ANALISIS DE INYECCION DE AIRE COMO ALTERNATIVA PARA REDUCCION DE RESISTENCIA

AL AVANCE DE EMBARCACIONES

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Desarrollo de un modelo numérico en CFD(Computational Fluid Dynamics) aplicado al análisis de la efectividad de la inyección de aire como alternativa para la reducción de resistencia al avance en embarcaciones. El modelo desarrollado tiene especial énfasis en la descripción del campo de flujo alrededor del casco.

El casco escogido para el proyecto fue de una embarcación de competencia movida a energía solar.

2.- OBJETIVO Y APLICACIONES2.- OBJETIVO Y APLICACIONES

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3.1. Resistencia al avance: -Resistencia friccional -Resistencia a las olas 3.2. Métodos de inyección de aire bajo el casco de una embarcación: -Inyección natural -Inyección artificial3.3. Comportamiento del aire inyectado bajo el casco:- Confinado en un hueco- Micro burbujas- Película fina de aire3.4. Casco de referencia3.5. Selección del método de inyección de aire3.6. Geometría del casco: original y con cavidades

3.- ESTRUCTURA DEL TRABAJO3.- ESTRUCTURA DEL TRABAJO

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La resistencia al avance experimentada por el casco de una embarcación posee dos componentes principales: Una debido al campo de tensiones tangenciales, denominada resistencia friccional, y otra debida a la campo de presiones.

La resistencia friccional representa generalmente la principal componente de resistencia al avance de embarcaciones de desplazamiento y semi-desplazamiento/planeo.

3.1. RESISTENCIA AL AVANCE

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La resistencia friccional esta directamente relacionada a la superficie mojada del casco. Sin embargo, hay un limite para reducir la superficie mojada con el fin de garantizar el valor de desplazamiento del proyecto.Una alternativa para reducir la resistencia friccional consiste en cambiar las características del fluido en contacto con el casco. La fricción con un fluido de menor viscosidad resultaría una reducción de resistencia friccional del casco y consecuentemente la resistencia total al avance. Tal objetivo puede ser alcanzado por medio de la interposición de una capa de aire entre el casco y el agua.

3.1..1 RESISTENCIA FRICCIONAL

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La inyección de aire bajo el casco de una embarcación es una alternativa desarrollada para la reducción de resistencia friccional el cual consiste en la interposición de una capa de aire entre el agua y el fondo del casco.El área de casco expuesta a la capa de aire experimenta menos fricción debido al menor valor de densidad dinámica en comparación con el agua.

3.2. METODOS DE INYECCIÓN DE AIRE BAJO EL CASCO DE UNA EMBARCACION

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El aire entra a través de una abertura en el lado o la cubierta y fluye de forma natural por un conducto a la parte inferior del casco donde permanece confinado para formar un colchón. Este método se utiliza a menudo en buques de alta velocidad, en el que la propia velocidad de la embarcación permite la formación de la capa de aire.

3.2.1. INYECCIÓN NATURAL

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El aire es comprimido (compresor) y se inyecta en el fondo del casco, formando un colchón. El uso del compresor asegura la presión de aire requerida para formar el colchón. Una ventaja de este método es que la presión de la cavidad llega a ser mayor que la presión atmosférica, lo que podría proporcionar apoyo adicional al casco. Por otra parte, es más fácil para controlar la presión de inyección y por lo tanto la extensión de la capa.

3.2.1. INYECCIÓN ARTIFICIAL

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3.3.1. Confinado en una cavidad: En este caso el fondo del casco tiene que ser modificada y el aire inyectado permanece confinado en la cavidad formada.

3.3. COMPORTAMIENTO DEL AIRE INYECTADO BAJO EL CASCO:

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3.3.2. Micro burbujas: En este caso el fondo del casco no requiere modificaciones. sólo la inyección de burbujas de aire micro que se mezclan con el agua, disminuyendo la viscosidad del fluido alrededor del casco. Este método conduce a menudo fugas de burbujas. Estudios mostraron algunas ventajas de este método, sin embargo, sigue siendo difícil saber la cantidad de aire que debe ser inyectada, la influencia del diámetro de las burbujas, la mejor manera de inyectar aire, etc.;

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3.3.2. Película fina de aire: En este caso, el casco tampoco necesita ser modificado. La inyección de una fina capa de aire se lleva a cabo mediante la reducción del contacto del casco con el agua. Sin embargo, este método requiere que los movimientos del barco son de pequeña amplitud, a fin de evitar fugas de aire a la atmósfera.

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El casco de referencia es de una embarcación de competición movida a energía solar. La embarcación de nombre OXUM se presento para la edición 2012 en la competición internacional de embarcaciones solares DONG Energy Frisian Energy Frisian Solara Challenge , realizada cada dos años en Solara Challenge , realizada cada dos años en Holanda.Holanda.El buen desempeño obtenido confirmo el éxito del equipo UFSC/UFRJ y estimulo el desarrollo de nuevo casco mas eficiente proponiéndose el uso de inyección de aire como la alternativa para la reducción de la resistencia al avance y consecuentemente el aumento de la velocidad media.

3.4. CASCO DE REFERENCIA

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La estrategia básica del concurso es el uso eficiente de la energía solar, captada de los paneles fotovoltaicos, para la propulsión de la embarcación evitándose la instalación de otros consumidores eléctricos. Por ello, se concluye que el método de inyección de aire natural es el más adecuado para este proyecto.La competencia DONG se realiza en canales que circulan el interior de la región de Frisia, al norte de Holanda, cuyas condiciones ambientales se caracterizan por la ausencia de olas y el viento. Ello permite pequeños rangos de movimiento, y, en consecuencia, poco fugas y la estabilidad de la capa de aire.

3.5. SELECCIÓN DEL METODO DE INYECCION DE AIRE

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La cavidad creada en el fondo del casco es una pérdida de volumen, que para el mismo valor de desplazamiento, impone aumentar el calado del buque. Esto debe tenerse en cuenta, ya que este aumento en el calado conduce a un aumento del área húmeda del casco, y por lo tanto la resistencia de fricción. Por ello, la eficacia de la utilización de inyección de aire es la relación entre la reducción de la resistencia a la fricción debido a la formación del colchón de aire y su inevitable aumento de calado.La formación del colchón de aire se presenta en cuatro configuraciones diferentes.

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3.6.1. Modelo computacional del casco original:Debido a la adopción de la hipótesis de simetría de flujo, sólo uno de los lados del se incorporó en el modelo de la computadora.

3.6. GEOMETRIA DEL CASCO: ORIGINAL Y CON CAVIDADES

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3.6.1. Modelo computacional del casco con cavidades:Fueron implementados dos geometrías para los cascos con cavidades: con y sin cerrar el espejo de popa.

La capa se extiende desde el 40% de LWL respecto a popa

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4.1. Modelo Numérico:4.1. Modelo Numérico: La efectividad de la inyección de La efectividad de la inyección de aire fue evaluado a través de un modelo numérico aire fue evaluado a través de un modelo numérico especifico para la simulación del escoamento alrededor del especifico para la simulación del escoamento alrededor del casco de las embarcaciones. Se utilizo el paquete comercial casco de las embarcaciones. Se utilizo el paquete comercial ANSYS CFX versión 14.0 discretizadas por el método de los ANSYS CFX versión 14.0 discretizadas por el método de los volúmenes finitos en todo el dominio del fluido. Los volúmenes finitos en todo el dominio del fluido. Los resultados están restringidos a condiciones de escoamento resultados están restringidos a condiciones de escoamento en régimen permanente. en régimen permanente.

Vista isométrica del dominio del fluido.Vista isométrica del dominio del fluido.

4. DETALLES MAS RESALTANTES4. DETALLES MAS RESALTANTES

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El dominio del fluido fue discretizado a través de una malla computacional de tipo nano estructural compuesta en su mayoría por elementos tetraédricos y prismáticos. La región de la superficie libre fue discretizada a través de elementos prismáticos.Los elementos de las mallas de las superficies tienen un tamaño máximo de 125 mm.Los elementos de las mallas alrededor del casco tienen un tamaño máximo de 250 mm.En la zona de proa a fin de mejorar las capturas de presión se adopta un tamaño máximo de 20 mm para los elementos de la malla.

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En malla del casco con inyección de aire fueron insertados elementos mas refinados en la boquilla de entrada, tuberías y cavidades. El tamaño máximo de los elementos es de 20 mm.

4.2 Análisis de resultados:4.2 Análisis de resultados: Los resultados son Los resultados son analizados para los casos de 8,10 y 12 nudos.analizados para los casos de 8,10 y 12 nudos.

4.2.1. Casco original4.2.1. Casco original

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4.2.2. Casco con cavidad sin cierre en popa:4.2.2. Casco con cavidad sin cierre en popa: Se realiza al calado original de 18 cm.Se realiza al calado original de 18 cm.

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4.2.2. Casco con cavidad sin cierre en popa:4.2.2. Casco con cavidad sin cierre en popa: Capas de aire a las velocidades de 8 , 10 y 12 Capas de aire a las velocidades de 8 , 10 y 12 nudos.nudos.

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4.2.3. Casco con cavidad con cierre en popa:4.2.3. Casco con cavidad con cierre en popa: Se realiza al calado de 19 cm.Se realiza al calado de 19 cm.

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4.2.3. Casco con cavidad con cierre en popa:4.2.3. Casco con cavidad con cierre en popa: Capas de aire a las velocidades de 8 , 10 y 12 Capas de aire a las velocidades de 8 , 10 y 12 nudos.nudos.

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4.3. COMPARACIONES:4.3. COMPARACIONES:

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Se cumplió el objetivo de analizar las Se cumplió el objetivo de analizar las posibilidades de disminución de la posibilidades de disminución de la resistencia friccional a través de la resistencia friccional a través de la inyección de aire en el fondo del casco inyección de aire en el fondo del casco concluyendo que la utilización de inyección concluyendo que la utilización de inyección de aire es una solución eficaz cuando se de aire es una solución eficaz cuando se desea disminuir la resistencia al avance de desea disminuir la resistencia al avance de una embarcación en aguas tranquilas.una embarcación en aguas tranquilas.

5. CONCLUSIONES5. CONCLUSIONES

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¿PREGUNTAS?¿PREGUNTAS?

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