Escola Superior Náutica Infante D. Henrique. Departamento de Engenharia Marítima

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1 Escola Superior Náutica Infante D. Henrique Departamento de Engenharia Marítima Hidrodinâmica e Propulsão Questões e Exercícios Outubro 2013

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3 Questão/Exercício 1 Um modelo com 6 m de um navio de 180 m de comprimento e superfície molhada 4 m 2 é rebocado num tanque à velocidade de 1, 61 m/s. A resistência ao reboque medida foi de 20 N. a) estime a velocidade correspondente do navio, em nós. b) assumindo que o coeficiente de resistência é independente da escala, estime a potência efectiva para o navio. Questão/Exercício 2 Pretende-se construir um modelo para se efectuarem os testes de resistência de um navio com o comprimento de 155 m. Este navio terá uma velocidade de serviço entre 8 e 15 nós. Qual a escala máxima do modelo para que não se verifique um escoamento laminar em grande extensão, R m 6, ? Questão/Exercício 3 O que significa, ou qual o conceito que tem implícita, a expressão velocidades correspondentes? Questão/Exercício 4 Pretende-se saber se, do ponto de vista de resistência total, a velocidade de projecto de 14 nós, determinada por questões económicas, é uma velocidade aconselhável para um navio com 190 m de comprimento. Se não for aconselhável esta velocidade, qual seria o valor aconselhado mais próximo deste? Questão/Exercício 5 A resistência total do modelo de um navio, à escala 1/25, medida num tanque de ensaios com água doce, à velocidade de 4 nós é 16 N. O modelo tem 3, 1m de comprimento e 2, 0 m 2 de superfície molhada. Determine a velocidade correspondente do navio e estime a potência de propulsão em serviço a essa velocidade, admitindo que o rendimento propulsivo é 0, 60 e que as resistências adicionais valem 20% da resistência total da querena simples do navio. Questão/Exercício 6 Porque há necessidade de recorrer a métodos de correlação Modelo-Navio na passagem dos resultados dos ensaios em modelos para a escala do navio. Questão/Exercício 7 Um modelo à escala λ = 23 é testado em água doce a 15 C à velocidade V m = 2, 064 m/s. Considerando a resistência total do modelo, com comprimento L m = 7, 187 m e superfície molhada S m = 10, 671 m 2, R t,m = 104, 1 N, a) Faça uma estimativa da resistência do navio em águas calmas a 15 C de acordo com método ITTC 57. Considere c A = 0, b) Qual seria a previsão da resistência do navio de acordo com o ITTC 78 k = 0, 12 como factor de forma? Assuma rugosidade superficial standard e despreze a resistência do ar. 3

4 Questão/Exercício 8 A decomposição da resistência total permite, durante a fase de projecto de um navio de superfície, a optimização da forma do casco pela avaliação da influência de cada uma das suas componentes. Faça uma exposição sobre a decomposição da resistência em águas tranquilas. Questão/Exercício 9 Considere um navio com as seguintes dimensões: - L pp = 128 m e L wl = 1, 01 L pp ; - B = 25, 6 m; - T = 8, 53 m; tem resistência total R t = 460 kn à velocidade V = 17 nós. O coeficiente de finura total da querena é c B = 0, 565. Estime a superfície molhada por ) S = (3, 4 1/3 + 0, 5 L wl 1/3 Qual a previsão da resistência total para um navio com L pp = 150 m geometricamente semelhante para a velocidade correspondente se considerarmos o método ITTC 57? Questão/Exercício 10 Construiu-se um modelo à escala 1:15, o qual foi testado, entre outras velocidades, para a velocidade de 2, 1 m/s. A esta velocidade foi obtido um valor da resistência total igual a 65, 0 N. Sabendo que o comprimento do modelo do navio é 10 m e a superfície de querena 4, 5 m 2, estime a potência efectiva para o navio à velocidade correspondente. Questão/Exercício 11 Foi ensaiado em água doce (ρ m = 1000 kg/m 3 e ν m = 1, m 2 /s) o modelo à escala λ = 7, 5 de uma embarcação com: - L pp = 9 m - S = 24, 0 m 2 - = 5, 15 m 3 Os valores experimentais obtidos foram os seguintes: V m (m/s) 0,5 0,6 0,75 0,85 1,0 1,1 1,2 R t,m (N) 0,402 0,564 0,867 1,114 1,584 2,054 2,751 a) Determine o factor de forma de acordo com a formulação de Hughes- Prohaska. b) Determine o factor de forma de acordo com a formulação do ITTC 78 com n = 4. 4

5 Questão/Exercício 12 Faça uma breve exposição sobre a resistência adicional em condições de serviço, relativamente às condições previstas para o navio a partir dos ensaios, em modelo reduzido, num tanque de provas. Questão/Exercício 13 Dois navios avançando à velocidade de 15 nós têm resistências totais de 131, 5 kn e 109, 6 kn. Qual dos dois tem a querena melhor do ponto de vista hidrodinâmico se consideramos, Navio 1 Navio 2 L(m) S(m 2 ) Questão/Exercício 14 As leis de Froude e Reynolds deviam ser satisfeitas durante o ensaio dos modelos de navios. Explique a dificuldade em concretizar esta condição. Questão/Exercício 15 Um modelo com L pp = 6 m e superfície molhada S = 3, 9 m 2, geometricamente semelhante a um navio de 220 m de comprimento é rebocado num tanque à velocidade de 1, 5 m/s, sem apêndices, em água doce a 15 C. A resistência ao reboque é 18 N. a) Calcule o coeficiente de resistência total do modelo. b) Estime a velocidade correspondente, em nós, para o navio. c) Desprezando o termo associado à resistência do ar, faça a previsão para a resistência do navio, de acordo com o método ITTC 78, em água salgada à mesma temperatura, para um factor de forma k = 0, 125. d) Para as mesmas condições, qual seria o valor previsto pelo método ITTC 57. e) Qual a previsão da potência efectiva de propulsão para o navio. Questão/Exercício 16 O método da conservação da quantidade de movimento, não sendo útil para a optimização das pás de um hélice, permite uma abordagem simples aos principais conceitos relativos ao escoamento através de um hélice. Descreva sucintamente este modelo teórico. Questão/Exercício 17 Explique o fenómeno da cavitação num hélice. Identifique os seus principais efeitos nocivos. 5

6 Questão/Exercício 18 Um modelo com L pp = 5, 8 m e superfície molhada S = 3, 8m 2, geometricamente semelhante a um navio de 200 m de comprimento é rebocado num tanque à velocidade de 1, 65 m/s, sem apêndices, em água doce a 15 C. A resistência ao reboque é 22 N. a) Desprezando o termo associado à resistência aerodinâmica, faça a previsão para a resistência do navio à velocidade correspondente, de acordo com o método ITTC 78, em água salgada à mesma temperatura. Considere o factor de forma k = 0, 122. b) Qual a previsão da potência efectiva de reboque para o navio. Questão/Exercício 19 Faça uma exposição sobre os objectivos e procedimentos dos ensaios de autopropulsão em modelos de navios. Questão/Exercício 20 Considere o teste de resistência de um modelo à escala geométrica λ = 30 da querena de um navio, com L pp = 240m e superfície molhada S = 5800 m 2, em água doce a 15 C. a) Calcule a velocidade de teste correspondente para uma velocidade de serviço do navio igual a 18 nós. b) A resistência verificada na prova realizada àquela velocidade foi 41, 1 N. Calcule o coeficiente de resistência total do modelo. c) Desprezando o termo associado à resistência do ar, faça a previsão, de acordo com o método ITTC 78, para a resistência do navio em água salgada à mesma temperatura, considerando: - k = 0, 125; - c A = 0, d) Qual a previsão da potência efectiva de propulsão para o navio. e) De acordo com a teoria da quantidade de movimento axial, qual seria a velocidade induzida no plano de um hélice com 8 m de diâmetro. f) Nestas condições, calcule a perda de energia cinética na esteira do navio por unidade de tempo e o rendimento ideal do hélice. Questão/Exercício 21 Faça uma breve exposição sobre o ensaio de hélices em escala reduzida. Para além de outros aspectos que considere relevantes, refira-se às condições e formas de realização dos ensaios, bem como à forma de apresentação dos resultados obtidos. Questão/Exercício 22 Determine o diâmetro e o passo do hélice da série de Wageningen, B4-55, apropriado para absorver uma potência P D = 5750 kw à velocidade de rotação 135 rpm. A velocidade do navio é 18, 8 nós, o coeficiente de esteira efectiva é w = 0, 24 e o coeficiente de dedução da força propulsiva t =

7 Questão/Exercício 23 Faça uma exposição comparando as instalações propulsoras diesel-mecânicas e diesel-eléctricas. Questão/Exercício 24 Um hélice da série Wageningen, B4-55, deve absorver uma potência P D = 5133 kw à velocidade de rotação 126 rpm. A velocidade do navio é 16,6 nós, o coeficiente de esteira efectiva w = 0, 24 e o coeficiente de dedução da força propulsiva t = 0, 22. a) Determine o diâmetro óptimo do hélice. b) Numa dada condição de carga, em que o calado, na perpendicular de ré, é de 8 m, verifique quanto à cavitação a condição de funcionamento do hélice. Admita p v = 2300 Pa. Questão/Exercício 25 O modelo de um navio avança com velocidade 2, 44 m/s com um hélice a rodar a 720 rpm, absorvendo um binário igual a 1, 94 Nm e desenvolvendo uma força de impulso igual a 52, 2N. Sabendo que a resistência ao reboque do modelo do navio é de 42, 6 N, e que o hélice modelo isolado a rodar a 720 rpm avança com velocidade 1, 71 m/s quando desenvolve a mesma força de 52, 2 N, determine o rendimento quasi-propulsivo, o coeficiente de dedução da força de impulso e o coeficiente de esteira. Questão/Exercício 26 Um navio com as seguintes dimensões: L pp = 135, 34m B = 19, 3m calado = 9, 16m e coeficiente de finura C B = 0, 704 tem velocidade de funcionamento prevista V s = 15 knots. A velocidade a alcançar nas provas de mar é V trial = 16 knots. A extrapolação dos resultados do ensaio de resistência em modelo permite estimar a resistência total da querena em R T = 434 kn. Dos ensaios de propulsão resultaram para a velocidade correspondente à velocidade de provas, o coeficiente de dedução da velocidade de esteira w = 0, 304, e o coeficiente de dedução da força propulsiva t = 0, 214. A propulsão do navio é realizada por um hélice de 4 pás (1 Z = 4) com diâmetro máximo D max = 0, 6 calado. Admita que o rendimento rotativo relativo é η R = 1 e que a distância na vertical entre o círculo do hélice e o plano da quilha é 0, 2 m. 7

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9 DIAGRAMAS Em águas livres: B 4.45 B 4.50 B 4.55 B 4.60 B 5.45 B 5.50 B 5.55 Burrill 9

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