Modelo hidrodinâmico em regime permanente de um sistema submarino rebocado

Abstract

Durante a década dos oceanos há um grande incentivo para o desenvolvimento de pesquisas científicas voltadas ao oceano. Nesse contexto, o veículo submarino rebocado, Towfish ECO I, desenvolvido pela Universidade Federal de Santa Catarina, possui a atribuição de auxiliar os pesquisadores a bordo do Veleiro ECO na coleta de dados para pesquisas científicas submarinas. Esse equipamento está em constante processo de aperfeiçoamento, sendo esse trabalho uma continuidade das atividades iniciadas no projeto de Iniciação Científica. Com relação a operação de um veículo rebocado subaquático, é essencial que ele esteja na condição de equilíbrio dinâmico quase estático. Por isso, deve ser realizado o correto ajuste das superfícies de controle frontais do Towfish para garantir que o equilíbrio possa ser alcançado. Desse modo, este trabalho tem como objetivo identificar a configuração que promove o equilíbrio do Towfish em uma determinada profundidade pretendida. Para alcançar esse propósito é necessário conhecer o comportamento hidrodinâmico global do sistema, do veículo submarino com o cabo de reboque. Por essa razão, nesse trabalho são definido dois modelos hidrodinâmicos em regime permanente, um para o Towfish ECO I e outro para o cabo de reboque. Os parâmetros hidrodinâmicos do veículo rebocado para diferentes ângulos de ataque das asas estabilizadoras foram identificados utilizando a análise fluidodinâmica computacional (CFD) com o uso do programa STAR CCM+. O método CFD resolve as equações de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS), em regime permanente, utilizando o modelo de turbulência k-ϵ. Na sequência, com base no referencial teórico, é proposto um modelo bidimensional para a análise do comportamento do cabo de reboque. Então, um algoritmo é implementado para possibilitar a realização da análise global do sistema para conferir se o equilíbrio é alcançado nas configurações estabelecidas. A partir dos resultados encontrados, é possível identificar os ângulos de ataque que promovem o equilíbrio horizontal do Towfish, bem como a profundidade onde o equilíbrio se estabelece. Por fim, o presente trabalho é finalizado com a apresentação das conclusões e sugestões para trabalhos futuros.

During the decade of the oceans, there is a great incentive for the development of scientific research focused on the ocean. In this context, the towed submarine vehicle, Towfish ECO I, developed by the Federal University of Santa Catarina, has the task of helping researchers aboard the Sailboat ECO in collecting data for underwater scientific research. This equipment is in a constant process of improvement, and this work is a continuation of the activities initiated in the Scientific Initiation project. With respect to the operation of an underwater towed vehicle, it is essential that it be in a quasi-static dynamic equilibrium condition. Therefore, the correct adjustment of the Towfish’s front control surfaces must be performed to ensure that balance can be achieved. Thus, this work aims to identify the configuration that promotes the balance of Towfish at a certain desired depth. To achieve this purpose, it is necessary to know the overall hydrodynamic behavior of the system, from the underwater vehicle with the tow cable. For this reason, in this work two steady-state hydrodynamic models are defined, one for the Towfish ECO I and the other for the tow cable. The hydrodynamic parameters of the towed vehicle for different angles of attack of the stabilizer wings were identified using computational fluid dynamics (CFD) analysis using the STAR CCM+ program. The CFD method solves the Navier-Stokes equations with Reynolds mean (RANS), in steady state, using the k-ϵ turbulence model. Then, based on the theoretical framework, a two-dimensional model is proposed to analyze the behavior of the tow cable. Then an algorithm is implemented to make it possible to perform a global analysis of the system to check if equilibrium is reached in the established configurations. From the results found, it is possible to identify the angles of attack that promote the horizontal balance of the Towfish as well as the depth where the balance is established. Finally, this work ends with the presentation of conclusions and suggestions for future work.