Il novanta per cento del commercio globale si sposta via mare e più di 4 trilioni di dollari di merci vengono trasportati ogni anno su grandi navi portacontainer. Poiché le spedizioni commerciali continuano a rafforzare la nostra economia, gli architetti navali si trovano ad affrontare un fenomeno naturale nelle navi portacontainer precedentemente visto in piccoli pescherecci:il movimento di rollio di grande ampiezza.

Il movimento di rollio di grande ampiezza rende le grandi navi portacontainer estremamente instabili e vulnerabili agli incidenti dell'equipaggio e del carico, guasto del macchinario, danni strutturali e possibile ribaltamento.

Il rollio di grande ampiezza dovuto all'eccitazione parametrica si verifica quando la lunghezza dell'onda è paragonabile alla lunghezza della nave portando a variazioni particolarmente pronunciate nella stabilità della nave mentre naviga attraverso mari agitati. La nave viene alternativamente spinta da un lato all'altro, e, in pochi cicli, si formano onde elevate con angoli di rollio superiori a 35 gradi, rendendolo pericoloso per l'equipaggio e il carico.

"Il moto di una nave o di una struttura offshore in onde è sempre stato un problema affascinante per l'architetto navale, " ha detto il dottor Jeffrey Falzarano, professore nel nuovo Dipartimento di Ocean Engineering presso la Texas A&M University.

Falzarano, architetto navale di formazione studia il fenomeno del rollio e del capovolgimento dei pescherecci sin dai tempi del dottorando.

"Movimento di rollio parametrico di grande ampiezza delle navi portacontainer in mare aperto dove le onde corrono direttamente contro la rotta di una nave, però, è un problema relativamente nuovo, " ha detto. "Ha posto gravi preoccupazioni per la stabilità della nave".

Falzarano, insieme all'ex studente Dr. Amitava Guha e agli studenti laureati Dr. Abhilash Somayajula e Yujie Liu, ha sviluppato la suite Marine Dynamics Laboratory (MDL), una serie di programmi software che prevedono la probabilità di un moto di rotolamento di grande ampiezza. Ridurre la probabilità di un incidente causato dal rotolamento è considerato un approccio più efficace rispetto all'attenuazione delle conseguenze. Supportato dal programma Environmental Ship Motion Forecasting dell'Office of Naval Research, il gruppo sta aiutando a sviluppare gli strumenti di previsione del movimento di rollio di prossima generazione per gli architetti navali.

"Molti dei criteri di stabilità per la progettazione della nave attualmente non tengono conto dei movimenti dinamici della nave, " ha affermato Somayajula. "I criteri precedenti presuppongono che le acque siano calme e quindi abbiamo bisogno di una nuova serie di regole di stabilità di prossima generazione basate sulla risposta dinamica della nave in onde realistiche".

Secondo i ricercatori, una progettazione e un funzionamento nuovi e migliorati delle navi portacontainer possono ridurre efficacemente la probabilità che si verifichi un movimento di rollio di grande ampiezza.

Falzarano e Guha hanno sviluppato MDL HydroD, uno strumento nel dominio della frequenza che analizza le interazioni di onde e strutture. Il programma software è un codice pannello tridimensionale che calcola i carichi d'onda del primo e del secondo ordine e la risposta al movimento a velocità zero e in avanti in acque profonde e poco profonde.

Falzarano e Somayajula hanno ampliato il lavoro di Guha per sviluppare SIMDYN, uno strumento nel dominio del tempo che utilizza i risultati nel dominio della frequenza di MDL HydroD. Il programma software analizza modelli accurati del movimento della nave in onde casuali. SIMDYN considera concetti come idrostatica non lineare, forze di Froude Krylov non lineari e smorzamento del rollio calcolato per simulare i movimenti non lineari e casuali della nave. Somayajula sta attualmente applicando questo strumento per analizzare il rollio parametrico delle navi in ​​mari irregolari e risolvere il problema dell'ottimizzazione della progettazione delle navi per una maggiore sicurezza, navi più stabili ed efficienti.

La ricerca di Falzarano e Liu estende il programma MDL HydroD di Guha per considerare più navi. È progettato per valutare accuratamente le risposte idrodinamiche di più galleggianti considerando i carichi d'onda di primo e secondo ordine tra più navi, scarico fianco a fianco e analisi dell'altezza delle onde tra le navi.

"C'è un'enorme quantità di interazione tra più navi di varie dimensioni a causa del divario tra loro, " ha detto Falzarano. "Questo non è ben previsto nei modelli e abbiamo bisogno di analizzare i dati sperimentali per migliorare la previsione".

I ricercatori dicono, questo potenziale programma software di flusso risponde alla necessità di uno strumento affidabile alla ricerca di soluzioni pratiche ed economiche nelle applicazioni della tecnologia offshore. C'è un crescente interesse nel capire come interagiranno tra loro e nella ricerca di un piano affidabile ed economicamente efficiente.

Per prevedere con precisione il movimento di rollio, Falzarano e il suo team hanno analizzato i dati dei test del modello presi da esperimenti condotti su R/V Melville, una nave da ricerca oceanografica per tutti gli usi gestita dalla Scripps Institution of Oceanography dell'Università della California di San Diego.

I ricercatori stanno attualmente estendendo la suite di programmi software MDL per studiare la resistenza alle onde costanti in una nave. Il metodo del flusso potenziale è noto per la sua efficienza e può essere utilizzato come screening iniziale per identificare candidati promettenti. Questi candidati possono quindi essere ulteriormente analizzati utilizzando tecniche più sofisticate come la fluidodinamica computazionale o il test del modello. Ciò consente l'uso sequenziale di questi approcci al fine di ottimizzare contemporaneamente le forme dello scafo per i movimenti e la resistenza delle onde.

Il prossimo passo include l'utilizzo della suite MDL per studiare altri problemi importanti come le turbine eoliche galleggianti offshore e il carico delle onde non lineari.