Il bulbo parte 1^

IL   BULBO  DI PRUA (PARTE 1^ )

Il bulbo è una vera e propria protuberanza della carena al di sotto della linea di galleggiamento(di progetto).Il suo scopo è quello di modificare il flusso dell’acqua lungo la carena,riducendo la resistenza fluidodinamica(nella sua componente d’onda) e di conseguenza incrementando la velocità,a parità di potenza installata,oppure, a parità di velocità riducendo i consumi e quindi aumentando l’autonomia.

Qualunque nave viene progettata per poter mantenere in determinate condizioni di carico di progetto una certa velocità .Per fare questo occorre applicare una potenza che sia sufficiente a vincere la resistenza che la carena incontra nell’avanzare in acqua. Una nave che naviga in superficie si trova in una condizione molto particolare. Al contrario infatti di un aereo e di un sottomarino,si trova a navigare sulla superficie di separazione di due mezzi,l’aria e l’acqua. A causa di questo,la resistenza all’avanzamento,meglio nota come resistenza al moto,non è solo dovuta all’attrito fra la carena medesima e l’acqua in cui si muove,ma esiste una componente della resistenza dovuta alla formazione ondosa dovuta proprio all’avanzamento sulla superficie di separazione dei due mezzi,aria e acqua,detta appunto resistenza d’onda. Per inciso vi sono anche altre componenti(resistenza all’avanzamento dovuta alla presenza di appendici come pinne stabilizzatrici,alette di rollio etc.) ma queste non hanno,se non in casi particolari,un valore veramente sensibile. In pratica la resistenza d’onda è dovuta alla formazione di una sovrapressione nella zona di prora,dove questa divide la massa liquida(a prora si ha una cresta d’onda),ed una depressione verso poppa,dove la massa liquida si richiude(e dove,di conseguenza,si ha un cavo d’onda).In una carena molto lenta (ad esempio la carena di una petroliera o portarinfuse con forme tozze e velocità di avanzamento comprese  fra i 12 e i 15 nodi,sempre a pieno carico) la componente d’onda è poca cosa (in relativo ovviamente)rispetto alla componente di attrito. Per carene veloci (portacontainers,traghetti) la componente d’onda può diventare addirittura maggiore di quella d’attrito. In architettura navale si discriminano le navi veloci da quelle lente attraverso il numero di FROUDE che mette in relazione la velocità della nave con la sua lunghezza(con velocità al numeratore e lunghezza la denominatore).Quindi maggiore e’ la velocità maggiore e’ il numero di Froude,ma anche piu’ la nave e’ lunga piu’ il Froude si abbassa  e viceversa .In generale Froude alto significa nave veloce(in relazione alla lunghezza della carena) o comunque componente di restenza d’onda elevata e viceversa, Froude basso significa nave lenta o comunque con ridotta componente di resistenza d’onda. Come detto la resistenza d’onda e’ dovuta alla formazione di una sovrapressione nella zona prodiera ed una depressione nella zona poppiera. In natura ogni cosa va da un punto a potenziale (energetico) piu’ alto ad uno a potenziale piu’ basso. Nel caso specifico lo scafo tenderebbe ad andare dal punto ove vi e’ un potenziale piu’ alto(la cresta dell’onda di prora) a quello a potenziale piu’ basso(il cavo dell’onda di poppa).Nel complesso questo si traduce in un rallentamento della carena. Le onde che si formano sono di due tipi: divergenti e trasversali. Le onde oblique non sono altro che una serie di creste che partono dalla prora e si allargano a mano a mano che ci si muove verso poppa,hanno una certa inclinazione rispetto alla direzione di avanzamento della nave e non hanno una grande influenza sulla resistenza al moto .Le onde trasversali invece,sono la principale causa della resistenza d’onda ed altro non sono che un vero e proprio treno d’onde ,con creste(e cavi) che si muovono lungo la carena della nave e che si propagano trasversalmente. Il bulbo ha la funzione di perturbare il treno d’onde ed in particolare di crearne uno nuovo,sfasato rispetto al precedente,che sia in grado di ridurre il cavo che si forma,sarebbe una sorta di somma algebrica: se ai treni d’onda sfasati,si sommerebbero un cavo (notevole) con una cresta (di minor altezza) e l’effetto finale sarebbe un cavo meno pronunciato e quindi una depressione meno forte; in ultima analisi si riduce la componente della resistenza d’onda. Un altro effetto positivo e’ la modifica del regime delle pressioni lungo la carena:l’effetto di appiattimento delle creste e dei cavi si risente sui treni d’onda trasversali generati dalla carena stessa. Da tener presente che quanto detto ha solo valore nel campo delle velocità e delle immersioni prossime a quelle di progetto. Al di fuori di questi  l’effetto del bulbo e’ minore o potrebbe essere addirittura negativo. Il bulbo viene progettato sulla base dei seguenti dati:

-Velocità (crociera)

-Immersione di progetto.

-Caratteristiche della carena(andamento delle linee d’acqua al galleggiamento,forme della carena nella zona prodiera e centrale).

Nella decisione di dotare o meno la prua di bulbo,oltre alle considerazioni sulla resistenza al moto nelle diverse condizioni di carico,non possono non intervenire considerazioni riguardanti :

-il possibile miglioramento del comportamento della nave in mare con moto ondoso sia in relazione ai moti che all’incremento di resistenza all’avanzamento,

-l’incremento dei costi e dei tempi di costruzione,

-il peggioramento della navigazione in presenza di ghiaccio,

-difficoltà che possono insorgere nella manovra delle ancore.

Quindi con riferimento alla sola resistenza al moto alla condizione di carico studiata,un bulbo prodiero ben progettato e realizzato comporta :

-una riduzione della resistenza per formazione ondosa dovuta all’interferenza tra i treni d’onda prodotti dalla sola prua e dal bulbo,

-una riduzione della resistenza per frangimento delle onde dovuta alla minore altezza del treno d’onda prodotto dalla prua con bulbo,

-una riduzione della resistenza residua di natura viscosa dovuta soprattutto alla riduzione dei vortici,

-un aumento della resistenza d’attrito connessa alla maggiore superficie bagnata.

Da un ampia indagine condotta e’ risultato che :

1-il bulbo di prua e’ adottato dal 95% delle navi aventi valori di CB e di L/B compresi nei seguenti campi: 0.650 <  CB <0.185 e 5.50 <L/B <7.00.

2-non esiste una correlazione affidabile tra l’idrodinamica del bulbo ed il numero di Froude (Fn)

                                                                                      

3-l’adozione del bulbo e’ sconsigliata nel caso risulti  CB B/Lpp ≥ 0.135.

                                                                                                    

in merito a quanto affermato al punto 2,c’e’ da chiarire che il numero di Froude deve essere comunque tenuto presente in relazione alla scelta delle dimensioni e della forma del bulbo. In generale  si e’ constatato che l’adozione di un  bulbo ben progettato riduce la resistenza al rimorchio soprattutto per le navi ad elevato valore di CB; per navi aventi CB  con valore attorno a 0.6,ma con velocità relativa abbastanza elevata(0.24 <Fn <0.31),il bulbo di prua può ridurre la resistenza al rimorchio fino ad un massimo del 10%. Per navi aventi velocità tale da realizzare                         Fn<0.30 (cioè per la stragrande maggioranza delle navi da carico)il bulbo e’ raccomandabile  purchè la sua altezza Hx sia tale da raggiungere l’immersione di progetto della nave ( Hx/T  = 1).

Il bulbo di prua di norma e’ integrato alla prua,cioè le linee d’acqua e le longitudinali della carena si adattano per integrare il bulbo senza generare discontinuità ; in rari casi,invece,(ad esempio,navi con forma realizzata  come insieme di superfici piane) il bulbo e’ innestato alla prua creando discontinuità con la forma di carena. L’innesto,invece,viene sempre realizzato quando si decide di dotare di bulbo una nave progettata e realizzata senza il bulbo di prua.

Per quanto riguarda la forma del bulbo,in generale,esse e’ riconducibile ad una delle seguenti tre tipologie:

-Bulbo a goccia o a Δ -la forma del bulbo che realizza la maggiore concentrazione del volume verso il basso e’ particolarmente idonea per quelle navi che hanno forme del corpo stellato di prua ad  U e possono trovarsi a navigare in condizioni di carico molto diverse. L’effetto positivo di questo tipo di bulbo sulla resistenza al moto decresce all’aumentare dell’immersione divenendo molto piccolo o nullo all’immersione a pieno carico normale .Nella navigazione con mare mosso e con immersioni piccole e’,di solito,presente il fenomeno dello slemming.(fig.1)

-Bulbo ellittico o circolare-la forma del bulbo che ha una distribuzione del volume piu’ omogenea(rispetto al piano orizzontale a quota pari a metà altezza del bulbo) e’ particolarmente idonea per quelle navi che devono frequentemente navigare in mari severi,sia che le loro forme del corpo stellato di prua siano ad U che a  V. E’ molto raro che una nave con bulbo ellittico o circolare presenti il fenomeno dello slemming.(fig.2)

-Bulbo a trottola o a ▼( leggi: nabla) – la forma del bulbo che realizza la maggiore concentrazione del volume verso l’alto e’ particolarmente idonea per quelle navi che compiono alternativamente viaggia pieno carico ed in zavorra( e’ il caso delle cisterne,bulk carrier,ecc.).Nella condizione di pieno carico la presenza di tale bulbo riduce notevolmente il moto di beccheggio. Il bulbo a nabla viene adottato anche per navi veloci di piccole e medie dimensioni in quanto e’ più facile da integrare con le forme della carena.(fig.3)

In figura 4 sono rappresentati le sezioni del bulbo con il piano diametrale della nave e con il piano trasversale  passante per la perpendicolare avanti. I principali parametri che servono a definire il bulbo sono:

-L’altezza  Hx del punto di massima sporgenza misurata dalla linea di base della nave;tale grandezza viene adimensionalizzata rispetto all’immersione T ;

-L’ascissa  Xx del punto di massima sporgenza misurata dalla perpendicolare avanti della nave;tale grandezza viene adimensionalizzata  rispetto alla lunghezza tra le perpendicolari Lpp.

-La larghezza massima Y della sezione del bulbo con il piano trasversale passante per la perpendicolare avanti ;tale grandezza viene adimensionalizzata rispetto alla larghezza massima della nave B;

-L’altezza massima Z della sezione del bulbo con il piano trasversale passante per la perpendicolare avanti;tale grandezza viene adimensionalizzata rispetto all’area AM della sezione immersa della nave a Lpp/2;

-L’area AL della sezione del bulbo con il piano diametrale limitatamente alla parte a proravia della perpendicolare avanti;tale grandezza viene adimensionalizzata rispetto all’area AM della sezione immersa della nave a Lpp/2;

-Coefficiente di finezza CT della sezione trasversale di area AT;dato dal rapporto tra l’area AT della sezione del bulbo e l’area del rettangolo che la circoscrive CT = AT/YZ;

-Coefficiente di Taylor  t  - che lega tra loro la lunghezza tra le perpendicolari Lpp,la differenza tra AM e AT(gia’ definiti) e l’angolo gamma formato dalla tangente alla curva standard(carena senza bulbo) delle aree delle sezioni immerse in corrispondenza con la perpendicolare avanti e la retta orizzontale (ascissa del detto diagramma)-dato dalla formula seguente ed usato solo nel caso di navi veloci:                                                                                                                                                          

               
t = 2Lpp tgγ / A_M – A_T

CONTINUA………………………………