Pruebas Hidrodinámicas

Pruebas Hidrodinámicas
IX. Metodología
G. Análisis Hidrodinámico
G.
Análisis hidrodinámico de lA embArcAción en
modAlidAd hidrofoil
Para el cálculo del número de Reynolds se han tomado en cuenta los datos obtenidos en las sesiones de pruebas N° 2 realizada en Canal de Pruebas de Valdivia
(utilizando perfiles planos) y comparativamente la Sesión de pruebas N° 6 (utilizando perfiles diedros) realizada en la Laguna Sausalito en Viña del Mar.
Prueba Valdivia
Datos de arrastre / Sesión Nº2 de Valdivia
Cuantitativamente los datos a utilizar pertenecen a la prueba de Arrastre Nº 13.
Prueba Sausalito
Datos de arrastre Sesión Nº9 de Sausalito
Cuantitativamente los datos a utilizar pertenecen a la prueba de Arrastre Nº 9.
Configuración utilizada
Proa: Diedro 20º.
Popa: Diedro 40º.
Prueba N°
4
Dist. Rieles [mm]
Altura. Strut [mm]
Ángulo ataque
Velocidad [m/s]
Descripción
Proa 750
Popa 30
Proa 200
Popa 200
Proa 3°
Popa 1°
inicial: salida: 3,2
despegue suave
vuelo estable
Configuración utilizada:
Proa: Naca munk m5 flecha invertida
Popa: Naca munk m5 560 [mm] en popa
Prueba N°
13
[jano 8]
Dist. Rieles [mm]
Altura. Strut [mm]
Ángulo ataque
Resistencia [gr]
Velocidad [m/s]
Descripción
Proa 650
Popa 30
Proa 200
Popa 210
Proa 5°
Popa 0°
inicial: 928,11
salida: 982,86
inicial: 0,618
salida: 1,638
despegue rapido
vuelo estable
1. Cálculo del Número de Reynolds
Consideraciones:
La velocidad del modelo es a partir de la constante arrojada por la lancha en vuelo en una
situación medible para ambos casos
embarcacion hidrofoil
175
IX. Metodología
G. Análisis hidrodinámico
2. Cálculo de coeficiente de Resistencia total de modelo
Consideraciones:
1. Se considera el Coeficiente de Resistencia Friccional por tener relación con los efectos
viscosos en contacto del casco con el agua, y por lo tanto depender del número de Reynolds.
2. El Coeficiente de Resistencia Residual se desprecia por corresponder a las mediciones
de los efectos gravitatorios y generación de olas.
3. Cálculo de Resistencia total de modelo
466,25
2,2404 [kg m/s2]
176 embarcacion hidrofoil
512
2,8188 [kg m/s2]
IX. Metodología
G. Análisis Hidrodinámico
4. Cálculo de velocidad del prototipo
5. Cálculo de la Resistencia modelo.
2,2404 [kg m/s2]
2,8188 [kg m/s2]
embarcacion hidrofoil
177
IX. Metodología
G. Análisis hidrodinámico
6. Cálculo de la Resistencia Residual del Prototipo
7. Cálculo de la Resistencia Friccional del Prototipo
178 embarcacion hidrofoil
IX. Metodología
G. Análisis Hidrodinámico
4. Cálculo de velocidad del prototipo
embarcacion hidrofoil
179
Pruebas Aerodinámicas
IX. Metodología
H. Pruebas Aerodinámicas
H.
PRUEBAS AERODINÁMICAS
Para la realización de pruebas aerodinámicas se utiliza el Túnel Aerodinámico
perteneciente al Magíster Náutico y Marítimo PUCV, ubicado en las dependencias
de la Escuela de Mecánica de la misma universidad.
Estas pruebas son realizadas para medir el rendimiento de arrastre que sufre la
embarcación en modalidad hidrofoil. A partir de esta experiencia se pretende analizar el diseño propuesto de la superestructura, de tal manera de que ésta produzca la menor resistencia posible durante el vuelo en velocidad crucero de 35 nudos
aproximadamente.
Para ello se construye un modelo de pruebas escala 1:12 hermético en fibra de
vidrio, el cual es introducido dentro del túnel de sección rectangular y sometido a
diferentes velocidades.
El arrastre es posible ser medido, ya que la embarcación se encuentra elevada
sobre el agua por medio de los strut, los cuales mantienen la altura de vuelo del
casco sobre el agua. A su vez los perfiles hidrodinámicos son sustituidos por una
superficie de plumavit, la cual le otorga boyantes y estabilidad a la embarcación
durante la prueba, de esta manera la embarcación puede desplazarse a lo largo
del canal interior que posee el túnel aerodinámico.
Para la medición del arrastre se utiliza un resorte de acero previamente calibrado,
el cual se fija en la proa de la embarcación en el eje de crujía. Este resorte se fija
en su otro extremo en la rejilla de entrada del aire.
Se calcula el coeficiente de arrastre de la sección frontal de la embarcación a las
velocidades de 25 y 40 nudos, esto es mediante la relación de similitud dinámica
modelo prototipo utilizando el numero de Reynolds.
Para realizar el cálculo de la velocidad sometida en el túnel, se utiliza la siguiente
relación por medio del número de Reynolds (ya que en ambos casos, para modelo
y prototipo, debería ser el mismo):
D = longitud
V = velocidad
= densidad
= viscosidad
Datos a conciderar:
V D
Vprot. D1
V1
=
Vmod. D2
V1
Densidad del aire
Velocidad del viento
La obtención del Coeficiente de elasticidad CD se realiza mediante al graduación
del promedio de la fuerza de estiramiento del resorte sometido a diferentes cargas
conocidas, en la cual se utiliza la siguiente fórmula:
FK = Fuerza del resorte
K = Coeficiente de elasticidad
FK = K L
= Estiramiento
L
La obtencion de la medición del arrastre: Fd se realiza mediante la siguiente fórmula:
FD = Resistencia
FD = CD P
CD = Coeficiente de arrastre
AP = Área del prototipo
= Viscosidad del aire
Los resultados de las pruebas se encuentran en el Capitulo IX de Resultados.
180 embarcacion hidrofoil
IX. Metodología
H. Pruebas Aerodinámicas
Turbina axial
A
A
A
A-A ( 1:125 )
Fig. 225. Punto de fijación del resorte y entrada del humo
Fig. 224. Tunel de Viento de seccion 60x60 [cm]
Fondo cuadriculado
A
Fig. 223. Seccion considerada para el calculo del área enfrentada
Soporte de plumavit
Estanque de agua interno
Fig. 226. Visualización de datos de arrastre en cuadrícula.
embarcacion hidrofoil
181
X. Resultados
F. PRUEBAS AERODINÁMICAS
A modo de obtener datos cuantitativos de la resistencia ofrecida al viento por la
embarcación se realizan pruebas aerodinámicas con un modelo escala 1:12.
Se realizaron pruebas de viento de la sección frontal de la embarcación a velocidades de vuelo entre 13 y 34 nudos, desde las cuales se obtuvieron datos de
arrastre para el modelo de acuerdo a la extensión de un resorte que mide la fuerza
de arrastre. Véase “Capítulo G. Pruebas Aerodinámicas” de la Metodología.
Los resultados obtenidos se ordenan en las siguientes tablas, respecto a velocidad del modelo y su relación para prototipo, resistencia y coeficiente de arrastre.
Velocidad en Prototipo
L
Resistencia FD
13,06 [nudos]
0,005 [m]
0,0085 [g·m]
24,29 [nudos]
0,012 [m]
0,0204 [g·m]
29,85 [nudos]
0,022 [m]
0,0374 [g·m]
31,72 [nudos]
0,035 [m]
0,0595 [g·m]
34,75 [nudos]
0,038 [m]
0,0646 [g·m]
Para obtener el coeficiente de arrastre CD:
FD = CD *A P *
CD =
FD
AP *
Velocidad registrada modelo
Velocidad en Prototipo
Estiramiento Resorte
0,56 [m/s]
13,06 [nudos]
5 [mm]
1,05 [m/s]
24,29 [nudos]
12 [mm]
1,28 [m/s]
29,85 [nudos]
22 [mm]
Velocidad
Prototipo
1,36 [m/s]
31,72 [nudos]
35 [mm]
13,06 [nudos]
0,098 [m2]
8,5 [kg·m]
4,8*106
1,49 [m/s]
34,75 [nudos]
38 [mm]
24,29 [nudos]
0,098 [m2]
20,4 [kg·m]
0,01*109
29,85 [nudos]
0,098 [m2]
37,4 [kg·m]
0,02*109
31,72 [nudos]
0,098 [m2]
59,5 [kg·m]
0,03*109
34,75 [nudos]
0,098 [m2]
64,6 [kg·m]
0,036*109
Para el cálculo del coeficiente de arrastre CD de la embarcación se utilizan los
siguientes datos:
(Coeficiente de elasticidad del resorte) k = 1,7
(Área de la sección de prueba)
Ap = 0,098 [m2]
(Viscosidad del Aire a 20° C)
= 0,018 [cP] = 1,8×10-5 [kg·m-1·s-1]
(Resistencia o fuerza del resorte)
FD =
La Fuerza del Resorte: se calcula mediante la siguiente formula:
FK = K *
L
; siendo
FK = FD
donde K es el coeficiente de elasticidad ya calculado y L la variación del largo
del resorte durante la prueba. Entonces, según las velocidades obtenidas la resistencia FD es :
Ap
Resistencia FD
Coef. Arrastre
CD
Según los valores obtenidos la resistencia al viento comienza en aumento en forma
significativa sobre los 20 [nudos] aproximadamente. Bajo los 15 [nudos] presenta
un coeficiente bajo.
Se puede deducir que resulta favorable que la embarcación encuentre su velocidad de transición bajo los valores de velocidad de 20 [nudos], ya que es la zona
en que el área expuesta ofrece menor resistencia. Sobrepasando los 30 [nudos] el
coeficiente se mantiene en valores cercanos a 0,03*109, lo que permitiría calcular
posibles situaciones de resistencia ofrecida para áreas mayores presentes en el
prototipo.
embarcacion hidrofoil
261
X. Resultados
zona calma
a) Observaciones:
Fig. 271. Esquema de las zonas de turbulencias registradas.
Fig. 272. Pruebas Aerdinámicas.
Registro de turbulencias en aristas del puente de mando.
Registro de turbulencias en la zona de popa.13,06 [nudos]
262 embarcacion hidrofoil
El aire se divide en dos flujos uno superior sobre el puente de mando y otro
inferior, bajo el casco. Al observar el fluido que pasa por sobre la embarcación,
se registran turbulencias generadas por las aristas rectas en los laterales del
puente de mando, como también en la parte posterior del mismo donde se genera un vórtice debido al choque del fluido que baja por la ventana de popa y
choca con el techo de la superestructura. El flujo que continúa superior a esta
capa genera una zona calma sobre el puente de mando, para luego formar un
vórtice a 1,5 [m] desde el borde del techo en popa hacia proa. El fluido continúa
bajando por la pared de popa para formar un nuevo vórtice sobre la cubierta de
popa. Los flujos q se desprenden de estos vórtices continúan hacia atrás pero
con una trayectoria dispersa.
El aire que pasa por debajo del casco se mueve en forma fluida por la superficie, registrando una aceleración en la parte mas baja del casco en donde se
angosta el paso del aire. La capa mas cercana al casco al llegar a la popa se
desprende del flujo continuo y se arremolina en la zona del espejo.
Visualizar estos puntos de generación de turbulencias resulta de vital importancia para re-diseñar la superestructura teniendo en consideración que la embarcación durante el vuelo presenta fenómenos dinámicos de sustentación, ya que
su forma lateral es “semejante” a un perfil alar. La reducción de los vórtices en
las zonas demarcadas ayudará a disminuir la resistencia al avance y de esta
forma ahorrar potencia del motor durante el planeo de la embarcación.
X. Resultados
Pruebas Aerdinámicas.
Fig. 273. Secuencia del flujo en tres instancias: bajo el casco, sobre la superestructura y la separación en proa.
Fig. 274. Pruebas Aerdinámicas.
Registro de desprendimiento de capa de aire superior sobre el puente de mando.
24,29 [nudos]
embarcacion hidrofoil
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