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UN MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS PARA ANÁLISIS HIDRODINÁMICO DE ESTRUCTURAS NAVALES - PDF
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Magdalena Río Mora
1 UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA UN MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS PARA ANÁLISIS HIDRODINÁMICO DE ESTRUCTURAS NAVALES Autor: Julio García Espinosa Director: Eugenio Oñate Ibáñez de Navarra Codirector: Honorio Sierra Cano
3 Introducción En este capítulo introductorio se presentan las líneas básicas del trabajo que se ha llevado a cabo en esta tesis. Para ello, en primer lugar, se hará un recortado sobre los métodos tradicionales para el diseño de buques. Se describirán sucintamente los procedimientos operativos de ensayo en un canal de experiencias y se discutirán sus problemáticas y limitaciones, así como la l s posibilidades de utilizar metodologías alternativos basadas en herramientas! numéricas. 0.1 El Proyecto del Buque Los detalles del proyecto de un buque o de su contrato de construcción difieren de un buque a otro aunque sean de una misma serie. Sin embargo, dicho contrato de construcción incluye habitualmente los requisitos de peso muerto y velocidad en unas ciertas condiciones de mar. En dichas condir ciones, el buque, avanzando a velocidad uniforme, está sujeto a solicitaciones de varios tipos. La resistencia al avance en la velocidad de servicio determina la potencia de la planta propulsora, y por lo tanto el consumo de combustible:, uno de los factores de influencia determinante en la economía en servicio del buque. La minimization de la resistencia al avance y en consecuencia de la potencia propulsora, así como el asegurar que la planta propulsora sea capaz de entregar una potencia suficiente para cumplir los citados requisitos son, por lo tanto, una de las funciones más importantes de la oficina de proyectos y aspectos de importancia crucial eivel diseño del buque. La resistencia total viene determinada por la acción de las fuerzas hidroj dinámicas que dependen de una serie de contribuciones individuales [Rav96] entre las que se pueden incluir las siguientes: la resistencia del casco desnudo, la resistencia de los apéndices, las pérdidas de la maquinaria y de los ejes, el rendimiento propulsivo, el ensuciamiento del casco y el entorno medioambiental. De las anteriores, la contribución más importante se debe a la resistencia del casco desnudo que depende principalmente de las formas del buque. La optimization de las formas del buque, en el sentido de minimization de la xxi
4 XXil Iiitrixlncc.íñn resistencia al avance, es un problema de gran complejidad, no sólo por las muchas limitaciones prácticas impuestas por las especificaciones del proyecto (dimensiones principales, peso muerto, capacidad de carga, costes de construcción...) y otros requisitos como los criterios de estabilidad, comportamiento en la mar y maiiiobrabilidad, sino también por la dificultad de determinar un coste operacional mínimo, dadas las diferentes condiciones de explotación que se pueden dar. En efecto, la. optimization planteada es difícilmente aplicable en la práctica, debido a la dificultad para, cuantificar el efecto de todos los parámetros involucrados, y cómo no. por la. limitación del tiempo de diseño que impone la, realidad. Por esta razón el problema, se suele abordar de manera simplificada. Las simplificación más usual para abordar el objetivo propuesto es considerar por separado el comportamiento del buque en aguas tranquilas y su respuesta, en olas. La optimization hidrodinámica de las formas del casco para, los buques mercantes típicos se dirige principalmente a la minimización de la potencia requerida en aguas tranquilas, que es en la práctica un límite inferior de la potencia, propulsora, Es habitual suponer que el estado de la mar actúa incrementando la, resistencia al avance. Este procedimiento lleva a un grado de acercamiento suficiente al diseño óptimo en condiciones de operación, y dé paso asegura, que se alcance la, velocidad mínima contractual en aguas tranquilas. 0.2 La Resistencia al Avance del Buque Como se ha señalado en el apartado anterior, la resistencia al avance del buque en aguas tranquilas es un aspecto de vital importancia práctica. Es habitual suponer que esta compuesta por una. serie de contribuciones aditivas, entre las que se pueden nombrar: La resistencia viscosa, asociada con la generación de la capa límite y la. estela [Alá,72]... '. La resistencia por formación de olas, debida, a la generación de las ondas de gravedad en la superficie del mar. La resistencia al avance debida a la fricción del aire con casco y super- 1 estructura, i La resistencia por apéndices, debida, tanto a su propia resistencia. como a su influencia sobre la resistencia de la. carena desnuda. i
5 0.2. La Resistencia al Avance del Buque xxiii Otros tipos de resistencia[lb97] que aparecen en casos especiales como la resistencia debida a la formación de spray, la resistencia por olaa rompientes o la resistencia inducida debida a fenómenos de sustentación dinámica. En la mayoría de los buques mercantes la componente de resistencia viscosa es la más importante. Su variación es aproximadamente cuadrática con la velocidad del buque, y es conocida su gran dependencia con el coeficiente de bloque 1 del buque. Sin embargo, fenómenos locales de separación de flujo, pueden causar incrementos drásticos en la resistencia viscosa. La componente de la resistencia debida a la formación de olas varía en los casos prácticos entre un 10% y un 70% de la resistencia total de un buque en aguas tranquilas[rav96]. Mientras que para velocidades bajas esta resistencia es prácticamente nula, se eleva drásticamente al aumentar la velocidad. Además, igual que ocurre con la componente viscosa, depende de manera importante del coeficiente de bloque. Pero, quizá el aspecto más significativo de esta componente, y el que le confiere mayor importancia es su capacii dad de experimentar importantes variaciones ante relativamente pequeñas modificaciones de las formas del buque.. ' Es evidente que la capacidad de predecir la resistencia total del buque j discriminando la variación de la componente por formación de olas, ante variaciones de las formas, así como la localization de fenómenos de separation de flujo, es un aspecto de gran importancia, a la hora de posibilitar su reducción, en la fase de diseño. Tradicionalmente, el Ingeniero Naval ha mirado los ensayos hidrodinámicos con modelos como el mejor medio para conocer la resistencia al avance. El remolque del modelo a la velocidad a escala produce un mapa de olas que es geométricamente similar al del buque real y permite que la componente de resistencia por formación de olas sea escalada directamente desde la medición en el ensayo de remolque [Pér89]. Respecto al resto de componentes de la resistencia al avance, y en particular la resistencia viscosa, la problemática es mayor pues no existen técnicas directas que permitan el escalado de los resultados experimentales. Por otra parte, la modificación del diseño al objeto de reducir la resistencia al avance requiere de la intuición y experiencia del ingeniero naval, más, que de la ciencia. Esta aproximación puede complementarse con el análisis estadístico de los datos experimentales y el apoyo de teorías muy simples. Los métodos semiempíricos así desarrollados son útiles en la predicción de las características de las formas, pero sólo tienen en cuenta una serie de paráme- 1 Proporción entre el volumen del buque y el del paralepípedo en que se inscribe.
6 XXIV Introducción tros básicos del buque, por lo que su utilidad en el diseño queda, ciertamente restringida [GPVC98]. 0.3 Sobre el Desarrollo de los Métodos CFD Desde un punto de vista matemático, el movimiento de un fluido alrededor de un buque es conocido desde el siglo pasado, aunque las ecuaciones que gobiernan el fenómeno en aquellos casos que tienen un interés práctico no pueden ser abordados de una forma, analítica, Sin embargo, ya a finales del siglo pasado aparecen las primeras referencias sobre el cálculo aproximado de la resistencia, por formación de olas en buques [Mic98]. Pero, aún durante el presente siglo, este problema ha. seguido desafiando a matemáticos e hidrodinámicos. Tradicionalmente. la teoría de formación de olas se ha. basado en dos enfoques: uno basado en la expansión sistemática, considerando pequeña la relación amplitud / longitud de ola [Sto47] y otro basado en la suposición de una. relación profundidad / longitud de ola pequeña. [Bou71] [Ray]. En el presente, gracias al desarrollo de los cálculos fluido dinámicos por ordenador (computational fluid dynamics) en adelante CFD, las ecuaciones que gobiernan el problema pueden resolverse de forma aproximada por algoritmos numéricos proporcionando información sobre los movimientos y la resistencia al avance del buque en las etapas de diseño. Una. revisión de los métodos numéricos en flujos con superficie libre puede encontrarse en [Weh70]. Actualmente, los métodos de elementos de contorno o de singularidades son la base de la, mayoría de los algoritmos numéricos para, la predicción del mapa de olas ideal de buques avanzando con velocidad uniforme. Estos esquemas numéricos pueden clasificarse en dos categorías, dependiendo de la elección de la singularidad utilizada en la superficie libre, base del método. La, primera clase de esquemas usa manantiales de Kelvin como singularidad elemental. La ventaja de estos métodos es que el campo de velocidades generado satisface la condición de superficie libre de Kelvin, eliminando así la integración sobre ella (y su discretización) y que la, condición de radiación se satisface de manera natural. Estos esquemas tienen en contra la imposibili-; dad de incluir efectos no lineales en la formación de las olas. La segunda, clase de esquemas usa fuentes de Rankine, distribuidas sobre la superficie libre, como singularidad elemental. El más conocido de estos esquemas fue presentado originalmente por Dawson [Daw77] y está basado en el método de Hess y Smith [HS64b] [HS64a,] para la resolución del flujo alrededor de un cuerpo sumergido, usando una distribución de fuentes
7 0.4. Los Códigos CFD en el Proyecto del Buque xxv sobre los paneles que discretizan el casco. Este método ha sido y es ampliamente aplicado para la predicción de la resistencia por formación de olas. Códigos comerciales tan conocidos como DAWSON, RAPID [Rav92] [Rav96], SPLASH [Ros95] [TS92] [TSL93a] o SHIPFLOW [LRB+98] pertenecen a esté tipo. Frente a su sencillez y robustez, estos métodos tienen el gran inconveniente de la importante dependencia de la solución de parámetros como el tamaño del dominio y de la discretización. Por otra parte, sus principios básicos se encuentran en la denominada teoría de buques lentos, que restringe su utilización a un rango de números de Fronde (F n ). Una pequeña introducción a la teoría que sustenta estos métodos puede encontrarse en el apéndice A. Por otra parte, una revisión de este tipo de métodos puede encontrarse en [Rav96] y se incluirá una pequeña muestra en el capítulo 2 del presente trabajo. En los últimos años, el gran crecimiento de la capacidad de cálculo juntó con el desarrollo de los modelos numéricos para la solución de las ecuaciones de Euler (^» oo) y Navier-Stokes ha permitido pensar en un enfoque más realista del problema de predicción de la resistencia al avance de buques. Sin embargo, pese a los esfuerzos por desarrollar metodologías en este sentido, la falta de cualidades como la Habilidad y robustez, junto con las limitaciones prácticas que presenta la complejidad de las metodologías, no han permitido la aparición de ningún código comercial capaz de resolver el problema así planteado. Por otra parte, la aparición relativamente reciente de herramientas de diseño basadas en estos métodos, se enfrentan a un importante desafío. La información a disposición de los proyectistas gracias a estas técnicas es diferente a la obtenida en la práctica tradicional del proyecto de un buque. Esta información requiere una nueva filosofía de proyecto 2, al considerar, por ejemplo, la optimization de las formas de un buque (ver por ejemplo [GPVC98] [PSS96] [LRB+98] [JL96]). 0.4 Los Códigos CFD en el Proyecto del Buque La incertidumbre asociada con la determinación de las componentes de la resistencia al avance del buque requiere que su cálculo se realice con sumo cuidado a fin de obtener una especificación final de la planta propulsora acorde a las exigencias del buque, en otras palabras, su optimización para la especificada velocidad de servicio. Este cálculo debe asegurar al astillero constructor con un cierto grado de seguridad que cumplirá los requisitos del CFD. 2 Asociada a la definición de un ciclo de optimización del diseño basado en herramientas
8 XXVÍ Iiitmrlnccittn armador a la vez que se ha minimizado el tamaño de la planta propulsora y su coste. Como ya se ha mencionado, los ensayos hidrodinámicos con modelos son actualmente la herramienta básica de la que dispone el arquitecto naval para conocer las características hidrodinámicas del buque. Sin embargo, existen en la práctica dos limitaciones al uso generalizado de ensayos con modelos como ayuda al diseño. Por una parte, el relativamente elevado coste de estos, que : provoca sea inviable su utilización en muchos casos prácticos de presupuesto modesto. Y por otra, la gran dificultad de definir un proceso sistemático de optimization del diseño a partir de los datos suministrados por los canales de experiencias. Por estas razones se han desarrollado diversas técnicas que permiten reducir al mínimo la realización de ensayos experimentales, bien utilizando bases de datos de ensayos con modelos para extrapolar los resultados a un caso concreto, bien utilizando los resultados experimentales de un casco base e inferir la influencia de las posibles variaciones. Junto con estas técnicas, las herramientas CFD permiten al proyectista: investigar una gran serie de opciones de diseño en los primeras fases del proyecto antes de que se inicie la fase de construcción, ayudando principalmente a definir ese ciclo de optimización del diseño de formas, del que, lamentablemente carecen la mayoría de los diseños en ingeniería naval. Resumiendo, es normal en muchos proyectos, que los ensayos experimentales se realicen en la etapa final del desarrollo del proyecto para confirmar las estimaciones realizadas a lo largo del mismo. Este proceso de confirmación del proyecto final mediante ensayos hidrodinámicos seguirá existiendo durante los próximos tiempos. Sin embargo, los códigos CFD comienzan a cobrar gran importancia en algunas oficinas técnicas y en general en proyectos que, por su pequeña envergadura, no pueden apoyarse en la experimentación : tradicional, recurriendo a los beneficios de la más económica experimentación numérica. Por otra parte, los ensayos en canal de experiencias son una base vital para el desarrollo de herramientas CFD, permitiendo comprobar su validez [PSS97] [LRB + 98] y siendo base para la aparición de nuevas teorías para describir diferentes fenomenologías Los Ensayos en Canal de Experiencias Por todas las razones expuestas en la discusión anterior, se considera de interés para la presente exposición, introducir brevemente los diferentes tipos de ensayos experimentales con modelos, teniendo como objetivo, tanto presen- j tar sus capacidades y limitaciones para el diseño de buques, en comparación
9 0.4. Los Códigos CFD en el Proyecto del Buque xxvii Figura 0.1: Esquema de un sistema de medición de la resistencia al avance en el ensayo de remolque en aguas tranquilas. con la metodología basada en procedimientos numéricos, como tener en consideración las posibilidades de estos ensayos en la validación de herramientas CFD. El Ensayo de Remolque Como ya se ha mencionado, un aspecto primordial del proyecto del buque es el dimensionamiento de la planta propulsora, predecir su potencia para desarrollar una determinada velocidad o ejercer un determinado tiro en el caso de los buques pesqueros o remolcadores. Tradicionalmente, los ensayos en canal han constituido la única vía disponible para permitir al proyectista! determinar los anteriores parámetros.! Realmente, la idea de realizar ensayos con modelos de buques no es nueva Así, Leonardo da Vinci llevó a cabo una serie de ensayos con tres modelos de diferentes, para valorar el efecto de diferentes distribuciones de desplazamiento en proa y popa. Durante muchos años, diversos investigadores como Samuel Fortrey o Benjamin Franklin hicieron ensayos con modelos utilizando el arrastre por gravedad. Pero no fue hasta 1871, cuando William Froude utilizó el que puede considerarse el primer canal de ensayos, precursor de los tanques de remolque existentes hoy en día[pa92]. La principal misión de los ensayos de remolque en aguas tranquilas es la determinación de la resistencia de la carena al avance. En la figura 0.1 puede verse un esquema típico de un sistema actual de medición de la resistencia al avance en el ensayo de remolque en aguas tranquilas. Lamentablemente la imposibilidad práctica de llevar a cabo ensayos ex-
10 XXVlll Introducción perinientales a escala, perfectamente semejantes a los del buque real 3, obliga a cometer un importante error en la reproducción de los efectos que dependen del número de Reynolds R n. Como es bien sabido existen diversos procedimientos, basados en la experiencia acumulada, y con un cierto origen teórico que permiten obtener la resistencia al avance del buque en función de los valores obtenidos en la escala del modelo. Para ello, se ha de suponer que las diversas componentes de la resistencia al avance, dependientes de diferentes parámetros adimensionales, son aditivas [LB97] [Rav96] [Pér89]. El primer paso necesario, es separar la componente de la resistencia dependiente de Rn. del resto, para ello son necesarios diversos artificios, ampliamente conocidos, cuya discusión puede encontrarse en [Pér89]. La base teórica del proceso está en asimilar la resistencia, denominada de fricción 4 del barco, a la de una placa plana de superficie igual que la mojada del buque. Dado que, para la placa plana sumergida existe una fórmula' empírica, que permite obtener el coeficiente adimensional de resistencia en función 5 de R n, la extrapolación de su valor en el barco a partir de los datos del modelo, se puede reducir a una simple corrección de esa fórmula. Esta corrección se basa en parámetro que se suele denominar factor de forma. Se hace evidente, que el proceso mencionado basa todo su valor en la experiencia acumulada de años, más que en las evidencias teóricas que plantea. De ahí la importancia que, en los canales de experiencias, tiene la manera de proceder específica para la determinación de la resistencia total 0. Por otra parte, del ensayo de remolque en aguas tranquilas puede obtenerse otro tipo de información de interés para el arquitecto naval. La medición de los perfiles de olas, complementa los valores del factor de forma obtenidos por las técnicas de extrapolación clásicas ya mencionadas, ya que a partir de ellos existen diversas técnicas muy fiables que permiten determinar este parámetro de forma exacta. Además, el análisis del mapa de olas permite inferir datos generales sobre las características de las formas en relación con la resistencia por formación de olas [LRB + 98] [LB97]. En la figura 0.2 se i cual obligaría a que fueran iguales tanto el número de R 1l como el número de Froude F,,. en el modelo a escala y en el buque real. " j J Que es la componente de la resistencia total que depende de R n. Según las recomendaciones de la ITTC (ver kimmgw2.kimm.re.kr/ittc/), el coefi- í cíente de resistencia de fricción en la placa plana sumergida, esta dado por, _ C f = (log 10 Rn ~ 2) 0 Aunque el esquema general es común a todos los canales de experiencias; cada uno debe corregir ciertos errores sistemáticos en sus procedimientos. i
11 0.4. Los Códigos CFD en el Proyecto del Buque XXIX "Dispositivo de Remolqué ^rr; Olas Perfil de Olas: video Figura 0.2: Esquema de un sistema óptico de medición de perfiles de olas en unj canal de ensayos. presenta un esquema típico de una instalación de medición óptica de perfiles; de olas en un canal de ensayos. Además, la medición del campo de estelas del modelo, puede dar una idea clara de la bondad de las formas, en lo referente a la resistencia viscosa, y puede ser de gran interés para determinar la calidad de las formas en lo que a la conformación de la popa y a su interacción con el propulsor se refiere. En la figura 0.3 se presenta un esquema típico de una instalación de medición de campos de velocidades de estelas en un canal de experiencias hidrodinámicas. Hay que añadir que los ensayos en canal de remolque, pueden completarse con análisis del propulsor aislado y del modelo en autopropulsión. Evidentemente, al igual que en el caso anterior, la imposibilidad de realizar un ensayo semejante al de escala real, junto con la gran dificultad de extrapolación de los resultados al buque 7, provocan que su interés práctico sea muy limitado. Además, existen canales de remolque que incluyen generadores de olas, lo que permite determinar las características anteriormente reseñadas ante la acción de las olas, así como realizar ensayos para evaluar el comportamiento en la mar del buque. En muchos casos estos canales de remolque multipropósito han desaparecido con la llegada de tanques especializados en el ensayo en olas. 7 Aún mayor que en el caso anterior, pues en el ensayo clel propulsor, aparecen fenómenos como la cavitación que no esta gobernada por los ya mencionados fí,, y F n. Además, la interacción entre los diferentes fenómenos puede tomar gran importancia, no siendo justificable la suposición de adición de las componentes de la resistencia total.
12 XXX Introfliicdi'in Olas generadas por el modelo Campo de velocidades en la estela Figura 0.3: Esquema de un sistema óptico de medición de estelas en un canal de ensayos.. '. El Ensayo en Canal de Olas Como ya se ha mencionado, la aparición de tanques para el ensayo de modelos a escala en olas (ver figura 0.4), permiten el estudio del comportamiento del buque en situaciones de mar concretas. Estas situaciones pueden ser definidas por los requisitos de operatividad del buque, o incluso por situaciones críticas de avería. Lamentablemente, la complejidad de los fenómenos que se desarrollan en estas simulaciones complica de manera importante la extrapolación de estos resultados a la realidad. Sin embargo, en muchos casos prácticos, puede suponerse despreciable el efecto que los fenómenos viscosos introducen en el problema, permitiendo, bajo este supuesto, la extrapolación directa de los resultados. En otros casos, el análisis de los resultados sólo puede hacerse desde un punto de vista cualitativo. El Ensayo de Maniobrabilidad Los ensayos de maniobrabilidad, son una posibilidad aparecida más recientemente en el mundo experimental. La disponibilidad de sistemas electrónicos ligeros de posicionamiento y gobierno a distancia, han posibilitado el desa-
13 0.4. Los Códigos CFD en el Proyecto del Buque XXXI Figura 0.4: Ensayo de un modelo en tanque de olas. Figura 0.5: Ensayo de maniobrabilidad con modelo en un lago. rrollo 8 de este tipo de ensayos, que pueden realizarse en lagos naturales (ver figura 0.5). El principal objetivo de este ensayo es, obviamente, valorar las capacidades de maniobra del buque. Lamentablemente, difícilmente pueden extrapolarse los resultados de este tipo de ensayos al buque real, por lo que su valoración ha de ser cualitativa. El Ensayo en Túnel de Cavitación Por último se ha de hacer mención a otro tipo de ensayo clásico. El denominado ensayo en túnel de cavitación (ver figura 0.6). Este ensayo tiene por objetivo valorar el comportamiento de las hélices. Lamentablemente, como hemos comentado con anterioridad, difícilmente pueden extraerse, más s Es evidente la limitación física, para este tipo de ensayos, de un canal convencional. dado que las maniobras requien'an de un tanque de glandes dimensiones.
14 XXX11 Figura 0.6: Ensayo de una. hélice en tanque de cavitación. aún cuando gran parte de la. fenomenología del proceso se debe a. la interacción con el casco y timón, resuelta, sólo parcialmente en este tipo de ensayos [Pér89], información cuantitativa de este tipo de ensayos. Aunque, se ha de tener en cuenta, que la información suministrada por este tipo de ensayos es vital para entender los distintos fenómenos que se desarrollan ante el propulsor Los CFD como Herramienta de Diseño En la práctica., la utilización de herramientas como los CFD se convierte hoy en día en una necesidad para aquellos proyectos en donde las exigencias tecnológicas adquieren una significativa importancia[lrb + 98]. En [GPVC98] se pone de manifiesto la necesidad de esta contribución en el diseño de buques de crucero y pasaje, donde la velocidad y la confortabilidad exigen una cuidada elección de formas. Las herramientas CFD pueden proporcionar significativas contribuciones en el conjunto del proceso de proyecto desde los estudios iniciales conceptuales hasta el proyecto detallado como queda, reflejado en la figura 0.7. Armado con esta información, el proyectista puede utilizar los CFD para realizar estudios de optimization y afinar el proyecto para, una serie de características del comportamiento del buque y atributos del casco. En la tradicional espiral del proyecto que se presenta en la figura 0.7, se indican aquellas actuaciones en donde se considera que los cálculos con CFD están en disposición de ayudar a los métodos normalmente establecidos y aceptados. Desafortunadamente, para, la mayoría de los ingenieros navales estas herramientas se presentan aún lejanas desde el punto de vista práctico, en parte por su complejidad de manejo, que requiere en ocasiones verdaderos
15 0.4. Los Códigos CFD en el Proyecto del Buque xxxin Dimensión Volumon Peso CFD Definición ri«proyecto W"~ ~" Estabilidad en averias CFD Estabilidad buque iniaclo y capacidades Resistencia Estructural CFD Figura 0.7: Ciclo de diseño de un buque asistido por herramientas CFD.
16 XXXIV Inti-odncc'.ión especialistas en el tema y en parte por el desconocimiento que se tiene de los fenómenos que se están simulando 11. Como ya se ha mencionado con anterioridad, el uso de los CFD en el proyecto de un buque requiere del proyectista una nueva filosofía de proyecto cuando se está considerando la optimization de sus formas. Los proyectistas experimentados son capaces de intuir la influencia de ciertas modificaciones locales del casco en la resistencia del buque pero, no se dispone de medios para juzgar los efectos de innovaciones en las formas. Las herramientas CFD permiten evaluar estas modificaciones a partir de los resultados de los cálculos realizados; las variables calculadas son diferentes de las obtenidas en los ensayos experimentales y su significado físico debe considerarse con cuidado y, en muchos casos 10, no en términos absolutos. La mayor mejora que los CFD pueden introducir en el proceso del proyecto de un buque es la de permitir la evaluación y comparación de diferentes formas de la carena sin necesidad de ensayarlas. Aunque para la evaluación final del comportamiento del casco continúa siendo útil recurrir al uso del tradicional canal de ensayos, la mayor parte de los refinamientos del casco se pueden realizar merced a estas herramientas numéricas. Los análisis CFD permiten determinar la distribución de los campos de velocidades y presión en todo el dominio de análisis. Campos tan costosos de precisar experimentalmente como la distribución de estelas, las líneas de corriente sobre el casco o los perfiles de olas, son resultados inmediatos de un análisis CFD. Se hace evidente que esta información difiere sensiblemente de las magnitudes que se obtienen en la práctica tradicional de los canales de ensayo. Debido a la gran cantidad de resultados que se pueden obtener de un análisis CFD, se debe hacer un gran esfuerzo para conseguir una exposición inteligible de las cantidades calculadas y en este campo la representación gráfica de datos es una ayuda fundamental para un mejor uso de las herramientas CFD. El mapa de la distribución del coeficiente de presión C p, del vector velocidad, la representación en tres dimensiones del tren de olas calculado y los perfiles de ola en el casco son los parámetros locales que se pueden utilizar para la evaluación de un casco ensayado numéricamente. Junto con estas cantidades locales, es posible conocer los valores integrales de la resistencia por formación de olas, la resistencia viscosa, la fuerza de arfada y el momento de trimado en función de la velocidad. Una vez que se visualizan los resultados, el proyectista necesita conocer (J Y de la manera en que se realiza esa simulación. 1(I A semejanza de lo que ocurre en muchos tipos de ensayos experimentales de los referidos anteriormente.
17 0.4. Los Códigos CFD en el Proyecto del Buque xxxv cómo usarlos. El criterio que se aplica para los diagramas del coeficiente de resistencia es bastante obvio; la mejor carena es aquélla que presenta el menor coeficiente. Pero este criterio basado en la experiencia tradicional es muy restrictivo. Efectivamente, dado que tras el análisis CFD disponemos de una gran cantidad de información, no disponible en la práctica habitual, puede ser de interés considerar otros valores calculados para evaluar comparativamente la calidad de las formas de los buques, y no comprometerse exclusivamente en la fiabilidad de un único parámetro global. Las curvas de isonivel del coeficiente C p, el mapa de estelas, la distribución de las líneas de corriente cerca del casco y la predicción del perfil de las olas constituyen los principales parámetros locales cuyo examen puede dar elementos razonables para juzgar la bondad de las formas y guiar el proceso de optimization. j Realmente, la presencia de un marcado gradiente positivo a lo largo de las líneas de corriente calculadas implica, cuando coincide con valores positivos de Cp, que la capa límite del fluido viscoso aumenta rápidamente en correspondencia a este gradiente positivo local. Un alto gradiente positivo a popa del buque puede indicar un peligro de separación y en cualquier caso, señal que el casco utiliza una gran cantidad de energía en acelerar la capá límite. Un análisis de las líneas de corriente sobre el casco puede apoyar tales suposiciones. No se pretende presentar aquí un curso de optimization de formas mediante cálculos de CFD sino simplemente dar ideas generales sobre los nuevos criterios que el proyectista debe interpretar para la mejora hidrodinámica de las formas. Por último, al objeto de plantear esta nueva filosofía de diseño de buques, imaginemos las etapas ideales de un ciclo de optimization de formas basado en los métodos actuales para diseño de cascos y apéndices, que se concretaría en las siguientes etapas: 1. Definición del rango de velocidades y condiciones de operación. : 2. Definición de la forma del casco y apéndices preliminar utilizando métodos empíricos o simples modelos hidrodinámicos basados en la teoría de potencial. : 3. Construcción de un prototipo a escala. ; 4. Análisis experimental del comportamiento hidrodinámico del prototipo en canales de ensayo. \ 5. Escalado de los resultados del modelo a la geometría real del barco, j
18 XXXVÍ Iiit. 6. Análisis de los resultados, redefinición de las formas del casco y apéndices y repetición de las etapas 3 a. 6 hasta, que se alcanzan las especificaciones deseadas del comportamiento del barco. Es evidente que este es un proceso difícil y caro 11, que generalmente no es suficiente para alcanzar un comportamiento óptimo en crucero 12 definido por el máximo nivel de eficiencia hidrodinámica, caracterizada principalmente por una velocidad determinada y por unos requisitos de estabilidad. Si embargo este ciclo es posible en la práctica si sustituimos la. evaluación experimental por el uso de herramientas CFD. Evidentemente esta sustitución requiere de la definición de unos ciertos criterios de optimización [PSS96] y el desarrollo de una metodología auxiliar que permita definir ese análisis de resultados y la posterior redefinición de las formas. 0.5 Objetivos del Presente Trabajo La meta general que se pretende en la presente tesis es el desarrollo de un sistema informático para, ayuda al diseño hidrodinámico de barcos. El sistema permitirá predecir la distribución (espacial y temporal) de velocidades y presiones, y por consiguiente las fuerzas ejercidas por el agua sobre el casco de un barco en diferentes configuraciones de navegación. De esta, manera se podrá, simular el proceso dinámico de interacción buque/agua o bien predecir la posición de equilibrio dinámico del buque en la situación definida. El sistema que se desarrollará, será especialmente adecuado para el diseño óptimo de carenas de buques, pero se podrá aplicar al análisis de una. gran variedad de problemas dentro y fuera del ámbito naval. Con los términos desarrollo sistema informático se quiere decir que el proyecto se ha enfocado hacia el desarrollo de los métodos de cálculo y resolución del problema, pero dichos métodos de cálculo deben de integrarse en un sistema informático para diseño asistido por ordenador de carenas de buques, permitiendo de este modo, el fácil procesamiento de la información. El desarrollo del sistema de procesamiento no se consideró objeto del presente trabajo, pero si la integración del módulo de cálculo desarrollado dentro del sistema, así como la incorporación en el mismo de los elementos de procesamiento y otros desarrollos necesarios para el adecuado funcionamiento del sistema dentro del ámbito del diseño naval. Como pre y postprocesador del sistema se eligió el programa GiD, desarrollado por el Centro Internacional de 11 Inviable en la práctica. 12 Debido principalmente a las dificultades en el proceso de escalado.
19 0.5. Objetivos del Presente Tr&bajo xxxvii Métodos Numéricos en Ingeniería [RRE98], por sus adecuadas características al problema planteado. Con la realización de este proyecto se pretende poner a disposición del arquitecto naval un sistema que permita mejorar los procedimientos actuales de diseño hidrodinámico de barcos. Dicho sistema es claramente innovador, y no existe, en la actualidad, un producto similar debido a las dificultades intrínsecas del análisis CFD de barcos, resueltos en parte, sólo muy recientemente. El canal de experiencias virtual basado en el método de los elementos finitos (MEF) que se desarrollará, permitirá medir la mayor parte de los datos necesarios para el diseño en ingeniería naval. Entre las principales variables que se podrán obtener figuran: 1. Distribución de presiones sobre el casco. 2. Distribución de velocidades sobre el casco. 3. Líneas de corriente sobre el casco. 4. Factor de forma. 5. Mapas y perfiles de olas. 6. Solicitaciones sobre el casco, y en concreto resistencia al avance, resistencia por formación de olas y resistencia viscosa. 7. Resistencias de apéndices y añadidas. 8. Situación de equilibrio dinámico y en concreto arfada y trimado. i 9. Coeficientes y distribución de la estela potencial y viscosa. j Este proyecto pretende precisamente reducir :el coste del ciclo de diseño mediante la utilización de modelos de cálculo que predigan, de una forma' económica, en las primeras fases del diseño, el comportamiento hidrodinámico; del casco de un barco y sus apéndices para diferentes condiciones de crucero.: Las características preliminares del sistema se pueden enunciar como, sigue: : * Algoritmo de solución de las ecuaciones de Navier-Stokes y de Reynolds (Reynolds Averaged Navier Stokes). Posibilidad de resolución con viscosidad nula (Ecuaciones de Euler).
20 XXXVÜi Introducción * Condición de contorno de superficie libre no lineal apta para buques rápidos. Posibilidad de utilizar condiciones simplificadas. Se pretende huir de las aproximaciones clásicas y permitir que el sistema desarrollado sea válido para una amplia gama de números Froude. * Metodología de resolución del problema dinámico de interacción fluido estructura. Esto permite simular problemas de interacción dinámicos y calcular la situación de equilibrio dinámico estacionaria, i * Posibilidad de incorporar diferentes apéndices o bien otros modelos para estudios de interacción. El resultado del proyecto pretende ser una suerte de canal de experiencias virtual, que permita reproducir la mayoría de los ensayos en aguas tranquilas y con olas, para su utilización en las primeras fases de diseño del buque. Por otra parte y como afortunado resultado indirecto dispondremos de un sistema de análisis basado en CFD que podrá ser aplicables a otros aspectos del diseño naval (apéndices, efectos del viento en estructuras, diseño de velas, off-shore,...) ya otras ramas de la ingeniería. La resolución del problema planteado, presenta varias dificultades, muchas de ellas conocidas a priori y que deberán ser solventadas. Entre ellas cabe destacar: * Resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes: - La dificultad numérica asociada a la aplicación de la condición de incompresibilidad, que obliga a que los espacios de elementos finitos sean compatibles (condición de Babuska-Brezzi [BD88] [Bab71] [Cod92]). La convección que aparece en la formulación euleriana de las ecuaciones de Navier-Stokes presenta problemas de inestabilidad numérica cuando este término cobra importancia relativa frente al término viscoso [Cod93a] [HB79]. * Resolución de las ecuaciones de superficie libre: La superficie libre, representada como una ecuación de convección pura, presenta, al igual que en el caso anterior, problemas de inestabilidad numérica. Además, en este caso, este problema es más critico. La razón es que las técnicas tradicionales para solventar este inconveniente añaden difusión a la ecuación de transporte, al

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