Análisis hidrodinámico del casco de un ferry tipo catamarán para la navegación en el río Ucayali (Pucallpa – Atalaya)

Abstract

Nuevos proyectos relacionados al transporte fluvial de pasajeros se vienen ejecutando recientemente por parte del Ministerio de Transportes y Comunicaciones (MTC), iniciándose con el Ferry catamarán llamado Amazonas I desde el 2017. Adicionalmente, se tuvo proyectado para este año 2020 la entrega de un nuevo Ferry catamarán, sin embargo, la crisis debido al COVID-19 ha frenado su entrega y puesta en operación. Este interés en catamaranes para rutas fluviales sugiere su estudio y evaluación, por lo que en la presente tesis se analizará su comportamiento hidrodinámico de acuerdo a las características de la ruta fluvial Pucallpa – Atalaya (h/T=1.5). El análisis hidrodinámico en aguas poco profundas requiere bien de ensayos experimentales, mediante pruebas de canal, o mediante dinámica computacional de fluidos. El foco de la presente se centra en la experimentación mediante dinámica computacional de fluidos (Computer Fluid Dynamics: CFD) con el software Star-CCM+®. Luego de identificado los parámetros (malla computacional, paso de tiempo, CFL, etc) dentro de CFD para construir un modelo físico adecuado para simular condiciones de baja profundidad, se valida el modelo computacional comparando resultados con datos experimentales del casco Delft 372 (Resultados con errores menores a 10%). Al mismo tiempo, se procede a analizar los cascos proyectados para el transporte de pasajeros, denominados M1, M2, M3, M4 y M5. Estos cascos se analizados con Maxsurf® y luego de comparado su resistencia al avance y altura de ola a la velocidad de proyecto (v=26 nudos) se escogieron los cascos M1, M4 y M5 para su análisis en CFD, donde se comparan los resultados de resistencia al avance, altura de ola generada, trimado y cambio de calado (ΔT). Se determina que el tipo de malla computacional requiere cambios para condiciones de aguas profundas o rasas, el tipo de malla Morphing es favorable para aguas rasas, mientras que el tipo Overset se adapta a aguas profundas; la variable paso de tiempo (time-step:Δt) también se ajusta entre aguas profundas(Δt=0.03s) y poco profundas (Δt=0.04s) para los estudios de sensibilidad de malla. Con el flujo de trabajo construido se determina que el casco da menor resistencia al avance es el denominado M1, con lo que su geometría se recomienda para la ruta fluvial Pucallpa – Atalaya. Como consecuencia del estudio realizado, se encuentran nuevas iniciativas como el uso de medios lodosos para acondicionar mejor el agua de los ríos, también el uso de flaps en la popa para el control de trimado y resistencia al avance, incluso la inserción de Stern-End-Bulbs (SEB) para reducir la formación de olas y ventilación de la popa transom. En suma, se sugiere continuar con ensayos experimentales para determinar parámetros de ola y velocidad que reduzcan el efecto de erosión en las orillas de los ríos, riesgo accidentes entre embarcaciones navegando y cuidado de las vertientes naturales.

Emerging projects related with inland waterway passenger transport are being executed by The Ministry of Transportation and Communications (MTC). One of the first was the catamaran ferry called Amazonas I in 2017. Aditionally, the debut of a new catamaran and its completion in 2020 was anticipated, however, the global crisis of COVID-19 delayed this project. Due to this, further study and analysis of catamaran behavior are still needed for shallow water conditions as on the waterway route Pucallpa – Atalaya, h/T=1.5 (Ucayali River). The hydrodynamic analysis in shallow water requieres experimental towing tank tests or/and computational fluid dynamics experiments (CFD). The main focus of this thesis is to show experimental computational simulations supported with the specilazed software Star-CCM+®. After identifying main parameters for setting up the CFD method, the physical model is validated and verified comparing CFD results with experimental test made with the catamaran Delft 372 (error % <10%). At the same time, catamaran hulls named M1, M2, M3, M4 and M5 which were designed for passenger transport, are analized with Maxsurft and compared their ship resistance and wave height at project velocity (v=26 nudos) for choosing the three best results: M1, M4 and M5 and continue with CFD for analizing ship resistance, wave height, trim and sinkage (ΔT). From CFD, it is suggested that meshing should vary according water level conditions. For example, in shallow water navegation, morphing mesh is preferable but in deep water, overset mesh is suitable; time-step (Δt) also is only fixed for each condition, in deep water Δt=0.04s and in shallow water Δt=0.03s and with this mesh sensitivity study is readily achived. The data collected and the workflow presented will then be utilized to determine an optimal catamaran hull, resulting in a better M1 catamaran best suited for waterway navegation (Pucallpa – Atalya, Ucayali river). Lessons learned from this research, can be adapted to changing river conditions or scenarios including muddy conditions in both towing tank and computational tests. The installation of stern flaps would also show better results for ship resistance, trim and sinkage; aditionally, the inclusion of stern-end-bulbs refers to a wake reduction. To summarize, many initiatives can utilize this research as a starting point for controlling wave height, bank erosion, and effects of ship-induced waves on the environment and other vessels.