La simulazione avanzata aiuta a risolvere l'acqua di zavorra

Oct 21, 2023

Di Tobias Zorn, Jan Kaufmann, FutureShip e Milovan Peric, CD-adapco 13 febbraio 2013

La gestione dell'acqua di zavorra pone problemi nella progettazione e nel funzionamento delle navi. La fluidodinamica computazionale (CFD) offre soluzioni con progettazione, omologazione e risoluzione dei problemi.

La fluidodinamica computazionale (CFD) denota collettivamente tecniche per risolvere equazioni che descrivono la fisica del flusso dei fluidi. La CFD è ormai ampiamente conosciuta e accettata nel settore marittimo, ma per lo più associata ai flussi attorno allo scafo e alle eliche, ad esempio nel contesto della progettazione di navi più efficienti in termini di consumo di carburante. Tuttavia, la CFD è per molti versi molto più versatile dei test su modelli classici. Lo stesso software può essere applicato a una varietà di flussi, compresi anche problemi di flusso interno. Un vantaggio chiave dei CFD è la comprensione dei dettagli del flusso. Poiché le quantità di flusso vengono calcolate (e archiviate) in molte posizioni discrete nello spazio (celle computazionali) e per molti passaggi temporali, è facile nella post-elaborazione osservare sezioni trasversali arbitrarie e ingrandire e rimpicciolire a piacimento. I sistemi di gestione delle acque di zavorra sono diventati sotto i riflettori per gli operatori navali con le recenti normative IMO che guidano la transizione verso la gestione delle acque di zavorra per frenare la diffusione di specie invasive. Ma a parte le particolarità delle nuove normative, la gestione delle acque di zavorra può rappresentare una sfida per gli operatori navali in cui entrano in gioco i vantaggi delle simulazioni CFD. I seguenti casi di studio illustrano problemi e soluzioni tratti dall'esperienza del settore.

Caso di studio 1: Omologazione basata su CFD L'acqua di zavorra delle navi trasporta piante e animali che spesso si stabiliscono in regioni marittime straniere, rappresentando un pericolo per l'ambiente acquatico autoctono e causando potenzialmente gravi danni ecologici, sanitari ed economici. Il crescente traffico navale ha aumentato notevolmente questa minaccia. La "Convenzione internazionale per il controllo e la gestione dell'acqua di zavorra e dei sedimenti delle navi" dell'IMO richiede un piano di gestione dell'acqua di zavorra. A partire dal 2016 tutte le navi dovranno basare la gestione delle acque di zavorra sul trattamento delle acque di zavorra. Se questo trattamento si basa su approcci chimici, la miscelazione rapida ed efficace del componente chimico con l'acqua di zavorra è fondamentale per ottenere una concentrazione omogenea del biocida. Per l'omologazione di nuovi sistemi, le simulazioni possono essere uno strumento prezioso. In un caso, FutureShip ha simulato la miscelazione di cloro e acqua di zavorra nei tubi durante l'operazione di zavorra. Le simulazioni CFD sono state utilizzate per determinare la lunghezza necessaria del tubo della zona di miscelazione per garantire una miscelazione omogenea. Le simulazioni hanno dimostrato che la miscelazione nel progetto iniziale era inefficiente. Modifiche molto semplici ed economiche della geometria dell'ingresso sono servite ad aumentare significativamente il livello di turbolenza con una conseguente lunghezza del tubo molto più breve per una miscelazione completa. La Figura 1 mostra le linee di calcolo e la concentrazione di cloro nel tubo di miscelazione risultanti da una di queste simulazioni. Le autorità hanno accettato le simulazioni come prova tecnica per l'omologazione.Caso studio 2: Sedimenti dell'acqua di zavorra I sedimenti tendono a raccogliersi nei serbatoi dell'acqua di zavorra. Riducono la portata lorda (carico utile), limitano il flusso d'acqua ritardando così lo scarico della zavorra e aumentano il pescaggio con conseguente aumento del consumo di carburante. Per una nave portarinfuse Capesize, l'armatore desiderava ridurre l'accumulo di sedimenti e ha incaricato FutureShip di analisi dettagliate e suggerimenti per la riprogettazione al fine di ridurre al minimo la sedimentazione dei sedimenti nelle cisterne di zavorra. In questo caso, i sedimenti reali non sono stati modellati. Invece, le conoscenze ingegneristiche facilitano la simulazione. I sedimenti si depositano in regioni a bassa velocità dell'acqua, come si trova tipicamente nelle aree di ricircolo e di ristagno del flusso; queste sono comunemente chiamate regioni di acqua morta. La Figura 2 mostra i sedimenti in un vero serbatoio di acqua di zavorra. Le simulazioni a due fasi (acqua e aria) del flusso nelle cisterne di zavorra hanno innanzitutto identificato le aree di acqua morta corrispondenti all'accumulo di sedimenti osservato nel progetto originale. La Figura 3 mostra la distribuzione della velocità calcolata vicino alla parete inferiore. Successivamente, varie alternative progettuali per i serbatoi dell'acqua di zavorra hanno esplorato le variazioni della spaziatura e dei ritagli degli irrigidimenti. Le simulazioni hanno identificato il progetto alternativo con il minimo sedimentamento dei sedimenti (ovvero le regioni più piccole di acque morte) per i futuri ordini di navi portarinfuse.