
Prove di rimorchio di nave rompighiaccio e formazione di rubbles
Metodo innovativo con elaboratore
L'algoritmo di calcolo si basa su una vasca navale virtuale.
Si calcola l'interazione fra scafo ed acqua che scorre lungo di esso. Dal punto di vista matematico, che sia la carena a scorrere nell'acqua (acqua ferma e carena in movimento) o l'acqua scorra lungo la carena (carena ferma, acqua in movimento), non fa alcuna differenza.
Si è scomposta l'acqua in tetraedri, piccolissimi (micron) negli strati limitrofi alla carena, poi allontanandosi dalla superficie, si utilizzeranno tetraedri di dimensioni via via sempre più grandi, in considerazione che più l'acqua è lontana dalla carena, meno è turbata da essa.
Questo metodo di calcolo della resistenza andrà a sostituirsi al sistema delle vasche navali, almeno per i progetti di cui si abbia la forma della carena digitalizzata. Questo metodo altamente tecnologico pretende l'utilizzo di elaboratori molto potenti (400 core), che attualmente sono detenuti da poche aziende al mondo, che li noleggiano "a minuti". Il cliente prepara i dati di ingresso in conformità allo standard del sistema operativo e dopo poco tempo avrà i dati di ritorno.
Questo metodo fa apparire la vasca navale come un metodo obsoleto nonché arcaico. Non si è più soggetti alla realizzazione del modello in scala realizzato da artigiani modellisti in via d'estinzione.
Inoltre consente di effettuare prove sistematiche di bulbi ed appendici, permettendo di identificare quelli più convenienti fra migliaia di proposte, cosa impossibile per il modello in scala.
Bulbo, luci ed ombre
Nave petroliera Pre-crisi petrolifera. in evidenza il bulbo molto pronunciato, come d'uso all'inixio degli anni settanta, in cui le petroliere tenevano un'andatura di oltre sedici nodi.
Pressioni e depressioni creati dal bulbo
La stampa, tramite i colori, mostra le pressioni generate dal bulbo di un modello informatizzato in movimento virtuale.
Nell'intorno del bulbo, la pressione aumenta oltre la pressione idrostatica, mentre diminuisce lungo la carena, man mano che si procede verso poppa (vedere figura a sinistra). La diminuzione della pressione sul fondo della carena (sui fianchi si annulla vicendevolmente), genera un aumento di velocità dell’acqua e quindi una depressione che fa sovra immergere leggermente la nave (Bernoulli relazione di costanza fra pressione e velocità). Se la distanza del fondo della carena dal fondo del mare non è notevole, si avrà una non trascurabile aumento della velocità dell'acqua spostata, con depressione e conseguente sovra immersione, che aumenterà con l’aumentare della velocità della nave e con il diminuire dello spazio libero (vedi Squat).
Nlla figura, in giallo l'acqua in stso tranquillo, in marrone la maggir preaaione generata dalla compressione che il bulbo esercita. Successivamente addietro i colori verde, azzurro e blu indicano la diminuzione della pressione.
Attualmente l'utilizzo del bulbo è in fase di contestazione da parte di alcuni ricercatori che contestandone la convenienza asseriscono che in molti casi esso sia controproducente. All'inizio degli anni settanta vi fu una corsa folle alla sistemazione del bulbo a prua delle navi. Alle navi disegnate con la guida dì onda veniva inserito un cilindro più simile al serbatoio di una autobotte che ad una struttura navale. Terminato il fermento delle modifiche urgenti, si disegnarono assurde prore penetranti per grandi navi destinate a viaggiar sempre più lentamente nel tentativo di trovare una "velocità economica", che coniugasse i consumi di combustibile cresciuti in modo imprevisto, con la necessità di non effettuare trasporti in tempi biblici.
Di fatto, il bulbo è disegnato per una ben determinata velocità ed immersione. qualora uno di questi parametri non fosse rispettato, la generazione delle onde non sarebbe più tale da contenerne gli effetti della resistenza all'avanzamento. Di fatto molte navi per grandi trasporti lenti sono prive di bulbo, altre come nuove cruise hanno prora pressoché dritta ed un mozzicone di bulbo, quasi volesse dirci "ci sono ancora". Supply vessels, precedentemente muniti di bulbo, hanno oggi prue a coltello come le prime navi in ferro.
Air lub
Il Regidtro Italiano Navale ha introdotto una nuova notazione di classe: "Air Lubrication System (AIR LUB)" che potrà essere assegnata alle navi che abbiano a istallato un sistema di risparmio energetico a microbolle. La formazione dello strato di aria-acqua attorno allo scafo sarebbe atto a ridurre la resistenza di attrito della carena e migliorare l'efficienza al moto.
