Modelação hidrodinâmica de veículos subaquáticos autónomos sob ação de correntes elevadas

Abstract

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um modelo para o cálculo das forças hidrodinâmicas, com o intuito de caracterizar o comportamento de um veículo subaquático autónomo quando sujeito a correntes elevadas. Estes veículos oferecem oportunidades para aquisição de dados em partes do oceano anteriormente inacessíveis. Além disto, o aumento dos custos do combustível está a tornar os sistemas autónomos uma proposta atraente para a recolha de dados marinhos em larga escala. Inicialmente, é feita uma revisão de literatura dos conceitos essenciais à realização do trabalho. Posteriormente, após a apresentação do veículo em estudo, é feita uma descrição detalhada do procedimento adotado nas simulações CFD relativas à análise hidrostática, bem como a comparação dos resultados com cálculos analíticos. O software utilizado para realizar estas simulações foi o Autodesk CFD 2023. Analogamente, também é explicado o procedimento da análise hidrodinâmica. Dado que o estudo da influência das três variáveis definidas (inclinação do leme, yaw e pitch) resultaria num número de simulações incomportável, foi necessário recorrer a um projeto de experiências denominado D-Optimal Design. Estes projetos são gerados por computador, feitos à medida para um problema específico e permitem maximizar as informações no conjunto selecionado de experiências em relação a um modelo definido. Com o auxílio do MATLAB, fez-se esta seleção das simulações CFD a executar. Após a execução das mesmas, utilizou-se um modelo de regressão polinomial múltipla para fazer uma aproximação às forças de arrasto e momentos obtidos. Finalmente, implementou-se a regressão formulada no simulador da Ocean Infinity. A comparação com o modelo anterior comprovou que os novos resultados são mais realistas, visto que se aproximam mais dos valores obtidos nas simulações CFD.

The present work aims to develop a model for the calculation of hydrodynamic forces, to characterize the behavior of an autonomous underwater vehicle when subjected to high velocity underwater currents. These vehicles offer opportunities for data acquisition in previously inaccessible parts of the ocean. In addition, rising fuel costs are making autonomous systems an attractive proposition for large-scale marine data collection. Initially, a literature review of the essential concepts for the accomplishment of the work is made. Subsequently, after the presentation of the vehicle that is being studied, a detailed description of the procedure adopted in the CFD simulations related to the hydrostatic analysis is made, as well as the comparison of the results with analytical calculations. The software used to perform these simulations was Autodesk CFD 2023. Similarly, the hydrodynamic analysis procedure is also explained. Since the study of the influence of the three defined variables (rudder inclination, yaw and pitch) would result in an unbearable number of simulations, it was necessary to resort to an experimental project called D-Optimal Design. These designs are computer generated, tailored to a specific problem, and allows to maximize information in the selected set of experiences in relation to a defined model. With MATLAB, this selection of the CFD simulations was made. After executing them, a multiple polynomial regression model was used to approximate the drag forces and moments obtained. Finally, the regression formulated was implemented in the Ocean Infinity simulator. The comparison with the previous model proved that the new results are more realistic, since they are closer to the values obtained in the CFD simulations.