Tesis Electrónicas UACh - Universidad Austral de Chile

Universidad Austral de Chile
Facultad de Ciencias de la Ingeniería
Escuela de Ingeniería Naval
ANÁLISIS EXPERIMENTAL
DE UNA SERIE DE FLAPS DE POPA
EN UNIDAD DE DESPLAZAMIENTO
Tesis para optar al Título de
Ingeniero Naval,
Mención Arquitectura Naval.
PROFESOR PATROCINANTE:
Sr. Marcos Salas Inzunza
Lic. Ing. Naval; M. Sc.; Ph. D.
PATRICIO ANDRÉS JIMÉNEZ RODRÍGUEZ
VALDIVIA-CHILE
2009
Esta tesis ha sido sometida para su aprobación a la comisión de Tesis,
como requisito para obtener el grado de Licenciado en Ciencias de la Ingeniería.
La tesis aprobada, junto con la nota del examen correspondiente, le
permite al alumno obtener el título de Ingeniero Naval, mención Arquitectura
Naval.
EXAMEN DE TITULO:
Nota de presentación (Ponderada) (1)
Nota de Examen (Ponderada) (2)
Nota Final de Titulación (1+ 2)
: ..........................
: ..........................
: ..........................
COMISION EXAMINADORA:
...............................................................
Decano
...............................................
Firma
...............................................................
Patrocinante
...............................................
Firma
...............................................................
Informante
...............................................
Firma
...............................................................
Informante
...............................................
Firma
...............................................................
Secretario Académico
...............................................
Firma
Valdivia,............................................................................................
NOTA DE PRESENTACION
= NC x 0.6 + Nota Tesis x 0.2
NA
NOTA FINAL
= Nota de Presentación + Nota Examen x 0.2
NC: Sumatoria Notas Currículo, sin Tesis.
NA: Número de asignaturas cursadas y aprobadas, incluida Práctica Profesional.
“Tu corazón es libre, ¡ten el valor de seguirlo!”
i
ÍNDICE
RESUMEN
iv
SUMMARY
v
NOMENCLATURA
vi
INTRODUCCIÓN
vii
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN A LOS MECANISMOS DE EFICIENCIA
HIDRODINÁMICA UTILIZADOS EN LA ZONA DE POPA
1.1 Generalidades
1
1.2 Principales mecanismos de eficiencia hidrodinámica de la zona de popa
1
1.3 Beneficios de los mecanismos de la zona de popa
1
1.4 Flaps de popa
2
1.4.1 Características geométricas
3
1.4.2 Breve análisis de los flaps de popa
4
1.5 Cuñas de popa (wedges)
5
1.5.1 Características geométricas
5
1.5.2 Breve análisis de las cuñas de popa
6
1.6 Sistema integrado cuña-flap
7
1.6.1 Características geométricas
7
1.6.2 Breve análisis del sistema integrado cuña-flap
8
1.7 Interceptores
8
1.7.1 Características geométricas
9
1.7.2 Breve análisis de los interceptores
9
CAPÍTULO II: FENÓMENOS HIDRODINÁMICOS Y CONSIDERACIONES
DE DISEÑO EN LOS FLAPS DE POPA
2.1 Generalidades
11
2.2 Beneficios de los flaps de popa
11
2.3 Comportamiento del flujo en la zona de popa
12
2.3.1 Alteraciones provocadas en el flujo de la zona de popa
14
2.4 Cambio en el sistema de formación de olas
15
2.5 Interacción propulsiva
15
2.6 Modificación en el trimado
16
2.7 Reducción del desplazamiento aparente
16
ii
2.8 Variaciones de las fuerzas de lift y drag
16
2.8.1 Drag
17
2.8.2 Lift
17
2.8.3 Formulas de Brown
18
2.9 Efecto escala de un flap de popa e influencia de los fenómenos viscosos
19
2.10 Utilización de los flaps como correctivos de navegación
20
2.11 Consideraciones para el diseño
21
2.11.1 Rango de dimensiones para los flap
22
2.11.2 Superficie del flap
22
2.11.3 Dificultades en la aplicación de un flap de popa estándar
a un espejo curvada
24
CAPÍTULO III: INTRODUCCIÓN PARA EL ENSAYO EXPERIMENTAL
3.1 Generalidades
26
3.2 Características del Canal de Pruebas Hidrodinámicas
26
3.3 Descripción general de la embarcación en estudio
27
3.4 Descripción del modelo a ensayar
28
3.4.1 Escala del modelo
28
3.4.1.1 Bloqueo de Canal
29
3.4.1.2 Tensión superficial y velocidad de remolque
30
3.4.2 Dimensiones del modelo
31
3.4.3 Construcción del modelo
31
3.4.4 Determinación del punto remolque del molde
33
3.4.5 Definición de los estimuladores de turbulencia
34
3.5 Selección de la serie de flaps
35
3.5.1 Definición de Envergadura (SF)
35
3.5.2 Cuerda (CF)
36
3.5.3 Ángulo (αF)
37
3.5.4 Otras consideraciones
37
3.5.5 Resumen de la serie de flaps a ensayar
37
3.5.6 Construcción de los flaps de popa
38
3.6 Extrapolación de resultados
42
3.6.1 Resistencia del prototipo en condición de casco desnudo, Rpc
42
3.6.2 Resistencia del prototipo en condición de pruebas, Rpp
43
3.6.2.1 Resistencia por apéndice, Rap
43
3.6.2.2 Resistencia por aire, Ra
43
iii
CAPÍTULO IV: RESULTADOS Y ANÁLISIS DEL ENSAYO EXPERIMENTAL
4.1 Objetivos
45
4.2 Generalidades
45
4.3 Resultados de la etapa Nº 1 de los ensayos
47
4.3.1 Resultados tabulados
47
4.3.2 Gráfico de los resultados
50
4.3.3 Tabla de los resultados
53
4.4 Resultados de la etapa Nº 2 de los ensayos
4.4.1 Resultados tabulados
53
54
4.4.2 Curvas de absorción de potencia en condición de viaje de pruebas 56
4.4.3 Resultados tabulados de la extrapolación
61
4.4.3.1 EHP versus velocidad, condición de viaje de pruebas
62
4.4.3.2 EHP versus velocidad, condición de canal de pruebas
63
4.4.3.3 Variación de la velocidad, condición de viaje de pruebas
64
4.5 Análisis de los resultados
65
4.5.1 Análisis del flap de 0º
65
4.5.2 Análisis del flap de 5º
66
4.5.3 Análisis del flap de 10º
66
4.5.4 Análisis del flap de 15º
67
4.6 Recomendaciones para futuros estudios
CONCLUSIÓN
67
69
ANEXO I: BASE DE DATOS DE FLAPS ENSAYADOS EN MODELOS
DE EMBACACIONES MILITARES
70
ANEXO II: CONSTRUCCIÓN DEL MOLDE Y EL MODELO EN PRFV
73
BIBLIOGRAFÍA
76
iv
RESUMEN
Los efectos de una serie de flaps de popa, en el rendimiento hidrodinámico de un
casco de desplazamiento, fueron evaluados mediante ensayos en el canal de pruebas
hidrodinámicas de la Universidad Austral de Chile. Se obtuvieron configuraciones de
flaps de popa de envergadura y cuerda fija, con variación del ángulo de flap. Se
evaluaron velocidades típicas de la embarcación, para verificar los rangos de velocidad
en que es ventajoso o perjudicial la instalación de estos apéndices. Los ensayos se
realizaron con trimado fijo, condición aceptable en el rango de velocidades estudiado y
dada la relativa esbeltez del casco ensayado. También fue evaluado el rendimiento del
casco sin flap, con el objetivo de comparar los efectos obtenidos, de cada configuración
de flaps. Las principales características de los flaps ensayados, fueron obtenidas de las
recomendaciones de diseño existentes, las cuáles provienen principalmente de la
experiencia en el diseño en embarcaciones militares y naves de desplazamiento. Los
resultados fueron potencialmente beneficiosos, no obstante, estos deben ser
eventualmente comparado con ensayos en canales virtuales (CFD) e idealmente
ratificado con pruebas a escala real.
v
SUMMARY
The effects of a series of stern flaps, in the hydrodynamic performance of a
displacement hull, were evaluated by means of tests in the Austral University of Chile
Towing Tank. Configurations of stern flaps of fixed span and chord with variation of the
flap angle, were obtained. Typical speeds of the surface, were evaluated to verify the
speed ranks in which it is advantageous or detrimental, the installation of these
appendices. The tests were realized with fixed trim, condition acceptable in the range of
speeds studied and given the slenderness relative of the tested hull. Also, the
performance of the hull without flaps, was evaluated with the intention of comparing the
obtained effect, for each configuration of flaps. The main characteristics of the tested
flaps, were obtained from the existing recommendations of design, which mainly come
from the experience in the design in military vessels and displacement ships. The results
were potentially beneficial, however, these must be compared with tests in virtual tanks
(CFD) and ideally ratified with tests on full scale.
vi
NOMENCLATURA
Loa
: eslora total
Lpp
: eslora entre perpendiculares
Lwl
: eslora de línea de agua
Bmax
: manga
Bwl
: eslora de línea de agua
D
: calado
T
: puntal
∆
: desplazamiento
S.M. : superficie mojada
LCF
: posición longitudinal del punto de flotación
Fn
: número de Froude
FN ∇
: número de Froude de desplazamiento
Rn
: número de Reynold
AP
: perpendicular de popa
FP
: perpendicular proa
CFD : Computational Fluid Dynamics
EHP : Effective Horse Power
m
: metros
s
: segundos
V
: velocidad
λ
: escala modelo
vii
INTRODUCCIÓN
Lograr las mejores condiciones de navegación, es un objetivo permanente que
busca un arquitecto naval. Para todos los tipos de embarcaciones, existen recursos que
permiten brindar confort a los tripulantes y hacer un uso económico del combustible.
Incorporaciones
estructurales
de
varios
tipos
y
configuraciones,
han
sido
implementadas para varios tipos de naves marinas, en función de mejorar el
rendimiento de consumo de energía propulsora. Uno de los mecanismos que buscan
mejorar la navegación, son los flaps de popa.
Los flaps de popa representan una extensión del casco, a popa del espejo, con
forma de una placa plana. El flap está montado en el espejo, a un ángulo relativo del
fondo del casco, en la línea de centro de la embarcación. La aplicación de un flap de
popa provoca modificaciones en el flujo de salida del casco, las cuales a cierto rango de
velocidades provocan eficiencia hidrodinámica.
El origen de este mecanismo comienza con la segunda guerra mundial con la
aplicación de cuñas de popa en patrulleras de la armada alemana. Es a inicios de los
años de 1980 en que esta aplicación se da en embarcaciones de guerra del tamaño de
fragatas
y
destructores
(aproximadamente
3.000
a
10.000
toneladas
de
desplazamiento).
Actualmente, los flaps de popa y mecanismo similares a éste, como cuñas de
popa (wedge) o del sistema integrado wedge-flap, son aplicados a diversos tipos de
embarcaciones. Los flaps de popa se suelen instalar de mayor manera en
embarcaciones de placer y de planeo, en los cuales son accionados mediante un pistón
hidráulico, o bien se llevan de manera fija al casco. Análisis teóricos y ensayo de
modelos han mostrado que la aplicación de este apéndice puede decrecer
significativamente la resistencia al avance.
En la presente tesis se realizó un análisis de los principales mecanismos de
eficiencia hidrodinámica utilizados en la zona de popa. Estos fueron: flaps de popa,
cuñas de popa, sistema integrado cuña-flap e interceptores. Con respecto a los flaps de
popa, se profundizó en la teoría de los fenómenos que provocan sobre una
embarcación, además se estudian las consideraciones de diseño existentes.
En conjunto a esto, se llevó a cabo un análisis experimental de una serie de flaps
de popa, en una unidad de desplazamiento, que corresponden a las formas de una
embarcación moderna. Los experimentos fueron realizados en el Canal de Pruebas
Hidrodinámicas, perteneciente al Instituto de Ciencias Navales y Marítimas de la
Facultad de Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Austral de Chile.
viii
Este análisis constó de dos etapas. En la primera se realizó el ensayo de
resistencia al avance del modelo a casco desnudo y, luego, con la presencia de la serie
de flaps al casco. Estos ensayos se realizaron sin la utilización de estimuladores de
turbulencia, debido a que estos resultados fueron recopilados para ser ocupados en un
estudio de correlación, a escala del modelo, con un CFD. La modelación en el CFD no
se encuentra dentro de este estudio, sino es parte de otro que se ejecuta paralelo a
éste.
La segunda etapa de este estudio se realizó la repetición de los mismos ensayos
con respecto a la primera, pero esta vez, con la presencia de estimuladores de
turbulencia. Estos datos fueron extrapolados, para así realizar el análisis cuantitativo y
cualitativo de la influencia de los flaps de popa ante la embarcación en estudio. Al igual
que la primera etapa, estos valores serán comparados con resultados arrojados por un
CFD.
1
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN A LOS MECANISMOS DE EFICIENCIA HIDRODINÁMICA
UTILIZADOS EN LA ZONA DE POPA
1.1 Generalidades
A continuación se dan a conocer algunos mecanismos hidrodinámicos que son
utilizados para introducir mejoras en la navegación. Háblese de mejoras en la
navegación a todo aquello que aporte a:
•
El confort para los tripulantes en la navegación
•
El mejoramiento en la maniobrabilidad
•
La disminución en la resistencia al avance
1.2 Principales mecanismos de eficiencia hidrodinámica de la zona de popa
Existen diversas clases de apéndices que al ser instalados en las embarcaciones
provocan mejoramientos hidrodinámicos. Estos pueden llegar a tener diversos tipos de
clasificación, siendo una de éstas según su ubicación y zona de influencia con respecto
al casco. Haciendo referencia a esto, existen apéndices que se agrupan por tener
influencia y ubicarse en la zona de popa de las embarcaciones. En esta zona los
dispositivos de eficiencia hidrodinámica más reconocidos y aplicados son:
•
Flaps de popa
•
Cuñas de popa (wedges)
•
Sistema integrado cuña-flap
•
Interceptores
1.3 Beneficios de los mecanismos de la zona de popa.
La presencia de estos mecanismos crea una disminución de la velocidad del flujo
bajo el casco en una localización extendida desde el espejo del barco a un punto
generalmente a proa de las hélices, cuando el sistema propulsivo está compuesto por
2
éstas. El decrecimiento de la velocidad del flujo causará un incremento en la presión lo
que conlleva a lo siguiente:
•
Una resistencia o drag sobre el mecanismo mismo
•
Una fuerza hacia proa que actúa sobre la popa de la nave
•
Un mayor empuje sobre la popa de la nave
El drag sobre el flap, la cuña o el sistema integrado cuña-flap, incrementa la
potencia requerida para el avance de la nave. La fuerza hacia proa, generada sobre la
popa de la nave, es mayor que el drag, y ésta es la principal causa de los beneficios de
potencia; estimándose que en algunos casos este empuje constituye más del 50% del
beneficio de potencia. La fuerza de empuje generada sobre la popa de la nave resulta
en una disminución del ángulo de trimado y una ligera subida en el centro de gravedad
relativo a la superficie de agua. Generalmente, este empuje contribuye un 10% a 20%
de la disminución de potencia.
Además, el sistema de olas en la popa es modificado constatándose una
disminución en el tamaño y perturbación en la estela. Este efecto puede representar un
10 a 20% de la energía disminuida. Para la aplicación del flap solo o sistema integrado
cuña-flap, hay un alargamiento físico de la línea de agua de la embarcación, lo cual
contribuye a la reducción de la resistencia por olas [1].
1.4 Flaps de popa
Un flap de popa es una extensión del fondo del casco a popa del espejo. Éste es
un apéndice construido de una placa ubicada en el espejo con un ángulo relativo al
fondo de la embarcación. La interacción con el casco causa variaciones en el trimado,
reduce la resistencia a la propulsión y aumenta la velocidad máxima alcanzable. La
eficiencia que puede llegar a producir un flap de popa al estar sometido a la interacción
con el casco está estrechamente relacionada con sus características geométricas y su
disposición en la zona de popa.
Este apéndice, como se muestra en la figura 1.1 de la página siguiente,
comienza en el borde inferior que conforman la unión del espejo y el fondo del casco, y
se extiende hacia popa del espejo.
3
1.4.1 Características geométricas
Los parámetros principales para el diseño de la geometría de un flap de popa
son:
-Cuerda (CF)
: es la extensión longitudinal del flap y es medida, como se indica
en la figura 1.1, midiendo la distancia del flap en la parte inferior. El
valor es representado en porcentaje de Lpp
-Envergadura (SF) : es la medida transversal del flap, como se muestra en figura 1.2
-Ángulo (αF)
: es el ángulo entre la superficie inferior del flap en relación con el
fondo del caso, tal como se presenta en la figura 1.1
Figura 1.1: Vista longitudinal, características geométricas
de un flap de popa, t (espejo)
Figura 1.2: Vista horizontal, características geométricas
de un flap de popa, DWL (línea de flotación)
4
Existen características secundarias de las formas de un flap, pero no menos
importantes e influyentes, tales como:
•
Forma de los bordes extremos
•
Las variaciones transversales del espesor
•
El acabado de empalme de flap con el casco
•
Terminación de los bordes transversales
1.4.2 Breve análisis de los flaps de popa
La aplicación de flaps es mayoritariamente en naves de planeo, esto debido a
que produce notables variaciones en el trimado de éstas. Estos mecanismos han tenido
también buenos resultados en embarcaciones de desplazamiento, distinguiéndose las
naves militares tipo destructores y fragatas. Como regla general, son un mecanismo
eficaz para reducir la resistencia al avance a velocidades correspondientes a Fn > 0,2.
Como se dijo en el punto 1.4.1 uno de los parámetros principales para el diseño
de la geometría de un flap de popa es la cuerda. Como regla general, cuando se
dispone de flaps con “cuerdas largas” se produce una mayor penalidad de resistencia a
bajas velocidades, y el punto de transición en el cual el flap empieza a ser óptimo se
retrasa a una velocidad mayor. Pero en compensación, la reducción de resistencia a
altas velocidades es mayor [2].
De forma similar como ocurre en la variación de la cuerda, el aumento del ángulo
produce un incremento en la resistencia a bajas velocidades y también retrasa el punto
de transición donde empieza a ser efectivo el flap, también se constata con una mayor
eficiencia a altas velocidades. Para navegar con ángulo adecuado de flap a distintas
velocidades se han creado sistemas de flaps ajustables, los cuales permiten regular el
ángulo según las condiciones de navegación.
Hacer modificaciones de las dos variables del flap nombradas anteriormente,
cuerda y ángulo, pueden producir cambios en el trimado, creando un momento que
reduce el calado de la proa. Esto puede llegar a ser útil para alterar las condiciones de
flujo en esta zona, lo que traería beneficios adicionales en el rendimiento hidrodinámico,
cabe mencionar que el cambio en el trimado no es relevante en cascos de
desplazamiento.
5
1.5 Cuñas de popa (wedges)
A diferencia de los flaps, este tipo de apéndice no es una extensión a popa del
espejo del casco, sino una protuberancia que su ubica debajo del casco en la zona de
popa, lo que provoca una modificación local en las líneas de fondo donde se ubica. En
similitud con los flaps, las cuñas de popa causan variaciones en el trimado, reduce la
resistencia a la propulsión y aumenta la velocidad máxima alcanzable.
Como se muestra en la figura 1.3 una cuña de popa comienza en un lugar a proa
del espejo y termina en el espejo mismo. La totalidad de la cuña se encuentra bajo el
fondo del casco.
1.5.1 Características geométricas
Los parámetros principales para el diseño de la geometría de una cuña de popa
son los siguientes:
-Cuerda (CW)
: es la distancia longitudinal y es medido, como es mostrado en el
diagrama de la figura 1.3, midiendo la distancia de la cuña en la
zona inferior. El valor es representado en porcentaje de Lpp
-Envergadura (SW) : es la medida transversal del flap, ver figura 1.2
-Ángulo (αW)
: el ángulo de la superficie inferior de la cuña en relación al fondo
del casco, tal como muestra la figura 1.3
Figura 1.3: Vista horizontal, características geométricas
de una cuña de popa, t (espejo)
6
Figura 1.4: Vista horizontal, características geométricas
de una cuña de popa, DWL (línea de flotación)
1.5.2 Breve análisis de las cuñas de popa
Los mejores resultados de las cuñas se dado en embarcaciones de
desplazamiento mediano y alto. Se ha demostrado que las cuñas tienen una menor
eficiencia hidrodinámica que el flap. Esto es atribuido principalmente a que las cuñas
tienen un menor impacto en el coeficiente de estela del casco. Su efectividad suele
comenzar en el rango de velocidades de 0,23 < FN< 0,35. Su efectividad empieza a
decaer en el rango de 3,0 < FN ∇ < 4,0.
Algunas consideraciones de diseño son:
•
Las cuñas con más cuerda producen los mayores efectos positivos
•
Para cuerdas grandes no se recomienda colocarlas a grandes ángulos, ya que
cuanto mayor sea éste, menor será su rango de efectividad y mayor la penalidad
a bajas velocidades
•
En general no se recomienda utilizar cuñas con ángulos mayores a 10º. En
embarcaciones de poco desplazamiento es factible colocar cuñas con mayores
ángulos
Las cuñas de popa suelen ser más efectivas en embarcaciones de mayor manga
debido a que la fuerza de lift es función de la relación de aspecto de un casco (L/B), lo
que hace que sean eficientes en un mayor rango de velocidades [2].
7
1.6 Sistema integrado cuña-flap
Este sistema, como su nombre lo refleja, es la unión o fusión de los dos
apéndices nombrados anteriormente. La combinación cuña-flap
provoca mayores
beneficios hidrodinámicos con respecto a los beneficios producidos actuando cada uno
en forma individual.
Como se muestra en la figura 1.5 el sistema cuña-flap comienza en un lugar a
proa del espejo, y se extiende hacia popa del espejo.
1.6.1 Características geométricas
-Cuerda (CW-F)
: el valor es representado en porcentaje de Lpp. CW-F es equivalente
a la suma de la cuerda de la cuña y a la del flap, ver figura 1.5
-Envergadura (SW-F): es la medida transversal del flap, tal se indica en la figura 1.6
-Ángulo (αW-F)
: el ángulo de la superficie inferior del sistema cuña-flap en relación
al fondo del casco, tal como muestra la figura 1.5. Además en esta
figura se aprecia que el αW-F, αW y αF son todos equivalentes, ver
figura 1.5
Figura 1.5: Vista longitudinal, características geométricas
de un sistema integrado cuña-flap, t (espejo)
8
Figura 1.6: Vista horizontal, características geométricas
de un sistema integrado cuña-flap, DWL (línea de flotación)
1.6.2 Breve análisis del sistema integrado cuña-flap
Para que el sistema integrado cuña flap de popa tenga un buen rendimiento, se
recomienda que alguno de los dos miembros deba tener una cuerda larga, ya sea el
flap o la cuña. A pesar de eso, en cualquiera de los casos se van a presentar ventajas y
desventajas desde el punto de vista hidrodinámico.
En el caso de una cuña con cuerda larga, se produciría una gran inmersión de la
zona del espejo, y con ello un mal desempeño que incrementaría la penalidad a bajas
velocidades. Un flap de cuerda larga produce dificultades de diseño, debido a que se
deben diseñar uniones más resistentes debido a los esfuerzos que están presentes en
el flap. Por otro lado, un flap con ángulo muy grande generaría valores de drag altos, y
consecuentemente, componentes de resistencia muy altas [2].
1.7 Interceptores
Son placas verticales ajustables en el fondo del espejo, normalmente una a
babor y una a estribor o una en cada casco en el caso de un catamarán. El efecto de un
interceptor puede ser un efecto similar a un flap y cuña de popa.
Los interceptores suelen ser utilizados en los ferrys rápidos. Montar los sistemas
convencionales de flaps en las naves veloces es dificultoso ya que habitualmente no
hay espacio en popa para apéndices. De ahí la conveniencia de la aplicación de los
interceptores en algunos tipos de naves.
9
1.7.1 Características geométricas
-Envergadura (SI) : medida transversal interceptor, ver figura 1.8
-Altura (h)
: es la longitud vertical del interceptor, ver figura 1.7
Figura 1.7: Vista longitudinal, características geométricas
de un interceptor, t (espejo)
Figura 1.8: Vista horizontal, características geométricas
de un interceptor, DWL (línea de flotación)
1.7.2 Breve análisis de los interceptores
El funcionamiento, como su nombre lo indica, se trata de interceptar el flujo de
agua que pasa por debajo de la carena. El área del interceptor tiene un efecto de
desaceleración sobre el flujo del espejo lo que incrementa la presión del mismo a popa
del espejo, similar efecto del flap y sus similares, ver figura 1.9 [9].
10
Figura 1.9: Vista longitudinal, comparación de flujo alterado
por los mecanismos de popa, t (espejo)
11
CAPÍTULO II
FENÓMENOS HIDRODINÁMICOS Y CONSIDERACIONES DE DISEÑO
EN LOS FLAPS DE POPA
2.1 Generalidades
El presente capítulo presenta la información necesaria para entender el
fenómeno del flap y sus beneficios sobre una embarcación. También se detallan
consideraciones y recomendaciones de diseño que existen para éste.
2.2 Beneficios de los flaps de popa
Un flap modifica el trimado de las naves menores y rápidas, causando la
disminución del calado de popa y el aumento del calado de proa, es decir un cambio
positivo del trimado. La primera idea fue que el cambio de trimado era el único factor
que llevaba a beneficiar al comportamiento de la nave. Pero esto era sólo una parte de
la razón del mejoramiento del rendimiento que se lograba en una nave ya que existen
otros factores que hacen beneficioso la utilización de un flap. Estos factores son:
•
La fuerza de lift desarrollada
•
Decrecimiento de la velocidad y aumento de la presión del flujo de la zona de
popa
•
Reducción de la energía del campo lejano de las olas (reducción del tren de olas)
•
Reducción de la energía del campo cercano de las olas (reducción de la altura de
ola y pendiente)
•
Aumento de la eslora efectiva del barco
•
Disminución del desplazamiento dinámico de la nave
Sumado a esto, un flap de popa puede generar mejoras en las características de
cavitación, reducir el ruido propulsivo y niveles de vibración.
12
Análisis teóricos y modelos ensayados de cascos de desplazamiento de alta
velocidad y naves de planeo, han mostrado que los flaps de popa pueden disminuir
significativamente la potencia efectiva (EHP) y la potencia antes de la hélice (DHP). La
eficacia del flap de popa es dependiente del número de Froude.
Fn = V / √(gL)
Éste ha mostrado que en naves pequeñas veloces el uso de un flap de popa
puede producir una reducción de hasta 11% en resistencia y 14% en potencia liberada
(DHP), cuando se encuentra dentro del rango de 0,50 < Fn < 0,90. En el máximo Fn,
este puede beneficiar hasta un incremento de 5 a 7% en velocidades altas y unos 2º de
cambio máximo en el trimado. Entre 0,26 < Fn < 0,30, un flap de popa tiene un efecto
neutro sobre la resistencia de las naves. Por debajo de 0,26 < Fn, el flap incrementa la
resistencia de las naves. Debido a que el efecto de un flap varia con la velocidad, el
diseño de éste es un compromiso entre el mejoramiento del rendimiento en velocidades
medias y altas, con la minimización de las penalidades en velocidades bajas [4].
La adaptación de un flap produce un aumento de la eslora de la línea de agua
efectiva de la nave y tiene directa relación con la cuerda del flap. El incremento de
eslora es el del orden de 0,5 y 2,5% de Lpp y tiene un importante efecto en la resistencia
por formación de eslora.
2.3 Comportamiento del flujo en la zona de popa
Excesiva altura de ola y turbulencia representan pérdida de energía en el flujo de
la zona de popa de una nave. Una gran cantidad de información cualitativa puede ser
obtenida sobre el comportamiento de un flap de popa mediante la observación de sus
efectos sobre flujo de salida del espejo.
La manera en que el flujo se comporta en la zona de popa puede ser dividida en
tres fases:
•
De baja velocidad
•
De transición
•
De alta velocidad
13
Para la fase de baja velocidad, la zona del espejo y el flap están completamente
mojados y el flujo no presenta separación del casco. La resistencia al avance es
relativamente alta, debido a la gran superficie mojada y la significativa formación de
vórtices. A medida que aumenta la velocidad, el espejo está cada vez menos sumergido
y menos agua tiende a fluir por encima del flap.
En la fase denominada como la de transición, donde ocurre el cambio de fase de
baja velocidad al de alta velocidad, en un rango pequeño de velocidades, el flujo en la
zona de popa pasa por un estado transitorio, periódicamente separándose libre del
espejo del flap y luego retrocediendo para mojarlo nuevamente. Por lo general, este
rango de velocidades se ubica entre 0,3 < FN < 0,6.
En la tercera fase la de alta velocidad, el flujo se separa libremente, en forma
ordenada del borde exterior del flap. La velocidad en la que comienza la fase de alta
velocidad depende de algunos factores como:
•
El desplazamiento de la nave
•
El trimado de la nave
•
El diseño e inmersión de la zona del espejo
•
Y, obviamente, del diseño del flap
En la figura 2.1 se puede apreciar el efecto de un flap sobre el flujo de salida de
un modelo ensayado de la patrullera USCG Island Class 11 WPB. Las fotografías
comparativas pertenecen a la velocidad de 16 nudos, y la aplicación del flap beneficia a
la nave con un incremento de 2 nudos de velocidad. El comportamiento del flujo de la
zona de popa fue considerablemente alterado por el flap sobre velocidades desde 12 a
20 nudos [3].
14
Figura 2.1: Ensayo del modelo de la patrullera USCG Island Class 11 WPB.
arriba: modelo a casco desnudo.
abajo: con flap de popa, en condición de máxima carga, 16 nudos [3]
2.3.1 Alteraciones provocadas en el flujo de la zona de popa
La presencia de un flap provoca la reducción de la velocidad del flujo en la zona
de popa, lo cual conlleva a un aumento de la presión debajo del casco en la misma
zona. Se ha encontrado que los flaps pueden producir variaciones en el flujo en una
extensión entre 5% y 15% de Lpp, y aumentos de presiones de hasta 0,3 Kg/cm2 en la
zona de espejo y 0,04 Kg/cm2 en la zona de la hélice a velocidades cercanas a Fn igual
a 0,4. Sumado a esto, el aumento de la presión dinámica genera bajo el casco, en la
zona de popa, una fuerza de sustentación con una componente en sentido del
movimiento de la nave, lo cual ayuda a contrarrestar el arrastre que es generado en la
zona de popa.
Con los distintos estudios realizados se ha observado que la velocidad del flujo
en el borde de salida del flap, es mayor al de la nave sin flap. Este incremento produce
una reducción sustancial de la velocidad de separación del flujo, lo que genera una
15
separación más ordenada de éste, y se traduce en una reducción de vórtices, lo cual
esta relacionado con la resistencia de origen viscoso.
2.4 Cambio en el sistema de formación de olas
En general, el flujo que se encuentra en la zona del espejo se ve afectado por
pérdida de energía del campo próximo al casco debido a fenómenos de origen de
presión viscosa. La aplicación de un flap provoca en el flujo de esta zona una
disminución de: altura de ola, pendiente y posición de la primera cresta de ola, en la
salida del espejo, y cantidad de “espuma” (ver figura 2.1) en las olas de salida de los
bordes del flap.
Los estudios realizados reflejan una disminución en la altura de las superficies
libres de las olas presentes en el campo lejano del casco. Este fenómeno se presenta a
partir de las velocidades medias de la fase de transición (0,3 < FN <0,6). Esta
disminución de altura produce una reducción en el coeficiente de formación de olas a
velocidades equivalentes. En el estudio “Stern Flap Powering Performance on the PC 1
Class Patrol Coastal, Full Scale Trials and Model Experiments”, realizado por Dominic
Cusanelli a una lancha patrullera de 33,5 m de Lpp, se presentan resultados de la altura
de ola para las velocidades de 20 y 28 nudos, donde se registran disminuciones de
formación de olas máximas de 2,2 y 8,8% respectivamente [2].
2.5 Interacción propulsiva
Los ensayos realizados muestran que el factor de estela, 1-W, puede reducirse
de un 1 a 3% con la instalación de un flap, producido por la variación en la distribución
de presión en la zona de popa explicada anteriormente. Se han encontrado mejoras en
el rendimiento propulsivo del orden de 2 a 4%, aportando a la eficiencia hidrodinámica
de la hélice. Los estudios, en general, muestran que los flaps no alteran el factor de
succión.
Recordemos que con el hecho de disminuir la potencia requerida, se pueden
obtener beneficios no tan solo de ahorro de combustible, sino también de disminución o
prevención de vibraciones y de ruidos excesivos.
El aumento de presión generado en la zona de la hélice puede reducir los niveles
de cavitación y los perjuicios que conlleva ésta al sistema propulsivo: erosión de las
palas de la hélice y pérdida de empuje [1].
16
2.6 Modificación en el trimado
La aplicación de un flap de popa es una alternativa para modificar el trimado de
una nave y tiene una influencia significativa en embarcaciones de planeo. Este tema es
mayormente analizado en embarcaciones con flaps móviles, en los cuales es
importante conocer los ángulos de flap óptimo a lo largo del rango de velocidades. La
fuerza de sustentación vertical causada por un flap, en conjunto con al aumento de
distribución de presión en la zona de popa, produce modificaciones en el trimado. La
mayor efectividad en relación a este factor se encuentra en 1,0< FN ∇ <4,0 [2].
Las naves de planeo, las cuales registran velocidades en el rango Fn igual a 0,9,
experimentan grandes cambios en el trimado (hasta 2º), mientras que las
embarcaciones de desplazamiento, como destructores y fragatas, registran cambios de
trimado en el orden de solamente 0,2º. El lift de una nave de planeo, y el drag inducido
asociado, son notablemente afectados por los cambios de trimado. Principalmente este
cambio en el trimado es el que reduce la resistencia en las naves de planeo [5].
2.7 Reducción del desplazamiento aparente
Un flap produce una disminución del desplazamiento. Esto es causado por la
generación de la fuerza de sustentación vertical producida por el flap. En
embarcaciones de desplazamiento, esta disminución alcanza un valor promedio de
0,5% del desplazamiento original a lo largo del rango de velocidades, por lo que no
tiene mayor efecto en la reducción de la resistencia al avance. Sin embargo, en
embarcaciones de planeo la influencia de este aspecto es mayor, debido a la
disminución de la superficie mojada principalmente, y en donde estas disminuciones
están relacionadas con los cambios de trimado producidos por los flaps [1].
2.8 Variaciones de las fuerzas de lift y drag
Un flap de popa en todas las condiciones generará una fuerza de lift y drag sobre
la embarcación. En embarcaciones de desplazamiento, estas fuerzas son pequeñas en
comparación con el desplazamiento de la nave.
17
2.8.1 Drag
La variación de la fuerza de drag, se debe a las distintas velocidades de
separación, que tiene el flujo en las fases de su comportamiento. EL drag tiene un
sentido contrario al avance de la nave, ver figura 2.2. Los valores altos de drag, se
generan en el rango de bajas velocidades y disminuye a medida que aumenta la
velocidad y se logra una mayor uniformidad en la separación de flujo.
La drag varía según la inmersión de flap (su geometría en general) y del
desplazamiento de la nave.
2.8.2 Lift
La fuerza de lift, o de sustentación, es mayor que la fuerza de drag producida por
un flap. El lift tiene un sentido vertical y perpendicular al drag, ver figura 2.2. Al igual que
el drag, el lift está directamente influenciado por el desplazamiento de la nave y la
geometría e inmersión del flap. A mayores desplazamiento se tendrá coeficientes de
mayor valor a altas velocidades, en cambio, en embarcaciones de menor
desplazamiento se obtendrá la mejor efectividad de esta fuerza a velocidades
intermedias [2].
Figura 2.2: fuerzas generada por el aumento de presión en la zona de popa
FL
= fuerza de lift
FD
= fuerza de drag
FH
= fuerza horizontal con dirección al avance y opuesta a la fuerza de drag
-∆V
= decrecimiento de velocidad causada por el flap
+∆P
= aumento de presión causado por -∆V
18
2.8.3 Formulas de Brown
Brown en su investigación: An Experimental and Theorical Study of Planning
Surfeces with Trim Tabs (1971), analizó los efectos de los flaps en embarcaciones de
planeo, determinó que el lift y drag producidos pueden ser calculados usando las
siguientes ecuaciones:
∆F
= 0,046* CF*αF* σ*b*(ρ/2)*V2
(2.1)
DF
=0,0052* ∆F*(T+ αF)
(2.2)
Donde:
∆F
= lift del flap, libras
DF
= drag del flap, libras
CF
= cuerda del flap, pies
σ
= relación envergadura-manga
αF
= ángulo del flap, grados
b
= manga, pies
T
= trimado, grados
V
= velocidad, pies/seg
ρ
= densidad del agua, slugs/pies3
El centro de presión del lift actúa a 60% de la cuerda a proa del borde de salida
del flap [3]. De manera general, el aumento de la fuerza del lift hidrodinámico produce
un incremento en la fuerza de drag formado en el orden de ∆*tan(T), donde ∆ es la
fuerza de lift total de la nave (incluida la producida por el flap) y que en total es igual al
peso de la nave. Además, la presión del flap causa un drag. Como se expresa en la
fórmula (2.1), la presión del flap causa un drag que es proporcional al lift producido.
El momento hidrodinámico del flap medido en su borde de salida está dado por:
MF
= ∆F [0,6*b+CF*(1- σ)], libras-pies
(2.3)
Para los flaps ajustables, el torque requerido para mantener el flap reflectado
contra la presión hidrodinámica, también conocido como momento de giro, está dado
por la siguiente ecuación:
HF
= 0,139* ∆F* LF, libras-pies
(2.4)
19
Las ecuaciones para determinar el lift del flap, ecuación 2.1, y el momento de
giro, ecuación 2.4, para embarcaciones de planeo, han sido validadas para los
siguientes rangos de aplicación:
•
CF, % de LPP
0 a 10
•
αF, grados
0 a 15
•
T, grados
0 a 10
•
Coeficiente de velocidad (Cv =V/√(g*BT)
2a7
BT: manga del espejo
2.9 Efecto escala de un flap de popa e influencia de los fenómenos viscosos
Basado en experiencias anteriores, el comportamiento del flap de popa a escala
real, genera un rendimiento mayor al de la predicción de su modelo a escala. Los viajes
de pruebas, indican que el ensayo del modelo generalmente tiende a bajar la predicción
del comportamiento del flap en el rango de aproximadamente el 2% hasta más de 12%,
con las más grandes discrepancias en las velocidades más bajas del rango de
velocidad en estudio.
Esto se atribuye a la presencia fenómenos viscosos, los cuáles no se reproducen
exactamente a escala, dado que los ensayos de canal se realizan a iguales FN entre la
embarcación real y el modelo. Las investigaciones señalan que el efecto de escala del
flap de popa tiene una fuerte dependencia del número de Reynolds [3].
La presión bajo casco varía en función de la escala del modelo. Es probable que
la efectividad de un flap sea mitigado por el mayor grosor de la capa límite asociado a
las pruebas con modelos muy pequeños (la capa límite es mucho más delgada a
factores de escala altos). Por medio de modelaciones computacionales, se ha
demostrado que la componente por resistencia por presión viscosa alrededor de la zona
de popa, tiene un importante efecto asociado a diferentes números de Reynolds. En la
figura 2.3 de la siguiente página, perteneciente al documento: “Stern Wedges and Stern
Flaps for Improved Powering” presentado durante el encuentro anual de la SNAME del
año 1999, se puede observar como varía la presión en la línea de crujía de una nave
simulada a distintos RN.
20
Figura 2.3: Presión local medida en la línea de crujía en la zona de popa
bajo la acción de un flap a distintos números de Reynolds
2.10 Utilización de flaps de popa como correctivos de navegación
Existen dos tipos de instalación de los flaps, los de ángulos fijos y ángulos
móviles.
Los flaps móviles, son utilizados generalmente en embarcaciones de alta
velocidad y están diseñados para condiciones difíciles de navegación, ver figura 2.4.
Con la utilización de estos flaps móviles, se pueden disminuir los valores extremos de
los movimientos de heave y de pitch, esto debido a que las fuerzas del flap generan un
momento que aumenta el calado de proa. También se logra disminuir los periodos de
oscilación de estos movimientos.
Los flaps móviles pueden ser accionados a través de sistemas hidráulicos y estar
formado como una unidad o bien fraccionado en dos: flap de babor y flap de estribor. La
ventaja del flap fraccionado en dos unidades, es que una unidad puede ser accionada
en forma independiente de la otra, permitiendo de esta manera realizar correcciones de
adrizamiento también, ver figuro 2.5. Cuando los flaps no están en posición de ataque
se mantienen continuos a la línea del casco formando con este un ángulo de 180°. A
medida que se los activa, es decir se bajan, ese ángulo se reduce hasta un determinado
valor que dependerá del diseño de cada barco. Existen sistemas automáticos que
tiende a mantener el barco estable mediante un dispositivo electrónico que analiza
permanentemente el asiento y la escora.
21
Figura 2.4: Vista de perfil popa de una embarcación con flaps móviles
con sus distintos ángulos óptimos (α1, α2, α3) [6]
Figura 2.5: Vista en perspectiva de la embarcación de la figura 2.3
con distintas fases de movimientos [6]
2.11 Consideraciones para el diseño
Antes de proponer un diseño de flap óptimo para una nave, se debe conocer y
tener muy claro el perfil de misión de ésta. Es de suma importancia estar al tanto de las
condiciones de operación, ya que con esto se determinan los criterios de selección de
un flap idóneo. Naturalmente, el implante de un flap debe tener un diseño tal que las
nuevas condiciones hidrodinámicas mejoren el rendimiento propulsivo y condiciones
operacionales.
Es recomendable estudiar el rango de velocidades versus el tiempo de operación
anual en cada una de ellas. No siempre hay que enfocarse en la velocidad máxima o de
servicio, ya que tener los mejores resultados en estas condiciones, no necesariamente
implica que en otros rangos de velocidades sea así. Es importante también tener
presente, si existieran, limitaciones de trimado para las tareas de operación de la
embarcación.
22
2.11.1 Rango de dimensiones para los flaps
Se recomienda considerar que las variables de los flaps estén dentro de los
siguientes valores o rangos [2]:
•
Las cuerdas entre 0,5 y 2,5% de Lpp
•
Los ángulos efectivos están entre -10º a +15º. Sin embargo, debe estudiarse el
efecto de esta variable a lo largo del rango de velocidades. En la actualidad, no
existe ningún antecedente de la instalación de flaps con ángulos negativos en
prototipos. Los menores ángulos instalados registrados son de 0º
•
La envergadura debe alcanzar el máximo valor posible, sin que ésta interfiera
con los vórtices producidos en los bordes del espejo, y sin doblar
significativamente la superficie del flap
2.11.2 Superficie del flap
En un flap se diferencian dos tipos de superficie:
•
La superior
•
La inferior
Generalmente, la superficie significante hidrodinámicamente (la superficie de
“trabajo”)
de
un
flap
es
su
superficie
inferior;
su
superficie
superior
es
hidrodinámicamente insignificante, aunque esta puede ser estructuralmente importante.
En otras palabras, la superficie inferior es la que interactúa con el agua.
La superficie inferior del flap, puede ser geométricamente considerada que está
compuesta por tres regiones de superficie: incluye una región intermedia y dos regiones
finales curvadas, ver figuras 2.6 y 2.7. La región intermedia está delineada a proa por el
borde de ataque y popa por un borde de salida paralelo, la longitud de cuerda se
mantiene constante entre estos dos bordes. Las dos regiones finales de un flap
estándar decrecen curvadamente. La curva característica del borde de entrada del flap
es similar con la curva del borde inferior transversal del espejo del barco (la unión entre
el fondo del barco y el espejo de éste), de este modo permite una forma continua del
23
borde de entrada del flap, relativo al borde inferior transversal del barco. Esto también
posibilita dar una forma continua a la superficie inferior del flap en relación al fondo del
barco.
El flap de popa estándar (tradicional o convencional) está diseñado con bordes
de entrada y salida paralelos y líneas rectas. La orientación de estos bordes rectos es
perpendicular a la línea de crujía del barco, figura 2.6.
Figura 2.6: Flap de popa estándar,
ch (región intermedia), e (extremos)
Existen configuraciones menos tradicionales y más complejas de los flaps como
los de formas curvas, figura 2.7. Los flaps de popa curvos deben su forma a la
adaptación que tienen a la geometría de la zona de popa de una nave. Estos flaps
tienen un borde de ataque y de salida curvado las cuales están en paralelo la forma del
espejo [5].
Figura 2.7: Flaps de popa curvo,
ch (región intermedia), e (extremos)
24
Referente a los flaps mostrados en las figuras 2.6 y 2.7, se caracterizan por
poseer una envergadura equivalente y tener similitud en otros aspectos, pero son
notablemente distintos geométricamente.
2.11.3 Dificultades en la aplicación de un flap de popa estándar a un espejo curvo
La aplicación de un flap de popa estándar en una embarcación con espejo curvo
podría presentar varios problemas prácticos, como incidir en la disminución del borde
de entrada del flap en su línea de centro bajo el espejo, ver figura 2.8.
Por otra parte, tal aplicación podría no alcanzar la completa utilización de la
longitud de la cuerda del flap. Generalmente, el largo de la cuerda es uno de los
parámetros para ser optimizado en diseño de este tipo de apéndices; como se ha
comentado anteriormente, incrementar la eslora efectiva de la nave provoca reducción
de la resistencia por olas, y el incremento del área de superficie total del flap incrementa
el drag (resistencia). Por lo tanto, la disminución del área efectiva podría directamente
limitar el incremento de la eslora efectiva de la nave que se aporta con la aplicación de
un flap de popa [5].
Figura 2.8: Vista de planta del fondo de una nave de espejo curvo
con un flap de forma estándar, Ce (cuerda efectiva del flap), C (cuerda del flap)
25
Figura 2.9: Vista de planta del fondo de una nave de espejo curvo
con un flap curvo, Ce (cuerda efectiva del flap), C (cuerda del flap)
En la figura 2.9, no solo la longitud de cuerda del flap (C) es constante, también
lo es la longitud de la cuerda efectiva del flap (Ce), la cual es medida perpendicular a la
curvatura del espejo. Opuestamente, la situación de la figura 2.10 a pesar de mantener
la longitud de la cuerda del flap constante, la cuerda efectiva es acortada, variando a lo
largo de la envergadura, de esta manera reduciéndose el área efectiva del flap.
Como criterio y conclusión de lo dicho, se debe procurar mantener una cuerda
efectiva constante e igual a la de la longitud de la cuerda geométrica del flap (C), para
que ocurra la influencia hidrodinámica del flap y así obtener los posibles beneficios
sobre la embarcación.
26
CAPÍTULO III
INTRODUCCIÓN PARA EL ENSAYO EXPERIMENTAL
3.1 Generalidades
Para realizar los ensayos experimentales hubo que definir varios puntos tales
como:
•
Embarcación a estudiar
•
Escala del modelo y construcción de éste
•
Serie de flaps a ensayar
•
Rango de velocidades a estudiar
En este capítulo se explicarán cómo se definieron todos los distintos puntos para
poder ejecutar el estudio experimental.
3.2 Características del Canal de Pruebas Hidrodinámicas
Los ensayos experimentales fueron realizados en el Canal de Pruebas
perteneciente al Instituto de Ciencias Navales y Marítimas de la Facultad de Ciencias de
la Ingeniería de la Universidad Austral de Chile.
En el Canal de Pruebas es posible realizar ensayos de resistencia al avance,
para lo cual posee: un winche de remolque, un registrador combinado y un contador
electrónico. Además, es posible realizar ensayos de comportamiento de modelos en el
mar, debido a su generador de olas, ensayos de flujo de corriente y mediciones de
altura de ola generadas por los modelos. El Canal de Pruebas Hidrodinámicas tiene una
longitud de 45 m y su sección transversal rectangular interior es 3,0 m de ancho y 2,0 m
de altura. El nivel del agua es de 1,8 m.
El sistema de remolque para los modelos consiste en un winche altamente
especializado con mando electrónico, que permite efectuar las pruebas en un rango de
velocidades desde 0 a 3,5 m/s y con una precisión de 0,01 m/s.
La fuerza de remolque requerida durante el ensayo del modelo se mide
automáticamente, pudiendo variar desde 2 gr hasta 4 kg. Tanto velocidades como las
resistencias quedan registradas por un instrumento conectado al winche.
27
Figura 3.1: Canal de Pruebas Universidad Austral de Chile
3.3 Descripción general de la embarcación en estudio
La unidad de desplazamiento en estudio corresponde a las formas de una unidad
de superficie moderna.
Las formas se extrajeron a partir del casco digitalizado en un software de diseño
(figura 3.2). Los cálculos hidrostáticos fueron obtenidos en un software de arquitectura
naval.
Características principales:
Potencia maquinaria
:
50.000 SHP
Velocidad máxima
:
30 Kn
Eslora
:
148,2 m
Manga
:
13,9 m
Calado
:
4,6 m
28
Figura 3.2: Vista perspectiva del casco en estudio
3.4 Descripción del modelo a ensayar
3.4.1 Escala del modelo
La escala para el modelo (λ) escogida fue 1/80. Se decide realizar la
construcción del modelo con esta escala tomando en consideración la factibilidad de la
construcción del modelo y las restricciones de borde del Canal de Pruebas.
1/80 es una relación de escala alta, que puede prestarse para discusión para la
precisión o sobre el margen de error que podría existir al momento de realizar la
extrapolación de resultados a las dimensiones del prototipo. Por ejemplo, una
imprecisión de 1 gr en la toma de lectura en el ensayo, al realizar la extrapolación habrá
una diferencia de la resistencia al avance del prototipo de 512 gr con respecto al
verdadero. Sin embargo, el Canal de Pruebas es reconocido por su precisión y buen
rendimiento en la obtención de los datos, y sumado a esto el canal es calibrado antes
de llevar a cabo cada ensayo de resistencia al avance.
Antes de ejecutar la construcción del modelo, las dimensiones y las condiciones
de ensayos de éste fueron revisadas con respecto a algunas limitantes del canal de
pruebas, todo esto para realizar los ensayos de una manera óptima y dentro las
capacidades del canal. Los puntos chequeados fueron:
• Bloqueo de canal
• Tensión superficial y velocidad de remolque
29
3.4.1.1 Bloqueo de Canal
En algunas casos de ensayos en canales de prueba, puede ocurrir un efecto de
bloqueo de canal, el cual puede disminuir la velocidad del modelo o, que es lo mismo,
aumentar la resistencia al avance del modelo y, por consiguiente, una obtención de
resultados distorsionados.
Para estimar la influencia “del efecto de canal” sobre la resistencia al avance del
modelo se utilizó el método propuesto por Lockenby (1963), el cual presenta un gráfico
sobre el porcentaje de velocidad perdida en función de la total [8].
Figura 3.3: Porcentaje de velocidad perdida en canal, Lockenby 1963
Donde:
Am
= área sección maestra del modelo, m2
h
= profundidad del canal, m
V
= velocidad del modelo, m/s
g
= aceleración de gravedad, ms-2
H
= radio hidráulico (para canales), H = A0/Pm , m
A0
= área transversal del canal (AC) menos la de sección maestra del modelo (Am),
AC - Am m2
Pm
= perímetro de la sección transversal del canal más el de la maestra
(sin considerar línea superficie de agua), m
30
Para el caso en estudio resulta:
Am
= 8,7*10-3 m2
h
= 1,80
m
V
= 1,73
m/s
g
= 9,81
ms-2
AC
= 5,40
m
A0
= 5,39
m2
Pm
= 6,84
m
H
= 0,79
m
V, velocidad de modelo, es la velocidad máxima de ensayo y condición más
desfavorable para que ocurra bloqueo de canal.
Para ingresar al gráfico:
V2 / (g*H)
= 1,732 / (9,81*0,79) = 0,39
Am / H
= √(8,7*10-3) / 0,79 = 0,12
Con el ingreso al gráfico y posterior lectura podemos determinar que la pérdida
de velocidad del modelo (en la velocidad máxima de ensayo) por efecto de canal es de
0,6% de la velocidad total de este.
El resultado obtenido a partir del gráfico propuesto por Lockenby es un valor que
se encuentra bajo el 1%, cantidad aceptable para poder considerar como despreciable
el efecto de canal para los resultados de los ensayos y no realizar correcciones por
causa de este efecto.
3.4.1.2 Tensión superficial y velocidad de remolque
Se denomina tensión superficial al fenómeno por el cual la superficie de un
líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica. En un canal
de pruebas es necesario romper esta tensión superficial para poder recrear de manera
más próxima el comportamiento del fluido alrededor del prototipo. La recomendación es
ensayar a velocidades sobre 0,5 m/s, ya que a esta velocidad es posible romper la
tensión superficial alrededor del modelo.
La velocidad menor de ensayo en nuestro estudio es de 0,8 m/s, la que es la
velocidad de 14 nudos en el prototipo. Esta velocidad de ensayo es mayor a la de
31
mínima recomendada para romper la tensión superficial, por lo tanto, según esto no
deberían surgir valores cuestionables por efecto de este fenómeno sobre el análisis
experimental.
Con respecto a la velocidad máxima de ensayo es de 1,725 m/s. Esta velocidad
es menor a la velocidad máxima de remolque del canal de 3,5 m/s.
Por lo tanto el rango de velocidad del ensayo a ejecutar no presenta limitantes.
3.4.2 Dimensiones del modelo
Las dimensiones principales del modelo a la escala definida son:
Loa
1.764,0 mm
Lwl
1.704,0 mm
Lpp
1.647,5 mm
Bmax
184,0 mm
Bwl
184,0 mm
D
100,0 mm
T
57,5 mm
∆*
9,27 Kg
Tabla 3.1: Características principales prototipo
*desplazamiento en agua dulce con densidad igual a 1 ton/m3
3.4.3 Construcción del modelo
La construcción de modelo fue regida por las recomendaciones de la ITTC para
la manufactura de modelos: documento 7.5-01-01-01, “Model Manufacture”.
El modelo fue también ocupado como molde positivo para la fabricación de un
negativo. La construcción de este molde negativo servirá para tener un respaldo para la
obtención de un nuevo modelo para los ensayos, ya que el gran número de remolques y
el recambio de flaps (perforaciones al modelo en el espejo) para los ensayos, pueden
deteriorar el modelo. La matriz también quedará disponible para la continuación del
desarrollo de investigación de la embarcación. El esquema de laminado y respaldo
gráfico de la fabricación de la matriz se presenta en el anexo II.
32
Las recomendaciones tomadas fueron:
•
El material utilizado para la construcción del modelo fue madera de balsa de
5mm de espesor, y reforzada con resina P-4 (poliéster insaturado ortoftálica). La
técnica de construcción utilizada es la “strip plank”, ver figura 3.4, 3.5 y 3.6.
•
El acabado de la superficie del modelo fue trabajo con lija seca y húmeda
Nº 400, encontrándose dentro del rango de 300 a 400 que recomienda la
International Towing Tank Conference.
•
La recomendación de la ITTC utilizada para identificar secciones fue el sistema
de enumeración de diez secciones desde la popa con sección 0 en la AP y
sección 10 en FP.
•
Las tolerancias de construcción utilizadas y sugeridas por la ITTC son para:
1. manga (Y) ± 1,0 mm
2. puntal (Z) ± 1,0 mm
3. eslora (X) ± 1,5 mm
Figura 3.4: Ilustración del proceso constructivo del modelo:
formas definidas con la utilización de plantillas
33
Figura 3.5: Sellado del casco con masilla mágica y resina poliéster,
para posteriormente ser pintado y realizar el marcado de cuadernas
Figura 3.6: Modelo finalizado listo para los ensayos
3.4.4 Determinación del punto remolque del modelo
El punto de remolque del modelo en el sentido longitudinal fue situado en el LCF
correspondiente al calado en estudio. El LCF del modelo se encuentra 12,2 cm a popa
de la sección 5.
En el sentido vertical el punto remolque del modelo estuvo ubicado a 12 cm de la
línea de flotación, ver figura 3.7.
34
Figura 3.7: Imagen del punto de remolque del modelo
3.4.5 Definición de los estimuladores de turbulencia
En un ensayo experimental de canal es preciso que la zona experimental
corresponda a un proceso hidrodinámico bien definido, para realizar de manera seguras
las extrapolaciones al prototipo.
En planchas lisas, existe discrepancia sobre que valor de Reynolds comienza el
flujo turbulento. Hay autores que hablan que el valor de Rn que marca el inicio del flujo
turbulento es de 106, y por otra parte hay otros que estipulan que el valor es de 5*106.
El rango de Rn de nuestro modelo a ensayar es de 1,12*106 y 2,04*106, por lo
que no sabemos bajo qué régimen de flujo está realmente, si de transición o turbulento.
Es por esta razón que se decidió usar estimuladores, asegurando que el flujo sea
turbulento y poder realizar de manera segura las extrapolaciones.
Como sabemos nuestro ensayos están divididos en dos fracciones, la primera
para fines de correlación con un CFD, y la segunda para realizar un el análisis
cuantitativo y cualitativo de los efectos hidrodinámicos de la serie de flaps sobre el
prototipo.
La primera fracción está bajo régimen laminar, por lo que se omite los
estimuladores. En cambio, para la segunda parte se debe ensayar bajo régimen
turbulento y hacer uso de estimuladores.
Después de haber realizado la etapa Nº 1 se realiza la aplicación de pins, lo cual
fue realizado según las recomendaciones del Ship Report Nº 10 de NPL, de Hughes y
Allan. Los pins aplicados fueron de 1/8” de diámetro con una altura de 1/10”, ubicados a
una distancia de una 1” entre ellos y 14 mm de distancia a popa de la roda. En total se
aplicaron 12 pins, 6 por lado del modelo. En la figura 3.8 se puede apreciar la vista de
perfil del de la proa del modelo con la distribución de los estimuladores.
35
Figura 3.8: Ubicación de los estimuladores
en zona de proa del modelo
3.5 Selección de la serie de flaps
Para escoger los flap de la serie se tomó en consideración los tres principales
parámetros geométricos:
•
Envergadura (SF)
•
Cuerda (CF)
•
Ángulo (αF)
Para realizar la selección de estos parámetros se toma como apoyo el punto 2.10
(Consideraciones para el diseño) del presente documento y el anexo I.
El anexo I es una base de datos ensayados en modelos de embarcaciones
militares de la Armada de los Estados Unidos. Estos ensayos han sido realizados en el
David Taylor Model Basin, canal de pruebas de dicha institución.
3.5.1 Definición de Envergadura (SF)
Los flaps de la serie serán de una única envergadura, atendiendo a
investigaciones realizadas con anterioridad, aplicando la mayor envergadura posible y
sin que el flap a los costados tome una curvatura significativa que pueda alterar
considerablemente el flujo en torno a esta zona, causando por lo tanto un efecto
36
negativo sobre la nave. Se debe tener en mente también la viabilidad constructiva de la
curvatura del flaps a los costados.
Además, para definir este parámetro geométrico se debe asegurar que el flap se
mantenga bajo la línea de flotación no tan solo en la máxima carga, sino también en
una condición de bajo calado. Para esto se estima el calado de 4 m como referencial,
ya que según las especificaciones de la unidad de desplazamiento en estudio, es un
calado de baja carga. Hechas estas consideraciones se define una envergadura de 7 m
(23,1 pies).
Observando la tabla 1 del anexo I, los valores de envergadura ensayados en las
primeras 18 naves (las cuales son de desplazamiento y que guardan condiciones
geométricas y de navegación similar a la nave en estudio) se encuentran en el rango de
20 y 34 pies, los cuales tiene resultados positivos en la eficiencia propulsiva de las
naves. El valor de envergadura determinado para la serie de flaps se encuentra dentro
de éstos valores, lo que da un respaldo a la envergadura escogida para encontrar
efectos positivos sobre el monocasco en estudio.
3.5.2 Cuerda (CF)
De acuerdo al punto 2.11.1, se recomienda en general para las embarcaciones,
cuerdas que estén entre el rango de 0,5 y 2,5 % de Lpp. Los ensayos registrados en el
anexo I (tabla 1) muestran un rango de cuerdas probados de 0,5 y 1,1 % de Lpp en las
naves de características similares a la de nuestro estudio (naves del 1 al 18 del cuadro).
En este registro de experimentos es importante notar el resultado obtenido de la
nave número 12, la cual es una fragata de eslora total de 124,97 m. Con respecto al
resto de ensayos fue el que tuvo un mayor incremento de velocidad, de 1 nudo. El
modelo fue ensayado con una envergadura de cuerda 0,96% de Lpp.
Para este análisis experimental se decide ensayar una magnitud única de
cuerda. A partir de los registros de rangos de cuerda recomendados y ensayados, se
estima realizar los ensayos con flaps de cuerda de 1,0% de Lpp.
Con:
Lpp
= 131,8 m
Por lo que tenemos:
CF
= 1,318 m
37
3.5.3 Ángulo (αF)
Para definir el rango de ángulos, que utilizaremos para estimar nuestros valores
de ensayo, utilizaremos la tabla 2 del Anexo I. En la tercera columna de la tabla 2
podemos apreciar los mejores ángulos de flaps. Por simple inspección dentro de las
embarcaciones del 1 al 18, podemos observar que los valores e encuentran dentro del
rango de +5º a +15º de ángulo.
Se decide realizar ensayos con flaps para la envergadura y cuerda ya definidas
y con la variante de cuatro ángulos. En función del rango de mejores ángulos de flaps,
estimamos realizar los ensayos a:
•
0º
•
+5º
•
+10º
•
+15º
3.5.4 Otras consideraciones
Las siguientes consideraciones hacen referencia a las descritas en los puntos
2.11.2 y 2.11.3. Los extremos de las regiones finales del flap fueron construidos con
una curvatura de radio igual a la longitud de la cuerda. En el diseño de los flaps se
procuró mantener la longitud de cuerda efectiva en toda la extensión del flap.
3.5.5 Resumen de la serie de flaps a ensayar
A continuación se presentan dos tablas 3.2 y 3.3 con las medidas principales de
los flaps de la serie a tamaño natural y a escala.
Dimensiones del los flaps a tamaño natural
Ángulo
Cuerda
Cuerda
Envergadura
(º)
(m)
% Lpp
(m)
1
0
1,32
1,0
7,0
2
5
1,32
1,0
7,0
3
10
1,32
1,0
7,0
4
15
1,32
1,0
7,0
Nº Flap
Tabla 3.2
38
Dimensiones del los flaps a tamaño del modelo
Ángulo
Cuerda
Cuerda
Envergadura
(º)
(mm)
% Lpp
(mm)
1
0
16
1,0
87,5
2
5
16
1,0
87,5
3
10
16
1,0
87,5
4
15
16
1,0
87,5
Nº Flap
Tabla 3.3
3.5.6 Construcción de los flaps de popa
Para la construcción de los flaps fueron utilizadas las recomendaciones de la
ITTC para apéndices, punto 2.1.3, incluida dentro del documento 7.5-01-01-01, “Model
Manufacture”. Las recomendaciones fueron:
•
Las tolerancia de construcción sugerida por la ITTC y utilizadas es de ± 0,2 mm
•
El acabado superficial es el mismo que se le dio al casco del modelo, lija seca y
húmeda Nº 400
•
El margen de error para la localización del apéndice es de ± 0,5 mm
Para ensamblar los flaps al casco se utilizaron dos pernos. Este sistema de
ensamblaje fue diseñado a una distancia considerable sobre la línea de flotación, a fin
de evitar influencia sobre el fluido o el tren olas.
A continuación las figuras muestran los cuatro flaps construidos para los ensayos
de manera independiente y luego cada uno ensamblado al modelo en las vistas de perfil
y transversal de la zona de popa de la nave en estudio.
39
Figura 3.9: Flap Nº 1, 0º de inclinación
Figura 3.10: Flap Nº 2, 5º de inclinación
Figura 3.11: Flap Nº 3, 10º de inclinación
Figura 3.12: Flap Nº 4, 15º de inclinación
40
Figura 3.13: vista de popa del flap Nº 1
Figura 3.14: vista de popa del flap Nº 2
Figura 3.15: vista de popa del flap Nº 3
Figura 3.16: vista de popa del flap Nº 4
41
Figura 3.17: vista de perfil del flap Nº 1
Figura 3.18: vista de perfil del flap Nº 2
Figura 3.19: vista de perfil del flap Nº 3
Figura 3.20: vista de perfil del flap Nº 4
42
3.6 Extrapolación de resultados
3.6.1 Resistencia del prototipo en condición de casco desnudo, Rpc
El ensayo fue realizado bajo la “Ley de Similitud de Froude”. Para los ensayos y
la extrapolación de resultados se tuvieron las siguientes consideraciones y secuencias
de pasos:
1.- El modelo fue remolcado a la velocidad Vm = Vp/√λ, obteniendo de esta
manera la resistencia total del modelo, RTm
2.- La resistencia por fricción del modelo, Rfm, fue calculado utilizando el
coeficiente de fricción según Hughes o ITTC-78:
Cfm = 0,066 / (log10Rn – 2,03)2
3.- La resistencia residual del modelo es:
Rrm = RTm - Rfm
4.- La resistencia residual del prototipo es:
Rrp = Rrm * λ3 * (ρp/ρm)
5.- La resistencia por fricción del prototipo, Rfp, se calculó de la misma fórmula
del punto 2, pero considerando una corrección en el coeficiente de fricción del
modelo por efecto de rugosidad y curvatura según ATTC de 4*10-4
6.- La resistencia total del prototipo para las condiciones de casco desnudo es:
Rpc = Rrp + Rfp
43
3.6.2 Resistencia del prototipo en condición de viaje de pruebas, Rpp
Para estimar la resistencia en condiciones de viaje de pruebas se estimó la
resistencia por apéndices y la por aire, para luego ser sumada a la resistencia a casco
desnudo.
Rpp = Rpc + Rap + Ra
A continuación se detalla la estimación de la resistencia por apéndices y la de
aire.
3.6.2.1 Resistencia por apéndice, Rap
La resistencia por apéndices se estimó como porcentaje de la de casco desnudo.
Para barcos de una hélice, esta resistencia está en el orden del 5 a 7% de la resistencia
del casco desnudo, y puede alcanzar hasta un 10% aproximadamente en buques de
dos o más hélices.
Debido a que no existe la información de las medidas de los apéndices, no se
hizo el cálculo de la resistencia de estos por separados.
Para efecto del estudio se estimó una resistencia por apéndice del 7% de la
resistencia del casco desnudo.
3.6.2.2 Resistencia por aire, Ra
La resistencia por aire suele variar entre el 2 y 4% de la resistencia total del
casco desnudo. La Ra se determinó usando la recomendación de Baker en que:
Ra = CA x 1/2 x ρA x Vb2 x A
Donde:
ρA
= densidad del aire, 0,125 Kg s2/m4
A
= 0,3 A1 + A2
A1
= área proyectada frontal del casco expuesta al aire
A2
= área proyectada frontal de la superestructura expuesta al aire
Vb
= velocidad del buque
CA
= coeficiente de resistencia al aire, 1,25
44
Debido a que no tenemos los valores de A1 y A2, el valor de A lo estimaremos
según Taylor:
A
= ½ x B2
Donde:
B
= manga del barco, 14,7 m
Por lo que se obtiene:
A
= 108 m2
45
CAPÍTULO IV
RESULTADOS Y ANÁLISIS DEL ENSAYO EXPERIMENTAL
4.1 Objetivos
Por medio de este análisis experimental de resistencia al avance, se busca
obtener dos grupos de resultados sobre la influencia hidrodinámica, causada por una
serie de flaps de popa en una embarcación de superficie. Cada grupo de resultado
cumplirá con un objetivo respectivamente.
El primer grupo de valores se obtendrá de los ensayos de resistencia al avance
del modelo a casco desnudo y con la serie de flaps, pero sin la presencia de
estimuladores de turbulencia. El objetivo de esto es realizar un estudio de correlación
de un CFD con los resultados obtenidos del modelo, se hará una modelación virtual del
ensayo en canal de pruebas. Como se explicó en la introducción, la modelación y el
estudio de correlación no están dentro del marco de esta tesis, sino es parte de otra que
se ejecuta de manera paralela y en conjunto.
El segundo grupo de resultados se obtiene, al igual que el primer grupo, de los
ensayos de resistencia del avance del modelo a casco desnudo y con la serie de flaps,
pero esta vez con la presencia de estimuladores de turbulencia. El objetivo de esto es
poder realizar la extrapolación a la escala del prototipo y tener valores de las curvas de
absorción de potencia. Con esta información se podrá llevar a cabo el análisis
cuantitativo y cualitativo de la influencia hidrodinámica de la serie de flaps de popa
sobre la embarcación a prueba. Estos resultados extrapolados a la escala natural,
también serán comparados con los valores obtenidos de una modelación de tamaño
natural de la embarcación en un CFD.
4.2 Generalidades
Como se dijo anteriormente, el ensayo será fragmentado en dos etapas. En la
etapa Nº 1 se realizaron los ensayos del primer grupo de valores, donde el modelo está
sin la presencia de estimuladores de turbulencia. La etapa Nº 2 abarca los ensayos
para obtener el segundo grupo de datos y, a diferencia de la etapa Nº 1, con la
presencia de estimuladores de turbulencia en el modelo.
El rango de velocidades estudiadas fue de 14 y 30 nudos. Para conformar las
curvas de resistencia en este rango de velocidades, se realizaron ensayos cada dos
nudos. En total por curva se ensayaron nueve puntos o velocidades. En la tabla que se
46
presenta a continuación, se indican las velocidades ensayadas en el modelo y su
velocidad correspondiente a prototipo.
Número
Velocidad
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Velocidad Prototipo
(Nudos)
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Velocidad Modelo
(m/s)
0,805
0,920
1,035
1,150
1,265
1,380
1,495
1,610
1,725
Tabla 4.1: velocidades ensayadas
Para cada etapa, primero se llevó a cabo el ensayo con el modelo sin flaps y
luego con cada uno de los cuatro flaps de la serie. Sumando entre la etapa Nº 1 y Nº 2
el total 10 condiciones y 90 ensayos o remolques del modelo.
Notar que las velocidades ensayadas no son exactamente iguales a las
mostradas en la tabla anterior, esto ocurre porque en los ensayos es difícil precisar
exactamente las velocidades, sin embargo esto no afecta los resultados.
El modelo fue ensayado a un único calado y parejo: 57,5 mm (4,6 m dimensión
prototipo).
Para todos los ensayos el punto de remolque fue ubicado en el LCF del calado
de ensayo del modelo.
En los ensayos no se realizaron mediciones de trimado. Se decidió omitir esta
variable porque el cambio de trimado por efecto de un flap sobre las embarcaciones de
desplazamiento es poco relevante.
El fluido del canal de pruebas, con el que se llevo a cabo los ensayos,
corresponde a agua dulce.
47
4.3 Resultados de la etapa Nº 1 de los ensayos
Las condiciones ensayadas dentro de esta etapa se resumen en la tabla 4.2.
Los valores de temperatura tabulados hacen referencia al agua dulce del canal pruebas,
durante los tiempos de ensayos en las distintas condiciones estudiadas.
Nº Condición
Flaps
T ºC
1
S/F
11
2
0º
11
3
5º
13
4
10º
13
5
15º
13
Tabla 4.2: Condiciones de ensayo etapa Nº 1
4.3.1 Resultados tabulados
A continuación, se presentan las tablas con los resultados de los ensayos de
canal de la etapa Nº 1.
Número
Velocidad
Resistencia
Velocidad
(m/s)
(gr)
1
0,797
54,2
2
0,889
64,4
3
0,989
83,4
*4
1,137
111,4
5
1,248
146,2
6
1,369
173,1
7
1,497
218,1
8
1,602
271,2
9
1,732
350,1
Tabla 4.3: Resultados condición Nº 1, casco desnudo
(*) Este punto fue descartado para trazar la curva, debido a que este no seguía la
tendencia de ésta.
48
Número
Velocidad
Resistencia
Velocidad
(m/s)
(gr)
1
0,786
56,1
2
0,885
66,9
3
0,996
84,7
4
1,143
118,1
5
1,276
147,4
6
1,389
177,2
7
1,492
212,3
8
1,613
274,3
9
1,734
346,8
Tabla 4.4: Resultados condición Nº 2, αF: 0º
Número
Velocidad
Resistencia
Velocidad
(m/s)
(gr)
1
0,788
58,0
2
0,883
66,0
3
0,996
83,9
4
1,152
118,6
5
1,269
146,0
6
1,402
178,3
7
1,495
216,2
8
1,612
270,2
9
1,737
345,7
Tabla 4.5: Resultados condición Nº 3, αF: 5º
49
Número
Velocidad
Resistencia
Velocidad
(m/s)
(gr)
1
0,796
59,5
2
0,903
71,0
3
1,000
84,9
4
1,157
121,6
5
1,278
148,2
6
1,413
180,8
7
1,499
213,4
8
1,611
271,5
9
1,730
336,7
Tabla 4.6: Resultados condición Nº 4, αF: 10º
Número
Velocidad
Resistencia
Velocidad
(m/s)
(gr)
1
0,798
60,0
2
0,885
68,3
3
1,000
87,0
4
1,163
126,1
5
1,272
148,8
6
1,398
177,8
7
1,494
212,5
8
1,609
268,1
9
1,733
348,4
Tabla 4.7: Resultados condición Nº 5, αF: 15º
50
Dentro del tipo de estudio en que nos encontramos, descartar un punto de la
curva por no seguir una tendencia o escapar de esta no es la solución más adecuada.
Esto porque queda la incertidumbre de que ocurrió realmente con el dato: el valor fue
mal tomado, hay una inflexión en la curva en el rango del valor, los puntos próximos a la
curva fueron mal tomados, etc. Por lo que queda una duda de que realmente ocurrió
con aquel dato.
Frente a este problema, lo más idóneo habría sido repetir el ensayo y corroborar
el valor obtenido y, para posteriormente, salir de la incertidumbre. La numerosa
cantidad de ensayos, 90 pasadas de remolque del modelo en canal, y el largo periodo
de tiempo que se usó para realizar los ensayos, cinco días completos de pruebas
aproximadamente, dieron la razón de no haber hecho nuevamente las pasadas de
revisión de aquellos puntos o datos en cuestionamiento.
4.3.2 Gráfico de los resultados
Los siguientes gráficos presentan las curvas de velocidad versus resistencia al
avance del modelo a casco desnudo.
350
Velocidad-Resistencia, Sin Flap
Sin Fla p
Pto. Des carta do
Resistencia al Avance (gr)
300
250
200
150
100
50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
Velocidad de Remolque(m/s)
Gráfico 4.1: Resultados condición Nº 1, casco desnudo
51
350
Velocidad-Resistencia, αF: 0º
Fl a p 0º
Resistencia al Avance (gr)
300
250
200
150
100
50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
Velocidad de Remolque(m/s)
Gráfico 4.2: Resultados condición Nº 2, αF: 0º
Velocidad-Resistencia, αF: 5º
350
Fl a p 5º
Resistencia al Avance (gr)
300
250
200
150
100
50
0,75
1,00
1,25
1,50
Velocidad de Remolque(m/s)
Gráfico 4.3: Resultados condición Nº 3, αF: 5º
1,75
52
350
Velocidad-Resistencia, αF: 10º
Fl ap 10º
Resistencia al Avance (gr)
300
250
200
150
100
50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
Velocidad de Remolque(m/s)
Gráfico 4.4: Resultados condición Nº 4, αF: 10º
350
Velocidad-Resistencia, αF: 15º
Fl a p 15º
Resistencia al Avance (gr)
300
250
200
150
100
50
0,75
1,00
1,25
1,50
Velocidad de Remolque(m/s)
Gráfico 4.5: Resultados condición Nº 5, αF: 15º
1,75
53
4.3.3 Tabla de los resultados
La tabla 4.9 presenta un resumen de los resultados obtenidos de la etapa Nº 1
del ensayo.
En este resumen de datos se expresa la resistencia del modelo a la
velocidad del modelo en metros por segundos correspondiente a la velocidad en nudos
de la escala natural.
Es importante recordar, que estos ensayos no fueron todos realizados a la misma
temperatura, por lo que no es una fuente de comparación directa de las distintas
condiciones ensayadas
Vel.
Prototipo
(Kn)
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Vel.
Sin Flap
Flap 0º
Flap 5º
Flap 10º
Modelo
Resist.
Resist.
Resist.
Resist.
(m/s)
(gr)
(gr)
(gr)
(gr)
0,805
55,1
58,0
59,3
60,4
0,863
61,1
64,1
64,0
66,4
0,920
69,1
71,6
70,5
73,1
0,978
80,7
81,2
80,2
81,2
1,035
94,5
92,9
92,1
91,6
1,093
108,9
106,2
104,8
105,0
1,150
123,3
119,7
118,1
119,9
1,208
137,0
132,3
131,7
133,1
1,265
149,9
144,9
145,1
145,4
1,323
162,2
158,8
158,1
157,9
1,380
176,0
174,5
172,0
171,7
1,438
193,7
192,4
190,4
188,6
1,495
217,2
213,5
216,2
211,6
1,553
244,8
240,0
242,4
239,7
1,610
275,7
272,5
269,2
270,9
1,668
309,7
306,9
300,7
302,5
1,725
345,7
341,4
337,6
334,0
Tabla 4.8: Resumen de los resultados etapa Nº 1
Flap 15
Resis.
(gr)
60,6
65,9
72,7
82,4
94,9
109,0
123,1
135,6
147,4
159,4
173,0
190,1
212,9
239,1
268,7
303,4
342,7
4.4 Resultados de la etapa Nº 2 de los ensayos
Las condiciones ensayadas dentro de esta etapa, todas con estimuladores de
turbulencia, y, por lo tanto, bajo régimen de flujo turbulento, fueron:
Nº Condición
Flaps
T ºC
6
S/F
13
7
0º
13
8
5º
13
9
10º
13
10
15º
13
Tabla 4.9: Condiciones de ensayo etapa Nº 2
54
La temperatura tabulada en la tabla 4.9 corresponde a la del agua del canal
pruebas durante los ensayos.
4.4.1 Resultados tabulados
A continuación se presentan los resultados de los ensayos de canal del modelo a
casco desnudo de las cinco condiciones de estudio de la presenta etapa Nº 2
Número
Velocidad
Resistencia
Velocidad
(m/s)
(gr)
1
0,801
47,5
2
0,895
59,4
3
1,008
80,5
4
1,154
114,3
5
1,275
143,7
6
1,415
181,7
7
1,506
220,7
8
1,609
274,6
9
1,733
354,3
Tabla 4.10: Resultados condición Nº 6, casco desnudo
Número
Velocidad
Resistencia
Velocidad
(m/s)
(gr)
1
0,813
50,4
2
0,897
56,8
3
1,007
77,1
4
1,161
112,3
5
1,276
140,6
6
1,394
173,2
7
1,502
215,8
8
1,609
270,7
9
1,743
355,8
Tabla 4.11: Resultados condición Nº 7, αF: 0º
55
Número
Velocidad
Resistencia
Velocidad
(m/s)
(gr)
1
0,811
46,6
2
0,901
55,8
3
1,018
73,9
4
1,182
115,8
5
1,292
141,9
6
1,392
167,1
7
1,514
214,9
8
1,611
265,4
9
1,749
348,4
Tabla 4.12: Resultados condición Nº 8, αF: 5º
Número
Velocidad
Resistencia
Velocidad
(m/s)
(gr)
1
0,812
50,7
2
0,894
59,3
3
1,014
78,9
4
1,165
118,2
5
1,276
141,9
6
1,382
167,4
7
1,495
213,4
8
1,602
264,1
9
1,725
337,3
Tabla 4.13: Resultados condición Nº 9, αF: 10º
56
Número
Velocidad
Resistencia
Velocidad
(m/s)
(gr)
1
0,810
48,8
2
0,901
61,4
3
1,010
80,3
4
1,162
119,0
5
1,249
135,9
6
1,380
168,6
7
1,495
209,5
8
1,581
250,6
9
1,725
333,5
Tabla 4.14: Resultados condición Nº 10, αF: 15º
4.4.2 Curvas de potencia efectiva en condición de viajes de pruebas
Los siguientes diagramas presentan las curvas de potencia efectiva, EHP,
en condición de viajes de prueba. Las extrapolaciones fueron realizadas con las
consideraciones del punto 3.6 del presente documento. Los gráficos son presentados
en unidades de nudos por HP. Las curvas grafican los resultados del modelo con cada
uno de los flaps de la serie y, además, se presenta trazada la curva de la nave sin flaps,
todo esto para poder observar las diferencias el modelo con y sin flaps.
57
Velocidad vs Potencia Efectiva, αF: 0º
35000
Flap 0º
Sin Flap
30000
25000
EHP (HP)
20000
15000
10000
5000
0
12
14
16
18
20
22
Velocidad (Kn)
Gráfico 4.6
24
26
28
30
32
58
Velocidad vs Potencia Efectiva, 5º
35000
Flap 5º
Sin Flap
30000
25000
EHP (HP)
20000
15000
10000
5000
0
12
14
16
18
20
22
Velocidad (Kn)
Gráfico 4.7
24
26
28
30
32
59
Velocidad vs Potencia Efectiva, 10º
35000
Flap 10º
Sin FLap
30000
25000
EHP (HP)
20000
15000
10000
5000
0
12
14
16
18
20
22
Velocidad (Kn)
Gráfico 4.8
24
26
28
30
32
60
Velocidad vs Potencia Efectiva 15º
35000
Flap 15º
Sin Flap
30000
25000
EHP (HP)
20000
15000
10000
5000
0
12
14
16
18
20
22
Velocidad (Kn)
Gráfico 4.9
24
26
28
30
32
61
4.4.3 Resultados tabulados de la extrapolación
Para realizar una comparación y evaluación de la influencia de la serie de flaps
se elaboraron las tablas 4.15 y 4.16, las que se presentan a continuación, y que
muestran los EHP en función de la velocidad en condición de viaje de pruebas y de
canal de pruebas, respectivamente. También se presenta la tabla 4.17, donde se
presentan los resultados en función de las variaciones de la velocidad provocada por
los flaps.
Si bien la influencia en condición de viaje de pruebas (también conocida como
sea trials) es la más relevante en el momento de realizar estudios de resistencia a la
nave, debido a que en ésta es donde se prueban la velocidad alcanzable por la nave en
la vida real, para efecto del presente estudio, también se decide adjuntar la tabulación
de los resultados para la condición de canal de pruebas para tener mayor información.
A diferencia de la condición de viaje de pruebas,
la condición de canal de
pruebas no tiene sumada la resistencia por aire y apéndices. Estas dos resistencias son
estimadas, por lo que puede variar según criterios y prestarse para diferencias.
62
4.4.3.1
EHP versus velocidad, condición de viaje de pruebas
S.F.
Vel. EHP
(Kn) (HP)
14
1365
15
1684
16
2128
17
2782
18
3603
19
4540
20
5560
21
6640
22
7772
23
9009
24 10451
25 12361
26 14967
27 18052
28 21552
29 25782
30 30730
0º
EHP
(HP)
1353
1605
1988
2587
3350
4228
5210
6298
7488
8831
10395
12343
14789
17698
21139
25294
30128
5º
%
(+,-)
-0,9
-4,7
-6,6
-7,0
-7,0
-6,9
-6,3
-5,2
-3,7
-2,0
-0,5
-0,1
-1,2
-2,0
-1,9
-1,9
-2,0
EHP
(HP)
1253
1488
1817
2321
3031
3967
5060
6182
7289
8477
9859
11674
14144
17145
20581
24679
29411
%
(+,-)
-8,2
-11,6
-14,6
-16,6
-15,9
-12,6
-9,0
-6,9
-6,2
-5,9
-5,7
-5,6
-5,5
-5,0
-4,5
-4,3
-4,3
10º
EHP
(HP)
1473
1752
2122
2650
3398
4403
5539
6612
7638
8785
10202
12172
14800
17637
20737
24468
28815
%
(+,-)
7,9
4,0
-0,3
-4,7
-5,7
-3,0
-0,4
-0,4
-1,7
-2,5
-2,4
-1,5
-1,1
-2,3
-3,8
-5,1
-6,2
15º
EHP
%
(HP) (+,-)
-5 -0,4
55 3,3
49 2,3
-46 -1,7
-106 -2,9
-32 -0,7
77 1,4
64 1,0
-30 -0,4
-101 -1,1
-145 -1,4
-260 -2,1
-551 -3,7
-781 -4,3
-896 -4,2
-1356 -5,3
-2302 -7,5
Tabla 4 .15: EHP en condición de viaje de pruebas
S.F.
= sin flaps
EHP = potencia efectiva, en HP
Vel.
= velocidad en nudos
(-)
= decrecimiento de la potencia
(+)
= incremento de la potencia
63
4.4.3.2 EHP versus velocidad, condición de canal de pruebas
S.F.
Vel. EHP
(Kn) (HP)
14
1244
15
1535
16
1943
17
2545
18
3300
19
4168
20
5112
21
6102
22
7144
23
8280
24
9611
25 11379
26 13791
27 16647
28 19895
29 23822
30 28414
0º
EHP
(HP)
1233
1461
1812
2363
3064
3877
4785
5782
6879
8113
9558
11359
13623
16318
19509
23365
27853
5º
%
(+,-)
-0,9
-4,8
-6,7
-7,2
-7,2
-7,0
-6,4
-5,2
-3,7
-2,0
-0,6
-0,2
-1,2
-2,0
-1,9
-1,9
-2,0
EHP
(HP)
1139
1352
1652
2114
2767
3635
4645
5674
6693
7784
9057
10735
13021
15798
18987
22791
27182
%
(+,-)
-8,4
-11,9
-15,0
-16,9
-16,2
-12,8
-9,1
-7,0
-6,3
-6,0
-5,8
-5,7
-5,6
-5,1
-4,6
-4,3
-4,3
10º
EHP
%
(HP) (+,-)
1342 7,9
1598 4,1
1936 -0,4
2420 -4,9
3110 -5,8
4044 -3,0
5093 -0,4
6075 -0,4
7018 -1,8
8071 -2,5
9378 -2,4
11202 -1,6
13633 -1,1
16260 -2,3
19134 -3,8
22595 -5,2
26626 -6,3
15º
EHP
%
(HP) (+,-)
1239 -0,4
1590 3,6
1988 2,3
2501 -1,7
3203 -2,9
4141 -0,6
5184 1,4
6160 1,0
7115 -0,4
8186 -1,1
9476 -1,4
11134 -2,2
13275 -3,7
15918 -4,4
19058 -4,2
22554 -5,3
26265 -7,6
Tabla 4 .16: EHP en condición de canal de pruebas
S.F.
= sin flaps
EHP = potencia efectiva, en HP
Vel.
= velocidad en nudos
(-)
= decrecimiento de la potencia
(+)
= incremento de la potencia
64
4.4.3.3 Variación de la velocidad, condición de viaje pruebas
Fn
0,20
0,21
0,23
0,24
0,25
0,27
0,28
0,30
0,31
0,32
0,34
0,35
0,37
0,38
0,39
0,41
0,42
S.F.
Vel.
EHP
(Kn)
(HP)
14,0
497
15,0
650
16,0
659
17,0
684
18,0
636
19,0
533
20,0
443
21,0
451
22,0
420
23,0
408
24,0
363
25,0
308
26,0
287
27,0
279
28,0
254
29,0
243
30,0
267
0º
Vel.
(Kn)
14,1
15,3
16,3
17,3
18,3
19,3
20,3
21,3
22,2
23,1
24,0
25,0
26,1
27,1
28,1
29,1
30,1
5º
%
0,4
1,7
1,7
1,6
1,7
1,7
1,7
1,4
1,0
0,5
0,1
0,0
0,3
0,4
0,4
0,4
0,4
Vel.
(Kn)
14,5
15,7
16,7
17,7
18,6
19,5
20,4
21,5
22,4
23,4
24,4
25,3
26,3
27,3
28,3
29,2
30,3
10º
%
3,6
4,3
4,1
4,0
3,5
2,8
2,2
2,1
1,9
1,8
1,5
1,2
1,1
1,0
0,9
0,8
0,9
Vel.
(Kn)
13,6
14,8
16,0
17,2
18,2
19,1
20,0
21,0
22,1
23,2
24,1
25,1
26,1
27,1
28,2
29,3
30,4
15º
%
-2,9
-1,5
0,1
1,2
1,2
0,6
0,1
0,1
0,6
0,8
0,6
0,3
0,2
0,5
0,8
1,1
1,4
Vel.
(Kn)
14,0
14,9
15,9
17,1
18,1
19,0
19,9
20,9
22,0
23,1
24,1
25,1
26,2
27,2
28,2
29,3
30,6
%
0,1
-0,9
-0,6
0,4
0,7
0,2
-0,3
-0,3
0,1
0,3
0,4
0,5
0,8
0,9
0,9
1,2
1,9
Tabla 4 .17: variación de la velocidad en condición de viaje de pruebas
Los valores de velocidades mostrados en la tabla, son a igual potencia efectiva
del casco sin flap (ver columna referencia EHP).
S.F.
= sin flaps
EHP = potencia efectiva, en HP
Vel.
= velocidad en nudos
(-)
= decrecimiento de la velocidad
(+)
= incremento de la velocidad
65
4.5 Análisis de los resultados
En el presente punto se analizan los resultados obtenidos de la extrapolación de
los datos perteneciente a la etapa Nº 2 del ensayo experimental. Las observaciones se
basan en la influencia de la serie de flaps sobre la unidad de desplazamiento.
4.5.1. Análisis del flap 0º
El experimento mostró que el flap de 0º decrece la potencia efectiva a lo largo de
todo el rango de las velocidades estudiadas. Del flap de 0º se pueden hacer las
siguientes observaciones:
•
Dentro de las velocidades estudiadas, este flap presenta los mayores beneficios
en el rango de bajas velocidades, específicamente entre los 16 y 21 nudos,
donde se supera el 5% de reducción de los EHP en viaje de pruebas. Luego de
la velocidad de 21 nudos el porcentaje de reducción de EHP decrece
paulatinamente y hasta no superar más del 2%, ver tablas 4.15 y 4.16
•
Los 17 y 18 nudos de velocidad presentan un decrecimiento de 7% de los EHP
en condición de viaje de pruebas, el cual es el porcentaje más favorable dentro
de las velocidades estudiadas
•
Los mejores valores sobre la velocidad, lo presentan en el rango de los 15 y 21
nudos, donde hay un incremento de 0,3 nudos para todas las velocidades, ver
tabla 4.17
•
Los valores positivos sobre la velocidad en el rango de 24 y 30 nudos que
registra el flap sobre la nave, se pueden considerar como despreciables, ya que
no registran un incremento más del 1% de la velocidad en la condición de viaje
de pruebas. Por lo tanto, podemos concluir que el flap no tiene influencia sobre la
resistencia a la propulsión de la nave en el rango de 24 y 30 nudos
66
4.5.2 Análisis del flap 5º
El flap de 5º, al igual que el de 0º, disminuye la potencia a lo largo de todo el
rango de velocidades estudiado, pero presenta porcentajes mayores de beneficio.
Observaciones:
•
Entre los 15 y 19 nudos se disminuye los EHP por sobre el 10% en condición de
viaje de pruebas
•
El flap presenta su máximo beneficio a los 17 nudos, con el decrecimiento de
16,6% de los EHP en condición de viaje de pruebas. En las velocidades
posteriores comienzan a decrecer los porcentajes hasta el orden del 4% a los 29
y 30 nudos
•
Con respecto al aumento de la velocidad, entre los 14 y 19 nudos se mantiene un
incremento por sobre los 0,5 nudos, y llegando hasta los 0,7 nudos en los 15, 16
y 17 nudos, todo esto en la condición de viajes de pruebas
4.5.3 Análisis del flap 10º
El flap comienza a presentar valores positivos a la velocidad de 16 nudos del
rango ensayado. Bajo esta velocidad tiene un efecto de penalización sobre la
resistencia.
Desde la velocidad de 16 nudos y hasta la cercana de los 25 nudos, este flap
tiene un comportamiento irregular que varía de manera considerable en los porcentajes
de disminución de la resistencia, llegando alcanzar una reducción de 5,8% de los EHP a
los 18 nudos, donde luego comienza a bajar para llegar a tan sólo 0,4% de beneficio en
las velocidades de 20 y 21 nudos. Posteriormente, vuelve a subir los porcentajes de
disminución de los EHP hasta los 2,5% para los 23 nudos, y nuevamente caer hasta
llegar al 1,1% a los 26 nudos.
Del flap de 10º se pueden hacer las siguientes observaciones:
•
Tiene un efecto de incremento de los EHP en las velocidades 14 y 15 nudos, en
condición de servicio, de 7,5 y 3,9 %, respectivamente
67
•
El flap a partir de los 26 nudos comienza a tener porcentajes de disminución
considerable en la potencia y llega alcanzar su máximo beneficio a la velocidad
de 30 nudos, donde se disminuye en 6,2% los EHP en condición de viaje de
pruebas
•
El mayor incremento de velocidad es en los 30 nudos, el cual es de 0,4 nudos
4.5.4 Análisis del flap 15º
Este flap a las bajas velocidades del rango ensayado, entre las de 14 y 21 nudos,
presenta un comportamiento donde se dan valores tanto con efectos positivos como
negativos. Los porcentajes de diferencia que se dan con respecto a la nave sin flap, en
estas velocidades, no superan el 1%. Estos porcentajes son bajos y se pueden
considerar como despreciables y concluir que el flap de 15º no tiene influencia en la
nave entre las velocidades de 14 y 21 nudos.
El flap comienza a tener incidencia y presentar resultados positivos sobre la nave
de manera clara y creciente a partir desde los 22 nudos de velocidad. Del flap de 15º se
puede hacerse las siguientes observaciones:
•
La mayar reducción de potencia en la condición de servicio ocurre a los 30
nudos, disminuyendo 7,5% los EHP
•
Para la velocidad de los 30 nudos, se puede llegar a un incremento 0,6 nudos.
4.6.- Recomendaciones para futuros estudios
A continuación se presentan cinco puntos con recomendaciones a considerar
para futuros estudios.
1.- Para obtener curvas de absorción de potencia más precisas, se sugiere realizar los
ensayos con una mayor cantidad de velocidades de remolque. Considerando que en el
rango de velocidades estudiado se hicieron ensayos de remolque con intervalos de dos
nudos, se recomendaría hacer ensayos con intervalos de un nudo, para obtener una
mayor precisión.
68
2.- Frente al problema suscitado en el punto 4.3 (resultados etapa Nº 1), donde se
descarta un punto para trazar la curva debido a que no seguía la tendencia de ésta, se
reitera la recomendación de repetir el muestreo a la velocidad correspondiente y
corroborar la información arrojada por el canal
3.- Con respecto a las características geométricas de los flaps estudiado, se propone
realizar ensayos con ángulos intermedios dentro del rango estudiado. Si se desea
buscar mejoras para bajas velocidades, y teniendo presento los resultados beneficiosos
del flap de 5º, los ángulos estudiados podrían ser: 2,5 y 7,5º. En cambio, si se está
interesado por buscar mejoras a altas velocidades se recomienda estudiar los ángulo de
12,5 y 17,5º
4.- Para tener más antecedentes e información sobre la influencia de los flaps en la
nave estudiada, su sugiere hacer ensayos con flaps que varíen en el parámetro de la
cuerda.
5.- Haciendo mención a lo descrito en el punto 2.9, sobre los problemas de las escalas
de los modelos y los fenómenos viscosos en los canales pruebas, se sugeriría ensayos
con modelos de mayor envergadura
6.- La eficiencia de los flaps en condición de servicio (presencia de mar irregular y
oscilaciones de la nave) es un aspecto que deber estudiado con detalle. Las
investigaciones anteriores han indicado que la eficiencia de los flaps no se ve afectada
en condición de servicio.
Los movimientos de Heave y Pitch disminuyen con la presencia de flaps, debido
al momento que se genera y que aumenta el calado de la proa. Recordemos que este
efecto ocurre sólo en naves de planeo y rápidas, y no en naves de desplazamiento,
como lo es la nave del presente estudio).
7.- La influencia que podría tener la hélice en la eficiencia de los flaps estudiado debe
ser chequeada, a pesar que los estudios realizados en el tema no registran efectos
perjudiciales. Como se comentó en el punto 2.5, se han registrado mejoras en el
rendimiento propulsivo, aportando a la eficiencia hidrodinámica de la hélice.
69
CONCLUSIÓN
En el ensayo de resistencia al avance, realizado en el Canal de Pruebas de la
Universidad Austral de Chile, se evaluó el efecto hidrodinámico de cuatro flaps sobre un
casco de desplazamiento de forma moderna, en un rango de velocidades de 14 a 30
nudos. La serie de flaps fue ensayada con y sin estimuladores de turbulencia en el
modelo. Las características geométricas de los flaps fueron definidas siguiendo las
recomendaciones existentes de los estudios ya realizados sobre el tema.
Los ensayos mostraron resultados potencialmente beneficiosos, los cuales deben
ser eventualmente comparados con ensayos en canales virtuales (CFD) e idealmente
ratificados con pruebas a escala real.
Observaciones generales
Con respecto a la serie de flaps y el rango de velocidades estudiado se hacen las
siguientes observaciones:
•
El flap de 5º es el que presenta mayores beneficios entre los 14 y 28 nudos
•
El flap de 15º es el que presenta mayores beneficios entre las velocidades de 29
y 30 nudos
•
El fenómeno de penalización en las bajas velocidades que tienen los flaps de 10
y 15º no es de sorprender, ya que como se dijo, los flaps de grandes ángulo
sufren este tipo de inconveniente. Pero en recompensa tienen mayores
beneficios a las velocidades altas como lo demuestra el flap de 15º en las
velocidades de 29 y 30 nudos
70
ANEXO I
BASE DE DATOS DE FLAPS ENSAYADOS
EN MODELOS DE EMBACACIONES MILITARES
Este anexo contiene una base de datos sobre ensayos en modelos de
embarcaciones militares de la Armada de los Estados Unidos. Estos ensayos han sido
realizados en el David Taylor Model Basin, canal de pruebas de dicha institución.
A continuación se presentan dos tablas con el resumen de los datos obtenidos a
partir de estos ensayos.
Tabla 1: Características de los flaps ensayados
Tabla 2: Resumen del rendimiento de los flaps probados
71
Tabla 1: Características de los flaps ensayados
Ángulo de
Eslora
Alcance
Criterio
Factor
Cuerda
% de Ángulo de
Inclinación
Clase de Buque
Designación
Total
Transversal
del Perfil
Principal
de
Lpp
Perfil (º)
en la Crujía
(Ft)
(Ft)
(Ft)
de Diseño
Escala
(º)
O.H. Perry
FFG-7
Fragata
408
7,0
20,82
4,50
1,10
-5 a +20
20,0
Energía
Arleigh Burke
DDG-51 Flt II A
Destructor
471
6,0
20,26
3,20
0,68
0 a +20
23,7
Energía
Arleigh Burke
DDG-51 Flt II A
Destructor
471
6,0
20,26
4,70
1,00
0 a +20
23,7
Energía
N/A
Cruiser Variant
Crucero
535
6,0
24,82
2,70
0,50
0 a +20
34,0
Energía
N/A
Cruiser Variant
Crucero
535
6,0
24,82
4,00
0,75
0 a +20
34,0
Energía
N/A
Cruiser Variant
Crucero
535
6,0
24,82
5,30
0,99
0 a +20
34,0
Energía
Ticonderega
CG-47
Crucero
532
6,0
24,82
2,70
0,51
0 a +20
34,0
Energía
Ticonderega
CG-47
Crucero
532
6,0
24,82
4,00
0,75
0 a +20
34,0
Energía
Ticonderega
CG-47
Crucero
532
6,0
24,82
5,30
1,00
0 a +20
34,0
Energía
N/A
CG Heavy Load Crucero
532
6,0
24,82
5,30
1,00
+10
34,0
Energía
Spruance
DD 963
Destructor
532
6,0
24,82
5,30
1,00
+10
34,0
Energía
N/A
Concep Frigate
Fragata
410
N/A
16,42
3,94
0,96
0 a +20
37,4
Mas Velocidad
Arleigh Burke
DDG-51 Flt I/II
Destructor
466
6,0
20,26
2,30
0,50
0 a +20
24,0
Energía
Arleigh Burke
DDG-51 Flt I/II
Destructor
466
6,0
20,26
3,50
0,75
0 a +20
24,0
Energía
Arleigh Burke
DDG-51 Flt I/II
Destructor
466
6,0
20,26
4,70
1,00
0 a +20
24,0
Energía
Arleigh Burke
DDG-51 Flt I/II
Destructor
466
6,0
12,87
4,70
1,00
+10
24,0
Graduación
Arleigh Burke
DDG-51 Flt I/II
Destructor
466
6,0
20,26
4,70
1,00
+10
24,0
Graduación
Arleigh Burke
DDG-51 Flt I/II
Destructor
466
6,0
36,00
4,70
1,00
+10
24,0
Graduación
Ashville
PG-100
Patrullera
154
3,0
8,25
1,50
0,97
0 a +20
17,0
Trimado
Ashville
PG-100
Patrullera
154
3,0
8,25
2,75
1,79
0 a +20
17,0
Trimado
Cyclone
PC-1
Patrullera Costera
160
2,3
6,75
0,80
0,50
0 a +15
18,0
Más Velocidad
Cyclone
PC-1
Patrullera Costera
160
2,3
6,75
1,60
1,00
0 a +15
18,0
Más Velocidad
Cyclone
PC-1
Patrullera Costera
160
2,3
6,75
2,40
1,50
0 a +15
18,0
Más Velocidad
Cyclone (Long.) PC-14
Patrullera Costera
160
2,3
6,75
2,40
1,50
0 a +15
18,0
Más Velocidad
San Antonio
LPD-17
Logístico
656
6,5
22,18
3,28
0,50
+10
N/A
Más Velocidad
Midterm Sealift
MTS Despl. Liv. Logístico
944
0,9
32,00
4,50
0,50
+10
N/A
Más Velocidad
Midterm Sealift
MTS Max. Carga Logístico
944
0,9
32,00
4,50
0,50
+10
N/A
Más Velocidad
N/A
CSP/S 24
Logístico
927
10,9
32,80
4,60
0,50
+12 a +17
N/A
Más Velocidad
*Los flaps de Arleigh Burke Flt I/II 13, 14 y 15 fueron probados por debajo del ángulo de 13º de la cuña existente.
º^Los flaps del Cyclone 21, 22, 23 y 24 fueron probados por debajo del ángulo de 3.3º de la cuña existente.
Tipo
de
Buque
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
72
Tabla 2: Resumen del rendimiento de los flaps probados
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13*
14*
15*
16
17
18
19
20
21^
22^
23^
24^
25
26
27
28
Designación
Cuerda del
Perfil
(Ft)
Mejor
Ángulo de
Flap
(º)
Velocidad Inicial
de Efectividad
EHP
(Kn)
Máxima
Reducción EHP
(%@Kn)
O.H. Perry
Arleigh Burke
Arleigh Burke
N/A
N/A
N/A
Ticonderega
Ticonderega
Ticonderega
N/A
Spruance
N/A
Arleigh Burke
Arleigh Burke
Arleigh Burke
Arleigh Burke
Arleigh Burke
Arleigh Burke
Ashville
Ashville
Cyclone
Cyclone
Cyclone
Cyclone (Long.)
San Antonio
Midterm Sealift
Midterm Sealift
N/A
4,5
3,2
4,7
2,7
4,0
5,3
2,7
4,0
5,3
5,3
5,3
3,9
2,3
3,5
4,7
4,7
4,7
4,7
1,5
2,8
0,8
1,6
2,4
2,4
3,3
4,5
4,5
4,6
+10
+15
+15
+10
+10
+5
+15
+15
+10
+10
+10
+12,5
+13
+13
+13
+10
+10
+10
N/A
+20
+15
+15
+3
+10
+10
+10
+10
+12
15
20
20
<10
10
17
15
16
15
17
16
14
17
16
15
15
17
19
N/A
15
18
<14
<14
14
20
26
20
20
8,2@26
4,3@25
3,8@26
5,6@26
4,1@27
6,3@26
5,9@28
6,9@30
7,1@27
8,1@29
6,7@27
9,2@25
2,4@28
3,3@25
4,8@25
6,0@25
5,8@26
4,8@32
N/A
8,2@20
2,9@30
4,1@19
3,6@20
6,8@32
1,0@23
3,4@33
5,6@36
5,1@35
Velocidad Inicial
Máxima
Máxima
de Efectividad Reducción DHP Incremento en
DHP (Kn)
(%@Kn)
Velocidad (Kn)
16
13
<10
14
17
16
15
13
N/A
<14
16
24
8,4@26
7,2@24
7,7@27
9,4@30
10,6@29
9,0@29
11,4@25
6,3@31
N/A
5,3@20
3,5@22
10,3@35
0,4
0,3
0,4
0,6
0,6
0,5
1,0
0,4
N/A
0,7
0,2
0,4
0,6
0,8
73
ANEXO II
CONSTRUCCIÓN DEL MOLDE Y EL MODELO EN PRFV
1 Fabricación del molde
El esquema de laminado del molde es ligero, lo que permite la obtención de tres
modelos óptimos.
Para la fabricación del molde, se utilizó como matriz el modelo fabricado, al cual
se le trabajó la superficie para lograr un acabado “espejo”, para que quede impreso en
el molde, y posteriormente en todos los modelos obtenidos. La matriz tiene una
superficie de 4,6 m², a la cual se le agregó una superficie de 0,18 m², la que
corresponde a una pestaña en el borde del molde, la que ayudará a darle rigidez y
evitar deformaciones de los futuros modelos.
1.1 Esquema de laminado
Etapa 1
•
Gelcoat
•
Velo superficial de 200 gr/m²
•
Gelcoat
•
Tiempo de curado de 24 horas
Etapa 2
•
Resina P4
•
Mat de 300 gr/m²
•
Resina poliéster
•
Roving de 450 gr/m²
•
Resina poliéster
•
Mat de 300 gr/m²
•
Resina poliéster
•
Mat de 300 gr/m²
•
Resina poliéster
74
En resumen, el esquema de laminado contempla un espesor aproximado de 3 mm,
con las siguientes capas: 2 gelcoat, 1 velo, 3 MAT, 1 Roving, 5 resina P4. Además, el
molde cuenta dos refuerzos longitudinales y tres transversales.
2 Fabricación del modelo
El modelo posee la misma secuencia de laminado que el molde: 2 gelcoat, 1
velo, 3 MAT, 1 Roving, 5 resina P4. Esto equivale a un peso aproximado de 1,8 kg.
El casco fue reforzado con dos longitudinales y tres cuadernas, las cuales se
fabricaron de espuma de PVC y fueron recubiertas con PRFV, por cuanto se logra un
peso total de 2 kg.
La obtención de este modelo requirió un mínimo de cuatro días, para que cumpla
con los tiempos de curado de la resina, tiempo en el cual se pudo desmoldar y estar
listo para el uso.
Imagen de la etapa 1 del esquema de laminado
de la fabricación del molde
75
Imagen del reforzamiento del molde
con refuerzos transversales
76
BIBLIOGRAFÍA
[1] “Combined Wedge-Flap for Improved Ship Pawering”
Karafiath G., Cusanelli D.
US Patent, Marzo 21, 2000.
[2] Tesis: “Análisis Teórico y Experimental de la Eficiencia Hidrodinámica de Flaps de
Popa en Embarcaciones Veloces”
Rosas J., Universidad Austral de Chile, Valdivia 2002.
[3] “Hydrodynamic Efficiency Improvements to the USCG 110 Ft. WPB Island Patrol
Boats”
Karafiath G., Cusanelli D., Jessup S. y Barry C.
[4] “Stern Flap Powering Performance Prediction for the Coast Guard 110-foot WPB
Island Class Patrol Boat”
Cocklin M., Parsons M. y Troesch A., Marine Technology Vol. 37, Nº2 Spring 2000
[5] “Contour Stern Flap”
Cusanelli D., MD (US)
US Patent, Octubre 19, 2002
[6] “Stern Flap Corrective Motion and Fuel Saving Control System for Marine”
Shen Y., Cusanelli D. y Bishop Y.
US Patent, Junio 8, 2004
[7] “Guía del Curso: Resistencia a la Propulsión y Potencia Propulsiva”
Perez N., Instituto de Ciencias Navales y Marítimas, Universidad Austral de Chile
2005, Valdivia
[8] “Ship Design for Efficiency and Economy”
Schneekluth, H. y Bertram, V.
Segunda edición, 1998
[9] “Practical Ship Hydrodinamics”
Bertram, V.
2000
77
[10] “Principles of Naval Architecture”, Volumen II
Lewis, Edward V.,
New Jersey, SNAME, 1988