Introducción 1 Introducción Este documento describe los

Introducción
1 Introducción
Este documento describe los resultados del estudio preliminar del comportamiento
estructural de una tobera sumergida en el agua. El principal objetivo es establecer un
procedimiento que permita tener en cuenta el efecto del campo de presiones generado
por la excitación de la hélice sobre la respuesta estructural de la tobera. Este
procedimiento se puede extender de manera sencilla para tener en cuenta diferentes
excitaciones y el efecto de masa añadida que provoca la reacción del fluido al
movimiento.
Una primera
aproximación al problema implica un cálculo acoplado sencillo
fluido-estructura. El correspondiente esquema de resolución propuesto se resume a
continuación:
Resolver mediante Tdyn un problema de flujo
incompressible con pequeños
desplazamientos del fluido, para evaluar el campo de presiones generado por la
hélice (y/o en su caso por el resto de posibles acciones externas).
Imponer como carga para el cálculo estructural el campo de presiones evaluado
mediante el cálculo fluidodinámico.
Resolver el problema estructural resultante mediante RamSeries, utilizando un
procedimiento de análisis modal o bien un método de integración directa.
Mediante este procedimiento se simplifica enormemente el cálculo fluido-dinámico, y
se obtiene simultáneamente la respuesta de la estructura de la tobera bajo la acción
dinámica del agua. Esto nos permite evaluar los desplazamientos y aceleraciones a
los que se ve sometida la tobera, al igual que los esfuerzos y tensiones desarrollados
en la misma.
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Introducción
2 Modelo CAD
Para el cálculo acoplado es necesario añadir al modelo CAD inicial de la estructura de
la tobera, un volumen de control para el cálculo fluidodinámico en el fluido circundante.
Para ello, se ha generado un volumen suficientemente grande alrededor de la tobera,
siendo el borde superior de dicho volumen una superficie que reproduce el casco del
barco y la superficie libre del agua. En la siguiente figura se puede apreciar dicho
volumen de control y el contorno correspondiente a la parte de la tobera que sobresale
del casco y que, permaneciendo sumergida, recibe la carga debida al campo de
presiones a su alrededor.
Volumen de control para el cálculo fluidodinámico de Tdyn
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Modelo CAD
Los desplazamientos en la parte superior de la estructura de la tobera se constriñen
exactamente de la misma forma que en el estudio de la estructura no sumergida. Por
lo tanto, la carga debida al campo de presiones actuará exclusivamente sobre la parte
exterior de la tobera situada justo por debajo de la superficie del casco. En la siguiente
figura se muestra la estructura completa de la tobera y su intersección con el casco del
barco.
Estructura de la tobera e intersección con el casco del barco
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Modelo CAD
3 Modelo CAE
Cálculo fluidodinámico:
Se puede demostrar que, si en un fluido incompresible se desplaza una superficie
sumergida con una distribución de aceleraciones dada y con un movimiento de
pequeña amplitud, las sobrepresiones resultantes satisfacen la ecuación de Laplace1.
En este contexto, el presente problema se reduce a resolver dicha ecuación en el
dominio fluido:
∇2p = 0
imponiendo las siguientes condiciones de contorno:
p=0
en la superficie libre del agua
p = po·cos(ϖt)
en la corona exterior del disco
circunscrito de la hélice
∂p/∂n = -ρ·a·n
en los contornos fijos o móviles del
volumen de control
En las expresiones anteriores, p es la presión, po es la amplitud del pulso en la punta
de pala de la hélice, n es la normal a la superficie de los contornos, ρ es la densidad, a
el campo de aceleraciones, y ϖ la frecuencia angular del pulso que viene dada por la
siguiente expresión
ϖ = 2π · rpm ·
N
60
siendo rpm las revoluciones por minuto de la hélice y N el número de palas.
En el presente estudio se han tomado los siguientes valores para realizar el análisis:
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po
80 KPa
rpm
130.2
N
4
w
54.54 rad·s-1
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Modelo CAE
A continuación se muestran las condiciones de contorno utilizadas para resolver el
problema. En la primera figura se muestra el contorno sumergido de la tobera junto
con el disco que circunscribe la hélice. El pulso periódico de presión se aplica en la
corona exterior (en amarillo en la figura) del disco.
Parte sumergida de la tobera
Condición de contorno sobre el disco
En la siguiente figura se muestra la superficie libre del agua (Free_surface) sobre la
cual se impone la condición p=0, y el contorno fluido alrededor de la estructura de la
tobera (fluid_body). Dicho contorno no impone ninguna condicional adicional sobre el
cálculo y se utiliza exclusivamente para transmitir la presión del dominio fluido a la
estructura de la tobera.
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Resultados
Cálculo acoplado: interacción fluido-estructura.
El modelo final para el cálculo acoplado fluido-estructura contiene 53197 nodos,
siendo el número total de grados de libertad para el problema estructural de 135586.
La evaluación del campo de presiones mediante el modelo presentado es muy efectiva
y su resolución durante cuatro ciclos completos requiere únicamente unos cinco
minutos en un PC ordinario. En cuanto a la parte estructural del cálculo, la resolución
mediante un método de integración directa requiere unos 27 minutos.
A continuación se muestran los resultados obtenidos en el presente análisis:
En la siguiente figura se muestra el campo de presiones alrededor del casco y de la
parte sumergida de la tobera para distintos instantes de tiempo.
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t = 0.025 s
t = 0.05 s
t = 0.075 s
t = 0.115 s
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