Princípios da arquitetura naval segunda versão Volume 2: resistência, propulsão e vibração. Direitos autorais 1988 pela Sociedade de Arquitetos e Engenheiros Navais da Marinha. É compreendido e concordado que nada expressado aqui é intencional ou deve ser interpretado como dar a uma pessoa, empresa, ou corporação de qualquer direito, recurso ou reclamação contra a sname ou qualquer dos seus oficiais ou membros. Prefácio O objetivo da segunda versão (terceira edição) com o sucesso da sociedade Princípios da arquitetura naval foi trazer o assunto mais avançado da questão através da revisão ou reescrever áreas com os maiores recentes avanços técnicos, o que significava que alguns capítulos exigiriam mais mudanças do que outros. O objetivo básico do livro, no entanto, manteve-se inalterado: para proporcionar um oportuno levantamento dos princípios básicos no campo da arquitetura naval para a utilização de ambos estudantes e profissionais ativos deixando claro que pesquisa e engenharia continuam em quase todos os ramos do assunto. As referencias devem ser incluídas para fontes disponíveis de informações adicionais e aos trabalhos em curso a ser seguidos no futuro. A preparação desta terceira edição foi simplificada por uma decisão anterior de incorporar um número de seções para a publicação da associação SNAME, Navio Concepção e Construção, que foi revisto em 1980. Os tópicos de Linhas de Carga, Aferição de tonelagem e Lançamento parecia ser mais apropriado para o este último livro, e assim os capítulos V, VI, e XI tornou-se IV, V e XVII, respectivamente em Navio Concepção e Construção. Isto deixou oito capítulos, em vez de 11, para os revisados Princípios da Arquitetura Naval, que desde então tornou se nove em três volumes. No início do trabalho sobre a revisão, a comissão de controle decidiu que a importância cada vez maior de computadores de alta velocidade exigiu que a sua utilização deve ser discutido nos capítulos individuais em vez de em um apêndice separado como antes. Também foi decidido que ao longo do livro deveria ser dado mais atenção ao rápido desenvolvimento dos avançados dos veículos marinhos. Em relação às unidades de medida, foi decidido que a política básica seria utilizar o Sistema Internacional de Unidades (S.I.).
Como este é um período de transição, convencionais dos EUA (ou "Inglês") unidades seriam dadas em parênteses, se for possível, ao longo do livro. Este segue a prática adotada para o volume da sociedade associada, Navio Concepção e Construção. A lei de conversão térmica de 1975 dos EUA (P.L. 94-168) declarado como política nacional de aumentar o uso do sistema métricos de medição e estabeleceu o conselho métrico dos EUA para coordenar a conversão voluntaria para sistema internacional da administração marítima, assistida pelo grupo de trabalho da SNAME para essa finalidade, desenvolveu um guia pratico métrico para “ajudar a obter a pratica métrica uniforme na indústria naval”, e este guia foi usado aqui como uma referencia básica. Seguindo este guia, o deslocamento do navio em toneladas métricas (1000 kg) representa a massa, em vez de peso, (Neste livro o símbolo familiar, A, está reservada para a massa de deslocamento). Quando as forças são consideradas, a unidade correspondente é o Kilonewton (kN), que se aplica, por exemplo, à resistência e ao peso de deslocamento (símbolo W, onde W = ρΔg) ou a forças de flutuação. Quando as unidades convencionais ou unidades inglesas são utilizadas, o peso de deslocamento é na unidade de tonelada familiar longa (2240lb), que numericamente é 1,015 X tonelada métrica. O poder é normalmente em quilowatts (1 kW = 1,34 cv). Uma tabela de conversão também está incluída na nomenclatura no final de cada volume. O primeiro volume da terceira edição de Princípios de Arquitetura Naval, que compreende Capítulos I a IV, cobre quase o mesmo assunto como os primeiros quatro capítulos da edição anterior. Assim, ele lida com os princípios essencialmente estáticos da arquitetura naval, deixando aspectos dinâmicos para os volumes restantes. Capítulo I lida com a descrição gráfica e numérica das formas de casco e os cálculos necessários para lidar com problemas de flutuação e estabilidade que se seguem. Capítulo II considera a estabilidade em condições normais intactas, enquanto que o Capítulo III discute flutuação e estabilidade em condições de avaria. Finalmente, o Capítulo IV trata com os princípios do projeto estrutural do casco, primeiro sob condições estáticas de águas calmas, e depois introduzindo o efeito das ondas, que também são abrangidos mais completamente em Volume III Capítulo VIII, os movimentos em ondas. Para o Volume II, parecia desejável, com base no assunto e espaço requisitados, para incluir o Capítulo V, Resistência, Capítulo VI, Propulsão e do capítulo VII, da vibração. Os dois primeiros destes foram cobertos em um único capítulo na edição anterior. Os novos capítulos foram extensivamente revisado, com novo material considerável, particularmente lidando com embarcações de alto desempenho e dispositivos de propulsão novos. Capítulo VII, vibração, que é o terceiro no volume II, foi quase totalmente reescrito para tirar vantagem dos novos desenvolvimentos no campo.
Maio 1988
EDWARD V. LEWIS Editor
Seção 1
Resistência
Introdução 1.1 O Problema .
Um navio difere de qualquer outra estrutura da larga engenharia em que além de todas as suas outras funções deve ser concebida para mover de forma eficiente através da água com o mínimo de ajuda externa. Nos capítulos I-III do volume I tem sido mostrado como o arquiteto naval pode assegurar a flutuabilidade suficiente e estabilidade de um navio, mesmo danificado por colisão de aterramento, ou outra causa. No capítulo IV, o problema de proporcionar uma estrutura a adequada para o apoio do navio e seu conteúdo, tanto em águas calmas e mar revolto, foi discutido. Neste capítulo, estão preocupados com a forma de tornar possível que uma estrutura de deslocamento de até 500.000 toneladas ou mais para se mover de forma eficiente em qualquer um dos oceanos do mundo em tempo bom e ruim. O problema de mover o navio envolve as proporções e molde -ou forma- do casco, o tamanho e tipo da planta de propulsão para fornecer força motriz, e do dispositivo ou sistema para transformar a energia em empuxo eficaz. O projeto das usinas está para alem do ambito deste livro (ver Engenharia maritima, por RL Harrington, Ed., SNAME 1971). As nove seções deste capítulo irá tratar de alguns detalhes com a relação entre a forma do casco e resistência ao movimento para a frente (ou arrastar).Capitulo VI discute dispositivos de propulsão e sua interação com o fluxo de todo o casco. A tarefa do arquiteto naval é garantir que, dentro dos limites dos requisitos de outras concepção, a forma do casco e arranjo de propulsão será o mais eficiente no sentido hidrodinâmico. O teste final é que o navio deve realizar na velocidade requerida com o mínimo de potência do eixo, e o problema é para atingir a melhor combinação de baixa resistência e eficiência de propulsão elevada. Em geral, isso só pode ser alcançado por uma combinação adequada de casco e hélice. Outro fator que influencia o projeto hidrodinâmico de um navio é a necessidade de garantir não só bom desempenho da água, mas também que, sob condições de serviço médio no mar o navio não deva sofre movimentos excessivos, umidade de pavimentos, ou perder mais velocidade do que o necessário no mau tempo. A suposição de que uma forma do casco, que é o melhor em águas calmas também será ótimo em mares revoltos não é necessariamente válida.Uma pesquisa recente progressao em oceanografia e as qualidades de manutenção no mar de navios tornou possível prever o desempenho relativo de diferentes projetos de proporções de casco e forma sob diferentes condições de mar realistas, usando tanto o teste do modelo e técnicas de computação. O problema dos movimentosdo navio, a velocidade atingível e requisitos de energia agregado em ondas são discutidos no Capítulo VIII, vol. III.Este capítulo está preocupado essencialmente com o projeto para o suave desempenho da água.
Outra consideração na capacitação é o efeito de deterioração na condição do casco da superfície em serviço, como o resultado de incrustações e corrosão e da rugosidade da hélice na resistência e propulsão. Este assunto é discutido neste capítulo.
Tal como no caso de estabilidade, subdivisão e estrutura, são necessários critérios de design para a determinação de níveis aceitáveis de alimentação. Em geral,a obrigação contratual prevista ao construtor naval é que o navio deve atingir uma determinada velocidade, com uma potência especificada com bom tempo em julgamento, e por esta razão o desempenho suave da agua é de grande importância. Como observado anteriormente, o desempenho do bom mar, particularmente a manutenção da velocidade do mar, é muitas vezes o mais importante requisito, mas um que é muito mais difícil de definir. O efeito da condição do mar é habitualmente permitido pela disposição de uma margem de serviço de energia acima da energia necessária em águas calmas, uma provisão que depende do tipo de navio e o tempo médio nas ligações do mar em que o navio está concebido para funcionar. A determinação do subsídio de serviço depende da acumulação de desempenho do mar de dados de navios semelhantes em transações similares. Ligando os critérios na forma de licenças de serviços convencionais tanto para condições do mar e à deterioração de superfície são considerados neste capítulo.
O problema de controlar e manobrar o navio serão abordados no capítulo IX, vol. III. 1.2 Tipos de Resistência .
A resistência de um navio a uma dada velocidade é a força necessária para puxar o navio em que a velocidade em água lisa, assumindo que não há interferência a partir do navio de reboque. Se o casco nao tem apêndices, isto é chamado de resistência do casco-nu. A potência necessária para vencer esta resistência é chamada de cabo de reboque ou poder eficaz e é dado por PE = RT V
Onde PE = Poder efetivo em kWatt (kW) RT = Resistencia total em Knewton (kN) V = Velocidade em m/s Ou Ehp = RTVk/S26 Onde Ehp = Poder efetivo em kWatt (kW) RT = Resistencia total em lb VK = Velocidade em nos
Para converter de potência para unidades SI só existe uma pequena diferença entre potência em Inglês e potencia métrica: hp (Inglês) x 0.746 = kW hp (métrica) X 0.735 = kW Velocidade em nos x 0.5144 = m/s
Esta resistência total é constituída por um número de componentes diferentes, que são causadas por uma variedade de fatores e que interagem um com o outro em um caminho extremamente complicado. A fim de lidar com a questão de forma mais simples, é usual para considerar a resistência total de água calma como sendo constituído por quatro principal componentes. (a) a resistência por fricção, devido ao movimento do casco através de um fluidoviscoso. (b) resistência da onda de tomada , devido à energia que deve ser fornecido continuamente pelo navio para o sistema de onda criada na superfície da água. (c) resistência Eddy, devido à energia levada por turbilhões derramado do casco ou apêndices. Locais Eddying , vai aparecer atrás de apêndices, como relevos, eixos e suportes do eixo, e de quadros severos e lemes se estes itens não são devidamente racionalizado e alinhada com o fluxo. Além disso, se a extremidade posterior do navio é muito fechado, a água pode ser incapaz de seguir a curvatura e irá romper a partir do casco, novamente dando origem a turbilhões e da resistência de separação. (d) A resistência do ar experimentado pela parte acima da água do casco principal e das superestruturas devido ao movimento do navio através do ar. As resistências ao abrigo (b) e (c) são comumente tomados em conjunto sob a resistência dos nomes residuais. Uma análise adicional da resistência conduziu à identificação de outro sub-componentes, como discutido em seguida. A importância dos diferentes componentes depende das condições particulares de um desenho, e grande parte da aptidão de arquitetos navais reside na sua capacidade para escolher a forma e as proporções do casco que irá resultar numa combinação que conduz à potência minima total, compatível com outras restrições do projeto. Nesta tarefa, o conhecimento derivado de testes de resistência e de propulsao em pequena escala dos modelos de uma bacia ou tanque de reboque será usado. Os detalhes de tais testes, e a maneira com que os resultados são aplicados ao navio serão descrito numa secção posterior. Muito do nosso conhecimento da resistência do navio foi aprendido com esses testes, e é praticamente impossível discutir os vários tipos de resistência do navio sem referência ao trabalho de modelo.
1.3 Corpos Submersos .
Um corpo aerodinâmico em movimento na linha reta horizontal a uma velocidade constante, profundamente imerso em um oceano ilimitado, apresenta o mais simples caso de resistência. Uma vez que não há nenhuma superfície livre, não há formação de ondas e, portanto, nenhuma onda que faça a resistência. Se, além disso, o fluido é assumido como sendo sem viscosidade (um fluido "perfeito"), não haverá resistência à fricção ou eddymaking. A distribuição de pressão em torno de um corpo pode ser determinada teoricamente a partir de considerações do fluxo potencial e tem as características gerais mostrados na fig. l (a). Perto do nariz, a pressão é aumentada acima da pressão hidrostática, ao longo do meio do corpo e a pressão é diminuída abaixo dela e na popa volta a aumentar. A distribuição de velocidade passada pelo casco, pela Lei de Bernoulli, será o inverso da pressão distribuída ao longo da porção média e será maior do que a velocidade de avanço V e na região de arco e na popa será menor. Uma vez que o fluido tenha sido assumido como sendo sem viscosidade, as forças de pressão em todos os lugares vai ser normal ao casco (Fig. 1 (b)). Ao longo da parte da frente do casco, estes terão componentes que agem com a popa e, portanto, resistir ao movimento. Ao longo da parte da peça, o reverso é o caso, e estes componentes estão ajudando o movimento. Pode ser mostrado que as forças resultantes totais na frente e depois dos corpos são iguais, e, por conseguinte, o corpo não experimenta nenhuma resistência. Em um fluido real, a camada limite altera a virtual forma e comprimento da popa, a distribuição da pressão lá é alterada e seu componente para frente é reduzida. A distribuição de pressão sobre a porção da frente é porem pouco alterada, em um fluido perfeito. Existe, portanto, uma força resultante sobre o corpo, agindo contra o movimento, dando origem a uma resistência que é variadamente referido como forma de arrasto ou arrasto de pressão viscosa Em um fluido real, também, o corpo experimenta resistência ao atrito e talvez a resistência eddy tambem. O fluido imediatamente em contato com a superfície do corpo é transportada juntamente com a superfície, e que, na vizinhança próxima é posto em movimento na mesma direção como aquele em que o corpo está em movimento. Isto resulta em uma camada de água, que obtém gradualmente mais espessa a partir da proa para a popa, e em que a velocidade varia de que a do corpo, na sua superfície para que apropriado para o padrão de fluxo de potencial (quase zero para um corpo delgado) na borda exterior da camada (Fig. l (c)). Esta camada é chamada a camada limite, e o impulso fornecido à água em que pelo casco é uma medida da resistência ao atrito. Desde que o corpo deixa atrás de si uma esteira de atrito movendo-se no mesmo sentido que o corporal (que pode ser detectada muito ré) e é continuamente entrar na água sem perturbações e acelerar para manter a camada limite, isto representa um dreno contínuo de energia. De fato, em túnel de vento de trabalha com a medição das velocidades do fluido por trás de um modelo simplificado é uma forma comum de medição do arrasto de atrito.
Se o corpo é bastante rudimentar no final, o fluxo pode deixar a forma em algum ponto-chamada de ponto de separação- reduzindo assim a pressão total no afterbody (depois do corpo) e adicionando-se à resistência. Esta resistência de separação é evidenciado por um padrão de turbilhões que é um dreno de energia.evidenciado por um padrão de turbilhões que é um dreno de energia (Fig. l (d)).
1.4 navios de superfície.
Um navio movendo-se sobre a superfície do mar experimenta resistência ao atrito e eddymaking, separação e arrasto de pressão viscoso na mesma maneira como o faz o corpo submergido. No entanto, a presença da superfície livre adiciona um componente adicional. O movimento do casco através da água cria uma distribuição de pressão semelhante à volta do submerso corpo, isto é, áreas de pressão aumentada na proa e na popa e de diminuição da pressão sobre a parte média do comprimento. Mas existem diferenças importantes na distribuição de pressão ao longo do casco de um navio de superfície, devido à perturbação da onda de superfície criada pelo movimento do navio para a frente. Existe uma maior pressão que atua sobre o arco, como indicado pela onda de proa geralmente proeminente construi-se, e ao aumento de pressão no popa,e logo abaixo da superfície livre, é sempre menor do que acerca de um corpo submerso. A resistência resultante adicionou corresponde ao dreno de energia para o sistema de onda, que se estende da popa do navio e tem que ser continuamente recriado. (Veja Seção 4.3). Por isso, tem sido chamado de onda de tomada de resistência. O resultado da interferência dos sistemas de ondas originários em arco, ombros (se houver) e de popa é produzir uma série de ondasdivergentes de propagação para o exterior do navio a um ângulo relativamente afiado para a linha central e uma série de ondas transversais ao longo do casco em cada lado e para trás na sequência (Fig. 7). A presença dos sistemas de onda modifica o atrito da pele e outras resistências, e existe uma interação muito complicada entre todos os diferentes componentes.
