Modelos de escala de testes da Marinha em grandes instalações

O Grande Canal de Cavitação William B Morgan (LCC) é um grande túnel de água de ciclo fechado de pressão variável que é operado pela Marinha dos EUA em Memphis desde 1991. Esta instalação é bem projetada para uma ampla variedade de testes hidrodinâmicos e hidroacústicos. O seu tamanho e capacidades globais permitem que os números de Reynolds do modelo de teste se aproximem, ou até alcancem, os sistemas de transporte em larga escala transportados por via aérea ou marítima. (Foto: Marinha dos EUA)

O gerador de ponto único movido a ondas AquaHarmonics é demonstrado durante uma vitrine de inovação na Bacia de Manobra e Seakeeping em Carderock, Md. (Foto da Marinha dos EUA por Heath Zeigler)

Jessica McElman, engenheira elétrica do Naval Surface Warfare Center, Divisão Carderock, ajusta um sensor de campo magnético na pista modelo localizada no Laboratório Magnetic Fields em West Bethesda, Maryland. Foto da Marinha dos EUA por Nicholas Malay

Um quebra-gelo modelo demonstra sua manobrabilidade durante um teste nas instalações do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá em St. Johns, Newfoundland. O teste demonstrou o progresso feito nos testes e avaliação de modelos de projeto para o programa de aquisição de quebra-gelo da Guarda Costeira dos EUA, que está sendo apoiado por uma equipe internacional, incluindo engenheiros do Naval Surface Warfare Center, Carderock Division. (Foto da Marinha dos EUA por Steven Ouimette)

Um modelo de casco de navio acoplado a um trenó de alta velocidade se move através de ondas no David Taylor Model Basin no Naval Surface Warfare Center, Carderock, durante a pesquisa patrocinada pela ONR. (Foto da Marinha dos EUA por John F. Williams)

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Dentro do Naval Surface Warfare Center, Divisão Carderock

O Centro Naval de Guerra de Superfícies, Divisão Carderock em West Bethesda, Md., É um dos principais centros mundiais de perícia hidrodinâmica de superfície e subaquática, pesquisa e design, incluindo instalações de classe mundial para experimentação, teste, avaliação e validação.

“Construímos modelos em escala de projetos de navios e podemos testar essas formas de casco em nossas instalações para medir a carga hidrodinâmica na estrutura ou avaliar as habilidades de navegação”, disse Mike Brown, chefe do Departamento de Engenharia e Arquitetura Naval da Carderock. “Isso nos ajuda a caracterizar e prever o desempenho de nossas plataformas.”

O campus de Carderock ao longo do rio Potomac abriga o tanque de reboque para testar modelos de navios de superfície, submarinos e veículos não tripulados, bem como a bacia de manobra e navegação de ondas de 240 x 360 pés, que pode gerar qualquer tipo de onda e onda ocorre em qualquer parte do mundo, assim como ondas que não ocorrem naturalmente, em um ambiente controlável e repetitivo.

Modelos autopropulsados ​​de submarinos, controlados por rádio e detalhados, podem ser usados ​​para medir com precisão as forças de controle nos apêndices e nos diferentes ângulos do leme. "Somos capazes de caracterizar o desempenho do navio com a precisão necessária para criar algoritmos fly-by-wire em um submarino em grande escala", disse Brown.

A bacia do braço rotativo do centro gira em torno de um centro para avaliações de propulsores em curvas e experimentos de controle e estabilidade do modelo em cativeiro. O centro também tem acesso a um reservatório em Maryland, onde modelos escalados de navios e submarinos são testados.

Mas algumas das capacidades mais impressionantes de Carderock residem longe, em instalações do Alasca às Bahamas e do Tennessee a Idaho.

A divisão de Artesanato de Combate da Carderock em Little Creek, Virgínia, administra vários projetos de pequenas embarcações para incluir projeto, construção, aquisição e sustentação.

A South Tongue da Ocean Acoustic Measurement Facility (STAFAC) nas Bahamas e a Southeast Alaska Acoustic Measurement Facility (SEAFAC) perto de Ketchikan, Alasca, possuem matrizes subaquáticas para realizar medições de assinatura acústica passiva de alta fidelidade.

O Destacamento de Pesquisa Acústica (ARD) da Carderock está localizado longe do oceano em Idaho. Graças ao profundo e silencioso Lago Pend Oreille, a Marinha tem um excelente ambiente controlado para testes acústicos usando submarinos de modelo em grande escala. O ARD mantém veículos de grande porte autopropulsados ​​(LSV), como o Kokanee (LSV-1) de 90 pés de comprimento, um modelo em escala de um submarino Seawolf-classe, e o 110-ft. Modelo Cutthroat (LSV-2) de um barco classe Virginia, para a avaliação de alterações de projeto e novas tecnologias para garantir que os barcos sejam o mais silenciosos possível.

O Grande Canal de Cavitação William L. Morgan (LCC) está localizado às margens do rio Mississippi, em Memphis, Tennessee. O LCC é como um túnel de vento, mas cheio com 1,5 milhões de galões de água doce. Assim como um túnel de vento ajuda a entender as propriedades aerodinâmicas de várias formas, o LCC pode testar formas como modelos em escala de navios de superfície, submarinos ou torpedos de tamanho real e veículos subaquáticos, coletando enormes quantidades de dados para medir perturbações extremamente pequenas no desempenho hidrodinâmico.

“No LCC, o modelo é mantido na seção de testes e controlamos o fluxo da água ao redor”, disse Dave Foster, gerente de operações do LCC. O fluxo é criado por um motor elétrico de 14.000 hp. "Ao variar a rotação do motor grande que aciona a hélice LCC de 18 pés de diâmetro, a velocidade do fluxo da água através da seção de teste pode ser controlada precisamente para corresponder aos parâmetros do teste", disse Foster.

Os objetos de teste são suspensos em uma câmara de 10 x 10 por 43 pés de comprimento. A câmara pode ser drenada e aberta para obter acesso ao objeto de teste, que pode ser alterado para testar formas e configurações de diferença. "Podemos criar diferentes superfícies de controle através da impressão 3D", disse Brown.

Neste momento, o LCC está sendo usado para caracterizar o desempenho do propulsor do submarino de mísseis balísticos da classe Columbia, o substituto dos submarinos da classe Ohio. “Construímos um modelo em escala de todo o submarino e propulsor para medir tudo, desde forças instáveis ​​até a cavitação. É o modelo mais sofisticado que o Carderock já construiu ”, disse Brown. "Podemos variar as condições de teste e medir perturbações muito pequenas no desempenho".

E diferentemente do oceano, uma grande vantagem do LCC é que a equipe pode alterar o fluxo e a pressão do LCC e variar os parâmetros do modelo, como a superfície de controle e os ângulos do modelo. "Podemos manter as condições de teste por horas sob condições precisas, permitindo a coleta de grandes quantidades de dados no decorrer de um dia", disse Foster.

“Recentemente, realizamos testes de sistemas rebocados de caça de mina em grande escala. O LCC foi a única instalação onde pudemos obter dados reais sem levá-los ao oceano ”, disse Brown.

“E ao contrário do oceano, a seção de teste de LCC tem janelas permitindo que o objeto de teste seja observado e registrado durante as corridas”, acrescentou Foster.

Os testes podem ser executados em várias iterações para validar e melhorar a capacidade de modelagem computacional no Carderock.

Uma quantidade significativa de testes é realizada antes de chegar ao LCC. “Podemos fazer nossa modelagem computacional da dinâmica de fluidos computacional, depois construir um modelo físico para testar em nosso tanque de reboque. Então podemos testar esse modelo, ou um maior, no LCC. Eventualmente, nosso departamento de assinaturas pode realizar testes acústicos na ARD em Idaho.

Usando dados obtidos de modelos de teste nas instalações da Carderock, os modelos de computador são aprimorados para fornecer melhores previsões e, em seguida, esses modelos de computador podem ser usados ​​para executar milhões de variações para caracterizar completamente as propriedades e o comportamento de diferentes designs.

A Marinha também utilizou o Laboratório de Pesquisa e Desenvolvimento do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Engenharia do Fórceps dos Engenheiros do Exército dos EUA (CRREL) em Hanover, NH, que possui instalações de classe mundial para realizar testes e pesquisas em ambientes extremamente frios, como submarinos. operações nas águas do Ártico.

Instituições acadêmicas e empresas comerciais também usam as instalações da Carderock para suportar testes envolvendo complexas dinâmicas de fluidos computacionais, padrões de fluxo e cavitação.

"Trabalhamos juntos através de CRADAs, que são acordos mútuos que beneficiam todas as partes", disse Brown.

Os Acordos Cooperativos de Pesquisa e Desenvolvimento (CRADAs) são acordos legais entre um laboratório governamental de pesquisa e desenvolvimento e um parceiro não pertencente à Marinha para conduzir cooperativamente pesquisa e desenvolvimento em uma dada área técnica e compartilhar os resultados técnicos derivados do esforço conjunto.


(Conforme publicado na edição de maio de 2018 do Marine Technology Reporter )