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Centro Esperienze Idrodinamiche Marina Militare

TRADIZIONI STORICHE

La Marina italiana, sin dal tempo della Vasca Navale di La Spezia (1890), all’epoca la più importante nel mondo dopo quella inglese di Froude, ha sempre prestato particolare attenzione al progresso scientifico. Fedele a questa tradizione, agli inizi degli anni ’60, contribuì finanziariamente alla realizzazione della Vasca Navale di Roma (I.N.S.E.A.N.) e decise di costruire e di gestire direttamente un tunnel di cavitazione. Tale tunnel fa parte del Centro Esperienze Idrodinamiche Marina Militare (C.E.I.M.M.) ed è sito in Via di Vallerano n. 149, 00128 Roma (Tel. +39 06 507.709.1 -  Fax: +39 06 507.709.21 E-Mail: ceimm@insean.it), nelle vicinanze della Via Pontina, appena fuori del G.R.A.

DESCRIZIONE TECNICA

Il tunnel idrodinamico in dotazione alla Marina Militare è stato progettato e realizzato dalla ditta tedesca Kempfs & Remmers di Amburgo (modello K15) nel 1962. Il tunnel è di dimensioni tali da consentire l’esecuzione di prove su eliche di diametro massimo pari a 300 mm, profili alari ed appendici di carena con indice di cavitazione minimo di 0.2. Il tunnel permette di eseguire prove in scia uniforme e disuniforme, rilievi di pressioni, rilievi di componenti di forze e momenti, rilievi di rumore, rilievi di pressioni indotte, rilievi di scia e prove di erosione.Il tunnel si compone di due tratti orizzontali lunghi 12.0 metri e di due tratti verticali lunghi 8.5 metri uniti con appositi raccordi dotati di schiere palettate con funzione di raddrizzatori di flusso. Nel tratto superiore, approssimativamente nella zona centrale, è ricavata la camera di prova a sezione quadrata le cui dimensioni sono: 600 x 600 x 2200 mm, dotata di doppia finestratura in perspex di osservazione su tutti e quattro i lati con dimensione, per le singole finestre di osservazione, pari a 300 x 1000 mm con uno spessore di 30 mm.
La camera ha gli spigoli arrotondati e la velocità massima ammissibile per la vena fluida è di 12.0 m/s continuativa con una contrazione della vena fluida di 5.96:1, il limite superiore di tale velocità è imposto dall’estensione dei tratti verticali del tunnel e dalla potenza del motore della girante.Il tunnel è dotato delle seguenti apparecchiature di misura e ricerca:

  • Dinamometro principale J15, costruito dalla Kempfs & Remmers con sensori tipo strain gauge capace di leggere la spinta assiale, la coppia e la velocità di rotazione. L’asse del J15 è coincidente con l’asse del tratto orizzontale superiore del tunnel, il braccio porta elica è sostenuto da una crociera e fuoriesce dal lato a monte della camera di osservazione dove trova posto il gruppo motore su apposite slitte. Questo permette al J15 di scorrere longitudinalmente, anche sotto carico. I valori massimi di spinta, coppia e velocità di rotazione sono: 2450 N per la spinta, 98 Nm per la coppia e 4000 rpm per la velocità.
  • Dinamometro ausiliario H40, costruito dalla Kempfs & Remmers con sensori tipo strain gauge capace di leggere la spinta assiale, la coppia e la velocità di rotazione. L’asse dell’H40 è centrato rispetto alla sezione trasversale della camera di prova, ma può essere inclinato di un angolo pari a –8° ? +12° a seconda delle esigenze sperimentali. L’H40 è costituito da un braccio porta elica appeso ad un braccio verticale opportunamente avviato che fuoriesce da una delle finestre superiori di osservazione su cui viene montato il gruppo motore/inclinazione. I valori massimi di spinta, coppia e velocità di rotazione sono: 1960 N per la spinta, 98 Nm per la coppia e 3000 rpm per la velocità.
  • Bilancia a 3 componenti, costruita dalla Kempfs & Remmers con sensori tipo strain gauge capace di leggere la spinta assiale, la spinta verticale (portanza) e la coppia lungo l’asse trasversale. La bilancia è montata su una finestra superiore di osservazione ed i valori massimi di spinta, di portanza e di coppia sono: 590 N per la spinta, 1760 N per la portanza e 110 Nm per il momento.
  • Bilancia a 5 componenti, costruita dalla DMI con sensori tipo strain gauge capace di leggere la spinta assiale (resistenza), la spinta verticale (portanza) e la coppia lungo i tre assi coordinati. La bilancia è montata su una finestra superiore di osservazione ed i valori massimi di spinta, di portanza e di coppia sono: 6000 N per la spinta, 6000 N per la portanza, 500 Nm per la coppia attorno l’asse verticale e 1000 Nm per la coppia attorno agli altri due assi.
  • Sensori di pressione assoluti e differenziali. I primi, di tipo piezoelettrico, hanno il compito di rilevare la pressione assoluta all’interno del tunnel per conoscere il grado di vuoto o la pressurizzazione a cui è sottoposto l’impianto. I secondi, di tipo capacitivo, permettono di rilevare la velocità media della vena fluida.
  • Lampade stroboscopiche, il cui compito è quello di permettere di visualizzare fenomeni pulsanti o di eliminare visivamente determinati fenomeni a determinate frequenze.
  • Pitometri a mercurio, il cui compito è verificare la velocità in particolari punti della vena fluida. Pur essendo strumenti sperimentali di tipo intrusivo, in alcune fasi di taratura risultano ancora di estrema utilità (è utile ricordare che i manometri differenziali a mercurio sono strumenti di misura intrinsecamente precisi).
  • Sistema di rilevazione laser LDV (Laser Doppler Velocimetry) per rilevo di velocità puntuale a due componenti. Composto di un sistema laser a luce rossa polarizzata permette di rilevare due componenti di velocità in un punto, per studi non intrusivi, di campi fluidodinamici a valle di eliche o profili; è possibile effettuare altresì misure di velocità fino a tre componenti correlate nello spazio.
  • Sistema di rilevazione laser PIV (Particle Image Velocimetry) per rilievo di velocità planare. Si basa sul rilevamento di immagini ottenute tramite una lamina di luce laser che permette di evidenziare le particelle inseminanti presenti nel fluido del tunnel. Dopo aver acquisito due immagini sfasate temporalmente di un determinato intervallo, si esegue una elaborazione al computer che permette di calcolare, dopo l’applicazione di tecniche statistiche (auto correlazione e cross correlazione) il campo cinematico della superficie illuminata dalla lamina di luce laser.
  • Sistema acustico per rilevi di rumore e relativa strumentazione di analisi. E’ composto da un sistema idrofonico di acquisizione del rumore e di una idonea strumentazione per l’analisi in frequenza dei dati rilevati.
  • Sistema di acquisizione ed elaborazione computerizzato, costituito da due elaboratori: PC con processore Intel 200 MHz MMX, con schede di acquisizione National Instruments 16-MIO-16E-10, utilizzato per lo sviluppo di processi di acquisizione ed elaborazione tramite software Lab View; PC con processore Intel Dx2 50 MHz con schede di acquisizione Analog Device Rti 800 per l’acquisizione dei dati sperimentali.
  • Impianto di regolazione della pressione da 10 KPa a 150 Kpa, tramite pompe vacuometriche di piccola e grande portata.
    Impianto di ripresa video professionale per riprendere i fenomeni cavitativi ed idrodinamici in genere.

A monte della camera di prova, immediatamente prima del condotto convergente di accelerazione, vi è alloggiata una struttura a nido d’ape il cui compito è quello di diminuire le componenti trasversali e rotatorie di velocità; mentre a valle vi è un divergente il cui compito è quello di rallentare la vena fluida. La conicità del tratto divergente è molto minore di quello convergente per evitare il distacco della vena fluida dalle pareti del tunnel. Nella parte iniziale del tratto orizzontale inferiore trova alloggiamento la girante seguita da un condotto divergente atto a diminuire la turbolenza della vena fluida. Il tratto verticale a monte della girante ed orizzontale a valle della stessa sono a sezione circolare mentre gli altri due tratti, verticale a monte della camera di prova ed orizzontale superiore, sono a sezione quadrata. La struttura del tunnel è di tipo scatolare, rinforzata da apposite alettature per prevenire le deformazioni delle superfici costituenti. Il materiale scelto è acciaio inossidabile Aisi 316 che unitamente alle buone caratteristiche di lavorabilità e saldabilità unisce ottima resistenza alla corrosione evitando la formazione di ossidi che tendono, sia ad aumentare l’impurità dell’acqua, sia ad aumentare la rugosità interna. Allo scopo di sostenere il peso del tratto superiore orizzontale sono stati sistemati due puntellature in modo da dividere la campata in tre parti. La girante è costituita da un’elica a 4 pale calettata su di un albero sostenuto all’interno del tunnel da una coppia di crociere entro cui trovano alloggiamento due cuscinetti striscianti di materiale plastico (teflon), raffreddati e lubrificati da acqua. In corrispondenza della fuoriuscita dell’albero dal tunnel vi è un cuscinetto volvente con il duplice scopo di sostentamento e reggispinta bidirezionale.

L’albero è collegato ad un gruppo riduttore attraverso un giunto elastico a pioli che, oltre a ridurre le vibrazioni indotte dal riduttore sulla girante, permette piccoli valori di disassamento e disallineamento dei due alberi collegati (portaelica e condotto del riduttore). Il riduttore è ad ingranaggi elicoidali con rapporto di riduzione pari a 1:4 (1500:375) ed è collegato al motore principale tramite un giunto elastico a pioli simile al precedente. Il motore principale è costituito da un motore in CC, ad eccitazione indipendente. Il motore principale è alimentato da un gruppo Ward Leonard a cui è delegata, oltre la produzione della potenza necessaria alla girante, anche la produzione della potenza necessaria anche al dinamometro J15, mentre il dinamometro H40 è alimentato da un gruppo Ward Leonard indipendente secondario di potenza nominale pari a 38 KW. Il gruppo Ward Leonard principale è costituito da un motore asincrono trifase, semi ermetico, raffreddato ad aria. Il motore asincrono ha sul suo albero calettate tre dinamo, una dedicata alla produzione della corrente continua per la girante del tunnel, una per il dinamometro J15 ed una per l’eccitazione dei motori in CC.

I gruppi Ward Leonard sono alimentati attraverso un quadro elettrico dotato di un gruppo trasformatore trifase MT / BT, dei relativi impianti di sicurezza, controllo e rifasamento. Inoltre, il tunnel è dotato di officina meccanica in grado di eseguire rilievi su eliche e profili già costruiti, equilibratura dinamica di eliche, costruzione di eliche e profili. I materiali utilizzati per la realizzazione delle eliche o dei profili sono, principalmente, cuproleghe, alluminoleghe, zincoleghe, materiali sintetici e materiali compositi.

Il C.E.I.M.M. può eseguire le seguenti esperienze idrodinamiche:

  • determinazione delle curve caratteristiche per eliche e profili a differenti indici di cavitazione sia in flusso uniforme che disuniforme (scala modello);
  • determinazione dell’inizio e sviluppo della cavitazione in vera grandezza;
  • osservazioni della scia con sistemi LDV e PIV in scala modello;
  • misure di rumore e pressioni indotte.

Le apparecchiature/impianti del C.E.I.M.M. sono continuamente in fase di aggiornamento allo
scopo di continuare con la tradizione del Centro che lo hanno sempre visto ai primi posti della
ricerca scientifica nel campo dell’idrodinamica.

CAMPI DI RICERCA

I principali campi di ricerca nei quali il C.E.I.M.M è, al momento, impiegato, sono:

  • miglioramento della metodologia sperimentale per la predizione di cavitazione al vero;
  • miglioramento della metodologia sperimentale per la predizione di rumore irradiato al vero;
  • miglioramento della metodologia sperimentale per la predizione della pressione indotta al vero;
  • sviluppo di una legge di correlazione per tutti i fenomeni di cui sopra.

Durante le esperienze condotte vengono generalmente fatte osservazioni visive sul comportamento alla cavitazione dell’elica, sia per scoprire l’inizio di ciascun fenomeno e sia per rilevare l’estensione dei vari fenomeni in corrispondenza di punti operativi significativi deducendoli dalle prove di autopropulsione in vasca.
Le prove sono svolte in flusso non uniforme, potendo anche allestire l’elica a valle di un simulacro di scafo riproducente la parte poppiera della nave che si deve studiare.
La realizzazione di questo simulacro è studiato di volta in volta sulla base della scia rilevata durante le prove in vasca. I punti operativi sono realizzati provando l’elica agli indici di cavitazione stimati al vero, ma non mantenendo uguale il numero di Froude, fatto che non influenza il comportamento dell’elica.

Invece, a causa dell’importanza del numero di Reynolds sia sul flusso delle pale che sull’inizio di cavitazione, e a causa della pratica impossibilità di realizzare un’identità di scala al vero, tutte le osservazioni vengono svolte ad un numero di Reynolds il più vicino possibile a quello al vero. Oltrechè le osservazioni usuali relative alla nave come la velocità, la potenza sviluppata, il numero di giri ed il consumo di combustibile, vengono effettuate anche le osservazioni di cavitazione.
I giri dell’elica e la potenza sviluppata vengono misurate per mezzo di un contatore di giri e di un torsiometro; la velocità della nave è determinata con un sistema accurato di radiolocalizzazione quale è il Raydist.
Lo scopo essenziale delle osservazioni al vero sempre richieste e molto apprezzate dalla Marina italiana, è di valutare il comportamento globale dell’elica in vera grandezza e di verificare la bontà delle metodologie di previsione.

LE OSSERVAZIONI AL VERO

Le osservazioni di cavitazione sull’elica al vero vengono normalmente svolte attraverso degli oblò, montati sulla volta di poppa della nave vicino all’elica.
Ovviamente una sistemazione simile permette un’osservazione chiara della parte superiore dell’elica e parzialmente di quella laterale: la mancanza di informazioni riguardanti le altre parti dell’elica non è così essenziale, poiché il maggior sviluppo della cavitazione si ha normalmente nella parte superiore, a causa delle più grandi fluttuazioni di scia ed il minor battente idrostatico.
Attraverso le osservazioni di cavitazione al vero è possibile rilevare l’inizio della cavitazione ed anche disegnare gli schizzi dell’estensione della cavitazione alle varie velocità.

PROVE DI TIMONI ED ALI

Oltre alle esperienze sulle eliche, il C.E.I.M.M. è fornito di una speciale strumentazione per la misura delle forze agenti su profili alari, timoni e pinne: sono le cosiddette bilance, strumenti di alta precisione, privi di parti rotanti. Il Centro dispone di due diversi tipi di bilance: una a 3 ed una a 5 componenti; con la prima è possibile misurare tre forze e con la seconda due forze e tre momenti.
Mentre la prima è idonea a rilevare le forze su profili alari in flusso bidimensionale, la seconda è più adatta a misure su timoni e pinne. E’ sempre possibile fare eventualmente e contemporaneamente osservazioni di cavitazione.

VELOCIMETRIA

E’ molto importante nello studio sia dell’elica che, molto più in generale, di ogni corpo immerso in un flusso turbolento, la misura della scia. Un grande aiuto in questo tipo di attività proviene da sistemi di tecniche non intrusive quali la velocimetria laser doppler (LDV) e la velocimetria laser con tecnica PIV.
Il sistema LDV disponibile al C.E.I.M.M. è di potenza limitata, ma di grande versatilità e permette di investigare su due componenti della velocità: quella assiale e quella tangenziale; è inoltre possibile effettuare delle analisi tridimensionali correlando nello spazio le componenti.
Il sistema PIV permette invece una rapida determinazione del campo cinematico planare a valle di un profilo o di un elica.

CONCLUSIONE

Alla fine di questo veloce sguardo sulle possibilità sperimentali del C.E.I.M.M., ricordiamo una frase di Leonardo da Vinci:
“Ricordati quanto commenti l’acque, d’allegar prima l’esperienza e poi la ragione”.
Una tale affermazione è ancora attuale nel campo dell’architettura navale, poiché i problemi riguardanti i moti dei corpi in acqua continuano a sfuggire alle possibilità di essere completamente risolti in teoria, anche con l’aiuto degli odierni potenti strumenti matematici.