CH705199A2 - Metodo e apparato per ridurre la resistenza d'onda in un natante. - Google Patents

Abstract

L’invenzione si riferisce ad un metodo per ridurre l’onda di prua generata dallo scafo di un natante, durante la navigazione; il metodo è caratterizzato dal fatto di generare davanti alla prua dello scafo una miscela di un gas avente bassa viscosità e di acqua. L’invenzione si riferisce anche ad un apparato per ridurre l’onda di prua in un natante in navigazione; l’apparato comprende mezzi di erogazione di un gas in pressione, preferibilmente aria, adatti ad erogare il gas in pressione in un’opportuna zona davanti alla prua del natante, così da generare sostanzialmente attorno alla prua del natante una miscela di gas con acqua.

Description

Campo di applicazione

[0001] La presente invenzione riguarda un apparato per ridurre la resistenza alle onde dei natanti. In particolare, l’invenzione si riferisce ad un metodo per ridurre l’onda di prua generata dallo scafo di un natante, durante la navigazione.

Arte nota

[0002] È noto che un natante, durante la navigazione, genera un’onda rispettivamente a prua e a poppa, dovuta allo spostamento d’acqua. L’onda di prua e l’onda di poppa contribuiscono in modo rilevante alla resistenza all’avanzamento del natante, che aumenta con l’aumentare della velocità di navigazione. Infatti, la velocità massima raggiungibile da un natante in navigazione, detta anche velocità di scafo, dipende essenzialmente dalla lunghezza dello scafo e dunque dalla distanza tra l’onda di prua e l’onda di poppa. La resistenza causata dalla formazione di onde attorno allo scafo, specialmente a prua e poppa, è generalmente nota come resistenza di onda.

[0003] La resistenza di onda ha sostanzialmente due conseguenze: richiede di installare un motore più potente, quindi più ingombrante e costoso, a parità di velocità massima raggiunta; inoltre aumenta il consumo di carburante per mantenere una data velocità in navigazione. La riduzione di detta resistenza assume una particolare importanza poiché, con la tecnica attuale, si stima che circa metà del carburante consumato da una nave serva a vincere la resistenza all’avanzamento. Si consideri inoltre che circa metà dei costi d’esercizio delle navi sono imputabili al carburante.

[0004] Vi è quindi un forte incentivo a cercare di ridurre la resistenza idrodinamica di un natante in navigazione. Secondo l’arte nota, si cerca di ottimizzare il disegno dello scafo e in particolare della prua, per migliorare la penetrazione idrodinamica. Un esempio è dato dal noto disegno di prua a bulbo. E’ noto che una prua a bulbo, ottimizzata per un determinato livello di galleggiamento, può ridurre la resistenza all’avanzamento dovuta al moto ondoso generato dalla nave medesima.

[0005] Tale soluzione però non è del tutto soddisfacente ed ha tuttora alcuni svantaggi. Infatti, una prua a bulbo è efficace solo a condizione che la nave si trovi ad un livello di galleggiamento di progetto e ad una determinata velocità. La riduzione della resistenza, anche nelle condizioni ideali di progetto, di norma non supera il 10%; inoltre il vantaggio è vanificato quando l’assetto di navigazione si discosta da quello ottimale: una prua a bulbo può persino aumentare la resistenza idrodinamica, rispetto ad uno scafo convenzionale, se il livello di galleggiamento previsto non viene raggiunto, per esempio in caso dì navigazione a vuoto.

[0006] Lo scopo della presente invenzione è di superare le limitazioni dell’arte nota, come sono state menzionate più sopra, e di mettere a disposizione un sistema efficace per ridurre la resistenza d’onda di uno scafo. In particolare l’invenzione ha lo scopo di ridurre l’onda di prua e, di conseguenza, la resistenza all’avanzamento di un natante.

Sommario dell’invenzione

[0007] L’idea alla base dell’invenzione è di generare una miscela di aria e acqua davanti alla prua del natante. Lo scopo è quindi raggiunto con un metodo per ridurre l’onda di prua generata dallo scafo di un natante, durante la navigazione, caratterizzato dal fatto di generare davanti alla prua di detto scafo una miscela di un gas avente bassa viscosità, preferibilmente aria, e di acqua.

[0008] Detta miscela è formata ad un’opportuna distanza dalla prua e ad un’opportuna profondità rispetto al pelo dell’acqua. La posizione di formazione della miscela può essere variata a seconda delle condizioni di navigazione, per esempio del galleggiamento e/o della velocità. Preferibilmente, per la maggior parte delle applicazioni pratiche, la distanza tra la zona di formazione della miscela davanti alla prua, e la prua stessa, è variabile da 2 a 30 metri. Ciò può essere ottenuto con mezzi di erogazione mobili (orientabili) in sé noti.

[0009] Preferibilmente la miscela è ottenuta immettendo in acqua un flusso in pressione di detto gas. Il gas utilizzato ha una viscosità inferiore a quella dell’acqua e preferibilmente, per motivi pratici, è aria. Preferibilmente, il flusso è immesso in acqua con un opportuno angolo rispetto alla direzione di avanzamento del natante (ovvero rispetto alla superficie dell’acqua). Detto angolo per esempio può essere tra 5 e 60 gradi e più preferibilmente all’incirca di 30 gradi. Secondo un altro aspetto preferito, il flusso comprende bolle di aria (o eventualmente altro gas) che possono avere diametri diversi.

[0010] Un aspetto dell’invenzione, quindi, consiste in un apparato per ridurre l’onda di prua in un natante in navigazione, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di erogazione di un gas in pressione, preferibilmente aria, adatti ad erogare detto gas in pressione in una opportuna zona davanti alla prua del natante, così da generare sostanzialmente attorno alla prua del natante una miscela dì detto gas e acqua.

[0011] Detti mezzi di erogazione possono essere realizzati attingendo a tecnica in sé nota, per esempio una lancia per aria in pressione montata a prua, orientabile e alimentata da un compressore di opportuna potenza e portata.

[0012] L’invenzione utilizza un principio in sé noto dell’idrodinamica, secondo il quale nel punto di transizione tra un fluido e la superficie contro cui scorre, la velocità del fluido e quella della superficie stessa sono identiche. Un corpo che si muove attraverso un fluido statico trascina una parte di questo fluido dietro di se e ne risulta frenato. L’invenzione prevede che miscelando l’acqua con un gas avente viscosità inferiore, si genera attorno allo scafo, e in particolare attorno alla zona di prua, un fluido bifase (formato dall’acqua e da bolle di gas) di viscosità sostanzialmente minore di quella dell’acqua. Senza che ciò sia inteso in senso limitante, si ritiene che il vantaggio conseguito con l’invenzione sia conseguenza della riduzione di viscosità all’interno dello strato laminare inferiore e riduzione della resistenza idrodinamica provocata dal flusso turbolento. L’esigenza di avere una «tensione» di spinta costante comporta infatti una velocità di scorrimento più elevata da cui deriva una «tensione» di spinta minore nell’intero dello strato di transizione.

[0013] Grazie all’invenzione viene ridotta la pressione statica esercitata sulla prua e diminuisce notevolmente la resistenza alle onde. E’ possibile ottenere una riduzione della resistenza sino a valori dell’ordine del 50%.

[0014] L’invenzione ha un effetto di abbattimento sostanziale della resistenza d’onda. Con prove di laboratorio, in appositi canali idraulici, è stato dimostrato che la resistenza può essere ridotta fino all’80% se sulla superficie dello scafo sono presenti delle bolle d’aria che sono caratterizzate da una viscosità del 60% minore di quella dell’acqua. Una trattazione teorica del fenomeno può essere trovata in «The effects of porous material on microbubble skin friction reduction», von Madaran, Deutsch, Merkle in AIAA Paper 84-0348 (1984) oppure in: «Superhydrophobe, unter Wasser lufthaltende Grenzflàchen» dell’Università di Bonn.

[0015] L’invenzione ha i seguenti vantaggi: la riduzione della resistenza consente di risparmiare combustibile e/o di utilizzare un motore meno potente e costoso a parità di prestazioni. Inoltre, un vantaggio sostanziale dell’invenzione è che il sistema si può adattare a diverse condizioni operative, come diverse velocità, natante a vuoto oppure a pieno carico, etc. A seconda della velocità di crociera e delle condizioni di galleggiamento, i parametri che caratterizzano il flusso di aria possono essere regolati in modo ottimale. Per esempio il flusso di aria può essere diretto a distanza dalla prua e/o profondità ottimale, in modo da massimizzare l’effetto idrodinamico che è stato più sopra menzionato, e ridurre al minimo la resistenza d’onda attorno alla prua stessa. L’apparato può essere quindi associato ad un sistema di controllo automatico o manuale che dirige il flusso d’aria nella posizione ottimale. Un altro vantaggio è che il dispositivo, quando non è in uso, può essere spostato sulla murata o messo sul ponte in modo da non rappresentare un intralcio alla navigazione.

[0016] L’invenzione può essere applicata sostanzialmente a qualsiasi tipo di natante. Un altro vantaggio è che un dispositivo atto a mettere in pratica l’invenzione può essere applicato in breve tempo ad un natante di qualsiasi tipo e senza metterlo in secca in cantiere.

Breve descrizione della figura

[0017] <tb>La fig. 1<sep>rappresenta schematicamente ed in una vista laterale, un natante a cui è applicato un apparato per ridurre l’onda di prua, secondo la presente invenzione. <tb>La fig. 2<sep>rappresenta una differente vista schematica laterale di un natante a cui è applicato l’apparato di fig. 1. <tb>La fig. 2a<sep>rappresenta un particolare dell’apparato di fig. 2.

Descrizione di una forma di realizzazione dell’invenzione

[0018] La fig. 1 rappresenta schematicamente un natante 1 avente uno scafo 2 con una prefissata linea di galleggiamento 3 a progetto che delimitata la cosiddetta opera viva e l’opera morta 10 del natante; in figura sono anche indicate la prua 4, la poppa 5; un motore, di potenza commisurata alle dimensioni e al peso del natante, ed in particolare alla lunghezza dello scafo 2, è situato a bordo o fuori bordo del natante. Vale la pena notare che il metodo e l’apparato secondo l’invenzione, come di seguito descritti, sono applicabili a qualsiasi tipo di imbarcazione, vale a dire anche a battelli o navi con uno scafo di dimensione ben superiore ai 10 metri oppure su un’unità da diporto o a vela. L’utilizzo del termine natante nel seguito della descrizione è quindi rappresentativo di qualsiasi tipo di imbarcazione.

[0019] Durante la navigazione, il natante 1 genera un’onda, causata dalla penetrazione dello scafo 2 nell’acqua lungo la rotta di navigazione, specialmente in corrispondenza della prua 4; l’onda può essere accentuata dal moto ondoso naturale, in particolari condizioni meteorologiche.

[0020] Secondo l’invenzione, una lancia 7 per l’erogazione di un gas pressurizzato, preferibilmente aria, è applicata allo scafo 2 del natante ed eroga un gas in acqua ad una prefissata distanza dalla prua 4, sostanzialmente ossigenando un volume di acqua che lo scafo del natante 1 è in procinto di impegnare.

[0021] Siffatta erogazione di gas pressurizzato nel percorso di navigazione riduce l’onda di prua generata dal passaggio del natante, poiché la viscosità del gas inserito in acqua è inferiore alla viscosità dell’acqua stessa, e quindi la risultante miscela gas/acqua genera meno attrito con lo scafo del natante. L’effetto risultante è una notevole riduzione della resistenza dell’onda di prua. Tale effetto si propaga anche lungo lo scafo 2 e fino alla poppa 5, grazie ad una ridotta resistenza delle onde associate all’onda di prua e che interessano tutta la lunghezza dello scafo fino a poppa.

[0022] In una forma preferita di realizzazione, l’aria è introdotta in acqua formando bolle che persistono nell’acqua, almeno fino al passaggio della poppa del natante.

[0023] La lancia di erogazione 7 comprende un attacco 8 di un’asta reclinabile, ad esempio applicabile all’opera morta 10 dello scafo o a coperta, ed almeno un ugello o pinna di erogazione 9 che risulta operativamente aggettante dal natante ed immersa, a prefissata profondità dal pelo dell’acqua o dalla linea di galleggiamento. La pinna di erogazione 9 è schematicamente rappresentata in fig. 2, con la relativa lancia 7, ed in maggior dettaglio in fig. 2a; la pinna 9 è un elemento sostanzialmente tubolare avente una pluralità di fori o ugelli di uscita dell’aria, preferibilmente di differente diametro, per la formazione di bolle d’aria di prefissata dimensione.

[0024] Preferibilmente due aste reclinabili sono fissate con rispettivi attacchi su ambo i lati dello scafo, e risultano congiunte lungo un prolungamento della mezzeria della coperta, dove la pinna con gli ugelli di erogazione è fissata.

[0025] L’attacco 8 è snodato per variare la profondità di immersione della pinna 9 di erogazione, reclinando le aste, prevalentemente in funzione alla velocità di navigazione e/o al carico del natante. La variazione della profondità di immersione della pinna 9 con gli ugelli è comandata elettronicamente tramite un controllore ricevente in input la velocità di navigazione e/o il peso del natante.

[0026] In una forma preferita di realizzazione, sono previste una pluralità di pinne, ad esempio due pinne fissate su ambo i lati dello scafo 2 tramite rispettive aste reclinabili, le aste reclinabili consentendone la regolazione della profondità di immersione. Preferibilmente, gli ugelli sono disposti a raggiera o su una superficie sferica o cilindrica della pinna, per erogare il gas in plurime direzioni e generare una miscela particolarmente voluminosa di aria ed acqua.

[0027] In qualsiasi forma di realizzazione, l’apertura degli ugelli dalla quale fuoriesce il gas può essere rivolta verso la poppa del natante; in questo modo, la pinna di erogazione funge anche da propulsore, contribuendo all’avanzamento del natante. È anche previsto che le pinne siano orientabili.

[0028] In un altra forma di realizzazione, le aste reclinabili sono telescopicamente ed elettronicamente azionabili tra una posizione operativa, in cui la pinna è protesa in avanti dalla prua, e una posizione di riposo, in cui la pinna è sostanzialmente avvicinata o aderente allo scafo, a prua.

[0029] Vantaggiosamente, quando il natante è in porto, durante le operazioni di manovra o in zone a basso pescaggio, le aste possono essere ritratte. L’attacco 8 dell’asta reclinabile può altresì essere scorrevole in una guida associata allo scafo, ad esempio applicata all’opera morta, e parallela al ponte del natante, ed elettronicamente guidato verso la poppa o verso la prua, per posizionare la pinna, rispettivamente, in posizione di riposo a prua o in posizione operativa, aggettanti da essa.

[0030] La miscela gas/acqua, preferibilmente aria/acqua, è formata ad un’opportuna distanza dalla prua e ad un’opportuna profondità rispetto al pelo dell’acqua; preferibilmente, il calcolo della distanza di erogazione del gas è effettuato elettronicamente, in funzione al livello di galleggiamento, quest’ultimo essendo determinato dal carico o dalla presenza di marosi o di particolare condizioni di meteorologiche, ma anche in funzione alla velocità del natante, alla sua lunghezza o al baglio massimo. Determinata l’opportuna distanza di erogazione, le aste reclinabili sono protese a detta distanza dalla prua.

[0031] Con gli stessi calcoli, prevalentemente del carico e della velocità del natante, è determinata l’opportuna profondità di immersione della pinna. Ad esempio, la distanza tra la zona di formazione della miscela davanti alla prua, e la prua stessa, è compresa tra 2 a 30 metri.

[0032] Sempre a titolo esemplificativo, la profondità di immersione ugelli della pinna dal pelo dell’acqua è compresa tra 1 a 10 metri; il calcolo della profondità di immersione tiene anche conto della pressione di erogazione dell’aria, e cioè della distanza percorsa dalle bolle o dal getto di aria una volta erogato dagli ugelli, che complessivamente si somma alla profondità di immersione ugelli della pinna, per la determinazione della massima profondità raggiunta dalle bolle d’aria rispetto al pelo dell’acqua. In particolare, anche la pressione del gas è regolabile tramite un compressore, ad esempio situato sottocoperta, ed avente un condotto di uscita d’aria collegato con un ingresso della pinna di erogazione.

[0033] Qui di seguito sono riportati i principali vantaggi della presente invenzione.

[0034] La riduzione della resistenza dell’onda di prua consente di risparmiare combustibile e/o di utilizzare un motore meno potente e costoso a parità di prestazioni.

[0035] L’apparato di riduzione dell’onda di prua è regolabile per ottimizzare la navigazione a diverse condizioni operative, quali la velocità, il carico del natante, etc. e quindi costituisce un apporto costante del rendimento del motore; infatti, diversamente dalle soluzioni dell’arte nota che prevedono di ridurre l’onda di prua con una specifica e tuttavia sempre uguale conformazione della prua, secondo l’apparato dell’invenzione, i parametri che caratterizzano il flusso di aria possono essere configurati in modo ottimale, a seconda della velocità di crociera e delle condizioni di galleggiamento.

[0036] Vantaggiosamente, il flusso di aria può essere diretto a distanza dalla prua e/o profondità ottimale, in modo da massimizzare l’effetto idrodinamico che è stato più sopra menzionato, e ridurre al minimo la resistenza d’onda attorno alla prua stessa. L’apparato può essere quindi associato ad un sistema di controllo automatico o manuale che dirige il flusso d’aria nella posizione ottimale.

[0037] Possono essere apportate molteplici modifiche agli esempi di realizzazione sopra dati, pur rimanendo nell’ambito di protezione dell’invenzione. Ad esempio, pur essendo stato descritto un apparato di riduzione dell’onda di prua controllato elettronicamente in funzione ai parametri di navigazione del natante, nulla vieta che l’apparato sia regolato meccanicamente e manualmente, ad esempio tramite una manovella atta a reclinare le aste e ad immergere gli ugelli alla profondità ritenuta opportuna per un’ottimale navigazione. Siffatta configurazione dell’apparato può ad esempio essere vantaggiosa per i natanti di piccole dimensioni che non sono provvisti di una sofisticata centralina di rilevazione e controllo dei parametri di navigazione.

[0038] L’apparato può anche essere strutturato per essere agganciato allo scavo del natante e sganciato, rispettivamente dopo avere preso il largo e prima di rientrare in porto. In questo modo, se l’apparato non è in uso, può essere spostato sulla murata o messo sul ponte in modo da non rappresentare un intralcio alla navigazione.

Claims (15)

1. Un metodo per ridurre l’onda di prua generata dallo scafo di un natante, durante la navigazione, il metodo essendo caratterizzato dal fatto di generare davanti alla prua di detto scafo una miscela di un gas avente bassa viscosità e di acqua.

2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta miscela è formata ad un’opportuna distanza dalla prua e ad un’opportuna profondità rispetto al pelo dell’acqua.

3. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta distanza e detta profondità di formazione della miscela acqua/gas sono variabili a seconda delle condizioni operative di navigazione, per esempio del galleggiamento e/o della velocità del natante.

4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la distanza tra la zona di formazione della miscela davanti alla prua, e la prua stessa, è compresa tra 2 a 30 metri.

5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, detta miscela essendo ottenuta con un flusso di bolle di gas ad una opportuna pressione che è immesso in acqua, davanti alla prua del natante.

6. Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui detto flusso di bolle comprende bolle di diverse dimensioni.

7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, detto gas essendo aria.

8. Un apparato per ridurre l’onda di prua in un natante in navigazione, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di erogazione di un gas in pressione, preferibilmente aria, adatti ad erogare detto gas in pressione in un’opportuna zona davanti alla prua del natante, così da generare sostanzialmente attorno alla prua del natante una miscela di detto gas con acqua.

9. Apparato secondo la rivendicazione 8, detti mezzi di erogazione essendo orientabili per erogare detto gas ad un’opportuna distanza dalla prua e ad un’opportuna profondità rispetto al pelo dell’acqua.

10. Apparato secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di comprendere un controller di regolazione di detti mezzi di erogazione a seconda delle condizioni operative di navigazione, per esempio del galleggiamento e/o della velocità del natante.

11. Apparato secondo le rivendicazioni 8-10, caratterizzato dal fatto che la distanza tra la zona di formazione della miscela davanti alla prua, e la prua stessa, è compresa tra 2 a 30 metri.

12. Apparato secondo le rivendicazioni 8-11, caratterizzato dal fatto che detta miscela è formata da un compressore sotto forma di un flusso di bolle di gas ad un’opportuna pressione.

13. Apparato secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detto compressore forma un flusso di bolle comprende bolle di diverse dimensioni.

14. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8-13, caratterizzato dal fatto che detto gas è aria.

15. Natante comprendente un apparato secondo una delle rivendicazioni da 8 a 14.