Comparação entre as ferramentas de simulação de manobra e suas principais limitações

Os avanços obtidos na modelagem computacional nas últimas décadas e o surgimento de máquinas no mercado de excelente capacidade de processamento a custos relativamente baixos, gerou em muitos pesquisadores e profissionais do meio técnico a sensação de que os modelos físicos estavam ficando obsoletos, e todas as atividades antes realizadas por estes últimos poderiam ser substituídas por soluções numéricas. Esta visão não poderia estar mais longe da verdade, e mostra total desconhecimento das limitações destas ferramentas.

Hughes (2005) aponta alguns motivos claros para mostrar a atual impossibilidade de substituir integralmente os modelos físicos por soluções numéricas, que são: características não-lineares das equações de movimento, que não podem ser resolvidas analiticamente; inexistência de modelos matemáticos que descrevam completamente os fenômenos do escoamento turbulento, o fluxo próximo às zonas de quebra de ondas, a interação do escoamento com o fundo ou com obstáculos naturais ou artificiais, entre outros.

Dalrymple (1985) afirma que os modelos físicos integram as equações que governam o fenômeno hidráulico sem as simplificações assumidas pelos métodos analíticos ou numéricos.

Le Méhauté1 _{(1990 apud HUGHES, 2005, p.25, tradução nossa) aponta como} vantagens dos modelos físicos em relação aos modelos numéricos:

 O custo dos modelos em escala é compatível com o tamanho e magnitude das obras costeiras. E os resultados adicionam credibilidade ao processo de tomada de decisão, especialmente quando há discordância;  Técnicas de Laboratório permanecem ferramentas extremamente úteis em Engenharia Costeira por causa dos limites da mecânica dos fluidos determinística devido à turbulência;

 Novas técnicas como Laser Doppler Velocimeter estão disponíveis para estudos em modelos físicos e com elas possibilidades de estabelecer relações mais complexas com maior número de variáveis, utilizando novas técnicas de processamento de dados;

 Modelos físicos permanecem o melhor computador analógico, permitindo a reprodução de cenários complexos muito além da precisão das diferenças finitas. Efeitos não lineares e dissipativos, que representam enormes dificuldades de representação por equações matemáticas, são também considerados nos modelos físicos;

 Contato físico com o fluido permanece o melhor guia intuitivo. Os resultados são visuais e tem credibilidade. Estimulam a imaginação e as soluções criativas em um nível que não pode ser alcançado em teorias saídas de computador.

A PIANC (1992) também afirma que os modelos físicos são menos duvidosos quanto à validade comparados aos modelos numéricos, assim como são extremamente úteis em situações onde o conhecimento matemático é insuficiente, e nos locais em que os processos físicos são muito complicados e extensivos para serem descritos matematicamente, como por exemplo: interações do escoamento com o fundo, presença de bancos de areia, cruzamento entre navios, entre outros.

É preciso lembrar também que os simuladores computacionais necessitam como dados de entrada de uma série de coeficientes hidrodinâmicos, que nem sempre são conhecidos ou podem ser determinados matematicamente. Estes coeficientes são obtidos, via de regra, por meio de ensaios em modelos físicos, quer na fase de projeto do navio propriamente dito, quer para estudos

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Le Méhauté, B. Similitude. In Ocean Engineering Science, Vol. 9, Part B. New York: John Wiley and Sons, 1990.

específicos de manobras quando estas informações não são disponibilizadas pelos fabricantes do navio.

Evidentemente, os modelos físicos também possuem diversas limitações, que poderiam ser resumidas em quatro grandes grupos:

 Efeitos de escala: a impossibilidade de garantir a Semelhança Dinâmica Completa entre modelo e ambiente real exceto para a escala 1:1, traz como consequência imediata a representação apenas parcial do fenômeno hidráulico nos modelos físicos. Por exemplo, a utilização dos critérios de Semelhança de Froude, mais comum nos modelos hidráulicos, faz com que os modelos não representem bem as forças viscosas ou a tensão superficial da água, conforme explicado no item 2.3.3, podendo trazer consequências sobre análise dos resultados em determinados tipos de abordagens;

 Fatores de escala: em função da redução geométrica em relação ao meio real, as demais grandezas físicas também têm alteradas suas relações com as correspondentes medidas reais. Estes efeitos são importantes em alguns casos particulares, como os ensaios de manobra, por exemplo, nos quais o tempo no modelo reduzido é muito mais rápido do que o real, resultando na necessidade do prático se adaptar para dar respostas mais rápidas às ações externas;

 Efeitos de Laboratório: associados às condições de fronteira dos modelos físicos. Por questões de custos, espaço físico, ou infraestrutura disponível, os modelos físicos não podem ser exageradamente grandes de forma a acomodar perfeitamente as condições de aproximação das correntes na área de interesse ou evitar efeitos de parede, exigindo cuidados do modelista para avaliar a importância destes fatores durante o estudo;

 Simplificações da realidade: não é possível simular em modelo físico com perfeição todas as variações espaço-temporais das ações da

natureza, com correntes, ventos ou ondas, sendo que simplificações da realidade são realizadas para representar somente as condições de contorno mais importantes.

Além disso, exceto em casos muito raros, os modelos físicos são mais caros para construir e operar do que os modelos computacionais.

No caso dos estudos de manobra, a principal vantagem dos simuladores numéricos fica por conta da sua capacidade de reproduzir o tempo real de manobra. Todos os modelos físicos têm o fator de escala de tempo como seu principal fator limitador. Quanto menor a escala, maior é o impacto. Neste aspecto, os modelos tripulados com escalas relativamente grandes (da ordem de 1:25) levam vantagem sobre os modelos hidráulicos de maior fator de redução, que utilizam navios rádio controlados.

Por outro lado, os modelos não tripulados, por conta da escala de tempo, estão habilitados a realizar um maior número de manobras por dia, sendo ideais para as investigações preliminares de estudos de alternativas. Nesta fase de estudos levam vantagem inclusive sobre os simuladores computacionais fast

time, pois contam com o controle humano na realização da manobra. Por esta

vantagem da maior velocidade na realização das simulações, os modelos não tripulados foram apelidados no LHEPUSP de simuladores fast time analógicos. A PIANC (1992) aponta também como vantagem do uso dos modelos físicos tripulados em relação aos modelos físicos controlados via rádio, a visão mais realista do piloto que está embarcado, ao contrário dos modelos rádio controlados onde a visão é geral (denominada visão de pássaro). Sob este aspecto é preciso ressalvar que, atualmente, os sistemas de câmeras em modelos rádio controlados já permitam representar com muito mais realismo a visão do prático sobre o passadiço das embarcações, com uma série de opções técnicas para simular os pontos de visão real.

Apesar de mais atrativos, é preciso lembrar que os modelos tripulados para representar os cenários de manobras devem ter dimensões muito extensas,

exigindo áreas enormes para implantação e sendo, portanto, de custo muito mais elevado do que modelos hidráulicos costeiros convencionais. Ainda por conta destas dimensões, fica evidente que o controle das ações externas fica muito mais complexo, exigindo infraestrutura muito maior para gerar artificialmente ondas, correntes ou vento. Também é preciso ressaltar que os modelos tripulados ficam em grandes áreas abertas, sujeitas ao vento local e outras condições climáticas, que podem agregar aos cenários simulados condições de contorno inexistentes.

Além do tempo real, os simuladores computacionais de manobra, em especial o Full Mission, tem a vantagem de reproduzir com grande fidelidade todos os controles da ponte de comando, bem como a visão do ambiente de navegação, com telas de alta resolução e objetos gráficos cada vez mais sofisticados. Isto confere ao treinamento das equipes envolvidas na manobra (práticos, mestres de rebocadores, entre outros) a possibilidade de se aproximarem muito mais das condições que serão encontradas em manobras reais, bem como uma adaptação muito mais rápida à ferramenta do que no caso dos modelos físicos. Portanto, fica claro que cada ferramenta de simulação de manobra possui suas vantagens e desvantagens. Por este motivo, o caminho mais indicado para as simulações é a integração entre os sistemas, utilizando a chamada modelagem híbrida. As vantagens desta abordagem são claras, em especial quando há necessidade da aplicação destes modelos hidráulicos para outros estudos de interesse na área portuária, como no caso de obras de proteção, avaliação de planos de amarração, entre outros.