Rolul şi importanţa studiului

Parametrii constructivi – care conferă siguranţă - şi parametrii economici care conferă calitate şi performanţe în exploatare şi operare – plasează navele în categoria celor mai eficiente mijloace de transport.

Obiectivul principal urmărit de arhitectul naval în proiectarea navei este satisfacerea cerinţelor operaţionale impuse de armator şi asigurarea calităţilor nautice corespunzătoare clasei de navigaţie în care se încadrează.

Fără îndoială, prioritatea revine siguranţei navei, mărfurilor transportate şi a personalului de la bord. Din această perspectivă, studiul mişcărilor generale efectuate de navă, ca solid rigid liber, în condiţii de navigaţie reale se constituie într-o componentă esenţială pentru criteriile constructive, tehnico-economice şi de siguranţă, încă din fazele preliminare ale proiectării.

Cunoaşterea comportamentului corpului navei în mare reală, descrierea procesului complex de interacţiune dintre acesta şi mediul fluid prin care se deplasează, analiza şi predicţia unor fenomene marine cu manifestări aleatorii, sunt motivaţii pentru dezvoltarea unor studii teoretice şi experimentale în perspectiva stabilirii de soluţii practice menite să diminueze, chiar să înlăture, limitările şi consecintele nedorite.

Domeniul arhitecturii navale oferă oportunităţi interesante şi importante de punere in practică a progreslui ştiinţific actual şi corelarea acestuia cu posibilităţile aplicative oferite de tehnică, în şantierele navale, în laboratoarele hidrodinamice de încercări şi staţiile de lucru computerizate.

De-a lungul timpului, nevoia de deplasare a omului l-a făcut să-şi domine teama în raport cu imensitatea oceanului planetar şi cu manifestările copleşitoare şi înfricoşătoare ale acestuia. Începând cu primul trunchi de copac scobit sau cu prima plută şi până la navele sofisticate ale contemporaneităţii, istoria navigaţiei şi a construcţiilor de nave a marcat însăşi evoluţia umanităţii.

O navă este proiectată şi construită pentru a avea asigurată, în condiţii de performanţă tehnică, siguranţă operaţională şi eficienţă economică, o funcţionalitate distinctă.

Responsabilitatea arhitecţilor navali şi a inginerilor constructori de nave este aceea de a elabora metodologii de proiectare respectiv tehnologii de construcţie care, corespunzător acţiunilor manifestate de mediul natural asupra navelor, să permită exploatarea tehnico-economică performantă şi sigură a acestora, potrivit tipului constructiv şi destinaţiei lor.

Ca produs, nava poate fi definită şi caracterizată arhitectural-constructiv respectiv tehnico-economic pe baza următoarelor criterii:

Criteriul funcţionalităţii Criteriul mecanicii clasice Criteriul constructiv-elastic Criteriul sistemic

Din punctul de vedere al criteriului funcţionalităţii, nava reprezintă o construcţie plutitoare complexă, cu propulsie proprie, remorcată sau staţionară, destinată îndeplinirii unei funcţii de transport sau altor lucrări şi activităţi maritime şi sau fluviale.

Din punctul de vedere al criteriului mecanicii clasice, nava este definită ca un solid rigid cu geometrie complexă, care trebuie să îndeplinească o serie de condiţii speciale legate de plutirea şi deplasarea sa prin apă, numite calităţi nautice.

Calităţile nautice impuse unui corp de navă autopropulsat sunt cuprinse în două categorii:

Calităţi nautice statice – flotabilitatea, stabilitatea, nescufundabilitatea

Calităţi nautice dinamice – calitatea de a oscila lin, stabilitatea de drum, manevrabilitatea, calităţile de marş.

Flotabilitatea este proprietatea navei de a pluti (de a se menţina la suprafaţa apei – în cazul navelor de suprafaţă respectiv de a se menţine la o anumită adâncime impusă – în cazul submersibilelor).

Stabilitatea este proprietatea navei de a reveni la poziţia iniţială de echilibru după dispariţia cauzei care a determinat scoaterea ei din această poziţie.

Nescufundabilitatea este proprietatea navei de a-şi păstra flotabilitatea şi stabilitatea în cazul inundării unui compartiment sau a unui grup de compartimente.

Calitatea de a oscila lin este proprietatea navei de a efectua mişcări periodice cu apmlitudine mică şi perioadă mare, atât pe apă liniştită cât şi pe valuri.

Stabilitatea de drum este proprietatea navei, aflată în mişcare, de a se menţine timp îndelungat pe o anumită traiectorie impusă.

Manevrabilitatea este proprietatea navei, aflată în mişcare, de a efectua schimbări rapide de direcţie cu ajutorul instalaţiei de guvernare.

Observaţie: stabilitatea de drum şi manevrabilitatea sunt calităţi nautice oarecum contradictorii. Împreună ele definesc guvernabilitatea, însuşire complexă care exprimă comportarea generală a navei pe timpul navigaţiei în diferite condiţii hidrometeorologice şi de exploatare.

Calităţile de marş sunt acele însuşiri care conferă navei posibilitatea de a se deplasa cu viteze cât mai mari la consumuri energetice cât mai mici.

Observaţie: Calităţile de marş ale navei depind, în mare măsură, de rezistenţa la înaintare şi de propulsorul naval.

Rezistenţa la înaintare este definită de componenta longitudinală a rezultantei forţelor hidrodinamice şi aerodinamice exercitate asupra navei aflată în mişcare de către mediul de navigaţie.

Propulsorul naval este dispozitivul care preia energia mecanică a maşinilor principale de propulsie şi o transformă în forţa de împingere necesară învingerii rezistenţei la înaintare, asigurând, astfel, deplasarea navei, cu o anumită viteză, impusă.Într-o măsură mai mare sau mai mică, orice navă trebuie să aibă asigurate toate calităţile nautice, potrivit funcţionalităţii sale.

Printre problemele deosebit de dificile, aflate în atenţia arhitecţilor navali, se înscrie prioritar descrierea comprtamentului corpului navei considerat ca solid rigid liber, pe timpul navigaţiei în condiţii hidrometeorlogice reale.

Rezolvarea acestei probleme, presupune elaborarea de modele matematice, bazate pe actiunea factorilor perturbatori de diferite catgorii şi care să simuleze satisfăcător comportamentul real al navei, luând în considerare acţiunea factorilor perturbatori de diferite categorii.

Aşadar, scrierea ecuaţiilor generale de mişcare ale navei se bazează, în esenţă, pe:

-aprecierea perturbaţiilor ce apar în conducerea navei cu ajutorul sistemelor de propulsie şi guvernare;

-aprecierea perturbaţiilor datorate mediului de navigaţie.Trebuie subliniat că, mediul de navigaţie îşi exercită influenţa perturbatoare asupra

comportamentului navei, aprioric prin acţiunea valurilor.Definiţie: valurile sunt mişcări oscilatorii datorate gravitaţiei, provocate, în principal,

de acţiunea vântului şi sunt rezultatul esenţial al unor interacţiuni locale complexe, distribuite în timp şi spaţiu, între aerul aflat în mişcare şi particulele de la suprafaţa apei.

Estimarea acţiunii factorilor perturbatori în studiul mişcărilor generale ale navei, este o problemă ce presupune alaborări teoretice neceare proiectării navei, bazate pe:

-studiul comportamentului navei în condiţiile mediului de navigaţie ideal;-acceptarea unor ipoteze simplificatoare, formule empirice şi date rezultate din

prelucrarea statistică a observaţiilor şi măsurăţorilor efectuate în condiţii de navigaţie reale;-proporţia în care sunt asigurate calităţile nautice, permite aprecierea

comportamentului navei în condiţii de navigaţie reale şi presupune, printre altele:- - aprecierea efectelor negative ale acţiunilor perturbatoare suportate de corpul

navei, asupra funcţionalităţii, la dimensiunea lor adevărată- - modalităţi de proiectare şi tehnologii de construcţie a navelor care să

conducă la corectarea şi înlăturarea efectelor negative

Dintre problemele care preocupă inginerii şi proiectanţii navali privind studiul mişcărilor generale ale navei, se remarcă cele referitoare la:

-înrăutăţirea sau chiar pierderea flotabilităţii, care poate conduce la scufundarea navei (dacă nu sunt asigurate condiţiile de etanşeitate), ca o consecinţa a inundării punţii la intrarea unui bord sau a unei extremităţi sub val;

-pierderea stabilităţii transversale, care poate conduce la răsturnarea navei, cauzată de :- - înclinări periculoase într-un bord determinate de giraţie, în condiţiile unui

grad rdicat de agitaţie a mării;- - oscilaţii de ruliu dure determinate de acţiunea valurilor la rezonanţă;

-înrăutăţirea guvernării navei datorată:- - scăderii manevrabilităţii, sub acţiunea hidrodinamică nefavorabilă a

valurilor asupra cârmei;- - pierderii stabilităţii de drum prin apariţia fenomenului de derivă cauzat de

acţiunile nefavorabile ale v^antului şi a curenţilor marini c^and, din diferite motive, instalaţia de guvernare nu mai poate funcţiona;

- diminuarea calităţilor de marş, datorată:- - înrăutăţirii funcţionării sistemului de propulsie pe întregul lanţ cinematic

(elicele ies din apă şi se învârtesc în gol, la reintarea în apă sunt suprasolicitate şi provoacă şocuri în sistem);

- - reducerii vitezei navei, urmare a creşterii rezistenţei la înaintare şi funcţionării defectuoase a propulsoarelor în condiţii de mare agitată;

- - reducerii autonomiei navei prin creşterea consumurilor energetice;- pierderea calităţii de a efectua oscilaţii line, la impactul puternic dintre corpul navei

şi valuri, având drept consecinţe:- - apariţia răului de mare (însoţit de disconfortul pasagerilor şi personalului

navigant de la bordul navei);- - apariţia vibraţiilor datorate efectelor de slamming (izbirea provei de val),

whipping (izbirea pupei de val) şi slams (şocuri repetate) la impactul nefavorabil cu valurile;

- - înrăutăţirea funcţionării instalaţiilor şi sistemelor auxiliare de bord supuse acţiunilor dinamice şi contactului cu apa ambarcată pe punte;

- afectarea comportamentului elasto-plastic al structurilor de rezistenţă ale corpului navei, datorată:

- - solicitărilor generale şi locale suplimentare;- - slăbirii rezistenţei generale prin oboseală.

În studiul comportamentului pe valuri, un interes deosebit prezintǎ cunoașterea fenomenelor fizice și a legilor care guverneazǎ modul de manifestare al apei – ca mediu în care plutește și se deplaseazǎ nava – atât în repaus cât și în mișcare.

Navigaţia este ştiinţa conducerii unui vehicul (ambarcaţiune / navă în acest caz) prin determinarea poziţiei, traiectoriei şi distanţei parcurse, astfel încât să ajungă dintr-un punct în altul în condiţii de siguranţă şi eficienţă, pe drumul prevăzut.

Caracterizarea stǎrii de repaus și de mișcare a apei

Este cunoscut faptul că, prin intermediul cunoştinţelor de hidrostatică şi hidrodinamică, se poate proiecta, cu relativă uşurinţă, o navă care să aibă asigurate calităţile nautice pe apă liniştită, însă, rareori nava se găseşte în această situaţie de plutire şi mişcare.

De aceea, interesează modalităţile teoretice şi practice prin care pot fi depăşite, în activitatea de proiectare, dar şi în cea de construcţie şi exploatare propriu-zisă, complicaţiile generate de mediul real de navigaţie asupra comportamentului navei.

În funcție de țelurile urmǎrite, literatura de specialitate abordeazǎ aceastǎ problemǎ din puncte de vedere variate, motiv care impune, pentru debutul studiului, rezumarea noțiunilor fundamentale de hidrostaticǎ și hidrodinamicǎ frecvent utilizate.

În naturǎ, materia se manifestǎ prin trei stǎri de agregare – solidǎ, lichidǎ și gazoasǎ – ultimele douǎ caracterizând corpurile materiale numite fluide.

Definiţie: Fluidele sunt corpuri materiale care îndeplinesc următoarele condiţii: între moleculele componente se exercită forţe de atracţie (de coeziune) foarte mici; deplasarea relativă a particulelor din masa lor se face cu uşurinţă, deci nu au formă proprie; sub acţiunea unor forţe relativ mici pot căpăta deformaţii oricât de mari.

Definiţie: considerată ca un mediu continuu, omogen şi izotrop, apa este fluidul cu volum propriu practic incompresibil şi care ia forma vasului în care se află.

În fig.1 se consideră un domeniu oarecare de apă având densitatea ρ, caracterizat de dimensiunile dx , dy , dz şi de masa dM =ρ⋅ dx ⋅ dy ⋅dz

Fig.1Scriind condiţia de echilibru a forţelor masice şi a forţelor de suprafaţă interioare (sau

de presiune) ce acţionează asupra domeniului de apă ales,d FM+d F p=0, (1)

se obţine ecuaţia vectorială care descrie starea de repaus

( 1ρ )∇ p=f M (2)

Proiecţiile pe axele sistemului de coordonate ale ecuaţiei vectoriale (2),

1ρ

∂ p∂ x

=f M x;

1ρ

∂ p∂ y

=f M y;

1ρ

∂ p∂ z

=f M z (3)

sunt cunoscute sub numele de ecuaţiile lui Euler pentru starea de repaus a apei.Observaţie: Complexitatea problemelor referitoare la analiza stării de mişcare a

fluidelor, necesită, pentru rezolvare, acceptarea anumitor ipoteze simplificatoare, adecvate scopurilor urmărite.

După criteriul curgerii, mişcarea fluidelor se poate desfăşura în regim laminar (caracterizat de o structură ordonată a curgerii, în timpul căreia particulele de fluid au traiectorii paralele) sau în regim turbulent (caracterizat de o structură dezordonată a curgerii, în timpul căreia apare fenomenul de pulsaţie a vitezei locale.

După criteriul modelării, fluidele sunt considerate ideale (lipsite de vîscozitate) sau reale (vîscoase), atenţia concentrându-se asupra determinării valorilor vitezelor şi presiunilor realizate în diferite puncte ale curentului de fluid şi la diferite momente.

După criteriul variaţiei în timp a parametrilor, mişcările pot fi nepermanente, semipermanente sau permanente, după cum se realizează sau nu variaţia totală sau parţială în timp, a mărimii, direcţiei şi sensului vectorului viteză şi a presiunii.

După criteriul câmpului vitezelor (se scrie viteza sub forma unui gradient, v=gradφ=∇φ, în condiţiile în care există o funcţie de potenţial, φ, având drept coordonate spaţiul şi timpul), mişcările pot fi potenţiale sau nepotenţiale.

Principalele elemente şi noţiuni ce intervin frecvent în studiul mişcării fluidelor sunt:- Traiectoria particulei – locul geometric al punctelor prin care trece centrul de greutate

al acesteia pe timpul mişcării;- Vârtejul – viteza unghiulară medie de rotaţie a particulei în jurul axei ce trece prin

centrul ei de greutate;- Linia de curent/vârtej – curba C, tangentă la vectorii viteză/vârtej ai particulelor care

se găsesc la un moment dat în punctele Pi∈C;- Tubul de curent/vârtej – suprafaţa definită de liniile de curent/vârtej care trec la un

moment dat prin punctele Pi ale unei curbe închise simple;- Tubul elementar de curent/vârtej – tubul de curent/vârtej a cărui secţiune transversală

mică admite pe ea o distribuţie uniformă a vitezelor/vârtejurilor;- Firul de curent/vârtej – fluidul din interiorul unui tub elementar de curent/vârtej;- Debitul volumetric – volumul de fluid ce trece în unitatea de timp printr-o suprafaţă;- Debitul masic – masa de fluid ce trece în unitatea de timp printr-o suprafaţă;- Debitul gravific – greutatea de fluid ce trece în unitatea de timp printr-o suprafaţă.

Scriind condiţia de echilibru a forţelor masice, a forţelor de suprafaţă interioare sau de presiune şi a forţelor de inerţie ce acţionează asupra domeniului ales,

d FM+d F p+d F i=0 (4)se obţine ecuaţia vectorială care descrie mişcarea ideală

f M−( 1ρ )∇ p=( ∂ v

∂t )+ (v∇ ) v (5)

Proiecţiile pe axele sistemului de coordonate ale ecuaţiei vectoriale (5)

f M x−( 1

ρ )( ∂ p∂ x )=( ∂ v x

∂ t )+v x ( ∂ vx

∂ x )+v y ( ∂ v x

∂ y )+v z( ∂ vx

∂ z );

f M y−( 1

ρ )( ∂ p∂ y )=( ∂ v y

∂ t )+vx ( ∂ v y

∂ x )+v y ( ∂ v y

∂ y )+vz( ∂ v y

∂ z ); (6)

f M z−( 1

ρ )( ∂ p∂ z )=( ∂ v z

∂t )+v x ( ∂ vz

∂ x )+v y( ∂ vz

∂ y )+vz ( ∂ vz

∂ z );sunt cunoscute sub numele de ecuaţiile lui Euler pentru mişcarea ideală a apei.

Scriind condiţia de echilibru a forţelor masice, a forţelor de suprafaţă interioare (sau de presiune), a forţelor de inerţie şi a forţelor de vîscozitate ce acţionează asupra domeniului ales,

d FM+d F p+d F i+d Fv=0 (7)se obţine ecuaţia vectorială care descrie mişcarea reală laminară

f M−( 1ρ )∇ pd−ν ∆ v=( ∂ v

∂ t )+( v∇ ) v (8)

Proiecţiile pe axele sistemului de coordonate ale ecuaţiei vectoriale (8)

f M x−( 1

ρ )( ∂ pd

∂ x )+ν ( ∂2v x

∂ x2+

∂2 v x

∂ y2+

∂2 vx

∂ z2 )=( ∂ v x

∂ t )+v x( ∂ vx

∂ x )+v y ( ∂ vx

∂ y )+vz( ∂ vx

∂ z );

f M y−( 1

ρ )( ∂ pd

∂ y )+ν ( ∂2 v y

∂ x2+

∂2 v y

∂ y2+

∂2 v y

∂ z2 )=( ∂ v y

∂ t )+vx ( ∂ v y

∂ x )+v y ( ∂ v y

∂ y )+vz( ∂ v y

∂ z ); (9)

f M z−( 1

ρ )( ∂ pd

∂ z )+ν ( ∂2 v z

∂ x2+

∂2 v z

∂ y2+

∂2 v z

∂ z2 )=( ∂ v z

∂t )+v x ( ∂ vz

∂ x )+v y( ∂ vz

∂ y )+vz ( ∂ vz

∂ z );sunt cunoscute sub numele de ecuaţiile Navier-Stokes.

Pentru descrierea sa matematică, mişcarea turbulentă se descompune într-o mişcare medie având viteza v şi o mişcare de pulsaţie având viteza v ' , astfel că, lichidul se deplasează cu viteza v=v+v ' .

Ecuaţiile (9) pot fi transpuse pentru mişcarea reală turbulentă dacă se face medierea în timp a fiecărui termen. Se obţine sistemul de ecuaţii (10)

f M x−( 1

ρ )( ∂ pd

∂ x )+ν ∆ vx+1ρ [ ∂

∂ x(−ρ v ' x v ' x )+ ∂

∂ y(−ρ v ' y v ' x )+ ∂

∂ z(−ρ v ' z v ' x )]=( ∂ v x

∂ t )+vx ( ∂ v x

∂ x )+v y( ∂ vx

∂ y )+vz( ∂ v x

∂ z );

f M y−( 1

ρ )( ∂ pd

∂ y )+ν ∆ v y+1ρ [ ∂

∂ x(−ρ v ' x v ' y )+ ∂

∂ y(−ρ v ' y v ' y )+ ∂

∂ z(−ρ v ' z v ' y )]=( ∂ v y

∂t )+v x( ∂ v y

∂ x )+v y( ∂ v y

∂ y )+v z( ∂ v y

∂ z );

(10)

f M z−( 1

ρ )( ∂ pd

∂ z )+ν ∆ v z+1ρ [ ∂

∂ x(−ρ v ' x v ' z )+ ∂

∂ y(−ρ v ' y v ' z )+ ∂

∂ z(−ρ v ' z v ' z )]=( ∂ v z

∂ t )+vx ( ∂ v z

∂ x )+v y( ∂ vz

∂ y )+v z( ∂ vz

∂ z );cunoscut sub numele de ecuaţiile lui Reynolds.