Ridurre il consumo di carburante e le emissioni è una priorità assoluta per l’industria marittima, dove le navi bruciano olio combustibile pesante e rappresentano una quota significativa delle emissioni globali di gas serra. Drag—la resistenza che una nave incontra mentre si muove attraverso l’acqua—indirettamente determina quanto è necessario per mantenere la velocità.

Il software Computational Fluid Dynamics (CFD) come Ansys Fluent consente agli ingegneri di modellare queste complesse interazioni con la struttura fluida con alta fedeltà, simulando le prestazioni di vari rivestimenti prima che venga effettuata qualsiasi applicazione fisica. Questo approccio accelera il ciclo di progettazione, riduce la necessità di costosi esperimenti di towing tank e fornisce una profonda comprensione dei meccanismi di flusso responsabili della riduzione del trascinamento.

La Fisica del Drago in Vessels Marine

Il trascinamento su uno scafo di nave consiste in due componenti principali: resistenza (o forma) e trascinamento attrito (o attrito della pelle). Il trascinamento della pressione deriva dalla forma dello scafo e dalla separazione dello strato di confine, mentre la resistenza attrito è causata dallo stress della tosapa esercitato dal fluido sulla superficie bagnata.

Lo strato di confine, la sottile regione di fluido adiacente alla superficie dello scafo, governa la resistenza all'attrito. In uno strato di confine turbolento, il trasferimento di slancio è alto, portando a una maggiore sollecitazione della torsa. I rivestimenti di superficie possono modificare lo strato di confine alterando la rugosità della superficie di contatto (che influenza la produzione di turbolenze) o introducendo una condizione di scivolamento alla parete.

Per i grandi vasi, Re può superare 109[], il che significa che lo strato di confine è completamente turbolento sopra la maggior parte dello scafo. I rivestimenti che ritardano la transizione alla turbolenza vicino all'arco possono fornire ulteriori benefici, ma ad alta Re il meccanismo primario rimane la riduzione dell'attrito della pelle nel regime turbolento.

Tipi di rivestimenti di superficie per la riduzione del trascinamento

Rivestimenti idrofobici e superidropobici

I rivestimenti idrofobici hanno un angolo di contatto con l'acqua superiore a 90°, mentre i rivestimenti superidropobici superano i 150°. Questi rivestimenti riducono la resistenza promuovendo lo scivolamento parziale alla parete. Nelle simulazioni, questa scheda viene solitamente modellata utilizzando un parametro di lunghezza dello scivolo (la distanza sotto la parete a cui la velocità tangenziale sarebbe estrapolata a zero).

Superfici di ispirazione bio e testurizzata

Ispirati dalla pelle di squali veloci, superfici ribelle, scanalature microscopiche allineate al flusso, riducono la resistenza limitando il movimento di erbe turbolente.

Rivestimenti di lubrificazione ad aria

Alcuni rivestimenti avanzati iniettano o intrappolano attivamente l'aria lungo il fondo dello scafo per creare uno strato parziale del gas. I modelli multifase fluidi Ansys (ad esempio, Volume di Fluid o Eulerian multifase) possono simulare l'interfaccia dell'aria e la conseguente riduzione del trascinamento. Questi sistemi possono teoricamente ottenere il risparmio energetico netto del 10-20%, anche se l'implementazione pratica richiede un'attenta gestione dell'iniezione dell'aria e della geometria dello scafo.

Rivestimenti in legno e ammortizzatori

I rivestimenti conformi, realizzati con materiali polimerici morbidi, assorbiscono energia turbolenta e rallentano la transizione. Il loro effetto è più pronunciato ai numeri di Reynolds inferiori, ma la loro durata e le prestazioni a lungo termine in ambienti marini sono ancora in fase di indagine.

Dinamica computazionale fluida con Ansys Fluent

Ansys Fluent offre una suite completa di strumenti per simulare fluidi, trasferimenti di calore e interazioni multifase.Per gli studi di rivestimento dello scafo, le robuste capacità di fusione del software, i modelli di turbolenza e le funzioni definite dall'utente (UDFs) lo rendono ideale per modellare gli effetti sottili dei trattamenti superficiali.

Impostazione di una simulazione

Il primo passo è quello di creare un modello 3D della geometria dello scafo, spesso importato come file CAD. Il dominio computazionale è tipicamente abbastanza grande per evitare interferenze di confine: a monte, a valle, e le lunghezze laterali di 2-5 lunghezze di scafo sono comuni. Una rete non strutturata con strati di prisma vicino alla superficie dello scafo è essenziale per risolvere lo strato di confine.

Le condizioni di vita includono un'entrata di velocità (o un'entrata di flusso di massa) sul lato a monte, una presa di pressione a valle, piani di simmetria (se applicabile), e la superficie dello scafo definita come una parete senza slittamento. Per superfici rivestite, la condizione di confine della parete deve essere modificata per riflettere l'effetto dello slip.

Per i flussi marittimi, il modello K-ω SST è una scelta popolare perché cattura bene sia i flussi di parete che di libera. Per studi più dettagliati di interazione di rivestimento-turbo, Grande simulazione di Eddy (LES) o Simulazione Eddy Detached (DES) può essere impiegato, anche se questi sono calcolativamente costosi.

Definizione delle proprietà di rivestimento

Per i rivestimenti idrofobi, il parametro chiave è la lunghezza dello slip. In Fluent, può essere implementato modificando la condizione limite di sforzo della parete. Per superfici superidropobiche con tasche d'aria, può essere necessaria una simulazione multifase più dettagliata: la superficie di rivestimento è modellata come un modello di regioni solide e gas, con le regioni del gas impostate come pareti di free-slip.

Per le superfici a coste, l’esatta geometria delle scanalature può essere meshed direttamente se le dimensioni del riblet sono molto più grandi dello spessore dello strato di confine. Tuttavia, per scafi su larga scala, questo è impraticabile. Invece, può essere applicata una ruvidità equivalente o una funzione anisotropica della parete. Ansys Fluent permette la specificazione della rugosità direzionale utilizzando il “modello di rugosità” con l’effetto distitudine distinto e altezze approssimative.

Simulazione di esecuzione e monitoraggio

Dopo aver impostato il caso, il risolutore viene eseguito fino a quando i residui stabilizzano e monitorano le quantità (ad esempio, forza di trascinamento, ascensore, momento) convergono. In genere, 1000–5000 iterations sono necessari per RANS costanti, mentre LES transitorio richiede molti passaggi di tempo.

Case study: Rivestimento idrofobico su un Hull Tanker

Per illustrare il processo di modellazione, si consideri un scafo di petroliera semplificato (ad esempio, una forma di scafo Wigley o una geometria effettiva della petroliera) che viaggia a 12 nodi in acqua di mare. La lunghezza dello scafo è di 250 m, e il numero di Reynolds basato sulla lunghezza è di circa 1,1×109]]]].

Viene creato un dominio computazionale con dimensioni: 1000 m a monte, 1500 m a valle, 500 m di larghezza e 300 m di profondità. Viene generata una rete esadenale strutturata di 8 milioni di celle, con 20 strati di prisma che danno y+ ~ 1. Viene utilizzato il modello di turbolenza SST k-ω.

I risultati mostrano una riduzione del 12% del trascinamento totale per lo scafo rivestito, con il componente attrito che scende del 15% mentre la resistenza alla pressione rimane quasi invariata. La distribuzione dello stress della parete è significativamente inferiore sulla superficie dello scafo rivestito, soprattutto sul fondo e sui lati dove il rivestimento è esposto al flusso ad alta velocità.

La visualizzazione del flusso mostra un leggero addensamento dello strato di confine a valle, ma non effetti negativi sulla separazione. La simulazione conferma che il rivestimento fornisce il maggior beneficio nelle parti di metà sezione e poppa dello scafo, dove lo strato di confine è completamente sviluppato.

Analisi dei risultati della simulazione

Quando si valutano le prestazioni del rivestimento, diverse metriche devono essere confrontate:

  • coefficiente di trascinamento totale (C[]D]]]] – l'indicatore primario del risparmio di carburante.
  • Coefficiente di trascinamento (C[]F[]]])[] – misura la componente di attrito della pelle.
  • Distribuzione di stress per cesoie[[] – le mappe spaziali mostrano aree di stress elevato dove i rivestimenti sono più efficaci.
  • Profili di sicurezza[[] – rivelare la condizione di scivolamento e la forma di strato di confine.
  • L'energia cinetica turbolenta[[]] – indica se il rivestimento sopprime la produzione di turbolenza.

Confrontando più rivestimenti (ad esempio, diverse lunghezze di scivolamento, geometrie di costolette o velocità di iniezione dell'aria) in uno studio parametrico consente agli ingegneri di identificare il rivestimento ottimale per una specifica forma di scafo e condizione di funzionamento.

Una sfumatura importante: un rivestimento che riduce significativamente la resistenza a scala del modello può essere meno efficace a tutta la scala a causa degli effetti numerici di Reynolds. Ansys Fluent può simulare entrambe le scale, e i risultati possono essere utilizzati per sviluppare le leggi di scaling.

Validazione e sfide

Le prove del serbatoio di traino con piastre piatte rivestite o semplici modelli di scafo forniscono dati di riferimento per la riduzione del trascinamento. Tuttavia, gli esperimenti fisici con i rivestimenti sono costosi e di lunga durata, motivo per cui CFD è così prezioso per i rivestimenti candidati in calo prima di testare.

  • Risoluzione del metallo:[] Adequatamente risuonare lo strato di confine vicino a una superficie rivestita richiede una maglia molto fine. Superidrophobi con microtexture richiedono mesh con decine di milioni di celle, spesso oltre limiti pratici per scafi pieni.
  • Precisione del modello di turbolenza:[ Nessun modello è perfetto per tutti i flussi. Il modello k-ω SST tende a sottovalutare la separazione e l'attrito sovrapredizionale in alcuni casi. LES è più accurato ma molto più costoso.
  • Modellazione multifase:[ Per i rivestimenti di lubrificazione dell'aria, il comportamento dello strato dell'aria è sensibile alla tensione superficiale, alla velocità di iniezione dell'aria e al movimento dello scafo.
  • Durata di cottura:[[] Simulazioni assumono che il rivestimento si comporta idealmente, ma i veri rivestimenti degradano, fallo o sono danneggiati. CFD può modellare stati degradati attraverso le spazza parametri per valutare le prestazioni su un ciclo di manutenzione.

Implicazioni pratiche e direzioni future

Gli studi di Ansys Fluent possono fornire la percentuale di riduzione del trascinamento, che si traduce direttamente in risparmio energetico. Per una grande nave da container, una riduzione del 10% può risparmiare diverse migliaia di tonnellate di carburante all'anno e ridurre il CO2]]]] emissioni di decine di migliaia di tonnellate di carburante.

Le pressioni regolatorie, come l’International Maritime Organization’s (IMO) Energy Efficiency Design Index (EEDI) e l’Intensity Indicator (CII), spingono i proprietari ad adottare miglioramenti nell’efficienza. I rivestimenti valvolati CFD offrono un percorso a basso rischio per raggiungere questi obiettivi.

Gli sviluppi futuri della tecnologia di rivestimento includono rivestimenti “smart” che possono cambiare le loro proprietà in risposta alle condizioni di flusso (ad esempio, campi elettrici per controllare lo slip), rivestimenti che rilasciano attivamente aria con input energetici minimi e rivestimenti durevoli che resistano al biofouling mantenendo la riduzione del trascinamento.

Inoltre, l'accoppiamento CFD con algoritmi di ottimizzazione (ad esempio, solvente addizionale o algoritmi genetici) può trovare automaticamente il modello di rivestimento ottimale o la texture per un dato scafo. Il solutore adgiunto di Ansys Fluent può calcolare le sensibilità di trascinamento rispetto a scivolo da parete o la distribuzione di rugosità, consentendo la forma e la co-ottimizzazione del rivestimento.

Conclusioni

I rivestimenti superficiali rappresentano una delle tecnologie più promettenti e scalabili per ridurre il trascinamento sui vasi marini, offrendo il potenziale per un notevole risparmio di carburante e per una riduzione delle emissioni. Ansys Fluent fornisce un quadro di simulazione potente e flessibile per modellare gli effetti fluidi dinamici dei rivestimenti, dagli strati idrofobi e dell'aria superidropobica alle texture delle costole e ai sistemi di lubrificazione dell'aria.

Il processo, dalla creazione di geometrie, dalla fusione, dalla configurazione delle condizioni limite, dal funzionamento del risolutore, al post-elaborazione, richiede un'attenta attenzione alla modellazione della turbolenza, al trattamento delle pareti e alla parametrizzazione del rivestimento. Nonostante le sfide come la risoluzione della rete e la validazione del modello, gli studi CFD con Ansys Fluent hanno dimostrato di essere affidabili e intuitivi.