Modelação numérica da propagação de ondas e do comportamento de navios amarrados no interior de portos

Abstract

Na presente dissertação, desenvolveu-se uma metodologia para caracterização do movimento de um navio amarrado no interior de portos na presença de um campo de ondas. Esta metodologia consiste em utilizar vários modelos numéricos para caracterizar convenientemente: a) a propagação das ondas desde o largo até ao local de acostagem; b) a modificação das características das ondas no interior do porto; c) a ação das ondas sobre o navio; d) a resposta do navio; e) as forças resultantes no sistema de marração. Os modelos utilizados são: · SWAN: modelo não linear espectral para simular a propagação de ondas em zonas costeiras extensas; · DREAMS: modelo linear para simular a propagação de ondas em zonas costeiras abrigadas; · BOUSS-WMH: modelo não linear para simular a propagação de ondas regulares e irregulares em zonas costeiras abrigadas; · GMALHA: gerador de malhas de elementos finitos triangulares; · WAMIT®: que resolve, no domínio da frequência, os problemas de radiação e de difração na interação de um corpo flutuante livre com as ondas; · NPP: gerador de painéis planos sobre o casco do navio; · HYDRO: que transforma os resultados da interação do corpo flutuante livre com as ondas do domínio da frequência para o domínio do tempo; · BAS: que resolve as equações de movimento de um navio amarrado. O desempenho do modelo BOUSS-WMH, em situações de grande não linearidade, foi analisado através da simulação de quatro casos de teste também simulados em laboratório. O BOUSS-WMH provou ser um modelo robusto capaz de representar a deformação da superfície livre de forma adequada, embora, em zonas com forte não linearidade, tenha apresentado algumas limitações, nomeadamente na formação de harmónicas de ordem superior à terceira. Verificou-se que os resultados numéricos tendiam a sobrestimar os valores da altura de onda em zonas pouco profundas. Para minorar estas limitações e tornar o modelo mais robusto, fiável e adequado para ser aplicado em casos reais, foram adicionados e implementados novos termos às equações do modelo BOUSS-WMH, nomeadamente, a reflexão parcial, o atrito de fundo e a rebentação (fenómenos físicos inerentes às águas pouco profundas e zonas confinadas). A reflexão parcial foi implementada a partir da adição de um termo de viscosidade na equação de conservação da quantidade de movimento. O modelo com reflexão parcial foi aplicado a dois casos de teste, sendo um deles um caso real (Porto de Vila do Porto, ilha de Santa Maria, Açores), e os resultados foram comparados com medições em ensaios em modelo físico. Verificou-se que a implementação da reflexão parcial diminui em 44% o erro médio quadrático face à simulação com fronteiras totalmente refletoras. O atrito de fundo foi implementado a partir da adição de um termo representativo da tensão tangencial de fundo à equação de conservação da quantidade de movimento. O modelo com atrito de fundo foi aplicado a dois casos de teste, sendo um deles um caso real (Praia de Faro). Verificou-se que a introdução do atrito de fundo dissipa energia como pretendido e reduz as instabilidades numéricas. A rebentação foi implementada com a introdução de um termo de viscosidade turbulenta. Dois critérios distintos foram introduzidos para definir o início e o final da rebentação: a) FSA, baseado na aceleração da elevação da superfície livre; b) RTFN, baseado no número Froude relativo da cava. O modelo com rebentação foi aplicado a três casos de teste estudados em laboratório. A comparação dos resultados do modelo com as medições dos ensaios físicos permite dizer que, de um modo geral, o modelo numérico simula muito bem a localização da rebentação, bem como a dissipação de energia a ela associada. O critério de rebentação baseado no método de RTFN tende a sobrestimar a altura das ondas, mas apresenta índices de concordância maiores do que os obtidos com o critério FSA. A vantagem deste método reside no menor número de parâmetros a calibrar. Os resultados alcançados foram muito bons, dada a complexidade do fenómeno de rebentação das ondas e a simplicidade dos termos utilizados na sua modelação. O gerador GMALHA também foi alvo de melhoramentos nos algoritmos de geração, de forma a possibilitar a existência de ilhas no interior do domínio de cálculo. O modelo numérico WAMIT® foi desenvolvido para aplicações em mar aberto sem muitas estruturas refletoras próximas do navio. Todas as estruturas devem ser discretizadas, o que aumenta exponencialmente o esforço computacional exigido, e são obrigatoriamente totalmente reflectoras. Ora esta é uma limitação importante quando se está no interior de um porto, primeiro devido às dimensões e depois devido às fronteiras parcialmente refletoras. Assim, o modelo WAMIT® foi modificado de modo a incluir as características das ondas modeladas previamente com um dos modelos de propagação. Foram desenvolvidas duas novas rotinas HASK_D e HASK_B, respetivamente para o modelo linear DREAMS e para o modelo não linear BOUSS-WMH. Estas rotinas e as modificações ao modelo WAMIT® foram validadas com a aplicação a casos simples onde o modelo WAMIT® original também podia ser aplicado. A presença de um campo de ondas difratadas pela presença de uma estrutura fixa foi simulada com sucesso. Existem diferenças pouco significativas, principalmente nas altas frequências. Uma explicação para estas diferenças relaciona-se com o facto de que as ondas com períodos baixos apresentam maiores instabilidades numéricas à medida que diminui o número de pontos por comprimento de onda na malha de elementos finitos. Com o intuito de facilitar o tratamento da informação, que, num estudo deste género, tem um volume e complexidade consideráveis, foram desenvolvidas interfaces para cada um dos modelos e estes foram acoplados numa ferramenta integrada – SWAMS – Simulation of Wave Action on Moored Ships. A ferramenta SWAMS facilita a execução dos modelos numéricos e a interligação entre eles é simplificada e automatizada. Finalmente, a ferramenta SWAMS foi validada ao ser aplicada a dois casos reais (Porto de Leixões e Porto de Sines). O primeiro caso simulado foi o de um navio amarrado no Terminal 3 do Porto de Leixões. Os resultados de ensaios em modelo físico foram utilizados para validar o SWAMS. Foi possível identificar, através das simulações numéricas, que alguns parâmetros, necessitavam de ser calibrados. Constatou-se que, uma análise de sensibilidade, não só aos parâmetros, mas também a pequenas variações nas caraterísticas das ondas, deve sempre acompanhar um estudo desta natureza. Verificou-se que os resultados numéricos, obtidos com o SWAMS, são muito semelhantes aos ensaios físicos, em termos de períodos e amplitudes das oscilações dos movimentos e das forças. O erro relativo das forças máximas no sistema de amarração é, salvo raras exceções, muito baixo. O amortecimento do navio, devido ao sistema de amarração, é bem simulado pelo SWAMS. A comparação dos resultados do SWAMS com os que se obteriam utilizando o modelo WAMIT® original, com uma parede vertical junto ao navio, mostra uma melhoria muito significativa. Confirmou-se que a representação física das fronteiras do porto e da sua envolvente influenciam os resultados obtidos e permitem obter uma maior aproximação à realidade. Concluiu-se ainda que a resposta de um navio amarrado no interior de um porto pode ser subestimada se não forem consideradas todas as transformações lineares e não lineares das ondas inerentes ao facto de estarem confinadas entre fronteiras refletivas e praias onde a profundidade é progressivamente decrescente. O segundo caso simulado foi o de um navio amarrado no Terminal XXI do Porto de Sines. Foi estabelecido o regime de agitação em frente ao molhe leste a partir dos registos na boia Sines1D transferidos com o modelo numérico SWAN. Foram analisadas as condições de agitação ao longo do cais acostável para 3 alternativas (alt1, alt2 e alt3) da configuração do quebra-mar que protege o Terminal. Analisaram-se os movimentos de um navio amarrado no posto 1 e forças no sistema de amarração para essas alternativas. Utilizou-se o modelo BOUSS-WMH para propagar o estado de agitação verificado ao largo (medido na boia) num dia em que foram relatados problemas de movimentos excessivos de navios. Verificou-se que as alterações propostas, apesar de diminuírem a agitação no seu interior, levam a um aumento das forças no sistema de amarração do navio. Desta forma, o que parece ser uma medida para reduzir a agitação marítima no interior do porto, tem o efeito contrário devido a fenómenos ressonantes e consequente amplificação das alturas de onda. Foi também efetuado um estudo de ressonância com ondas longas. Analisaram-se alguns dias específicos em que ocorreram problemas de movimentos excessivos e cabos partidos nos navios. Os períodos medidos no marégrafo (instalado próximo ao posto1) naqueles dias coincidem com os períodos de ressonância da bacia do Terminal XXI obtidos pelo modelo numérico DREAMS, o que permite intuir que a ressonância das oscilações da superfície livre é o fenómeno que causa a maioria dos problemas operacionais e de segurança neste Terminal. Para verificar esta assunção fizeram-se simulações do comportamento do navio amarrado, sujeito a um conjunto de ondas longas. Comparou-se a força máxima obtida nas amarras. Verificou-se que existem gamas de frequências que podem ser excitadas e que provocam a ressonância do sistema navio+amarração. Concluiu-se que apenas uma análise integrada permite identificar todas frequências suscetíveis de causar problemas aos navios amarrados.