Distribuzione della velocità del fluido nelle casse di una bulk carrier tramite codici CFD

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

Distribuzione di una bulk

della velocità del fluido nelle casse

carrier tramite codici CFD

Relatore:

Ch.mo Prof. Simone Mancini

Ch.mo Prof. Franco Quaranta A A

NNO CCADEMICO 2024 - 2025

+

• Il buffer layer è la regione di transizione tra la regione dominata dalla

(5 < < 30):

viscosità e la parte del flusso dominata dalla turbolenza. Gli sforzi viscosi e turbolenti sono di

magnitudine simile e, per questo, il profilo di velocità non è ben definito e ci si dovrà tenere

lontani da questa zona nella simulazione. ([28])

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

5.6 Processo di simulazione CFD

Il workflow di una simulazione CFD segue una struttura abbastanza standard,

indipendentemente dal software utilizzato. È organizzato in macro-fasi fondamentali, ciascuna

delle quali risponde a specifiche domande che, se trascurate, compromettono la possibilità di

ottenere una soluzione valida.

Figura 43 Workflow di una simulazione CFD 66

Queste fasi sono tre:

1. Pre-processing: questa è la fase più lunga e delicata del processo, spesso rappresenta

fino al 90% del tempo totale della simulazione e dipende fortemente dall’esperienza e

dalle scelte dell’operatore.

Geometria: il punto di partenza è sempre il modello CAD, importato da formati comuni

• come IGES, STEP, STL o Parasolid.

Fisica e modelli: in questa fase si imposta la discretizzazione dello spazio e del tempo,

• selezionando i modelli fisici da applicare (ad esempio: trasporto di calore,

compressibilità, viscosità, turbolenza) e il tipo di simulazione (steady o unsteady).

Mesh: nel CFD si lavora sia con mesh volumetriche (per il dominio di calcolo) sia

• superficiali (per le superfici del modello). La mesh può essere strutturata o non

strutturata, a seconda della geometria e della precisione richiesta. Una volta completata

la mesh, si è definita una parte sostanziale del problema.

Condizioni al contorno e iniziali: è qui che si definisce come il sistema interagirà con

• l’ambiente esterno e da quale stato iniziale parte la simulazione. È anche possibile

selezionare grandezze da monitorare nel tempo per l’analisi successiva.

2. Processing

In questa fase entra in gioco la potenza di calcolo del computer. Il ruolo dell’operatore si riduce

principalmente al monitoraggio della simulazione:

Convergenza: se i residui crescono troppo o la simulazione si blocca, occorre tornare

• al pre-processing per rivedere mesh, condizioni o modelli.

Simulazioni unsteady: il software calcola la soluzione passo dopo passo (time-step),

• effettuando un certo numero di iterazioni interne per ogni intervallo Δt (tipicamente 3–

10 per step).

Simulazioni steady: il tempo non varia e la soluzione converge verso uno stato

• stazionario, con un numero elevato di inner-iterations (anche 500–5000) per

raggiungere la convergenza. 67

3. Post-processing

Questa è la fase di visualizzazione e analisi dei risultati, spesso effettuata con strumenti di

colorazione dei campi di flusso (da cui l’espressione colorful fluid dynamics). È qui che si

interpretano i dati ottenuti: campi di velocità, pressione, temperature, traiettorie, linee di

corrente, ecc. per valutarne la coerenza fisica e confrontarli con dati sperimentali o requisiti di

progetto. ([29]) ([28]) ([30]) 68

Capitolo 6: Sistema di zavorra continua per una bulk

carrier Cape Size

6.1 Obiettivi dell’analisi

L’interesse per la crescente diffusione di specie aliene attraverso l’acqua di zavorra e la

necessità di ridurre l’impatto ambientale associato a tale fenomeno hanno motivato l’analisi di

un sistema alternativo di gestione della zavorra, in grado di contribuire concretamente alla

salvaguardia degli ecosistemi marini.

Questa tesi si propone di studiare e valutare un sistema di zavorra continua, ispirato al concetto

di Free Ballast, brevettato nel 2004 ma ad oggi mai applicato su navi operative. Il sistema

sfrutta la differenza di pressione tra prua e poppa per riempire i doppi fondi durante la

navigazione, eliminando l’impiego di pompe in mare aperto, e prevede un ricircolo d’acqua

locale per ridurre al minimo il rischio di contaminazione biologica tra porti.

Gli obiettivi specifici del lavoro sono:

• Studio idrodinamico all’interno dei doppi fondi mediante simulazioni CFD

Distribuzione delle linee di corrente

o Analisi dei residui e valutazione delle portate

o Analisi delle zone vorticose

o Valutazione dello spazio percorso dai microorganismi

o Analisi del tracciante

o

• Gestione e dimensionamento del sistema di svuotamento statico

Scelta delle condotte

o Scelta dell’elettropompe

o

Analisi di stabilità in porto durante le operazioni di carico e scarico del carico pagante

• e della zavorra; i risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli riportati nello Stability

Booklet della nave in esame. 69

6.2 Nave in esame

Alpha Liberty è una nave bulk carrier di classe Capesize, costruita nel 2011 presso i cantieri

Hyundai Heavy Industries in Corea del Sud. Registrata sotto bandiera greca, questa nave è

progettata per il trasporto di grandi quantità di merci sfuse come minerale di ferro, carbone e

cereali.

Con una lunghezza di circa 292 metri, una larghezza di 45 metri e una portata lorda (DWT) di

circa 179.276 tonnellate, la Alpha Liberty rappresenta un esempio di nave di grande capacità,

destinata principalmente a rotte oceaniche di lungo raggio. A causa delle sue dimensioni, la

nave non può transitare attraverso i canali di Panama o Suez, ed è quindi costretta a seguire

rotte che aggirano i grandi capi continentali.

Il pescaggio massimo estivo è di circa 18,22 metri, consentendo di trasportare carichi pesanti

in porti attrezzati per accogliere navi di questa categoria. La nave è dotata di motorizzazione

diesel ad alta efficienza, studiata per ottimizzare i consumi durante le lunghe traversate.

Alpha Liberty svolge un ruolo chiave nel trasporto internazionale di materie prime fondamentali

per l’industria pesante e l’energia, collegando principalmente i mercati di Brasile, Australia,

Sudafrica e Cina. ([31]) ([32])

Come già accennato nel primo capitolo, la nave può percorre diverse rotte:

Brasile-Cina: trasporto di minerale di ferro dal Brasile ai porti cinesi.

• Australia-Cina: trasporto di carbone e minerale di ferro.

• Sudafrica-Cina: trasporto di carbone.

• Sudafrica-Europa: trasporto di minerale di ferro e altri materiali.

• 70

IMO 9590709

BANDIERA Grecia

ANNO DI COSTRUZIONE 2011

Hyundai Heavy

CANTIERE DI COSTRUZIONE Industries, Ulsan, Corea

del Sud

Tabella 6 Identificazione e costruzione della

Tabella 5 Parametri principali Bulk Carrier nave

A livello strutturale presenta nove stive da carico e sette paratie stagne che delimitano sei zone

del doppio fondo. Di seguito, nella Figura 46, si riporta la compartimentazione della nave:

Figura 44 Piani generali Bulk Carrier 71

6.3 Descrizione del sistema proposto

Come già introdotto nel Capitolo 4, il sistema descritto è un impianto passivo per il riempimento

delle casse di zavorra, progettato per sfruttare la differenza di pressione idrodinamica generata

dal moto di avanzamento della nave. La configurazione del sistema è la seguente:

Fori di Ingresso (Inlet): Sono presenti due aperture circolari del diametro di 3 metri

• ciascuna, posizionate nel gavone prodiero. Questi fori si trovano ad una profondità di 1

metro al di sotto del pelo libero, in condizioni di immersione a piena zavorra, e 2 metri

lateralmente rispetto al piano diametrale della nave. La collocazione è stata studiata per

massimizzare l’effetto della sovrapressione generata dalla velocità relativa tra la nave e

l’acqua marina circostante nella zona di prua.

Rete di Distribuzione: Dalle aperture di ingresso, l’acqua marina viene convogliata

• attraverso un sistema di condotte rigide. Sono presenti cinque tubazioni per ciascun lato

dello scafo, progettate per mettere in comunicazione diretta il compartimento prodiero

con ciascuno dei compartimenti dei doppi fondi. Questa configurazione consente una

distribuzione capillare e simmetrica del flusso idrico lungo tutta la lunghezza utile della

nave.

Fori di Uscita (Outlet): Ogni singola cassa di zavorra, ricavata nei doppi fondi, è dotata

• di fori di scarico posizionati sul fondo. Tali aperture permettono all'acqua di fuoriuscire

in modo continuo, mantenendo così un costante ricambio del fluido all’interno delle

casse. Questo meccanismo garantisce l’eliminazione di eventuali accumuli stagnanti e

contribuisce al mantenimento di condizioni idrodinamiche favorevoli.

Principio di Funzionamento: L’intero sistema opera senza l’ausilio di pompe

• meccaniche, affidandosi esclusivamente alla differenza di pressione che si instaura tra

la zona di ingresso (alta pressione in prua) e quella di uscita (pressione più bassa lungo

lo scafo e a poppa) durante la navigazione. Tale gradiente di pressione consente un

flusso naturale e continuo dell’acqua marina, che entra dai fori anteriori e viene

distribuita per gravità e pressione nelle varie casse.

Dispositivi di Regolazione: Per assicurare una corretta gestione del riempimento e della

• distribuzione dell’acqua di mare, il sistema è dotato di valvole di sezionamento installate

lungo le condotte principali. Questi dispositivi consentono di isolare o abilitare

selettivamente il riempimento delle singole casse, permettendo un controllo preciso

72

sulla stabilità longitudinale e trasversale dell’unità, oltre che sulla gestione delle

condizioni di zavorramento durante le varie fasi operative.

Di seguito si riporta la schematizzazione dell’impianto:

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

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

6.3.1 Geometria del dominio simulato

Per effettuare una simulazione accurata del comportamento idrodinamico all’interno dei doppi

fondi, si rende necessario procedere alla ricostruzione tridimensionale dettagliata dei

compartimenti interni della nave mediante l’impiego del software Rhinoceros. Tale

modellazione digitale è stata sviluppata con l’obiettivo di aderire il più possibile alla

configurazione reale della nave, così come definita nei piani generali forniti in fase progettuale.

73

In particolare, l’attenzione è stata rivolta alla definizione geometrica del gavone prodiero e dei

doppi fondi, considerati elementi fondamentali per l’analisi del moto e della distribuzione del

fluido all’interno della struttura. Questi volumi sono stati riprodotti con precisione, rispettando

le dimensioni, le proporzioni e la disposizione spaziale originarie, al fine di garantire una

coerenza tra il modello virtuale e la configurazione fisica dell’unità navale.

La fedeltà della modellazione costituisce un presupposto essenziale per l’affidabilità delle

successive analisi computazionali, in quanto influisce direttamente sulla qualità dei risultati

ottenuti nelle simulazioni fluidodinamiche, sia in regime transitorio che stazionario.

Figura 47 Geometria dello scafo e dei doppi fondi

Ai fini della simulazione numerica condotta tramite il software STAR-CCM+, si è resa

necessaria una semplificazione geometrica del modello dei doppi fondi, al fine di ottimizzare

le risorse computazionali senza compromettere in maniera significativa la qualità e l’affidabilità

dei risultati ottenuti.

In particolare, sono state omesse le casse basse, ritenute secondarie per l’analisi fluidodinamica

in oggetto, in quanto il loro contributo alla dinamica generale del flusso risulta trascurabile nel

contesto delle condizioni operative simulate. Inoltre, per ridurre ulteriormente la complessità

del dominio computazionale, è stata operata una fusione del secondo e del terzo doppio fondo

in un unico volume continuo, mantenendo comunque le caratteristiche essenziali per

rappresentare correttamente il comportamento del fluido all’interno del sistema.

Queste semplificazioni hanno consentito di contenere il costo computazionale, riducendo sia i

tempi di calcolo che il carico di memoria richiesto, e rendendo così possibile una maggiore

efficienza nella fase di simulazione, pur mantenendo un buon grado di attendibilità nelle

previsioni del modello numerico. 74

Di seguito si riporta la seguente schematizzazione:

Figura 48 Semplificazione della geometria dei doppi fondi

6.4 Condizioni al contorno e assunzioni

Una volta completata la modellazione CAD della geometria, il file è stato esportato nel formato

STEP e successivamente importato all’interno dell’ambiente di calcolo del software STAR-

CCM+, al fine di predisporre la simulazione fluidodinamica.

La fase di pre-processing, oltre all’importazione della geometria prevede:

Configurazione del modello fisico

1. Generazione della mesh

2.

6.4.1 Configurazione del modello fisico

È stato impostato un approccio stazionario (steady-state), in linea con le condizioni operative

del sistema durante la navigazione, caratterizzate da un regime di flusso stabile e continuo, in

quanto il comportamento dell'acqua all'interno dei doppi fondi si stabilizza rapidamente,

soprattutto durante la navigazione costante. Le pressioni a prua e poppa non cambiano in modo

significativo nel tempo, per cui il flusso può essere considerato quasi stazionario.

È stato attivato il modello di flusso incomprimibile, poiché le velocità coinvolte risultano

nettamente inferiori alla velocità del suono, e le variazioni di densità del fluido (acqua) e

viscosità sono trascurabili. 75

Per rappresentare correttamente gli effetti viscosi e le turbolenze presenti all’interno delle

condotte e delle casse è stato adottato il modello k-ω SST (Shear Stress Transport), appartenente

alla famiglia dei modelli RANS a due equazioni. Tale scelta è motivata dalla necessità di

descrivere con elevata accuratezza il comportamento del flusso in prossimità delle pareti, nelle

condotte strette e all’interno delle casse di zavorra, dove si sviluppano zone di separazione e

ricircolo. Il modello k-ω SST combina i vantaggi dei due modelli più utilizzati: impiega la

formulazione k-ω vicino alle pareti, per una maggiore sensibilità ai gradienti viscosi e al

comportamento dello strato limite, mentre transisce verso la formulazione k-ε nel campo libero,

migliorando la stabilità numerica e l’affidabilità nella previsione del flusso principale. Questo

approccio ibrido consente di ottenere previsioni più accurate nelle zone di separazione e nei

regimi transitori interni alle geometrie complesse, tipiche del sistema di zavorra analizzato.

Il modello di gravità, applicato lungo la direzione verticale, per tener conto dell’effetto del peso

dell’acqua sul riempimento delle casse.

Per la risoluzione numerica delle equazioni di Navier-Stokes è stato adottato un approccio

segregato (segregated flow), disponibile all’interno del solutore di STAR-CCM+. Questo

metodo prevede la soluzione separata e iterativa delle equazioni di moto (pressione e

componenti della velocità), consentendo un utilizzo più efficiente delle risorse computazionali

rispetto all’approccio accoppiato (coupled flow), specialmente in presenza di geometrie

complesse e flussi incomprimibili. La scelta dell’approccio segregato è risultata particolarmente

adatta al problema in esame, caratterizzato da un flusso stazionario, privo di discontinuità

impulsive, in regime turbolento e confinato. Il metodo garantisce una buona stabilità numerica,

mantenendo tempi di calcolo contenuti e una discreta velocità di convergenza, soprattutto se

combinato con un mesh adeguatamente raffinata nelle zone di gradiente e con un modello di

turbolenza compatibile. Durante la simulazione, le equazioni sono state risolte in sequenza per

ogni iterazione, fino al raggiungimento della convergenza dei residui e della stabilità delle

variabili principali, come pressione, velocità e turbolenza.

Le condizioni al contorno sono state definite sulla base del comportamento idrodinamico del

sistema durante la navigazione.

In corrispondenza delle sezioni di ingresso al gavone di prua è stata impostata una condizione

di Velocity Inlet, con un valore uniforme pari a 2.2 m/s, ottenuto dalla simulazione preliminare

di rimorchio. Questo valore rappresenta la velocità del flusso incidente generato dal moto della

76

nave a circa 10.5–11 nodi, che si traduce in una depressione dinamica sufficiente a innescare il

riempimento dei doppi fondi tramite pressione differenziale.

Per le uscite delle singole casse di zavorra è stata assegnata una condizione al contorno di tipo

Pressure Outlet, impostando una pressione statica relativa pari a 0 Pa. Tale valore è stato scelto

assumendo che, in corrispondenza della superficie di uscita, il fluido abbia raggiunto

nuovamente uno stato di quiete o di equilibrio con l’ambiente circostante. In altre parole, si

ipotizza che, oltre l’outlet, il fluido non sia più soggetto a significative perturbazioni o

variazioni di pressione, consentendo così di considerare il punto come una zona a pressione

ambiente o neutra. Questa assunzione semplifica il modello numerico, permettendo una

simulazione più stabile e realistica del comportamento