Brasília, 09 de dezembro de 2014

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1 Brasília, 09 de dezembro de 2014 Proposta de Uso de Barcaça Frontal Triangular para Fins de Diminuição de Arrasto de Proas de Comboios da Navegação Interior, e a Possibilidade de Frenagem Auxiliada Pela Proa José Esteves Botelho Rabello ANTAQ / SOG / GAN Resumo: Para a Navegação Interior, o uso de comboios poderia ser otimizado com o tratamento das proas destes comboios, com benefícios em menor consumo de combustível e maior alcance, e/ou velocidade. 1 Introdução Comboios de empurrador e chatas da Navegação Interior apresentam tipicamente arrastos relativamente elevados quando comparados com embarcações autopropulsadas. Grande parte deste arrasto se deve ao formato das proas das chatas à frente dos comboios. A proa de uma chata tipicamente apresenta uma geometria adequada quando observada a sua vista lateral, na região à linha d água. No entanto, sua vista superior na região da linha d água apresenta tipicamente possibilidades de melhoramento, por consistir de uma linha horizontal, a 90 em relação à velocidade de deslocamento do comboio. 1.1 O Arrasto de Estagnação As proas das embarcações devem ter uma geometria de modo a minimizar o aumento de pressão que ali ocorre, se o fluxo de água for desacelerado para zero ou velocidades mais baixas que a velocidade não perturbada do fluxo. Quando o fluxo de água é desacelerado, isto é, sofre uma diminuição de velocidade, temos um aumento de pressão nesta região de desaceleração, por conta da conservação de energia, checada a equação de Bernoulli. Assim causado, este aumento de pressão à frente da embarcação significa arrasto para esta. Isto é aqui denominado arrasto de estagnação. Assim, uma estratégia a não ser esquecida em se tratando de projeto de proas é sempre que possível se evitar ou almenos minimizar a diminuição local da velocidade da água, e.g., por meio de proas em formatos de cunha hidrodinâmica, ou adição de bulbos. Assim, minimizamos este aumento de pressão na região frontal da embarcação projetada. 2 O Tratamento de Proas A Barcaça Frontal Triangular (BFT) Poder-se-ia adotar o uso do conceito de proa removível do comboio, em formato triangular ou em cunha, quando vista de cima, à linha d água. Estas proas removíveis seriam barcaças usadas como proas do comboio, também tendo a funcionalidade de transportar grãos, sendo intercambiáveis no comboio, permitindo assim o seu livre desmembramento e recomposição. A razão de ser desta barcaça frontal ao comboio é que a forma triangular no bordo de ataque do comboio proporcionaria menor arrasto. De fato, é usual em muitos comboios se usarem barcaças melhor hidrodinamizadas à frente destes, sendo estas chamadas em inglês de rake barges. As outras barcaças na parte central no comboio em 1

2 inglês são chamadas de box barges. Estas ainda podem ser encontradas na parte traseira, ou bordo de fuga do comboio (Wikipedia). As barcaças do tipo rake, ou convencionais-frontais, apresentam em sua vista superior a forma retangular. No entanto, em sua vista lateral, apresentam uma curvatura hidrodinâmica, i.e., não tem o costado frontal vertical em sua parte submersa, tal como acontece com as barcaças centrais, do tipo box. Na figura 1, temos uma ilustração esquemática de um comboio convencional, com chatas-padrão, i.e., retangulares. Nas outras figuras, são mostrados comboios, mas acrescidos às frentes, proas dos comboios, chatas triangulares, ou proas removíveis, triangulares. Também é mostrada a proposta de tratamento no caso de um comboio de duas chatas em paralelo, usando-se também a chata triangular, na figura 3. Certamente, a barcaça frontal triangular também deveria apresentar otimizações em seu desenho também na vista lateral, tal como a linha da proa inclinada, e curva entre esta e o fundo da barcaça (figura 6). Em se tratando de uma proa removível, seria preciso haver mecanismos de fixação desta ao comboio, bem como de remoção, durante o desmembramento e recomposição de comboios, semelhantes ou iguais aos usados entre as barcas retangulares tradicionais. As dimensões destas proas removíveis, em sua vista superior com formato de triângulo isósceles, devem ser determinadas em função do comprimento máximo admissível do comboio em função das eventuais eclusas, curvas do percurso, e outras eventuais limitações. Em casos mais críticos de limitações de comprimento admissível do comboio, poderíamos alternativamente ter a proa triangular menor, até não transportando grãos, mas ainda assim reduzindo o arrasto; aqui chamada de queixo ou nariz, esta barcaça livre é facilmente inserível na frente do comboio, conforme figura 5. Também, para comboios duplos e ainda maiores, que não forem se desmembrar, poderíamos ter a base do triangulo tendo o mesmo comprimento da boca (largura) do comboio. Idealmente, estas dimensões da proa triangular devem ser definidas com o uso de Mecânica dos Fluidos Computacional (CFD, Computational Fluid Dynamics, em inglês) e após ensaios com modelos reduzidos em tanques de prova. Ainda, temos que quanto maior for a razão altura / lado deste triângulo isósceles, melhor o potencial de diminuição de arrasto. Aqui, sendo que o triangulo é um polígono, altura significa a distância h da base ao vértice oposto ao lado tomado como base. O formato deste triângulo também poderia evoluir para um formato de ogiva na região de inserção ao costado lateral da chata, meia nau, proporcionando uma região de tangenciamento a este. Aqui também o CFD e ensaios são promissores. A proa removível em sua vista lateral (roda de proa, conforme Arte Naval) deveria manter a linha da proa com alguma inclinação em relação à linha d água, em torno de 30 graus, com um arredondamento, de preferência com o uso da curva de Euler, na região de transição com a linha de fundo (horizontal) da chata. Novamente, o uso de softwares apropriados e ensaios experimentais em tanques de provas podem prever outras condições também, tais como oscilações em arfagem, de modo a garantir que estas não seriam perturbações importantes. 2

3 Empurrador Direção Direão de de deslocamento deslocamento do do comboio comboio Figura 1 Comboio convencional, neste caso com três chatas retangulares (convencionais) e um empurrador. Representação esquemática (apenas) nas vizinhanças da linha d água. Proa triangular, removível, com capacidade para também transportar carga, adicionada à frente do comboio. Empurrador Figura 2 - Comboio com três chatas retangulares, empurrador e com chata de ponta triangular, ou proa triangular removível (em amarelo). Esta proa removível também poderia transportar grãos. Representação esquemática nas vizinhanças da linha d água. Empurrador Figura 3 Proa removível triangular, aqui servindo em um comboio duplo. Aqui também esta proa também poderia transportar grãos. Representação esquemática nas vizinhanças da linha d água. 3

4 Figura 4 - Comboio com três chatas retangulares, empurrador, e chata de ponta triangular, mais esbelta e mais hidrodinamizada que nos exemplos anteriores, que também transporta grãos. Representação esquemática nas vizinhanças da linha d água. Figura 5 - Comboio com duas chatas retangulares, empurrador, e chata de ponta triangular removível tipo queixo, menos esbelta e menos hidrodinamizada que nos exemplos anteriores, que não transporta grãos. No entanto, este queixo ou nariz é facilmente inserível na frente do comboio. Representação esquemática nas vizinhanças da linha d água. Linha d água Figura 6 Vista lateral esquemática da barcaça frontal triangular. Percebe-se aqui a linha da proa inclinada, e curva entre esta e o fundo da barcaça. Considerações sobre a Popa da Barcaça Frontal Triangular A popa de uma embarcação tem efeito considerável no arrasto total desta. Assim sendo, deve haver uma continuidade da linha de sistema entre a popa da embarcação dianteira e a proa da embarcação atrás desta. Isto significa diminuir os degraus hidrodinâmicos (steps) ao máximo possível. 4

5 Assim, a popa da BFT deve ter um desenho diferente para o caso de estar à frente de uma barcaça tipo box ou se de uma barcaça tipo rake. Também, o auxílio do CFD deve ser usado para melhor desenhar a popa de uma BFT. Barcaça Box Linha d água Barcaça Rake Linha d água Figura 7 Vistas laterais esquemáticas da BFT; para serviço à frente de uma barcaça box, temos a parte superior. Na parte inferior temos a BFT para serviço à frente de uma barcaça rake. As descontinuidades entre uma barcaça e outra são hidrodinamicamente melhoradas Possibilidades de Usos da Barcaça Frontal Triangular na Frenagem de Comboios Outra possibilidade com a barcaça frontal triangular (BFT) seria a inclusão de uma unidade de frenagem à vante desta barcaça. Tal unidade de frenagem consistiria da ponta triangular da proa à linha d água escamoteável, recolhível para cima, por meio de guincho embarcado ou outro mecanismo, de acordo om o esquema abaixo, que mostra o comboio à linha d água. A frenagem de um comboio é um procedimento crítico, muito importante para a segurança da navegação, e esforços no sentido de sua melhoria são bem vindos. 5

6 (a) ((b) (c) Figura 8 (a) Comboio em navegação avante. (b) Comboio em frenagem, por meio de atuação da unidade de frenagem, que expõe a proa côncava ao fluxo de água, causando a frenagem. (c) Volta às condições normais de navegação avante, por meio da desatuação da unidade de frenagem, por meio de seu abaixamento. 3 Conclusões Mudanças que aperfeiçoem a geometria e formato das proas de barcaças acarretam ganhos em diminuição em arrasto, que significam economia de combustível, diminuindo custos operacionais da navegação interior. Certamente estas diminuições de custos beneficiariam toda a sociedade. A possibilidade de uma unidade de frenagem (UF) também merece ser investigada. Adicionalmente, economizar combustível também ocasionaria menos poluição. Com uma proa frontal triangular também haveriam ganhos operacionais em velocidade, por causa da diminuição de arrasto. 4 Referências Bibliográficas Hoerner, Dr. Sighard F., Fluid Dynamic Drag - theoretical, experimental and statistical information, Hoerner Fluid Dynamics, Albuquerque, NM, Anderson, J. D., Jr., Fundamentals of Aerodynamics, 3rd. ed., Mc. Graw Hill, New York, PIANC, INCOM Working Group 99, Report n , Considerations to reduce environmental impacts of vessels, Ricardo Assis Rodrigues, Thiago Lemgruber, Relatório 1, Comboio Fluvial de Empurra, UFRJ, Fonseca, Maurílio M., Arte Naval. Rio de Janeiro - RJ: Serviço de Documentação da Marinha: Vol. I Koh King Koh, Hironori Yasukawa, Noritaka Hirata, Hydrodynamic derivatives investigation of unconventionally arranged pusher-barge systems, Journal of Marine Science and Technology, August