Caracterização hidrostática e hidrodinâmica de uma embarcação planante de 29 pés

Abstract

As embarcações planantes destacam-se pela combinação entre design, desempenho e conforto durante a navegação. Para isso, diferentes arranjos podem ser desenvolvidos, como a inclusão de cabines, targas e outros elementos adicionais solicitados pelo cliente. Essas variações de arranjo alteram os pesos e os centros da embarcação e, consequentemente, influenciam seu desempenho hidrodinâmico. Embora estudos recentes busquem compreender a influência dos centros no comportamento hidrodinâmico, não é comum que estaleiros realizem a determinação detalhada de pesos e centros para todas as unidades produzidas. Diante disso, este trabalho tem como objetivo determinar os pesos e centros de uma embarcação planante de 29 pés e, a partir desses resultados, analisar seu desempenho em mar. Para tal, realizou-se um ensaio de inclinação, por meio do qual foi determinada experimentalmente a altura metacêntrica (GMt), bem como sua incerteza. Ademais, foi gerada a curva de estabilidade estática (CEE), a fim de comparar o valor de GMt experimental com o obtido pela curva CEE. Em seguida, determinaram-se os pesos e centros da embarcação e procederam-se simulações de resistência ao avanço utilizando o método de Savitsky no software Orca3D. Paralelamente, foram conduzidos dois tipos de provas de mar, a partir das quais foram coletados os parâmetros de velocidade, consumo, ângulo de trim e rotação dos motores, possibilitando a análise do comportamento hidrodinâmico da embarcação. Como resultados, obteve-se uma altura metacêntrica experimental de 0,81 ± 0,16 m, indicando equilíbrio estável. O valor de GMt, obtido pela curva CEE, apresentou-se dentro do intervalo de incerteza em relação ao valor experimental, sendo igual a 0,80 m. Quanto aos pesos e centros, constatou-se um deslocamento de 2,7 toneladas, com centro vertical de gravidade a 1,25 m da quilha, centro longitudinal a frente do centro longitudinal de carena (2,04 m), embicando a embarcação, e centro transversal de gravidade deslocado para boreste (-0,02 m), resultando em banda para esse bordo. A partir dos dados dos testes de mar, verificou-se que a transição entre os regimes deslocante e planante ocorre entre 10 e 15 knots, enquanto o estado de planeio se estabelece a partir de 20 knots, o que está em concordância com os resultados obtidos por meio das simulações pelo método de Savitsky. Além disso, ao comparar os gráficos de variação do trim em função da velocidade determinados numericamente e experimentalmente, constatou-se que as curvas apresentam o mesmo padrão de comportamento, e que o método de Savitsky apresenta boa correspondência com os valores obtidos em mar quando a embarcação opera em planeio completo. Por fim, conclui-se que o estudo de pesos e centros é essencial para a compreensão do comportamento hidrodinâmico da embarcação, uma vez que a distribuição de pesos influencia diretamente o trim. Adicionalmente, os resultados obtidos reforçam a validade do método de Savitsky para prever o comportamento hidrodinâmico em condições de planeio estabilizado, visto que as curvas numéricas e experimentais de variação de ângulo de trim tendem a convergir para velocidades maiores.

As Planing vessels stand out due to the combination of design, performance, and comfort during navigation. To achieve this, different arrangement configurations may be developed, such as the inclusion of cabins, arches, and other additional elements requested by the client. These variations in arrangement modify the weights and centers of the vessel and, consequently, influence its hydrodynamic performance. Although recent studies have sought to understand the influence of weight distribution on hydrodynamic behavior, it is not common for shipyards to determine weights and centers in detail for every unit produced. In this context, the objective of this work is to determine the weights and centers of a 29 foot planing vessel and, based on these results, analyze its performance at sea. To this end, an inclining test was conducted, through which the transverse metacentric height (GMt) was determined experimentally, along with its associated uncertainty. Furthermore, the static stability curve (GZ curve) was generated in order to compare the experimental GMt with the value obtained from the static stability curve. Subsequently, the weights and centers of the vessel were determined, and resistance simulations were carried out using the Savitsky method through the Orca3D software. In parallel, two types of sea trials were performed, from which speed, fuel consumption, trim angle, and engine rotation parameters were collected, enabling the analysis of the vessel’s hydrodynamic behavior. The results showed an experimental metacentric height of 0.81 ± 0.16 m, indicating stable equilibrium. The GMt value obtained from the static stability curve lies within the uncertainty range of the experimental result, being equal to 0.80 m. Regarding the weights and centers, a displacement of 2.7 tons was determined, with the vertical center of gravity located 1.25 m above the keel, the longitudinal center of gravity (2.04 m) forward of the longitudinaln center of buoyancy, causing bow trim, and the transverse center of gravity shifted 0.02 m to starboard, generating heel to that side. From the sea trial data, it was observed that the transition between displacement and planing regimes occurs between 10 and 15 knots, while fully developed planing is achieved from 20 knots onward, which is consistent with the results obtained from the Savitsky resistance simulations. Additionally, when comparing the trim variation curves as a function of speed, determined numerically and experimentally, it was found that the curves exhibit the same behavior and that the Savitsky method shows good agreement with the real results when the vessel operates in fully developed planing. Finally, it is concluded that the study of weights and centers is essential for understanding the hydrodynamic behavior of the vessel, since weight distribution directly influences trim. Moreover, the results obtained reinforce the validity of the Savitsky method for predicting hydrodynamic behavior under stabilized planing conditions, as the numerical and experimental trim variation curves tend to converge at higher speeds.