Applicazione codici CFD al caso di Continuous Ballast per una bulk carrier

U S N F

NIVERSITÀ DEGLI TUDI DI APOLI EDERICO II

SCUOLA POLITECNICA E DELLE SCIENZE DI BASE

D I I

IPARTIMENTO DI NGEGNERIA NDUSTRIALE

C L I N

ORSO DI AUREA MAGISTRALE IN NGEGNERIA AVALE

T L M

ESI DI AUREA IN ETODI NUMERICI PER L’ARCHITETTURA NAVALE

Applicazione codici CFD al caso di Continuous Ballast per

una bulk carrier

Relatore:

Ch.mo Prof. Simone Mancini

Ch.mo Prof. Franco Quaranta A A

NNO CCADEMICO 2024 - 2025

Indice delle figure

Figura 1 Schema impianto di una bulk ....................................................................................... 3

Figura 2 Carico senza pompe ..................................................................................................... 5

Figura 3 Carico con pompe ........................................................................................................ 5

Figura 4 Scarico con pompe ....................................................................................................... 6

Figura 5 Scarico con eiettore ...................................................................................................... 6

Figura 6 Trasferimento di specie invasive dovute alla zavorra .................................................. 7

Figura 7 Esempio di biofouling sull'opera viva .......................................................................... 8

Figura 8 Specie invasive: a sinistra varie forme di Plancton e a destra Vibrio cholerae .......... 10

Figura 9 Bulk carrier Alpha Liberty ......................................................................................... 12

Figura 10 Opzioni di rotte per Alpha Liberty ........................................................................... 13

Figura 11 Tariffe di nolo nell'anno 2024-2025 ......................................................................... 14

Figura 12 Tendenze settimanali del numero di bulk (per categoria) in zavorra suddivise per area

geografica ................................................................................................................................. 15

Figura 13 Articoli della BWM .................................................................................................. 17

Figura 14 Annesso e relative regole della BWM ...................................................................... 18

Figura 15 Infografica relativa gli standard D-1 e D-2 .............................................................. 21

Figura 16 Aree di prelievo dei campioni .................................................................................. 25

Figura 17 Campionamento acqua di zavorra in linea e in vasca .............................................. 27

Figura 18 Percentuale ............................................................................................................... 28

Figura 19 Tecnologie di trattamento a bordo e in porto per le acque di zavorra ...................... 30

Figura 20 Rappresentazione di un idrociclone ......................................................................... 34

Figura 21 Metodi di trattamento fisico ..................................................................................... 35

Figura 22 Metodi di trattamento meccanico ............................................................................. 38

Figura 23 Metodi di trattamento chimico ................................................................................. 39

Figura 24 I tre metodi per lo scambio dell'acqua di zavorra (BWE) ........................................ 41

Figura 25 Geometria convenzionale a sinistra e geometria per free ballast a destra................ 42

Figura 26 Differenze tra zavorra convenzionale a sinistra e zavorra a flusso continuo a destra

.................................................................................................................................................. 43

Figura 27 Progetto GTT Shear-Water ....................................................................................... 44

Figura 28 Kairos senza zavorra ................................................................................................ 44

Figura 29 Dimensioni principali e geometria del modello di un'imbarcazione LASH ............ 46

Figura 30 Schema impianto di zavorra continua ...................................................................... 48

Figura 31 Esempio di griglia computazionale .......................................................................... 54

Figura 32 Transizione da moto laminare a turbolento su una lastra piana ............................... 56

Figura 33 Rappresentazione delle componenti del campo delle velocità ................................. 59

Figura 34 Classificazione dei metodi di simulazione della turbolenza .................................... 60

Figura 35 Panoramica dei modelli turbolenti ........................................................................... 61

Figura 36 Distribuzione del comportamento del modello SST nel dominio del flusso ........... 62

Figura 37 Analisi della turbolenza in prossimità della parete .................................................. 63

Figura 38 Distribuzione della velocità in prossimità della parete ............................................ 63

Figura 39 Analisi del flusso in prossimità della parete ............................................................. 64

Figura 40 Regione influenzata dalla viscosità .......................................................................... 64

Figura 41 Wall fuction applicata al substrato viscoso .............................................................. 65

Figura 42 Profilo di velocità adimensionale in un flusso turbolento vicino alla parete .......... 66

Figura 43 Workflow di una simulazione CFD ......................................................................... 66

Figura 44 Piani generali Bulk Carrier ..................................................................................... 71

Figura 45 Rappresentazione schematica dell’impianto di zavorra continuo: vista dall’alto ... 73

Figura 46 Rappresentazione schematica dell’impianto di zavorra continuo: sezione trasversale

.................................................................................................................................................. 73

Figura 47 Geometria dello scafo e dei doppi fondi .................................................................. 74

Figura 48 Semplificazione della geometria dei doppi fondi ................................................... 75

Figura 49 Configurazione degli inlet con relativa assegnazione delle condizioni di ingresso del

fluido ........................................................................................................................................ 77

Figura 50 Configurazione degli outlet con relativa assegnazione delle condizioni di uscita del

fluido ......................................................................................................................................... 78

Figura 51 Mesh ......................................................................................................................... 79

Figura 52 Raffinamento della mesh ......................................................................................... 81

Figura 53 Configurazione di base: doppi fondi vuoti ............................................................... 84

Figura 54 Configurazione: doppi fondi con deviatori del flusso .............................................. 85

Figura 55 Configurazione: doppi fondi con madieri ................................................................ 85

Figura 56 Distribuzione delle linee di corrente per configurazione a doppi fondi

v = 1.5 m/s,

vuoti .......................................................................................................................................... 86

Figura 57 Distribuzione delle linee di corrente per configurazione con deviatori

v = 1.5 m/s,

del flusso ................................................................................................................................... 87

Figura 58 Distribuzione delle linee di corrente per configurazione con madieri

v = 1.5 m/s,

.................................................................................................................................................. 88

Figura 59 Distribuzione delle linee di corrente per configurazione a doppi fondi

v = 2.2 m/s,

vuoti .......................................................................................................................................... 89

Figura 60 Distribuzione delle linee di corrente per configurazione con deviatori

v = 2.2 m/s,

del flusso ................................................................................................................................... 89

Figura 61 Distribuzione delle linee di corrente per configurazione con madieri

v = 2.2 m/s,

.................................................................................................................................................. 90

Figura 62 Distribuzione delle linee di corrente per configurazione a doppi fondi

v = 2.8 m/s,

vuoti .......................................................................................................................................... 90

Figura 63 Distribuzione delle linee di corrente per configurazione con deviatori

v = 2.8 m/s,

del flusso ................................................................................................................................... 90

Figura 64 Distribuzione delle linee di corrente per configurazione con madieri

v = 2.8 m/s,

.................................................................................................................................................. 90

Figura 65 Andamento dei residui per configurazione a doppi fondi vuoti ....... 92

v = 1.5 m/s,

Figura 66 Andamento dei residui per configurazione con deviatori del flusso .. 92

v = 1.5 m/s,

Figura 67 Andamento dei residui per configurazione con madieri ................... 93

v = 1.5 m/s,

Figura 68 Andamento dei residui per configurazione a doppi fondi vuoti ....... 93

v = 2.2 m/s,

Figura 69 Andamento dei residui per configurazione con deviatori del flusso . 94

v = 2.2 m/s,

Figura 70 Andamento dei residui per configurazione con madieri ................... 94

v = 2.2 m/s,

Figura 71 Andamento dei residui per configurazione a doppi fondi vuoti ....... 95

v = 2.8 m/s,

Figura 72 Andamento dei residui per configurazione con deviatori del flusso . 95

v = 2.8 m/s,

Figura 73 Andamento dei residui per configurazione con madieri ................... 96

v = 2.8 m/s,

Figura 74 Zone d’ombra doppi fondi vuoti a v=1.5 m/s ........................................................ 98

Figura 75 Zone d’ombra con deviatori a v=1.5 m/s ................................................................ 99

Figura 76 Zone d’ombra con madieri a v=1.5 m/s .................................................................. 99

Figura 77 Zone d’ombra doppi fondi vuoti a v=2.2 m/s ....................................................... 100

Figura 78 Zone d’ombra con deviatori a v=2.2 m/s .............................................................. 100

Figura 79 Zone d’ombra con madieri a v=2.2 m/s ................................................................ 100

Figura 80 Zone d’ombra a v=2.8 m/s .................................................................................... 101

Figura 81 Zone d’ombra con deviatori a v=2.8 m/s .............................................................. 101

Figura 82 Zone d’ombra con madieri a v=2.8 m/s ................................................................ 102

Figura 84 Magnitude delle particelle “no buoyancy” ............................................................. 109

Figura 85 Distribuzione delle particelle all’interno della cassa 1 .......................................... 109

Figura 86 Sovrapposizione tra linee di corrente e particelle traccianti all’interno della cassa 4

................................................................................................................................................ 110

Figura 87 Sovrapposizione tra linee di corrente e particelle traccianti all’interno della cassa 1

................................................................................................................................................ 110

Figura 88 Sistemazione impianto di svuotamento statico ..................................................... 114

Figura 89 Sistemazione pompa e condotte per il doppio fondo 1 ......................................... 114

Figura 90 Sistemazione pompa e condotte per il doppio fondo 1 vista dall’alto ................... 115

Figura 91 Costo medio del bunker oil dal 2008 al 2018 ........................................................ 123

Figura 92 Andamento dei costi totali in funzione del diametro delle tubazioni ..................... 124

Figura 93 Diagramma di layout delle pompe centrifughe serie Etanorm-RSY ..................... 127

Figura 94 NPSH reale della pompa scelta .............................................................................. 128

Figura 95 Ingombri della sola pompa centrifuga ................................................................... 130

Figura 96 Ingombri del motore elettrico................................................................................. 131

Figura 97 Quote ingombri gruppo elettropompa .................................................................... 131

Figura 98 Macro utilizzata su Autohydro per l’analisi quasi-statica: svuotamento d.f. e

riempimento stive ................................................................................................................... 139

Figura 99 Macro utilizzata su Autohydro per l’analisi quasi-statica: riempimento d.f. e

svuotamento stive ................................................................................................................... 143

Indice delle tabelle

Tabella 1 Numero dei campioni prelevati per le prove di conformità e messa in servizio ...... 26

Tabella 2 Vantaggi e svantaggi dei tre metodi .......................................................................... 51

Tabella 3 Confronto tra i principali approcci di simulazione della turbolenza ........................ 57

Tabella 4 Confronto tra modelli di turbolenza RANS .............................................................. 58

Tabella 5 Parametri principali Bulk Carrier ............................................................................. 71

Tabella 6 Identificazione e costruzione della nave ................................................................... 71

Tabella 7 Parametri utilizzati per la discretizzazione della geometria ..................................... 80

Tabella 8 Numero di celle della mesh al variare della configurazione ..................................... 80

Tabella 9 Valori delle tre velocità analizzate ............................................................................ 83

Tabella 10 Confronto portate in ingresso e in uscita a ....................................... 97

= 1.5 /

Tabella 11 Confronto portate in ingresso e in uscita a ........................................ 97

= 2.2 /

Tabella 12 Confronto portate in ingresso e in uscita a ........................................ 97

= 2.8/

Tabella 13 Parametri vorticità e volumi coinvolti a ........................................... 99

= 1.5 /

Tabella 14 Parametri vorticità e volumi coinvolti con deviatori a ..................... 99

= 1.5 /

Tabella 15 Parametri vorticità e volumi coinvolti con madieri .......................... 99

= 1.5 /

Tabella 16 Parametri vorticità e volumi coinvolti ............................................ 100

= 2.2 /

Tabella 17 Parametri vorticità e volumi coinvolti con deviatori ...................... 100

= 2.2 /

Tabella 18 Parametri vorticità e volumi coinvolti con madieri ........................ 101

= 2.2 /

Tabella 19 Parametri vorticità e volumi coinvolti ............................................ 101

= 2.8 /

Tabella 20 Parametri vorticità e volumi coinvolti con deviatori ...................... 101

= 2.8 /

Tabella 21 Parametri vorticità e volumi coinvolti con madieri a ..................... 102

= 2.8 /

Tabella 22 Valori delle portate estrapolate dalle simulazioni ................................................. 103

Tabella 23 Valori delle portate teoriche .................................................................................. 104

Tabella 24 Calcolo dei tempi di svuotamento a ................................................ 104

= 1.5 /

Tabella 25 Calcolo dei tempi di svuotamento a ................................................ 104

= 2.2 /

Tabella 26 Calcolo dei tempi di svuotamento a ................................................ 105

= 2.8 /

Tabella 27 Calcolo delle miglia percorse dalle specie aliene a diverse velocità .................... 105

Tabella 28 Calcolo della prevalenza richiesta dal sistema nel punto di aspirazione .............. 116

Tabella 29 Calcolo della prevalenza disponibile nel punto di prelievo .................................. 116

Tabella 30 Calcolo della massima perdita di carico accettabile nell'impianto ....................... 117

Tabella 31 Scelta dei diametri in esame ................................................................................. 117

Tabella 32 Singolarità geometriche delle condotte ................................................................. 118

Tabella 33 Calcolo delle perdite di carico per e ............................................... 118

Ф300 Ф350

Tabella 34 Calcolo delle perdite di carico e ...................................................... 118

Ф400 Ф450

Tabella 35 Calcolo delle perdite di carico per ............................................................. 119

Ф500

Tabella 36 Calcolo riserva di energia teorica al variare del diametro .................................... 119

Tabella 37 Stima dei costi iniziali di investimento ................................................................. 120

Tabella 38 Calcolo della potenza idraulica ............................................................................. 121

Tabella 39