The work in this thesis is concerned with the generation of Lumped Parameter Models (LPM) for two, slender, torpedo shaped, X-fin craft. This process involves the use of CFD to simulate captive maneuvers that are normally performed using test equipment in the field. These captive maneuvers are refereed to as planar motion mechanisms (PMM), and when simulated through CFD are refereed to as virtual planar motion mechanisms (VPMM). The results from VPMM are used to determine the hydrodynamic derivatives that inform the LPM. There was some inconsistency in the VPMM data based on the frequency and amplitude that the VPMM was run. A brief study was run to look at this effect. Afterwards, Open and closed loop, autopilot assisted, maneuvers are implemented and performed using the LPM model through Simulink. Results of these maneuvers are analyzed for craft stability. Additionally, comparisons of LPM maneuvers to field data are performed. Critiques of the craft stability and effect of the autopilot are made. / Master of Science / The work carried out in this thesis involves the creation of a physics based model of an underwater craft. This physics based model is informed through characteristics determined by running computational fluid dynamics (CFD) simulations. The benefit of such a model, is the simplification from CFD to a 6 degree of freedom (6-DOF) lumped parameter model (LPM). These physics models, LPM, are generated for two particular craft of interest. One craft is an existing design used by NUWC (named Tonnetto), while the other design is one generated to be similar in shape and size to the NUWC craft (named Hokie). Computer simulated maneuvers are carried out using these models to asses craft stability and performance. An autopilot is implemented into the models for some of these simulations to see its affects on the crafts performance. Additionally, these simulated maneuvers are compared to field data collected by NUWC.

O aumento do uso de códigos numéricos baseados em dinâmica de fluidos computacional (CFD) atrelado a problemas de engenharia naval e a necessidade de se estabelecer a proximidade dos resultados obtidos nas simulações com os experimentos físicos serviu de motivação para execução deste trabalho. O tema do presente trabalho é pertinente uma vez que o número de trabalhos publicados que simulam com precisão ensaios de embarcações em condição de manobra e obtêm as derivadas hidrodinâmicas que caracterizam o movimento é muito pequeno, atendendo assim a uma demanda existente por novas confrontações numérico/experimentais. Com isso, um conjunto de ensaios de PMM (Planar Motion Mechanism), mais especificamente os ensaios de sway e yaw puros e yaw com drift, e arrasto oblíquo foram executados na embarcação KVLCC2, nas condições de manobra, similares aos ensaios realizados pelo laboratório italiano ISEAN que tinha por objetivo fornecer uma base de comparação para trabalhos em CFD. Os resultados das forças e momentos das simulações foram comparados com os obtidos nos ensaios, bem como as derivadas hidrodinâmicas que caracterizam a embarcação estudada. De maneira geral, os resultados obtidos nas simulações mostraram-se muito próximos aos obtidos a partir do ensaio, fornecendo assim um bom resultado nas derivadas hidrodinâmica, principalmente com relação às derivadas em função das velocidades de translação e rotação. Na expectativa de ampliar a aplicação do método de solução proposto, um novo conjunto de simulações foi realizado na escala real da embarcação. As dificuldades encontradas devido às incompatibilidades nos números de Reynolds mostraram-se presentes, de maneira similar às encontradas nos ensaios físicos evidenciando inclusive que o fator de forma está diretamente atrelado ao número de Reynolds, contrariando a hipótese clássica e alinhando-se com trabalhos mais recentes publicados sobre o tema. Os resultados encontrados a partir da aplicação da metodologia mostram coerência em relação às respostas encontradas nos ensaios, fornecendo uma alternativa ao método clássico de obtenção das características hidrodinâmicas de uma embarcação de superfície em condição de manobra. Ainda fornece uma opção de cálculos, que ainda necessita de melhorias e validação mais elaborada, nas condições da escala real, fato impossível sem o uso de simulações. / The growing use of numerical codes based on computational fluid dynamics (CFD) in problems related with marine engineering and the need to establish the reliability of the results from the simulations with those derived from physical tests served as the motivation for performing the work. The subject of this work is relevant since the number of published works that accurately simulate and test the conditions of vessels in maneuvering and obtains the hydrodynamic derivatives that characterize the movement is very small, thus meeting an existing demand for the new numeric confrontations / experimental. Therefore, a set of PMM tests (Planar Motion Mechanism), more specifically: pure sway, pure yaw and yaw whit drift, and static drift, were performed on the vessel KVLCC2 under conditions of maneuver, similar to tests conducted by the Italian laboratory ISEAN which was intended to provide a basis of comparison for work with CFD. The results of the forces and moments of simulations were compared with those from the tests, as well as the hydrodynamic derivatives which characterize the vessel studied. In general, the results from simulations were very close to those from the experiment, thus providing a good result in hydrodynamic, derived primarily related to derivatives, depending on the speed of translation and rotation. Expecting to expand the application of the proposed method, a new solution set of simulations was carried out in a full-scale vessel. The difficulties encountered due to incompatibilities in the Reynolds numbers were similarly found in the physical testing. This included demonstrating the form factor directly linked to the Reynolds number, contrary to the classical hypothesis and aligning with the latest publications on the subject. The results from the application of the methodology show consistency with the solutions found in the tests, providing an alternative to the classical method of obtaining the hydrodynamic characteristics of a surface vessel in a condition of maneuver. We also provide an option of calculations, which still needs improvement and a more elaborate validation under full-scale conditions, which would be impossible without the use of simulations.

O presente trabalho aborda análises de sistemas de propulsão e manobra para comboios fluviais, e seus efeitos na manobrabilidade dos comboios. Analisam-se o sistema de propulsão convencional (propulsor mais leme), o sistema azimutal e o equipamento de proa auxiliar combinado com cada um destes sistemas de propulsão. Apresenta-se a modelagem matemática dos sistemas de propulsão e manobra citados, os quais serviram de base para implementação de um simulador computacional utilizado para obtenção dos resultados desta dissertação. As forças e momentos hidrodinâmicos são obtidos através do método das derivadas hidrodinâmicas para as simulações próximas à velocidade de serviço do comboio, enquanto para simulações em baixa velocidade utilizou um método semi-empírico baseado no princípio de cross-flow. Inicialmente, efetuou-se a validação do simulador com resultados da literatura para o caso do comboio com propulsão convencional. Em seguida, o modelo foi adaptado para os demais tipos de sistemas de propulsão e manobra propostos. Os resultados obtidos mostram que há uma maior eficiência do sistema de propulsão azimutal e do equipamento na proa para manobras em baixas velocidades, o que se torna adequado sua aplicação em comboios fluvial, pois essas embarcações navegam em velocidades menores se comparadas a outros tipos de embarcações. / The present work deal with analysis of propulsion and maneuvering systems for pusher-barge system, and results on the maneuverability of convoys. It analyzes the conventional propulsion system (rudder plus propeller), the azimuth system and combined auxiliary equipment bow with each of these propulsion systems. Presents the mathematical modeling of propulsion and maneuvering systems mentioned, which served as the basis for implementation of a computational simulator used to obtain the results of this dissertation. The hydrodynamic forces and moments are obtained by the method of hydrodynamic derivatives for simulations about service speed, while for simulations at low speed used a semi - empirical method based on the principle of cross-flow. Initially, performed the validation of the simulation results with the literature for the case of pusher-barge system with conventional propulsion. Then the model was adapted to other types of propulsion and maneuvering systems proposed. The results show that there is a greater efficiency of azimuth propulsion system and equipment in the bow to maneuver at low speeds, which makes it suitable for application in river transport, because these vessels navigate slower speeds compared to other types of vessels.

O presente trabalho aborda análises de sistemas de propulsão e manobra para comboios fluviais, e seus efeitos na manobrabilidade dos comboios. Analisam-se o sistema de propulsão convencional (propulsor mais leme), o sistema azimutal e o equipamento de proa auxiliar combinado com cada um destes sistemas de propulsão. Apresenta-se a modelagem matemática dos sistemas de propulsão e manobra citados, os quais serviram de base para implementação de um simulador computacional utilizado para obtenção dos resultados desta dissertação. As forças e momentos hidrodinâmicos são obtidos através do método das derivadas hidrodinâmicas para as simulações próximas à velocidade de serviço do comboio, enquanto para simulações em baixa velocidade utilizou um método semi-empírico baseado no princípio de cross-flow. Inicialmente, efetuou-se a validação do simulador com resultados da literatura para o caso do comboio com propulsão convencional. Em seguida, o modelo foi adaptado para os demais tipos de sistemas de propulsão e manobra propostos. Os resultados obtidos mostram que há uma maior eficiência do sistema de propulsão azimutal e do equipamento na proa para manobras em baixas velocidades, o que se torna adequado sua aplicação em comboios fluvial, pois essas embarcações navegam em velocidades menores se comparadas a outros tipos de embarcações. / The present work deal with analysis of propulsion and maneuvering systems for pusher-barge system, and results on the maneuverability of convoys. It analyzes the conventional propulsion system (rudder plus propeller), the azimuth system and combined auxiliary equipment bow with each of these propulsion systems. Presents the mathematical modeling of propulsion and maneuvering systems mentioned, which served as the basis for implementation of a computational simulator used to obtain the results of this dissertation. The hydrodynamic forces and moments are obtained by the method of hydrodynamic derivatives for simulations about service speed, while for simulations at low speed used a semi - empirical method based on the principle of cross-flow. Initially, performed the validation of the simulation results with the literature for the case of pusher-barge system with conventional propulsion. Then the model was adapted to other types of propulsion and maneuvering systems proposed. The results show that there is a greater efficiency of azimuth propulsion system and equipment in the bow to maneuver at low speeds, which makes it suitable for application in river transport, because these vessels navigate slower speeds compared to other types of vessels.

O aumento do uso de códigos numéricos baseados em dinâmica de fluidos computacional (CFD) atrelado a problemas de engenharia naval e a necessidade de se estabelecer a proximidade dos resultados obtidos nas simulações com os experimentos físicos serviu de motivação para execução deste trabalho. O tema do presente trabalho é pertinente uma vez que o número de trabalhos publicados que simulam com precisão ensaios de embarcações em condição de manobra e obtêm as derivadas hidrodinâmicas que caracterizam o movimento é muito pequeno, atendendo assim a uma demanda existente por novas confrontações numérico/experimentais. Com isso, um conjunto de ensaios de PMM (Planar Motion Mechanism), mais especificamente os ensaios de sway e yaw puros e yaw com drift, e arrasto oblíquo foram executados na embarcação KVLCC2, nas condições de manobra, similares aos ensaios realizados pelo laboratório italiano ISEAN que tinha por objetivo fornecer uma base de comparação para trabalhos em CFD. Os resultados das forças e momentos das simulações foram comparados com os obtidos nos ensaios, bem como as derivadas hidrodinâmicas que caracterizam a embarcação estudada. De maneira geral, os resultados obtidos nas simulações mostraram-se muito próximos aos obtidos a partir do ensaio, fornecendo assim um bom resultado nas derivadas hidrodinâmica, principalmente com relação às derivadas em função das velocidades de translação e rotação. Na expectativa de ampliar a aplicação do método de solução proposto, um novo conjunto de simulações foi realizado na escala real da embarcação. As dificuldades encontradas devido às incompatibilidades nos números de Reynolds mostraram-se presentes, de maneira similar às encontradas nos ensaios físicos evidenciando inclusive que o fator de forma está diretamente atrelado ao número de Reynolds, contrariando a hipótese clássica e alinhando-se com trabalhos mais recentes publicados sobre o tema. Os resultados encontrados a partir da aplicação da metodologia mostram coerência em relação às respostas encontradas nos ensaios, fornecendo uma alternativa ao método clássico de obtenção das características hidrodinâmicas de uma embarcação de superfície em condição de manobra. Ainda fornece uma opção de cálculos, que ainda necessita de melhorias e validação mais elaborada, nas condições da escala real, fato impossível sem o uso de simulações. / The growing use of numerical codes based on computational fluid dynamics (CFD) in problems related with marine engineering and the need to establish the reliability of the results from the simulations with those derived from physical tests served as the motivation for performing the work. The subject of this work is relevant since the number of published works that accurately simulate and test the conditions of vessels in maneuvering and obtains the hydrodynamic derivatives that characterize the movement is very small, thus meeting an existing demand for the new numeric confrontations / experimental. Therefore, a set of PMM tests (Planar Motion Mechanism), more specifically: pure sway, pure yaw and yaw whit drift, and static drift, were performed on the vessel KVLCC2 under conditions of maneuver, similar to tests conducted by the Italian laboratory ISEAN which was intended to provide a basis of comparison for work with CFD. The results of the forces and moments of simulations were compared with those from the tests, as well as the hydrodynamic derivatives which characterize the vessel studied. In general, the results from simulations were very close to those from the experiment, thus providing a good result in hydrodynamic, derived primarily related to derivatives, depending on the speed of translation and rotation. Expecting to expand the application of the proposed method, a new solution set of simulations was carried out in a full-scale vessel. The difficulties encountered due to incompatibilities in the Reynolds numbers were similarly found in the physical testing. This included demonstrating the form factor directly linked to the Reynolds number, contrary to the classical hypothesis and aligning with the latest publications on the subject. The results from the application of the methodology show consistency with the solutions found in the tests, providing an alternative to the classical method of obtaining the hydrodynamic characteristics of a surface vessel in a condition of maneuver. We also provide an option of calculations, which still needs improvement and a more elaborate validation under full-scale conditions, which would be impossible without the use of simulations.