Hidrodinámica Numérica

CFD (Computational Fluid Dynamics)

El CEHIPAR dispone de herramientas para la simulación matemática con ayuda de ordenador, con técnicas de CFD (Computational Fluid Dynamics), adaptadas para la optimización de los proyectos de carenas y propulsores, previo a la realización de ensayos con el modelo.

Para la modificación de las formas de las carenas se dispone de herramientas para el cálculo del flujo alrededor de la carena a distintas velocidades. Es posible realizar cálculos de flujo potencial con superficie libre, de capa límite y con flujo viscoso, si bien este último cálculo está limitado únicamente a la mitad de popa del buque.

Para el diseño de propulsores se dispone de programas capaces de calcular por teoría de circulación el comportamiento de una hélice, aportando como resultados las fuerzas estacionarias y no estacionarias, su forma de cavitación, los armónicos generados e incluso las fluctuaciones de presión inducidas en la bovedilla por el funcionamiento de la hélice.

Características

Carenas

Para el estudio y modificación de las formas de las carenas se utilizan dos programas comerciales, SHIPFLOW de la empresa sueca Flowtech International y RAPID de MARIN en Wageningen (Holanda), junto con una gran cantidad de programas auxiliares desarrollados por el CEHIPAR que permiten enlazar estos programas con los sistemas de CAD/CAM existentes en el centro.

El programa SHIPFLOW permite la realización de cálculos potenciales lineales y no lineales por un método de paneles, cálculos de capa límite y cálculos de flujo viscoso por un método k-e en mitad de popa del buque. Incluye, entre otros, cálculos potenciales con superficies de sustentación, simulación de hélice activa y cálculos en aguas poco profundas.

El programa RAPID permite la realización de cálculos potenciales no lineales, incluyendo superficies sustentadoras.

Los principales resultados que se pueden obtener con los programas de cálculo de carenas son:

• Campos de presiones y velocidades sobre la carena y en la superficie del agua.
• Distribución de la ola sobre la superficie libre, en los cálculos potenciales.
• Perfil de la ola generada por el buque, en los cálculos potenciales.
• Líneas de corriente.
• Líneas límite de corriente.
• Distribución del coeficiente de fricción.
• Espesor de capa límite.
• Fuerzas de sustentación en superficies sustentadoras, en los cálculos potenciales.

Propulsores

Para el análisis del comportamiento de la hélice se utiliza tanto el método de la superficie de sustentación no estacionaria en su modalidad VLM como el método de paneles perfeccionando la descripción de la cavitación tipo lámina, el alineamiento de la estela de la hélice e introduciendo correcciones por viscosidad, por torbellino de punta de pala. Se puede calcular la interacción de la hélice con la carena utilizando un método de paneles de bajo orden y el método de las imágenes.

La validación parcial de los resultados, comparando con ensayos de modelos, demuestra una suficiente precisión de la predicción, en la mayoría de los casos prácticos. Se recomienda el uso de estos programas durante la fase inicial del proyecto del barco para mejorar sus prestaciones de forma cualitativa.

Los principales resultados que se pueden obtener con los programas de cálculo de propulsores son:

• Curvas características de la hélice y rendimiento en varios regímenes de funcionamiento en aguas libres.
• Empuje, potencia y rendimiento de la hélice funcionando detrás de la carena para un régimen de funcionamiento especificado.
• Las 6 componentes de los esfuerzos y momentos vibratorios sobre cada pala y el eje.
• La forma de cavitación lámina en distintas posiciones angulares de las palas.
• Los armónicos de cambio de volumen de las cavidades.
• La distribución de presión en la superficie de las palas.
• Las amplitudes de las presiones pulsatorias sobre la bovedilla.
• La distribución de la estela efectiva.

Resultados

Los resultados que se obtienen con los diferentes programas se pueden presentar gráfica o numéricamente.