Laboratorio Esperienze Idrodinamiche

La Vasca Navale del Dipartimento di Ingegneria Industriale - Sez. Navale dell’Università degli Studi di Napoli Federico II si compone di un bacino rettilineo, di un carro dinamometrico e di un generatore di onde. Alla vasca navale sono, altresì, annessi il Laboratorio di misure e strumentazioni elettroniche, le officine per le lavorazioni in legno e ferro, il Laboratorio per i rilievi fotografici e le riprese televisive.

La vasca vera e propria, avente un ingombro complessivo di m 140.20x13.16x5.55 (acqua 136.74x9.00x4.25) è tutta racchiusa in un involucro, da essa staticamente indipendente, che a livello inferiore consente una completa ispezionabilità e, a livello superiore, delimita l’ambiente di lavoro e di scorrimento del carro dinamometrico su rotaie sistemate su bordi del bacino.

Le sollecitazioni strutturali dovute allo scorrimento di un carico notevole sia per il peso che per le velocità, la presenza di una notevole massa d’acqua, l’influenza dell’umidità e delle escursioni termiche richiedono la perfetta rigidezza strutturale del bacino e l’assenza assoluta di fessurazioni e cedimenti di fondazione. Questi requisiti sono stati il presupposto del progetto strutturale della vasca e le soluzioni costruttive adottate negli anni sessanta sono ancora oggi considerate valide e innovative.

In particolare, la vasca, ha fondazioni che poggiano su pali lunghi 15 m, interessando uno strato di notevole spessore; le teste dei pali sono collegate con un reticolo orizzontale di travi, formando il fondo ideale della controvasca, delimitato da pareti verticali aventi funzione di sostegno del terreno. Sul reticolo di fondo è disposta una schiera di “pendoli” che poggiano nella parte inferiore sui nodi di collegamento dei pali sottostanti e sorreggono la sovrastante vasca consentendole completa libertà di dilatazione longitudinale e impedendole ogni sbandamento trasversale.

Prove speciali su modelli navali – ad esempio rilievi di scia, sistemi di stabilizzazione dinamica, stabilità dinamica trasversale della carena – o su altri modelli fisici – ad esempio modelli per la generazione di energia elettrica dalle correnti marine – sono state e possono essere eseguite nella vasca navale.

Descrizione completa dell’opera e dettagliati riferimenti degli aspetti strutturali sono riportati nella memoria “La Vasca Navale della Facoltà di Ingegneria di Napoli”, Costruire, N. 48/1968, a cura del Prof. Ing. Michele Pagano, Direttore del Centro Studi per l’Edilizia della Facoltà di Ingegneria e Ing. Antonio Cambria, dello stesso centro. Le figure riportate sono tratte dalla stessa memoria.

Il carro dinamometrico è un “vagone” lungo 7 m, largo 9 m, alto 3.120 m, realizzato in tubolari di ferro a sezione quadrata, con un peso proprio di circa 10 t; otto ruote in acciaio, diametro 700 mm, cilindriche e senza bordini, accoppiate in quattro carrelli, scorrono su binari, del tipo a fungo piano levigato; il piano di scorrimento è parallelo alla superficie libera dell’acqua del bacino.

Due coppie di ruote perpendicolari a quelle di scorrimento si accoppiano nel moto alle superfici piane laterali del fungo di un binario, consentendo in tal modo di vincolare e obbligare il carro alla direzione del moto, evitando condizioni di sballamento. Ciascuna ruota è collegata mediante giunto cardanico e riduttore a un motore elettrico asincrono trifase, con rotore a gabbia, potenza di 30kW; la motorizzazione complessiva consente l’ottenimento delle seguenti caratteristiche dinamiche:

• Velocità massima in avanti: 10.0 m/s
• Velocità massima in ritorno: 4 m/s
• Accelerazione massima in avanti: 1 m/s2
• Accelerazione massima in ritorno: 0.5 m/s2
• Decelerazione massima in frenata: 3 m/s2

A bordo del carro è sistemata la sezione mobile dell’impianto di alimentazione e controllo dei motori; essa risulta la parte più complessa dell’impianto poiché sovrintende alla traslazione del carro, all’azionamento dei propulsori, al governo dell’impianto di frenatura (interfacciamento con l’impianto esistente), all’alimentazione dell’impianto sospensioni, all’alimentazione dell’impianto generazione aria compressa ed alla movimentazione del telaio di sospensione dei modelli. Inoltre, all’impianto di bordo è demandata la funzione di interfacciamento con il conduttore del mezzo e con il sistema di acquisizione dei dati (DAQ).

Ogni motore ha un encoder a bordo e viene controllato da un inverter dedicato; le velocità dei singoli motori vengono continuamente confrontate con quella del carro, per prevenire slittamenti delle ruote. La posizione e velocità del carro viene rilevata da un encoder di precisione e aggiornata ogni mezzo millimetro di spostamento, quindi – a seconda della velocità - fino a ventimila volte al secondo.

L’intero sistema di controllo è gestito da un PLC avanzato. Le funzionalità operative implementate sono tali da assicurare operazioni di guida semplificate e sicure. Inoltre, tutti i componenti, con intelligenza a bordo, comunicano col PLC in tempo reale tramite rete ethernet, esente da disturbi. Qualsiasi malfunzionamento viene segnalato in tempo reale con l’intervento tempestivo delle sicurezze, delle routine di diagnosi e di ripristino Una console di comando, progettata e realizzata per le specifiche esigenze, rende facile e efficiente l’interfacciamento con il conduttore del mezzo e il controllo generale dell’impianto logico. Da essa, ogni corsa viene programmata impostando la velocità da raggiungere, le rampe di accelerazione e di decelerazione, per avere il massimo della corsa utile senza pregiudicare l’integrità del modello per le sollecitazioni in frenata.

Il mantenimento e la ripetibilità delle velocità delle singole corse, elementi essenziali nella sperimentazione, sono tali da contenere gli scarti sotto il mm/s. Il carro dinamometrico e tutti i suoi apparati vengono monitorati costantemente in remoto, via internet, dalla ditta costruttrice con possibilità di intervento, sempre in remoto, per la soluzione di anomalie, l’aggiornamento del software mirato anche al miglioramento delle funzionalità dell’impianto.

Il sistema di acquisizione dei dati (DAQ), progettato, realizzato e implementato dalle competenze professionali interne al Dipartimento di Ingegneria Navale per le specifiche esigenze delle misure sperimentali, ha quale elemento centrale un rack PXI della National Instrument, con moduli di condizionamento SCXI.

L’acquisizione è fatta da varie schede per canali analogici, di precisione a 16 bit o veloci, schede di conteggio per encoder, e moduli di I/O digitali. Il DAQ al momento dispone:

• 8 ch per celle di carico e potenziometri con filtri antialiasing (16bit-200Ks/s)
• 8 ch isolati analogici con filtri antialiasing per inclinometri e altri strumenti (16bit-300Ks/s)
• 8/16 ch analogici per piattaforma inerziale e altri strumenti (12bit-2Ms/s)
• 10 ch counter-timer per encoder e segnali modulati in frequenza con filtri antibouncing (32bit - clk 80MHz)
• 32 ingressi digitali optoisolati per encoder assoluti
• 96 linee I/O digitali - 6 output analogici per controllo strumenti
• 4 ch servo-step per controllo assi in tempo reale (per rollio controllato e rimorchio a tiro controllato)

I dati di tutti i canali attivi della corsa sono salvati in formato omogeneo EXCEL.

Il sistema gestisce anche una scheda motion control per il controllo di motori passo-passo a 4 assi, utilizzata per il posizionamento e la movimentazione dei sensori in prove speciali. La disponibilità di una piattaforma inerziale miniaturizzata, consente il rilievo della posizione dei modelli in presenza di moti ondosi o nelle prove in mare di unità navali.

La gestione dei canali di misura per le varie prove viene effettuata da un pacchetto software modulare, costituito da vari strumenti virtuali inseriti in una shell. Ad esempio, dopo avere scelto il tipo di prova, viene caricata automaticamente la configurazione dei canali adatta. Si noti che il pannello software ricalca i moduli reali, per facilitare agli operatori la connessione dei sensori.

Nel pannello virtuale ogni canale può essere attivato o disattivato e si possono scegliere i filtri più adatti. Durante le corse viene caricato il pannello di misura; nella figura si riporta il pannello per la prova di autopropulsione. L’operatore all’acquisizione può controllare la posizione del carro e conseguentemente la corsa utile residua, insieme alla velocità e al tempo residuo prima della frenata. Quest’ultima è preannunciata di un secondo da un segnale acustico, arrestando l’acquisizione.

La storia intera della corsa, dallo zero all’arresto del carro, viene registrata in un file automaticamente archiviato per potere essere eventualmente richiamato ed analizzato. Durante una singola corsa si possono fare più acquisizioni; di esse sono dati i valori medi, le deviazioni standard, le durate delle acquisizioni.

Il generatore di onde si compone otto paratie oscillanti, incernierate su un unico asse normale alle pareti della vasca e posto in acqua ad una distanza di 1.5 m dal pelo libero. Le paratie, in vetroresina, sono alte 2.0 m e larghe 1.125 m; ognuna ha il lato esposto (faccia) all’acqua piano, l’altro (il dorso) è asciutto, opportunamente conformato per le esigenze strutturali e cinematiche.

Sulla estremità di ciascuna paratia è incardinato un settore circolare avente raggio di 2.0 m; sulla superficie di detto settore è fissata una cinghia dentata in gomma rinforzata, che si accoppia all’asse di un servomotore sistemato su una struttura metallica rigidamente collegata alla testata del bacino.

Le dimensioni del settore e la rotazione alternata del servomotore consentono a ciascuna paratia un’oscillazione massima di ± 20°. I carichi idrostatici e idrodinamici, letti da appositi sensori, sono compensati da molle pneumatiche interposte tra ciascuna paratia e la struttura fissata sulla parete della vasca. Ciascun servomotore è dotato di una sua scheda di controllo; tutte le schede sono gestite da apposito software implementato su un personal computer.

Allineando perfettamente le otto paratie e dando ad esse la medesima legge di moto, viene generata una formazione ondosa che si propaga parallelamente alle pareti della vasca e le cui caratteristiche sono funzioni di quelle del moto oscillatorio delle paratie. Nel campo delle onde regolari, è prevista la possibilità di generare onde di lunghezza λ fino a 12 m; le altezze H realizzabili sono legate ai pendii dell’onda (H/λ)variabili da 1/100 a 1/15, per lunghezze onda fino a 9 m. In particolare, queste specifiche consentono di provare modelli di carene veloci, lunghi ad esempio 2.5 m, su onde di lunghezza pari a quattro volte la lunghezza nave; a queste lunghezze si hanno per queste carene le risposte più elevate.

L'elevato rapporto altezza/lunghezza realizzabile consente inoltre di indagare sui fenomeni non lineari. Le formazioni ondose irregolari sono caratterizzabili da più noti spettri standard (ITTC, ISSC, Pierson Moskowitz, JONSWAP, Ochi, Neumann).

Le otto paratie, opportunamente sfasate tra loro, possono disporsi in direzione non perpendicolare alle pareti della vasca generando formazioni ondose la cui direzione di propagazione è inclinata sulla lunghezza della vasca. Il controllo del generatore avviene mediante un apposito software, installato su di un computer posto sul carro dinamometrico e collegato con tecnica wireless con l'impianto di generazione dell’onde. Questa soluzione consente il pieno interfacciamento del controllo con quello del carro e con il sistema di acquisizione dati.

L'onda riflessa dall'estremità vasca opposta a quella in cui è presente l'impianto ondogeno deforma l'onda generata dall'impianto, e riduce così la lunghezza utile di vasca in cui si possono acquisire dati: di qui l'esigenza di disporre a tale estremità di una "spiaggia" assorbitrice di elevate caratteristiche, che è in grado di ridurre l'ampiezza dell'onda incidente fino al 95% per lunghezze d'onda tra 5 e 7 m. La spiaggia è costituita da una struttura in acciaio di opportuna curvatura, di 6 metri di lunghezza in senso longitudinale, rivestita di PVC. La sezione centrale della spiaggia è mobile, per consentire il passaggio dei modelli dalla "trim tank" alla vasca di prova. Nel laboratorio di Esperienze Idrodinamiche sono eseguiti prove su modelli navali nell’ambito di attività in conto di terzi, di ricerca e didattica.

Le esperienze standard eseguite su modelli sono quelle di:

Rimorchio per la determinazione della resistenza al moto della nave; Elica isolata per la determinazione delle caratteristiche di funzionamento del propulsore isolato; Autopropulsione per la determinazione delle prestazioni propulsive della nave spinta dal suo propulsore.