O projeto de submarinos é um tema que vem se desenvolvendo há muitos anos. No Brasil, vivemos um momento de pleno avanço na área, sendo encabeçado pela Marinha do Brasil com o desenvolvimento do primeiro submarino de propulsão nuclear brasileiro. No decorrer desse projeto, diversos estudos devem ser desenvolvidos, dentre eles, ensaios com modelos em escala, que serão realizados em um túnel de cavitação. Durante estes experimentos, espera-se que surjam diversas fontes de incerteza, que podem comprometer os resultados obtidos, destacando-se o efeito de blocagem hidrodinâmica. Nesse contexto, esta dissertação apresenta uma investigação do fenômeno de blocagem no modelo de submarino DARPA SUBOFF na seção de testes de um túnel de cavitação. Para isso, simulações tridimensionais de média de Reynolds (RANS) foram realizadas para o modelo de submarino posicionado no túnel (sob blocagem) e sob condição de águas profundas (referência), para diferentes ângulos de ataque e número de Reynolds (Re) constante. Coeficientes de força e momento hidrodinâmicos foram obtidos e os métodos de correção de blocagem clássico e WICS foram empregados para obter fatores que pudessem corrigir esses valores. A eficiência de cada método foi avaliada comparando os valores corrigidos com os de referência. Os resultados mostraram que ambos métodos de correção são eficientes na recuperação de coeficientes de força e momento hidrodinâmicos para razões de blocagem inferiores a 10%, mas ressalvas são feitas quanto à utilização de cada um desses métodos, sendo o método clássico indicado para o estudo de geometrias simples e o método WICS para modelos mais complexos. Paralelamente, a topologia do escoamento ao redor do submarino foi estudada através do método dos pontos críticos, para avaliar se a blocagem hidrodinâmica pode causar alterações nas estruturas presentes no escoamento. A análise topológica permitiu avaliar a evolução nas estruturas do escoamento para os ângulos de ataque e Re simulados. Foram capturadas as linhas de separação no corpo e avaliada sua relação com a tensão de cisalhamento ao longo do casco. A blocagem hidrodinâmica não causou alterações drásticas na topologia do escoamento. / The Project of submarines has been in development for years. In Brazil, we are facing a moment of full progress in this area, leaded by the Brazilian Navy with the development of the first submarine with nuclear propulsion in the country. During this project, many studies will be developed, among them, experiments with scaled models, that will be performed in a cavitation tunnel. Throughout these experiments, many sources of uncertainty are expected to arise that may compromise the results obtained, one effect that stands out is the hydrodinamic blockage. In this context, this master\'s thesis presents an investigation of the blockage phenomenon in the submarine model DARPA SUBOFF placed in the test section of a cavitation tunnel. To accomplish this, tridimensional simulations of Reynolds-Averaged Navier Stokes equations (RANS) were performed to the submarine model placed in the tunnel (under blockage) and in deep water condition (reference), to a variety of angles of attack and a constant Reynolds Number (Re). Cofficients of hydrodynamic forces and moment were measured and the classic and WICS correction methods were used to obtain factors that could correct these values. The efficiency of these methods were evaluated comparing the corrected values with the reference ones.The results showed that both correction methods are efficients in the recovery of hydrodynamic forces and moment to blockage ratios below 10%, but reservations are made about the use of each method. The classic method is suggested when simple geometries are tested and the WICS method when more complex models are used. At the same time, the flow topology around the submarine was studied, using the critical point theory, to evaluate if the hydrodynamic blockage can cause changes in the structures in the flow. The topology analysis permited to assess the evolution of structures in the flow to the conditions of angle of attack and Re simulated. Separation lines were captured in the body and their relationship with the shear stress in the hull was evaluated. The hydrodynamic blockage did not cause drastic changes in the flow topology.

Este trabalho apresenta um modelo de otimização multiobjetivo aplicado ao projeto de concepção de submarinos convencionais (i.e. de propulsão dieselelétrica). Um modelo de síntese que permite a estimativa de pesos, volume, velocidade, carga elétrica e outras características de interesse para a o projeto de concepção é formulado. O modelo de síntese é integrado a um modelo de otimização multiobjetivo baseado em algoritmos genéticos (especificamente, o algoritmo NSGA II). A otimização multiobjetivo consiste na maximização da efetividade militar do submarino e na minimização de seu custo. A efetividade militar do submarino é representada por uma Medida Geral de Efetividade (OMOE) estabelecida por meio do Processo Analítico Hierárquico (AHP). O Custo Básico de Construção (BCC) do submarino é estimado a partir dos seus grupos de peso. Ao fim do processo de otimização, é estabelecida uma Fronteira de Pareto composta por soluções não dominadas. Uma dessas soluções é selecionada para refinamento preliminar e os resultados são discutidos. Subsidiariamente, esta dissertação apresenta discussão sucinta sobre aspectos históricos e operativos relacionados a submarinos, bem como sobre sua metodologia de projeto. Alguns conceitos de Arquitetura Naval, aplicada ao projeto dessas embarcações, são também abordados. / This thesis presents a multi-objective optimization model applied to concept design of conventional submarines (i.e. diesel-electric powered boats). A synthesis model that allows the estimation of weights, volume, speed, electrical load and other design features of interest is formulated. The synthesis model is integrated with a multi-objective optimization model based on genetic algorithms (specifically, the NSGA II algorithm). The multi-objective optimization consists of maximizing the submarine\'s military effectiveness and minimizing its cost. The military effectiveness is represented by an Overall Measure of Effectiveness (OMOE) established via the Analytic Hierarchy Process (AHP). The submarine\'s Basic Construction Cost (BCC) is estimated from its weight groups. At the end of the optimization process, a Pareto Front composed of non-dominated solutions is established. One of these solutions is selected for preliminary refinement and the results are discussed. This work also presents succinct discussion about submarine historical and operational aspects and design methodology. Some Naval Architectural concepts, applied to submarine design, are also discussed.

Este trabalho apresenta um modelo de otimização multiobjetivo aplicado ao projeto de concepção de submarinos convencionais (i.e. de propulsão dieselelétrica). Um modelo de síntese que permite a estimativa de pesos, volume, velocidade, carga elétrica e outras características de interesse para a o projeto de concepção é formulado. O modelo de síntese é integrado a um modelo de otimização multiobjetivo baseado em algoritmos genéticos (especificamente, o algoritmo NSGA II). A otimização multiobjetivo consiste na maximização da efetividade militar do submarino e na minimização de seu custo. A efetividade militar do submarino é representada por uma Medida Geral de Efetividade (OMOE) estabelecida por meio do Processo Analítico Hierárquico (AHP). O Custo Básico de Construção (BCC) do submarino é estimado a partir dos seus grupos de peso. Ao fim do processo de otimização, é estabelecida uma Fronteira de Pareto composta por soluções não dominadas. Uma dessas soluções é selecionada para refinamento preliminar e os resultados são discutidos. Subsidiariamente, esta dissertação apresenta discussão sucinta sobre aspectos históricos e operativos relacionados a submarinos, bem como sobre sua metodologia de projeto. Alguns conceitos de Arquitetura Naval, aplicada ao projeto dessas embarcações, são também abordados. / This thesis presents a multi-objective optimization model applied to concept design of conventional submarines (i.e. diesel-electric powered boats). A synthesis model that allows the estimation of weights, volume, speed, electrical load and other design features of interest is formulated. The synthesis model is integrated with a multi-objective optimization model based on genetic algorithms (specifically, the NSGA II algorithm). The multi-objective optimization consists of maximizing the submarine\'s military effectiveness and minimizing its cost. The military effectiveness is represented by an Overall Measure of Effectiveness (OMOE) established via the Analytic Hierarchy Process (AHP). The submarine\'s Basic Construction Cost (BCC) is estimated from its weight groups. At the end of the optimization process, a Pareto Front composed of non-dominated solutions is established. One of these solutions is selected for preliminary refinement and the results are discussed. This work also presents succinct discussion about submarine historical and operational aspects and design methodology. Some Naval Architectural concepts, applied to submarine design, are also discussed.

O projeto de submarinos é um tema que vem se desenvolvendo há muitos anos. No Brasil, vivemos um momento de pleno avanço na área, sendo encabeçado pela Marinha do Brasil com o desenvolvimento do primeiro submarino de propulsão nuclear brasileiro. No decorrer desse projeto, diversos estudos devem ser desenvolvidos, dentre eles, ensaios com modelos em escala, que serão realizados em um túnel de cavitação. Durante estes experimentos, espera-se que surjam diversas fontes de incerteza, que podem comprometer os resultados obtidos, destacando-se o efeito de blocagem hidrodinâmica. Nesse contexto, esta dissertação apresenta uma investigação do fenômeno de blocagem no modelo de submarino DARPA SUBOFF na seção de testes de um túnel de cavitação. Para isso, simulações tridimensionais de média de Reynolds (RANS) foram realizadas para o modelo de submarino posicionado no túnel (sob blocagem) e sob condição de águas profundas (referência), para diferentes ângulos de ataque e número de Reynolds (Re) constante. Coeficientes de força e momento hidrodinâmicos foram obtidos e os métodos de correção de blocagem clássico e WICS foram empregados para obter fatores que pudessem corrigir esses valores. A eficiência de cada método foi avaliada comparando os valores corrigidos com os de referência. Os resultados mostraram que ambos métodos de correção são eficientes na recuperação de coeficientes de força e momento hidrodinâmicos para razões de blocagem inferiores a 10%, mas ressalvas são feitas quanto à utilização de cada um desses métodos, sendo o método clássico indicado para o estudo de geometrias simples e o método WICS para modelos mais complexos. Paralelamente, a topologia do escoamento ao redor do submarino foi estudada através do método dos pontos críticos, para avaliar se a blocagem hidrodinâmica pode causar alterações nas estruturas presentes no escoamento. A análise topológica permitiu avaliar a evolução nas estruturas do escoamento para os ângulos de ataque e Re simulados. Foram capturadas as linhas de separação no corpo e avaliada sua relação com a tensão de cisalhamento ao longo do casco. A blocagem hidrodinâmica não causou alterações drásticas na topologia do escoamento. / The Project of submarines has been in development for years. In Brazil, we are facing a moment of full progress in this area, leaded by the Brazilian Navy with the development of the first submarine with nuclear propulsion in the country. During this project, many studies will be developed, among them, experiments with scaled models, that will be performed in a cavitation tunnel. Throughout these experiments, many sources of uncertainty are expected to arise that may compromise the results obtained, one effect that stands out is the hydrodinamic blockage. In this context, this master\'s thesis presents an investigation of the blockage phenomenon in the submarine model DARPA SUBOFF placed in the test section of a cavitation tunnel. To accomplish this, tridimensional simulations of Reynolds-Averaged Navier Stokes equations (RANS) were performed to the submarine model placed in the tunnel (under blockage) and in deep water condition (reference), to a variety of angles of attack and a constant Reynolds Number (Re). Cofficients of hydrodynamic forces and moment were measured and the classic and WICS correction methods were used to obtain factors that could correct these values. The efficiency of these methods were evaluated comparing the corrected values with the reference ones.The results showed that both correction methods are efficients in the recovery of hydrodynamic forces and moment to blockage ratios below 10%, but reservations are made about the use of each method. The classic method is suggested when simple geometries are tested and the WICS method when more complex models are used. At the same time, the flow topology around the submarine was studied, using the critical point theory, to evaluate if the hydrodynamic blockage can cause changes in the structures in the flow. The topology analysis permited to assess the evolution of structures in the flow to the conditions of angle of attack and Re simulated. Separation lines were captured in the body and their relationship with the shear stress in the hull was evaluated. The hydrodynamic blockage did not cause drastic changes in the flow topology.