RELAZIONE DI FINE TIROCINIO APPLICAZIONE DEL MODELLO FLOW-3D PER LA SIMULAZIONE DELL IDRODINAMICA NELL INTORNO DI NAVI IN MANOVRA

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1 RELAZIONE DI FINE TIROCINIO APPLICAZIONE DEL MODELLO FLOW-3D PER LA SIMULAZIONE DELL IDRODINAMICA NELL INTORNO DI NAVI IN MANOVRA ANNO ACCADEMICO 2014/2015 Fioretti Stefano

2 INDICE Introduzione e obiettivi del tirocinio... 2 CAPITOLO Modellazione fisica e modellazione numerica Modelli fisici Modelli numerici... 5 CAPITOLO Impostazioni del modello Physics Meshing and Geometry Costruzione del solido in formato.stl Output CAPITOLO Introduzione Test con elemento tridimensionale elementare Modellazione della dinamica delle navi Simulazioni CONCLUSIONI INDICE DELLE FIGURE BIBLIOGRAFIA [1]

3 Introduzione e obiettivi del tirocinio Il seguente lavoro di tirocinio nasce dall idea di modellare il comportamento delle navi in manovra. L idea si sviluppa in seguito alla lettura del PIANC Report n realizzato dalla The World Association for Waterborne Trasport Infrastructure. Nel report n.121 del 2014, si analizzano in dettaglio le difficoltà e le metodologie usate, per lo studio e la realizzazione di canali negli approdi portuale per navi di grandi dimensioni. Le navi di una certa stazza (navi container, petroliere etc.) hanno spazi di manovra molto ampi, sono difficilmente manovrabili a velocità ridotte, e necessitano di rimorchiatori per essere accompagnati nelle banchine di carico e scarico. Per fare queste prove si è scelto di usare una modellazione di tipo numerico. Durante il tirocinio si è studiato come poter rappresentare una nave tramite programmi di simulazione 3D e come modellarne lo scafo per renderlo idoneo a una campagna di simulazioni tramite software alle differenze finite. Così facendo, si è cercato di mettere le basi per un più ampio discorso di tesi, atto a determinare tramite modellazione numerica, le forze realmente in gioco in questo tipo di manovre e le rispettive criticità. Il lavoro è stato sviluppato prima prendendo confidenza con la modellazione degli scafi delle navi, poi andando a cercare sistemi per poterli riprodurre all interno di software di modellazione numerica, e infine andando a simulare alcune situazioni tipiche di manovra e di condizioni ambientali. [2]

4 CAPITOLO 1 Accenni di modellazione 1.1 Modellazione fisica e modellazione numerica L uomo da sempre cerca di studiare, capire e prevedere i fenomeni naturali che lo circondano. Dall osservazione della natura e dell ambiente circostante è nato il suo desiderio di capire e replicare quanto in natura succedeva. Da domande all apparenza semplici come perché questo fenomeno evolve così? o anche, perché in certe condizioni succede questo, e in altre no? è nata la storia dello studio delle scienze come la fisica, l ingegneria e la matematica. E bene soffermarsi allora un attimo a riflettere, su quanta strada è stata fatta soprattutto negli ultimi 100 anni in questi rami, e cosa ha portato a questa evoluzione. Come già detto, da sempre l uomo ha osservato studiato e cercato di riprodurre ciò che lo circondava. Da sempre ha cercato di far suo tramite leggi e modelli quanto la natura gli offriva. Da qui nascono i modelli fisici, che fino al momento dell evoluzione tecnologica e l avvento degli attuali calcolatori, sono stati gli unici alleati di scienziati e studiosi. L evoluzione nello studio dei fenomeni e le ormai confermate teorie matematiche alla base di alcuni fenomeni fisici hanno poi portato, grazie ai passi da giganti fatti nella costruzione e nella potenza di calcolo degli attuali computer, all avvento dei modelli numerici. Fare una descrizione accurata dei vantaggi e degli svantaggi dei primi come dei secondi richiederebbe molte pagine e molto tempo ed esime da quello che concerne questo lavoro. E altrettanto necessario dire che gli uni non sostituiscono gli altri e in qualsiasi caso di studio, i due approcci insieme a una preliminare raccolta di dati, sono da considerarsi complementari per la risoluzione corretta di una campagna di sperimentazione. [3]

5 1.2 Modelli fisici I modelli fisici sono modelli che cercano di ricreare un dato fenomeno attraverso la riproduzione in scala delle condizioni in cui quel fenomeno evolve, comprese le forze e le velocità. Alcuni esempi celebri di questi modelli e che poi hanno portato alla stesura di leggi dell idraulica ancora ampiamente usate sono: - L esperienza di Nikuradse sulla scabrezza, e la sua influenza nel moto del fluido coni tubi accuratamente modificati al loro interno. - Gli esperimenti su tubi con fluido e tracciante, a diversa velocità, di Reynolds che portarono alla sua celebre teoria sulla turbolenza. - Nei giorni d oggi si pensi al modello fisico della laguna di Venezia, utilizzato per studiare l andamento delle maree nella laguna e l efficacia del Mose per il problema dell acqua alta. I tratti caratteristici che accomunano tutti i modelli fisici sono: 1) Un attenta raccolta di dati preliminare del fenomeno che si intende studiare. Per realizzare dei modelli fisici è molto importante cercare di isolare il più possibile l essenza del problema così da evitare errori di valutazione o difficili rappresentazioni della realtà. 2) La scelta accurata di scale (nei modelli fisici è molto frequente l uso di diverse scale) per la rappresentazione dell ambiente in cui il fenomeno evolve (cosi da cercare di rappresentare, il più possibile fedelmente, le condizioni al contorno). Il discorso scale di rappresentazione in questo tipo di esperimenti è uno dei problemi maggiori. Per capire le difficoltà che si possono incontrare basti pensare a come rappresentare, con un modello fisico, alcuni fenomeni che si manifestano in un corso d acqua per un tratto che si estende per qualche km. Si avranno delle difficoltà oggettive anche solo per rappresentare il letto del fiume (il fiume è lungo qualche km ma è largo poche decine di metri, e al tempo stesso, potrebbe essere profondo pochi metri). Sempre usando questo esempio si pensi ad altre condizioni, come la scabrezza degli argini, oppure ancora più concretamente al trasporto solido; come rappresentare i granuli che dal fondo si spostano per causa della corrente? Come renderli non fuori scala e quindi poi avere dei risultati completamenti alterati? E se non fosse acqua? Come scalare le proprietà (ad esempio la viscosità o il peso specifico) di un fluido per renderle coerenti con il caso reale? Da questo brevissimo riassunto si capisce che ricreare un modello fisico non è per niente facile e le variabili in gioco oltre a quelle già intrinseche nel problema, possono aumentare e di molto. [4]

6 1.3 Modelli numerici A partire dagli anni 80 con l evoluzione continua dei computer, le tecniche di modellazione numerica in quanto a potenza di calcolo sono state sviluppate fino al punto, da renderne fruibili i risultati per molte applicazioni. Questo sviluppo ha portato alla diffusione della modellazione numerica come strumento di progettazione standard in molti rami dell ingegneria. Attualmente è molto usata per la modellazione in ambiti come quelli aerospaziali, automobilistici e marittimi. Nonostante la vasta gamma di applicazioni, per modellazioni di questo tipo, i principi fondamentali sui quali tutti i modelli si basano sono tra loro molto simili: - I problemi vengono definiti da set di equazioni differenziali che descrivono la fisica del problema. - I modelli possono avere un approccio del tipo alle differenze finite o ai volumi finiti e vengono utilizzati per formulare un insieme di equazioni algebriche, che discretizzano le equazioni differenziali alle derivate parziali. La soluzione approssimata per questo tipo di equazioni algebriche, si ottiene tramite metodi iterativi o soluzioni matriciali. - Nella gran parte dei casi, i risultati dei modelli numerici sono verificati o calibrati tramite confronto con osservazioni di campo e/o esperimenti, mediante modello fisico prima di essere applicati nella pratica. In questo ramo della modellazione scientifica si inserisce il Computational Fluid Dynamics (C.F.D.) che è una branca della modellazione numerica, sviluppata per risolvere problemi riguardanti flussi di fluidi, ed include anche applicazioni che prevedono l interazione fluido-solido come nel caso del seguente studio. Sebbene questi modelli richiedano notevoli tempi di calcolo, sono in grado di fornire una visione tridimensionale del fenomeno, cosa che non accade con gli altri tipi di modellazione mono e bidimensionale (ne è un esempio la possibilità di osservare i campi di flusso intorno a oggetti solidi). Per le applicazioni idrauliche, le equazioni che governano e descrivono il comportamento incomprimibile dell acqua (densità costante ρ) sono quelle di conservazione della massa e della quantità di moto (Eq. Di Navier-Stokes). Equazione di continuità: + + =0 Equazioni di Navier-Stokes: 1 = + [5]

7 1 = + 1 = + In cui =+h è una condizione idrostatica costante dovuta alla gravità g; mentre è l operatore di Laplace. Il campo di moto è inoltre descritto da: = Queste equazioni differenziali non lineari sono discretizzate sia nello spazio che nel tempo e possono essere risolte utilizzando diversi schemi numerici. Nei modelli numerici si possono poi attuare delle semplificazioni, come nel caso della turbolenza, che viene spesso approssimata e mediata attraverso un approccio mediato alla Reynolds. In generale, nel risolvere queste equazioni, le variabili più importanti sono la velocità, la pressione (in alcuni casi la temperatura) lungo tutto il dominio in funzione del tempo sia per le condizioni iniziali che al contorno. Da queste grandezze diciamo principali possono poi esserne derivate altre come la portata, la turbolenza la potenza di flusso, la distribuzione dei numeri di Reynolds e Froud, le forze derivanti dal campo di moto. E il caso di ricordare, che come per qualsiasi altra tecnica di modellazione numerica, è fondamentale la validazione dei modelli e dei risultati ottenuti attraverso un processo di confronto con le misure di campo dove presenti e i risultati dei modelli fisici e/o analitici. [6]

8 CAPITOLO 2 FLOW-3D Si è scelto di utilizzare il programma Flow-3D data la sua versatilità, che permette la risoluzione di una vasta gamma di problemi di fluidodinamica con ottimi livelli di precisione e accuratezza come del resto testimoniato, da numerosi studi, anche a carico di importanti enti come U.S. Army Corps of Engineers (USACE) e U.S. Bureau of Reclamation (USBR). Tra i suoi principali campi di applicazione ci sono vari aspetti concernenti l ingegneria idraulica e la dinamica dei fluidi. Una delle caratteristiche salienti del programma è la disponibilità, per il modellatore, di un gran numero di opzioni per la definizione delle condizioni sulle griglie di calcolo; ad esempio la possibilità di disegnare una griglia formata da più blocchi di griglie (multi-block grids) o diversi livelli di griglie inserite una dentro l altra con diverse risoluzioni (nested grids); è inoltre possibile disegnare semplici oggetti o importare oggetti dalla geometria più complessa e file topografici. Infine, è presente una vasta selezione di condizioni al contorno per modellare correttamente ciascuna situazione. Ultima ma non meno importante caratteristica di questo software, è la possibilità per tutti i set-up riguardanti la modellazione di essere facilmente selezionati e implementati mediante editor di testo o tramite scelta con pulsanti di accesso rapido grazie a un interfaccia essenziale ma completa. 2.1 Impostazioni del modello Le impostazioni generali del modello (nella prima finestra model setup Fig.1) per tutte le simulazioni effettuate, ad eccezione del tempo di simulazione, sono state le stesse. Quindi si è considerato: - Fluido incomprimibile. - Unità di misura del tipo internazionale. - Scala delle temperature in gradi Celsius - Versione del preprocessore a double precision. Le differenze tra usare single-precision o double-precision, come specificato nel manuale utente del programma, sta nel grado di precisione dopo la virgola. Il single-precision porta a una accuratezza tipica di sette cifre significative. Nel double-precision si ha una precisione di circa 15 cifre significative. Le cifre rimanenti sono l'errore di arrotondamento. Le controindicazioni nell usare il double-precision sono la mole di calcoli nel caso in cui le mesh siano molto fitte e il dominio di calcolo molto grande. [7]

9 Considerando che il dominio imposto nelle simulazioni non è molto esteso, e le maglie proporzionali ai modelli solidi inseriti (come dettagliatamente esposto nei capitoli successivi) si è optato per usare sempre la versione double-precision. Fig. 1 FLOW 3D: Schermata Model Setup General Physics Per quanto riguarda la fisica del modello, il programma offre la possibilità di poter impostare diverse opzioni (Fig. 2). Nelle simulazioni si sono considerati, per tutte le prove, i seguenti parametri: la gravità (imponendo un accelerazione di gravità lungo l asse z pari a m/s 2 ) la viscosità (inserendo una viscosità applicata al fluido di tipo Newtoniana) e la turbolenza di tipo RNG (Renormalized Group Model) che risulta essere secondo il manuale utente il modello più robusto e accurato presente nel programma. E interessante notare che tra le opzioni è presente anche la possibilità di inserire valori di velocità del vento, ma data la natura delle nostre simulazioni si è preferito, in questa fase, tralasciare questo contributo. Fig. 2 FLOW 3D: Schermata Model Setup Physics [8]

10 2.1.2 Meshing and Geometry In questa finestra, molto importante per la realizzazione della simulazione, si è imposto il dominio di simulazione con le dimensioni delle mesh (variabili, come si vedrà nel seguito, in base al solido considerato) le proprietà di moto (della corrente o del solido o di entrambe), le condizioni al contorno e l altezza del tirante idrico. Sempre tramite questa schermata si è caricato il modello di nave che si intendeva usare per le simulazioni adeguatamente trasformato rispetto al formato di partenza (di tipo DWG) nel formato riconosciuto dal software del stereolitgrafico (.stl) (Fig. 3). Fig. 3 FLOW 3D: Schermata Model Setup Meshing and Geometry [9]

11 Costruzione del solido in formato stl Per la costruzione del solido da inserire in Flow-3D ci siamo appoggiati al programma DELFT SHIP e alla sua banca dati. Questo programma permette di modellare i più diversi tipi di ghiglia e nella sua banca dati (gratuita presente sul sito si trovano diversi modelli di navi dalle container alle petroliere, fino ad arrivare ai rimorchiatori e alle barche da diporto (Fig. 4). Fig. 4 DELFTship: Modellazione di uno scafo I modelli una volta caricati in DELFTShip, sono stati successivamente importati nel formato DXT 3D Curve per essere modificati in Auto-Cad (Fig. 5). Fig. 5 Auto-Cad: Elaborazione delle sezioni del modello ottenuto con DELFTShip [10]

12 Una volta estruso tutto il solido tramite Auto-Cad, si è importato il modello nel formato stl in Flow-3D. E bene precisare che questa procedura si è resa necessaria perché Flow-3D è in grado di gestire solo forme geometriche chiuse, solidi tridimensionali, ai quali è possibile dare una massa (Fig. 6). Lavorando con una discretizzazione a maglie, l interazione tra il solido e le mesh non viene analizzata se il solido è preso come un involucro vuoto al suo interno (e quindi con spessore delle pareti infinitesimo rispetto alle altre caratteristiche). Fig. 6 3D-Tool: Verifica del risultato ottenuto tramite estrusione in Auto-Cad del solido 3D Output Qui è possibile definire i dati che Flow-3D rilascia una volta terminata una simulazione (Fig. 7). In questa reparto si trovano le impostazioni di: - Restart Data: è l'impostazione predefinita utilizzata in FLOW-3D per il contorno, e le trame delle isosuperfici. Inoltre, Restart data può ri-iniziare la simulazione in uno dei qualsiasi tempi per i quali sono disponibili i dati Restart. L'intervallo di tempo tra le modifiche dei dati di riavvio è impostato nella scheda Output sotto la casella Riavvia dati dalla variabile PLTDT. - History data: Viene usato per fare grafici XY di un'evoluzione delle variabili in funzione del tempo (sonde storia). I tracciati delle variabili comprendono i quantitativi integrali e di diagnostica, come il volume del liquido e il numero di iterazioni, uscita di volumi del campione i flussi variabili. L'intervallo di tempo per le modifiche dei dati storici è impostato dalla variabile HPLTDT. - Selected Data: Questo comando riguarda tutte le informazioni pertinenti per la soluzione che vengono scritti durante le simulazioni. Se non si facesse una selezione dei dati di interesse si avrebbe quindi una mole di output enorme con la conseguente generazione di file di grandi dimensioni. Con select data è possibile evidenziare nel totale dei dati di output solo quelli di interesse, rendendo il file più [11]

13 leggero. E inoltre possibile scegliere una frequenza di tracciamento inserendo un valore da 1 a 100 nell apposita casella dell intervallo di tempo. Fig. 7 FLOW 3D: Schermata di impostazione dei dati di output [12]

14 CAPITOLO 3 Modellazione della dinamica delle navi in movimento 3.1 Introduzione Per prendere confidenza con il programma e per avere un idea della fedeltà dei risultati delle simulazioni alle condizioni reali, si è iniziato provando a simulare il comportamento di un elemento tridimensionale elementare soggetto a: Condizioni di fluido in quiete (per avere un idea della statica). Fluido in quiete, con movimento imposto all elemento solido. Corrente longitudinale imposta con l elemento tridimensionale fermo. Per fare questo si è creato un elemento tridimensionale di dimensioni 5 x 5 x 15 m; per il fluido si è considerata l acqua a 20 C (il programma ha un archivio interno con vari fluidi e per ognuno di essi ci sono le caratteristiche già impostate come densità, peso specifico, conducibilità elettrica ecc). Successivamente si è creato un dominio di controllo tramite una mesh con maglie di dimensioni costanti per tutti e tre gli assi cartesiani principali con passo e altezza costante pari a 0.5m. Si è inoltre considerato che il volumetto elementare sia immerso per metà (pescaggio D=2.5 m). [13]

15 3.2 Test con elemento tridimensionale elementare Test 1 - Condizioni stazionarie sia del fluido che del cubetto (tempo di simulazione simbolico t=30s): Fig. 8 FLOW 3D: Test 1 Risultato per T= 0 s Fig. 9 FLOW 3D: Test 1 Simulazione dei risultati in 3D per T= 30 s [14]

16 Test 2 - Condizioni di cubetto in movimento lungo la direzione x (velocità pari a 5 nodi m/s) e fluido fermo: Fig. 10 FLOW 3D: Test 2 Simulazione dei risultati in 3D per T= 0 s Fig. 11 FLOW 3D: Test 2 Simulazione dei risultati in 3D per T= 20 s E interessante notare come è possibile, nella simulazione in 3D, avere un idea dei vettori della velocità nell intorno del solido a seguito del suo movimento lungo l asse x. E inoltre possibile ottenere i risultati anche per le forze agenti e molte altre grandezze in forma di tabelle (Fig. 12) e di grafici (Fig. 13), oltre che in grafici 2D (Fig. 14). Fig. 12 FLOW 3D: Test 2 Tabella forze agenti (Component 1 GMO fluid x-y-z force pressure + share ) [15]

17 Fig. 13 FLOW 3D: Test 2 Risultati simulazione in formato grafico Component 1 GMO fluid z-force pressure + share Fig. 14 FLOW 3D: Test 2 Risultati in formato di grafico 2D Verificando quanto FLOW-3D restituisce come forze, si è andati a fare un confronto tra le forze medie misurate dal programma e il loro rispettivo valore calcolato. Forza di Drag: = Valore medio calcolato da Flow-3D G.M.O. fluid X-Y Force (Pressure + Share) : X: N Y: N Valori calcolati tramite formula di Drag: X: N Y: N Dal confronto tra i risultati ottenuto con il software e quelli calcolati si vede che la differenza è di circa il 5% lungo l asse X e del 2% lungo la Y. [16]

18 Test 3 - Condizioni di cubetto fermo e corrente longitudinale lungo l asse x pari a 1.5 m/s (tempo della simulazione esteso da 30 a 120 s): Fig. 15 FLOW 3D: Test 3 Risultati in formato grafico 3D Fig. 16 FLOW 3D: Test 3 Risultati lungo y e x in forma di grafici Fig. 17 FLOW 3D: Test 3 Risultati in formato grafico 2D [17]

19 3.3 Modellazione della dinamica delle navi Accertata la bontà dei risultati di output del programma, si è passati a cercare di modellare il comportamento di una nave. Come mostrato nei capitoli precedenti questo ha comportato un lavoro a monte della simulazione necessario a ottenere uno scafo di nave, riconoscibile dal programma come un solido. Per il modello di base ci siamo affidati a uno scafo di forma tipica confrontabile con i reali scafi di navi tipo tanker. Di seguito riportiamo una tabella ricavata dal report n del PIANC The World Association for Waterborne Transport Infrastructure. Fig. 18 Classificazione delle navi per dimensioni e caratteristiche [18]

20 Le simulazioni con il modello della nave si sono realizzate sulla falsariga delle precedenti. Quindi si è proceduto a fare prove con corrente longitudinale e trasversale con nave ferma; dopo di ciò, si è passati a prove con nave in movimento (con moto imposto lungo la direzione x longitudinale, e evoluzione di una rotazione per 360 rispetto l asse z verticale). Sono in programma ulteriori prove per la determinazione di un coefficiente di Drag coerente con la forma dello scafo e la determinazione delle forze necessarie per imporre alcuni movimenti alla nave (si pensi all azione dei rimorchiatori). Altre prove sono in fase di realizzazione per determinare l influenza del tirante idrico sulle sollecitazioni nave/liquido. Infatti, come ci si aspettava, passando da condizioni di mare profondo (rapporto H/D>1.6) a condizioni di basso fondale (H/D=1,2) le sollecitazioni cambiano e si manifesta un certo effetto fondo che va a influenzare anche il coefficiente di Drag Simulazioni Simulazione 1 - Condizioni di corrente longitudinale del fluido lungo l asse x. Nave imposta ferma. Caratteristiche modello 3D nave: Modello: Parent 36 (scalato) Lunghezza: 190 m Larghezza: 30 m Pescaggio: 15.5 m Velocità corrente: variabile secondo questo schema Per 0 < t < 2000s Per 2001 < t < 4000s v = m/s v = m/s Caratteristiche della mesh: Liquido: acqua a 20 C Blocco 1 Maglie lungo x = 4 x 4 m lungo y = 4 x 4 m lungo z = 4 x 4 m [19]

21 Blocco 2 Maglie lungo x = 1 x 1 m lungo y = 1 x 1 m lungo z = 1 x 1m Tirante idrico del dominio: 18.6 m (confrontabile con una condizione di basso fondale H/D=1.2) Condizioni al contorno imposte (Fig. 19) : Block 1: X min Specified Velocity X max Specified Velocity Y min Specified Velocity Y max Specified Velocity Z min WALL Z max WALL Block 2: X min Grid overlay X max Grid overlay Y min Grid overlay Y max Grid overlay Z min Grid overlay Z max Grid overlay Tempo di simulazione: 4000 s Condizioni al contorno delle due mesh: [20]

22 Fig. 19 FLOW 3D: Simulazione 1 Riassunto grafico delle condizioni al contorno imposte nella mesh Fig. 20 FLOW 3D: Simulazione 1 Risultato della simulazione in formato grafico 3D Simulazione 2 - Condizioni di corrente trasversale del fluido lungo l asse y. Nave imposta ferma. Caratteristiche modello 3D nave: Modello: Parent 36 (scalato) Lunghezza: 190 m Larghezza: 30 m Pescaggio: 15.5 m Velocità corrente: variabile secondo questo schema Per 0 < t < 2000s Per 2001 < t < 4000s v = 0.5 m/s v = 1 m/s [21]

23 Caratteristiche della mesh: Liquido: acqua a 20 C Blocco 1 Maglie lungo x = 4 x 4 m lungo y = 4 x 4 m lungo z = 4 x 4 m Blocco 2 Maglie lungo x = 1 x 1 m lungo y = 1 x 1 m lungo z = 1 x 1m Tirante idrico del dominio: 18.6 m (confrontabile con una condizione di basso fondale H/D=1.2) Condizioni al contorno imposte (Fig. 19): Block 1: X min Specified Velocity X max Specified Velocity Y min Specified Velocity Y max Specified Velocity Z min WALL Z max WALL Block 2: X min Grid overlay X max Grid overlay Y min Grid overlay Y max Grid overlay Z min Grid overlay Z max Grid overlay [22]

24 Tempo di simulazione: 4000 s Fig. 21 FLOW 3D: Simulazione 2 Risultato (corrente trasversale imposta) in formato grafico 3D Simulazione 3 - Condizioni di fluido in quiete e movimento della nave con velocità imposta lungo l asse x. Caratteristiche modello 3D nave: Modello: Parent 36 (scalato) Lunghezza: 190 m Larghezza: 30 m Pescaggio: 15.5 m Solido con Prescribed Motion imposto Velocità: 5 nodi m/s Caratteristiche della mesh: Liquido: acqua a 20 C Maglie lungo x = 5 x 5 m lungo y = 1 x 1m lungo z = 1 x 1m [23]

25 Tirante idrico del dominio: 18.6 m (confrontabile con una condizione di basso fondale H/D=1.2) Condizioni al contorno imposte (Fig. 22) : X min Specified pressure P (dimensioni del dominio lungo x 565 m) X max Specified pressure P Y min Specified pressure P (dimensioni del dominio lungo y 120 m) Y max Specified pressure P Z min WALL (dimensioni del dominio lungo z 38.6 m) Z max WALL Tempo di simulazione: 100 s Fig. 22 FLOW 3D: Simulazione 3 Rappresentazione delle condizioni al contorno imposte sul dominio Fig. 23 FLOW 3D: Simulazione 3 Grafici GMO fluid x-y force (pressure + Shear) [24]

26 Fig. 24 FLOW 3D: Simulazione 3 Risultato con fluido in quiete e nave con moto imposto lungo l asse longitudinale x Simulazione 4- Condizioni di fluido in quiete e movimento della nave con velocità angolare lungo l asse z Caratteristiche modello 3D nave: Modello: Parent 36 (scalato) Lunghezza: 190 m Larghezza: 30 m Pescaggio: 15.5 m Solido con Prescribed Motion imposto Velocità angolare: 0.21 rad/s Caratteristiche della mesh: Liquido: acqua a 20 C Maglie lungo x = 5 x 5 m lungo y = 1 x 1m lungo z = 1 x 1m In questo caso la mesh non è stata ulteriormente infittita per non appesantire i calcoli. Tirante idrico del dominio: 18.6 m (confrontabile con una condizione di basso fondale H/D=1.2) [25]

27 Condizioni al contorno imposte (Fig. 22): X min Specified pressure P (dimensioni del dominio lungo x 550 m) X max Specified pressure P Y min Specified pressure P (dimensioni del dominio lungo y 400 m) Y max Specified pressure P Z min WALL (dimensioni del dominio lungo z 38.6 m) Z max WALL Tempo di simulazione: 800 s Fig. 25 FLOW 3D: Simulazione 4 Risultato (fluido in quiete e nave con moto rotatorio imposto su asse z) Fig. 26 FLOW 3D: Simulazione 4 Rappresentazione in formato grafico GMO fluid x-y-z (force pressure + Shear) [26]

28 CONCLUSIONI Concludendo, come si evince dalle prove, questo è stato un primo contatto con la modellazione numerica e con il programma Flow-3D in particolare. Mentre si creavano i modelli e successivamente si analizzavano i risultati, sono emerse altre possibilità di studio relative al comportamento delle navi in manovra e la loro interazione con il fluido. Queste ulteriori analisi, verranno approfondite in un più ampio e completo discorso di tesi. Quello che risulta chiaro sin da ora, è la comodità di usare questo tipo di simulazione per analizzare alcuni fenomeni dell idraulica e dell ingegneria marittima, e le potenzialità di analisi che offre. [27]

29 INDICE DELLE FIGURE Fig. 1 FLOW 3D: Schermata Model Setup General... 8 Fig. 2 FLOW 3D: Schermata Model Setup Physics... 8 Fig. 3 FLOW 3D: Schermata Model Setup Meshing and Geometry... 9 Fig. 4 DELFTship: Modellazione di uno scafo Fig. 5 Auto-Cad: Elaborazione delle sezioni del modello ottenuto con DELFTShip Fig. 63D-Tool: Verifica del risultato ottenuto tramite estrusione in Auto-Cad del solido 3D Fig. 7 FLOW 3D: Schermata di impostazione dei dati di output Fig. 8 FLOW 3D: Test 1 Risultato per T= 0 s Fig. 9 FLOW 3D: Test 1 Simulazione dei risultati in 3D per T= 30 s Fig. 10 FLOW 3D: Test 2 Simulazione dei risultati in 3D per T= 0 s Fig. 11 FLOW 3D: Test 2 Simulazione dei risultati in 3D per T= 20 s Fig. 12 FLOW 3D: Test 2 Tabella forze agenti (Component 1 GMO fluid x-y-z force pressure + share ) Fig. 13 FLOW 3D: Test 2 Risultati simulazione in formato grafico Fig. 14 FLOW 3D: Test 2 Risultati in formato di grafico 2D Fig. 15 FLOW 3D: Test 3 Risultati in formato grafico 3D Fig. 16 FLOW 3D: Test 3 Risultati lungo y e x in forma di grafici Fig. 17 FLOW 3D: Test 3 Risultati in formato grafico 2D Fig. 18 Classificazione delle navi per dimensioni e caratteristiche Fig. 19 FLOW 3D: Simulazione 1 Riassunto grafico delle condizioni al contorno imposte nella mesh Fig. 20 FLOW 3D: Simulazione 1 Risultato della simulazione in formato grafico 3D Fig. 21 FLOW 3D: Simulazione 2 Risultato (corrente trasversale imposta) in formato grafico 3D Fig. 22 FLOW 3D: Simulazione 3 Rappresentazione delle Fig. 23 FLOW 3D: Simulazione 3 Grafici GMO fluid x-y force (pressure + Shear) Fig. 24 FLOW 3D: Simulazione 3 Risultato con fluido in quiete e Fig. 25 FLOW 3D: Simulazione 4 Risultato (fluido in quiete e Fig. 26 FLOW 3D: Simulazione 4 Rappresentazione in formato grafico GMO fluid x-y-z [28]

30 BIBLIOGRAFIA Fondamenti di costruzioni marittime edizione Prof. Ing. Alberto Noli. Dispense del Corso di Progettazione di porti e opere marittime edizione Prof. Ing. Leopoldo Franco. PIANC Report n The World Association for Waterborne Trasport Infrastructure. Manuale FLOW 3D di Flow Science. [29]

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