LINEAS DEL REMOLCADOR

Transcripción

1 Análss del comportamento propulsvo de un remolcador de empue M.Colpach, CEAN, FIUBA B.Lechatpos, INSA, Rouen RESUMEN Se presenta el estudo del fluo alrededor de un remolcador de empue clásco, de líneas hdrocóncas y dos líneas de ee. El obeto del estudo fué comparar los resultados del modelo numérco con los obtendos en el modelo físco. El modelo numérco se desarrolló con un esquema de Volumen de Fudo (VOF) y se empleó un modelo RANS para el tratamento de la turbulenca. Se evaluó el efecto de la densdad de la malla y el efecto de confnamento de las paredes presente en el ensayo del modelo físco y eventualmente en las rberas de las vías de navegacón. Adconalmente se analzó el efecto de los propulsores tratados como dscos actuadores y se vsualzó las líneas de corrente y otros parámetros que afectan sensblemente a la efcenca del sstema propulsvo. El ensayo físco se realzó sobre un modelo de aproxmadamente 2.75m de eslora trabaando en Re aproxmadamente 2.3e 06. Los resultados obtendos en las medcones sobre el modelo físco concden dentro de márgenes razonables con las predccones numércas. Como resultado posteror se defnrá un método efcente para la optmzacón de las líneas y la dsposcón propulsva. LINEAS DEL REMOLCADOR Para el estudo se elgó un remolcador de empue convenconal, adecuado al tráfco de la Hdrovía, con dos líneas de ee y con formas hdrocóncas. Dadas las condcones en la que se espera que opere la flota se elgó un calado máxmo de 2.40 m. El plano de líneas se presenta en la Fgura 1. Con el plano se construyó un modelo en escala 16, que posterormente se ensayó en el CEAN. Las dmensones prncpales del buque y el modelo se presentan en la Tabla 1. DIMENSION BUQUE MODELO Eslora [m] Manga [m] Calado [m] Desplazamento [t] Tabla 1: Dmensones prncpales Se dspuso que cada línea de ee funcone con hélces de 2.0 m de dámetro con motores de 1200 kw 1

2 Fgura 1: Plano de líneas MODELO NUMERICO El sstema de ees empleado en los estudos tene el orgen en la nterseccón del plano de base (horzontal pasante por el punto más bao del casco), el plano de smetría (cruía) y el plano de la seccón meda. El ee x es postvo haca proa, el ee y es postvo haca estrbor y el ee z es postvo haca la cuberta. El modelo numérco se desarrolló en base al método del volumen fludo VOF (Hrt C.W.) y se utlzaron dos mplementacones: OpenFOAM, provsto por OpenCFD Ltd. NUMECA, provsto en carácter de prueba por NUMECA Ambas formulacones poseen herramentas para el pre procesamento y la dscretzacón, para el cálculo propamente dcho y para el post-procesamento. La turbulenca se modela medante una formulacón k-ε El método VOF defne una varable 0 C 1donde C = 0 ndca una celda no pertenecente al agua y C = 1ndca una celda en el agua. La varable así defnda cumple con la ecuacón del C transporte + U. C = 0. t Las propedades físcas se calculan medante = c ρ µ = c. µ ; 1 = ρ ; Debéndose cumplr además U = 0 c ρu t ρu U + P = + U µ U + ' ' ( ρuu ) + f 2

3 Fgura 2: Perfl de velocdades en la capa límte turbulenta La capa límte turbulenta se modeló medante un perfl de velocdades sugerdo por Lndgren (B., 2002) y representado en la Fgura 2 La extensón del modelo se defnó del sguente modo Desde la proa: 1.5 LWL haca +x Desde la popa: 2.5 LWL haca x Desde el costado: 1.5 LWL haca +y Desde LWL: 0.5 LWL haca +z Desde LWL: 1.5 LWL haca z La La nfluenca de la densdad de la malla se estudó correndo el modelo con dstntas mallas de 6 la msma confguracón. A partr de 2.10 celdas, los resultados de las fuerzas en la dreccón x tenen poca varacón. Los resultados de ambos modelos numércos son consstentes con la práctca habtual de los remolcadores. 3

4 Fgura 3 muestra el esquema del mallado. La Fgura 4 muestra el efecto de la densdad de la malla. La velocdad básca del ensayo fue de 1 m/s en el modelo (7.8 kt en el buque real) y se mpuso medante una rampa de crecmento con el obeto acelerar la búsqueda de la solucón. La presón en la superfce lbre se fó en p = 0 0 El parámetro k se defnó como k = m s 2 2 El parámetro ε se defnó como ε = m s La nfluenca de la densdad de la malla se estudó correndo el modelo con dstntas mallas de la 6 msma confguracón. A partr de 2.10 celdas, los resultados de las fuerzas en la dreccón x tenen poca varacón. Los resultados de ambos modelos numércos son consstentes con la práctca habtual de los remolcadores

5 Fgura 3: Esquema de mallado Fgura 4: Influenca de la densdad de la malla En el espeo plano de la proa, la elevacón de la ola resultó aproxmadamente de 0.05 m que, medante la aplcacón drecta de Bernoull corresponde a una velocdad, en el modelo, de [ m s] U = 2. g.0.05 = 0.99 / La hélce se modeló smplfcadamente como un dsco actuante ntroducendo el cambo en la cantdad de movmento que genera en su plano. Fgura 5: Velocdades y líneas de corrente generadas por el modelo del dsco actuante 5

6 MODELO FISICO En paralelo con el modelo numérco se realzó un modelo físco en escala 16 ensayando velocdades entre 0.6 m/s y 1.3 m/s correspondentes a velocdades del prototpo entre 4.6 kt y 10.1 kt Fgura 6: Modelo en escala 16 El proceso de medcón sgue los patrones habtuales de ITTC empleados en el CEAN. La estmulacón de la turbulenca se realzó medante un alambre de 0.5 mm colocado en la seccón de 5% LWL desde la proa. Las dmensones del Canal son: Largo 72 m; ancho 3.6 m, profunddad 1.8 m. ALGUNOS RESULTADOS La fraccón de volumen (denomnada α1 en la Fgura 7) muestra que la zona del túnel de la hélce queda vacía (sn agua) a la velocdad de régmen. Esto fue confrmado posterormente durante el ensayo del modelo físco. La formacón de olas típca del remolcador fue vsble en ambos ensayos ( Fgura 8) y el ensayo numérco permtó vsualzar las líneas de corrente en el túnel sn propulsor ( Fgura 9) en la que se ponen de manfesto las defcencas de su geometría. Estas defcencas se comprueban tambén en el buque con la hélce ( Fgura 10). Los ensayos en marcha atrás tambén puseron de manfesto puntos crítcos de la geometría del túnel y la popa, como se puede observar en las Fgura 11, 6

7 Fgura 12 y Fgura 13. Fgura 7: Dstrbucón de la fraccón de volumen C Fgura 8: Contornos de las olas Fgura 9: Líneas de corrente en la zona del túnel, sn propulsor. 7

8 Fgura 10: Líneas de corrente en la zona del túnel, con propulsor. Fgura 11: Are atrapado en marcha atrás por defectos de la confguracón del espeo Fgura 12: Recrculacón en el túnel en la marcha atrás Fgura 13: Fluo en marcha atrás en presenca de la hélce S ben el resultado de las medcones de resstenca do valores prelmnares razonablemente concdentes, el control de los resultados se efectuó recalculando el modelo para tomar en consderacón el efecto de bloqueo de las paredes del canal con uno de los dos modelos 8

9 numércos (FINE MARINE) encontrándose dferencas dentro del rango de 3% en todo el rango de velocdades (Fgura 14). Fgura 14: Resstenca al avance comparada BIBLIOGRAFIA Hrt C.W., N. B. Volume of Flud (VOF) Method for the Dynamcs of Free Boundares. Lndgren B. Flow Faclty Desgn and Expermental Studes of Wall-Bounded Turbulent Shear- Flows,