Progetto ViSIR Verifica numerico-sperimentale delle forze laterali scambiate da una coppia di navi affiancate. Daniele Peri 6
1.) Introduzione L obiettivo della campagna sperimentale è quello di misurare le forze idrodinamiche laterali che si scambiano due modelli di nave affiancati al variare della distanza tra le murate in acqua calma. Le condizioni sperimentali riproducono le condizioni fisiche esistenti durante il rifornimento in mare di un natante. La misura delle forze è stata fatta per una velocità di avanzamento di10 kn e per tre diverse distanze laterali (da 22 a 55 m scala nave misurata tra le murate) ed una sola distanza longitudinale (baricentri affiancati). Le stesse condizioni di prova sono state riprodotte utilizzando un solutore per flussi stazionari a potenziale. Scopo di questo rapporto tecnico è di effettuare una comparazione tra le misure effettuate ed i risultati numerici. 2.) Descrizione dei modelli di carena Sono stati oggetto della sperimentazione due modelli di navi: Unità LPD (Landing Platform Dock) INSEAN C 2525 ( λ = 35 ) Lunghezza Lpp [m] 170 4.857 Larghezza B [m] 30 0.857 Immersione T [m] 6.525 0.186 Dislocamento [t] 19164 435.8 Posizione verticale del baricentro (linea di galleggiamento = 0) [m] Posizione longitudinale del baricentro (Lpp/2 = 0) [m] 5.535 0.158 4.742 0.0535 KG [m] 12.060 0.344 GM [m] 5.267 0.189 Tabella 1 Proprietà geometriche ed idrostatiche della nave rifornita LPD. 7
Nave ETNA INSEAN C 2524 ( λ = 35 ) Lunghezza Lpp [m] 138 3.966 Larghezza B [m] 21 0.6 Immersione T [m] 7.325 0.209 Dislocamento [t] 13418 309.5 Posizione verticale del baricentro (linea di galleggiamento = 0) [m] Posizione longitudinale del baricentro (Lpp/2 = 0) [m] -0.405-0.012-2.021-0.048 KG [m] 6.92 0.198 GM [m] 2.071 0.057 Tabella 2 Proprietà geometriche ed idrostatiche della nave rifornitrice ETNA. La nave ETNA è la nave rifornitrice, la nave LPD è la nave rifornita. Le principali caratteristiche geometriche e le proprietà idrostatiche delle due navi sono riportate nelle sottosanti Tabella 1 e Tabella 2 dove si sottolinea che la scelta della scala λ = 35 è stata determinata in modo da rendere minimi gli effetti delle riflessioni del sistema ondoso generato dal moto delle navi accoppiate con le pareti laterali del bacino. I modelli sono stati realizzati in legno presso l INSEAN. La scala scelta, come detto, è di una scala geometrica pari a 1:35 ed i due scafi si presentano come in Figura 1 e Figura 2. Figura 1 Modello C 2524 (ETNA) 8
Figura 2 Modello C 2525 (LPD) 3.) Descrizione dell impianto Gli esperimenti sono stati eseguiti sul bacino n.2 dell istituto. Esso risulta di una lunghezza pari a 220 metri, una larghezza di 9 ed una profondità di 3.5 metri. Il carro dinamometrico è in grado di trainare i modelli a velocità comprese tra 0 e 7 metri al secondo. La velocità, gestita via software, può essere impostata con precisione del millimetro per secondo. 9
4.) Set-up sperimentale In questo paragrafo viene descritto l apparato sperimentale adottato. L obiettivo della campagna é la misura degli spostamenti verticali e delle forze laterali a cui vanno soggette le due navi quando viaggiano affiancate in presenza di mare mosso. I due modelli di nave sono stati rimorchiati alle velocità di 10 nodi. La connessione tra carro ponte e carene è stata realizzata in modo da lasciare liberi i soli moti di beccheggio, rollio e sussulto. Considerata la complessità ed unicità della prova, è stato necessario progettare un set-up sperimentale ad hoc (vedi Figura ). I modelli sono stati trainati dal carro dinamometrico attraverso due diversi sistemi di traino. In particolare il modello della nave LPD é stato trainato attraverso il meccanismo del moto piano (PMM) dell INSEAN già esistente nel quale, però, sono stati montati nuovi cuscinetti lineari ad aria compressa onde garantire un attrito minimo durante il moto verticale del modello. Diversamente per il modello della nave ETNA è stato progettato ex novo un nuovo sistema di traino. La gestione delle diverse distanze tra le murate è stata affidata al sistema di movimentazione laterale del PMM che mediante il suo automatismo permette di ottenere un posizionamento del modello veloce e preciso. Figura 3 Disegno di massima del carro e dell allestimento per le prove con i modelli affiancati: sezione del bacino a valle del carro. Per la misura delle forze sono state utilizzate celle di carico con opportuno fondo scala predeterminato attraverso una campagna di prova preliminare. 10
5.) Misura delle forze Le grandezze fisiche che sono state prese in considerazione durante la campagna sperimentale sono elencate nella Tabella 3 dove, per ognuna, è riportato il canale di acquisizione e lo strumento di riferimento. L elevato numero di canali trattato è una ulteriore dimostrazione della complessità dell esperimento. Canali Grandezze Supporto Vel Velocità del Carro Dinamo tachimetrica del carro X Abbrivio LPD Krypton System Y Deriva LPD Krypton System Z Sussulto LPD Krypton System Roll Rollio LPD Krypton System Pitch Beccheggio LPD Krypton System Yaw Imbardata LPD Krypton System Fx_AV_2525 Forza longitudinale del trasduttore avanti LPD Fx_AD_2525 Forza longitudinale del trasduttore dietro LPD Fy_AV_2525 Forza laterale del trasduttore avanti LPD Fy_AD_2525 Forza lateralee del trasduttore dietro LPD Acc_AV_2525 Accelerazione a prua LPD Accelerometro Acc_AD_2525 Accelerazione a poppa LPD Accelerometro Fx_AV_2524 Forza longitudinale del trasduttore avanti ETNA Fy_AV_2524 Forza laterale del trasduttore avanti ETNA Fy_AD_2524 Forza lateralee del trasduttore dietro ETNA OmX_2524 Rollio ETNA MOTAN OmY_2524 Beccheggio ETNA MOTAN OmZ_2524 Imbardata ETNA MOTAN Stato Trigger d acquisizione ON/OFF manuale Tabella 3 Canali di acquisizione. Di seguito viene fornita una sintetica descrizione della principali caratteristiche dei dispositivi di misura impiegati. 6.) Trasduttori di forza Per la misura delle forze esterne sono state utilizzate celle di carico. Per la misura della forza laterale sono state impiegate due celle, una per ogni asse di collegamento al telaio. La forza laterale risultante è stata poi determinata mediante somma algebrica delle misure ottenute. Per la misura delle resistenze all avanzamento sono state montate due celle sul modello LPD ed una sola sul modello ETNA. L adozione della seconda cella per il modello LPD è di fatto assolutamente ridondante, assorbendo quella anteriore la totalità del carico, ma risulta necessaria per ragioni tecniche (i supporti di connessione modello-pmm prevedono necessariamente l installazione della 11
coppia di celle). Prima del montaggio le celle sono state opportunamente tarate al banco per determinare la sensibilità linearizzata. La Tabella 4 riassume la caratteristiche tecniche principali dei dispositivi utlizzati. Grandezza misurata Tipo(e classe) del trasduttore Identificativo INSEAN fondoscala Sensibilità linearizzata Forza X AV (ETNA) Hydronics 21.966 N/V Forza Y AV (ETNA) Hydronics 43.393 N/V Forza Y AD (ETNA) Hydronics 43.936 N/V Acc AV (ETNA) JEWELL LCF-200 JEW599-A 49 m/s 2 4.8721 (m/s 2 )/V Acc AD (ETNA) JEWELL LCF-200 JEW537-A 49 m/s 2 4.8756 (m/s 2 )/V Forza X AV (LPD) Forza X AD (LPD) Forza Y AV (LPD) Forza Y AD (LPD) PMM001-F 50 Kg 42.578 Kg/V PMM002-F 50 Kg 42.610 Kg/V PMM007-F 200 Kg 36.378 Kg/V PMM005-F 200 Kg 32.924 Kg/V Tabella 4 Caratteristiche tecniche principali dei trasduttori di forza e di accelerazione impiegate nell allestimento. 6.) Matrice di Prova Come indicato in precedenza, sono state svolte prove di rimorchio in acqua calma. I due modelli accoppiati sono stati trainati alla velocità di 10 nodi (scala nave). Sono state esaminate tre diverse distanze tra le murate dei modelli in modo da riprodurre in scala le distanze di 22, 39 e 55 metri come indicato nelle specifiche (vedi tabella 6). Distanza tra le murate Velocità di avanzamento Al vero (m) In bacino (m) Al vero (nodi) In bacino (m/sec) 22 0.629 10 0.869 39 1.114 10 0.869 55 1.571 10 0.869 Tabella 5 Specifiche dei parametri fondamentali della prova: stato di mare, distanza tra le murate e velocità di avanzamento. 12
Figura 4 I due modelli in prova. 7.) Strumenti numerici Simulazioni numeriche sono state svolte nelle stesse condizioni analizzate sperimentalmente. Il codice di calcolo utilizzato è un solutore per flussi a potenziale stazionari con condizione di superficie libera linearizzata. Una descrizione di suddetto codice è fornita in (1). Le prove sono state svolte in assetto bloccato, dal momento che il codice non è in grado, allo stato attuale, di assegnare un assetto diverso alle due carene in esame. Di questo particolare dovrà essere tenuto conto in sede di analisi dei risultati. Un esempio della formazione ondosa calcolata con il codice potenziale è riportata in figura 5. La velocità di avanzamento è pari a 10 nodi, la distanza tra le murate è quella centrale di riferimento, pari a 39 metri. La nave Etna è nella parte alta della figura, mentre nella parte bassa è riportata l unità LPD. 13
Figura 5 - Campo ondoso generato da una coppia di navi in avanzamento rettilineo in acqua calma a velocità costante pari a 10 nodi. Configurazione di riferimento (istanza tra le murate: 39 m). 7.) Risultati Il grafico riportato in figura 6 sintetizza i risultati ottenuti dalla suddetta campagna di prove. Si può osservare come le forze scambiate siano decisamente esigue per distanze tra le murate inferiori ai 70 metri. Al contrario, per distanze superiori, queste forze iniziano a diventare rilevanti. Di conseguenza, la fase più critica della manovra di rifornimento sembrerebbe essere quella dell approccio e dell allontanamento piuttosto che la fase di rifornimento. L unità che risente delle forze più intense risulta essere sempre la nave rifornita (più grande): essa risulta respinta dalla nave rifornitrice alle distanze più basse ed attratta alle più alte. Le azioni sull unità rifornitrice sembrerebbero sempre di repulsione, quindi la nave rifornitrice tende ad allontanarsi dall unità rifornita. Il sistema di riferimento delle forze è positivo verso l alto, rispetto al grafico. Una forza positiva è di attrazione per l unità rifornita e di repulsione per l unità rifornitrice. Tale distinzione non viene confermata dagli strumenti di analisi numerica. In questo caso, l entità delle reazioni non sembra essere rilevante. Per tutto il campo di mutue distanze indagato, l unità rifornita sperimenta le azioni più intense. Esse sono sempre di attrazione, mentre per l unità rifornitrice sono sempre di repulsione. 14
Figura 3 Confronto numerico-sperimentale delle forze laterali scambiate tra nave Etna e l'unità LPD. In ascissa le distanze tra le murate (in meti nave), in ordinata le forze scambiate (in kgf modello). I cerchi rappresentano dati sperimentali, i quadrati dati numerici. Il colore blu è indicativo dei risultati della nave Etna (modello INSEAN 2524), il punti risa dell unità LPD (modello INSEAN 2525). 7.) Bibliografia [1] Campana E.F., Peri D., 1997: Simulazione numerica delle prove di rimorchio in acqua calma. Parte I: prove con assetto bloccato. Rapporto INSEAN 1993-30 15