Diseño numérico-experimental de un bulbo de proa para una embarcación pesquera tipo cerco

Abstract

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 minimización 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 en el diseño del buque. Uno de los problemas más importantes en la hidrodinámica de barcos concierne a la resistencia por formación de olas. Esta componente de la resistencia al avance total es predominante en barcos de desplazamiento y su magnitud es muy sensible a pequeñas variaciones geométricas del casco sumergido, el proceso de optimización de las formas de cascos de desplazamiento, desde el punto de vista de la disminución de la resistencia al avance total, tiene por objetivo la reducción de esta componente. Particularmente esta resistencia está fuertemente influenciada por el patrón de flujo de agua alrededor de la proa del barco. La búsqueda para reducir esta resistencia ha tomado muchas direcciones. Una de las soluciones más significativas ha sido el desarrollo de los bulbos de proa. Tradicionalmente, el Ingeniero Naval ha mirado los ensayos hidrodinámicos con modelos como el mejor medio para conocer la resistencia al avance, siendo este el único ensayo que existe para determinar la resistencia con exactitud. Desafortunadamente estos ensayos son costosos y lentos, por lo que su uso es limitado y restringido, cuando se requiere ensayar varias formas de cascos con fines de optimización. Por otra parte, aunque el planteamiento matemático de la determinación de la resistencia por formación de olas ya se conocía desde el siglo pasado, este no pudo resolverse de forma satisfactoria hasta el incremento en la capacidad de procesamiento de los ordenadores y el desarrollo de los CFD (Computacional Fluid Dynamics) a inicios de los años 70. Los CFD representan bien la física del problema de la resistencia al avance, cuantitativamente han alcanzado buena precisión, en algunos casos. Pero aun no se tiene la confianza suficiente para utilizarlos sin la posterior comprobación experimental. Por este motivo, actualmente los métodos CFD se utilizan como herramienta de apoyo a los ensayos experimentales, es decir, varias formas son simuladas numéricamente y solamente la forma que obtiene mejor desempeño en el CFD es ensayada experimentalmente, con lo cual se reduce el costo y tiempo utilizado en problemas de optimización. El presente trabajo de tesis tiene por objetivo reducir la resistencia al avance de una embarcación pesquera mediante el diseño de un bulbo de proa utilizando códigos CFD como auxilio a la experimentación. Para lograr tal objetivo se diseñan una serie de bulbos de proa, los cuales son analizados mediante dos códigos numéricos seleccionándose de este análisis el bulbo óptimo a ser ensayado experimentalmente. En el primer capítulo se describe el objetivo, método de trabajo y los alcances y limitaciones del presente trabajo de tesis. Seguidamente, en el capítulo 2, presentamos los fundamentos teóricos en los que se basa este trabajo. Capitulo en el que se presenta la descripción de la resistencia al avance, su división histórica, los métodos de correlación y el fenómeno de la formación de olas. Se describe también los bulbos de proa, sus formas más utilizadas, los parámetros que definen su geometría, los métodos de diseño y la aplicación de los bulbos de proa en algunas embarcaciones. Finalmente cerramos este capítulo con una breve descripción de los códigos numéricos utilizados, para la evaluación en términos de resistencia hidrodinámica de los bulbos diseñados, códigos que vienen siendo usados con singular éxito por ingenieros navales alrededor del mundo. En el capítulo 3, nos centramos en el diseño del bulbo propiamente dicho, se muestra la metodología adoptada y la geometría del primer bulbo generado. En el capítulo 4, presentamos el proceso de optimización de las formas del primer bulbo generado, también se muestran los resultados y análisis de la aplicación práctica de los códigos numéricos, descritos en el capítulo 2, a los bulbos generados para la determinación del bulbo óptimo. En el capítulo 5, presentamos la descripción de las instalaciones del Canal de Experiencias Hidrodinámicas de la Universidad Nacional de Ingeniería y los ensayos de remolque realizados. Se muestran los resultados obtenidos, tanto para la embarcación sin bulbo como para la embarcación con el bulbo óptimo. Finalmente, en el capítulo 6, se dan las conclusiones resultantes del presente trabajo y las recomendaciones para trabajos futuros.