5.2 Validación de la Configuración de Apéndices del Yate EIN
5.2.2 Ensayos en CFD
• Plataforma Computacional Utilizada
Para la realización de los ensayos por medio de un CFD, se eligió trabajar con el programa SHYNE, que es un Código CFD basado en la técnica del Cálculo Finitesimal para la integración de ecuaciones de Reynolds. La conveniencia que presenta este Código CFD en particular, es que permite que sus datos estén en interface con una plataforma computacional llamada GID. Esta plataforma GID es en sí un poderoso pre y postprocesador, lo que significa que es en el cual se define la geometría a procesar y se desarrollan de forma gráfica los resultados obtenidos por SHYNE, además es compatible con archivos geométricos de extensión .IGES, gracias a esto, es posible exportar hacia GID archivos desde Maxsurf para que sean mallados por éste. Lamentablemente, este tipo de Códigos CFD resultan muy costosos y aunque existen versiones demostrativas tanto para SHYNE y para GID, con las cuales el alumno pudo familiarizarse, estas versiones están limitadas en algunas de sus características, como en el número de nodos, que para el caso del SHYNE alcanzan los 7500 lo que es muy bajo como para hacer un estudio responsable y completo. Es por esto que, gracias a los contactos alcanzados a nivel de cooperación científica entre el Patrocinante de este Trabajo de Titulación, Dr. Richard Luco, y la oficina española de Ingeniería Naval y Diseño de Yates NAUTATEC, se consiguió que estos ensayos fueran hechos en esta oficina por el Ingeniero Naval Sr. Manuel López Rodríguez.
• Preproceso
Una vez leído el archivo geométrico por GID, comienza el trabajo de creación del volumen de control, que no es mas que una caja de seis paredes y de dimensiones finitas. A esta caja se le aplican las propiedades que definen el fluido especifico en el cual será ensayado el modelo geométrico del Yate EIN 25. En este caso las propiedades del fluido serán las siguientes:
• ν : 3 10 1× − m kg • γ : 1024 3 m kg • g : 9,81 2 s m
Estas propiedades se aplican en la cara superior del volumen de control ya que será nuestra superficie libre, a las paredes laterales, fondo y costado se les aplica una condición de absorción de energía, de tal manera que simulen un mar infinito. Por otra parte a la pared del frente de agua se le aplica la velocidad fija a la cual se realizará el ensayo, en nuestro caso los ensayos se realizaron a 1,028
s m , 2,057 s m , 087 , 3 s m , 3,60 s m y 4,116 s m , correspondientes respectivamente a 2, 4, 6, 7 y 8
( )
Kn . .A la pared del casco también se le debe aplicar una condición específica, que es la de pared extendida. Esta condición permite el deslizamiento del fluido sobre el casco, y así la ola propia puede desplazarse teniendo en cuenta la superficie del casco y todas las demás condiciones impuestas a ésta.
Una vez impuestas todas las condiciones de las distintas superficies, se comienza con el mallado de las mismas, solo hace falta especificar la densidad requerida del mallado, se puede hacer una discretización entre las componentes de la superficie que necesitarán mayor o menor densidad de mallado, dependiendo de la importancia para el estudio de cada componente de la superficie. En las siguientes Figuras, se muestra una imagen texturizada por GID tanto para EIN 25 con bulbo original
( )
Bα y EIN 25 con bulbo nuevo( )
Bβ .Figura 2.25
Figura 2.27 Mallado Ein 25 B α
Figura 2.28 Mallado Ein 25 Bβ
En las Figuras 2.27 y 2.28 se puede observar las diferentes densidades de mallado que se pueden utilizar. La malla más densa corresponde a la superficie del Yate que estará en contacto con el fluido, esto es timón y quillote, además de la superficie del casco que estará sumergida. Debido a que el EIN 25 se ensayó en condiciones de escora, deriva y trimado específicos, la asimetría del mallado en el casco es debida a la flotación de éste en estas condiciones.
Figura 5.29
Mallado de la Superficie Libre y EIN 25
En la Figura 5.29, se observa el conjunto del mallado de la superficie libre y el EIN 25, nuevamente se hace evidente la diferencia de densidad de mallado. Mientras que la capa de superficie libre que se encuentra más cercana al Yate EIN 25 presenta una mayor densidad de mallado, la que se encuentra alejada presenta un mallado más espaciado. Estas diferencias en la densidad o el tamaño del mallado permiten obtener resultados más fidedignos donde se requiera, sin incrementar el tiempo de cálculo. En la Figura 5.30, se puede observar de forma más clara este efecto desde una vista
Figura 5.30
Mallado de la Superficie Libre y EIN 25 desde Vista Cenital
Con el proceso de mallado y aplicación de propiedades a las superficies terminado, se da paso al cálculo efectuado por el código SHYNE, este proceso tarda generalmente horas en completarse.
• Postproceso
Una vez finalizado el proceso de cálculo en el código SHYNE, GID es capaz de presentar los resultados de forma gráfica. Ya sea en forma de distribución de presiones en distintas vistas, líneas de corriente a distintos calados, y mapas de olas. Además se cuenta con un registro numérico del comportamiento de la embarcación y sus componentes analizados. En las siguientes Figuras, se pueden observar las diferencias gráficas que presentaron los ensayos para el Yate EIN 25 con las dos configuraciones de apéndices analizadas para una V igual a S 8Kn. Es necesario notar que todos los ensayos se realizaron en condición de φ igual a O
20 , β igual a O
3 , Trim igual a O
2108 ,
1 y un ∆ igual a 1247kg. El ángulo de Trim corresponde al punto de equilibrio encontrado para el resto de las condiciones.
Figura 5.31
Figura 5.33
Distribución de Presiones desde Fondo EIN 25 B α
Figura 5.34
Figura 5.35
Figura 5.37
Distribución de Presiones desde Sotavento B α
Figura 5.38
Analizando los resultados expuestos en las Figuras que se han mostrado representando la distribución de presiones sobre la superficie del Yate EIN 25, y específicamente sobre sus apéndices, podemos decir que si bien sobre la nariz de B α
se extiende una zona de presiones altas mayor a la zona de presiones altas que presenta la nariz de Bβ, esto debido a un ángulo de ataque menos brusco de Bβ
respecto al de B , es este mismo ángulo más brusco el que estaría retardando la α
separación del flujo, al contrario de Bβ que al tener un menor ángulo de entrada que obliga a Bβextender la punta de su nariz más hacia proa respecto de B , estaría α
generando grandes zonas de presión en los bordes de ataque y salida del perfil hidrodinámico de la quilla debido a que presentaría una mayor separación del flujo respecto a la que se observa en B . Esto último es apreciable en las Figuras 5.37 y α
5.38. Por otro lado en la cara de barlovento (Figuras 5.35 y 5.36) se puede apreciar esta misma tendencia advertida en la cara de sotavento, al presentarse una zona de presiones en el extremo de salida del perfil hidrodinámico de Bβ que en el de B no se α
presenta. Sería este mismo efecto el que estaría afectando al perfil del timón en su raíz (timón correspondiente a Bβ), tal como se ve en las Figuras 5.31, 5.32, 5.33 y 5.34. Si bien las presiones resultarían menores tanto en la nariz como en la cola deBβ, la separación del flujo resultaría mayor y por ende contraproducente.
En las siguientes Figuras se muestran las líneas de corriente calculadas por SHYNE para calados de 1,2, 1,3, y 1,4m. En éstas se puede observar que para B las α
líneas de corriente tienen una tendencia a seguir de manera natural la forma de éste, al contrario de lo que sucede en Bβ, lo que vendría a ratificar lo expuesto anteriormente. Esto debido a las formas más planas de B , al contrario de la sección claramente α
circular que presenta Bβ. Este efecto se puede apreciar con claridad en la Figura 5.42, donde las líneas de corriente de Bβ se cruzan a la salida de su cola, lo que sería un indicio de formación de vórtices.
Figura 5.39
Líneas de Corriente para T =1,2
( )
m B αFigura 5.40
Figura 5.41
Figura 5.43
Líneas de Corriente para T =1,4
( )
m B αFigura 5.44
A continuación, se presentan los resultados numéricos para las distintas condiciones de ensayo arrojados por SHYNE.
Figura 5.45
Resistencia y Fuerza Lateral para EIN 25 B α
Figura 5.46
Resistencia y Fuerza Lateral para EIN 25 Bβ
Figura 5.47
Resistencia y Fuerza Lateral B α
Figura 5.48 S V
( )
Kn. FHX0( )
N FHY0( )
N 2 -30,544993 115,7597971 4 -110,219444 461,130803 6 -331,87801 977,139984 7 -515,85973 1290,159284 8 -690,7331 1749,22023 S V( )
Kn. FHX0( )
N FHY0( )
N 2 -30,79337 96,0560357 4 -108,63772 380,23633 6 -331,76064 790,312143 7 -513,3375 1050,640597 8 -685,9316 1447,612234 S V( )
Kn. FHX0( )
N FHY0( )
N 2 -3,334913 93,9887061 4 -13,551044 401,760513 6 -28,17701 851,944004 7 -34,04573 1060,035364 8 -38,2461 1304,8532 S V( )
Kn. FHX0( )
N FHY0( )
N 2 -3,66426 72,4773327 4 -13,98392 312,8931 6 -29,93764 665,641503 7 -35,6315 818,471967 8 -40,1196 1001,782224Los resultados mostrados en las Tablas de las Figuras 5.45, 5.46, 5.47 y 5.48 son los obtenidos para las condiciones de φ igual a O
20 , β igual a O
3 , Trim igual a O
2108 ,
1 y un ∆ igual a 1247kg. A continuación se presentan los resultados obtenidos para el Yate EIN 25 para la condición φ igual a 0O, β igual a 0O, Trim igual a 0O y un
∆ igual a 1247kg.
Figura 5.49 Resistencia EIN 25 B α
Figura 5.50 Resistencia EIN 25 Bβ
Si analizamos los datos numéricos entregados por SHYNE, podremos ver que para el conjunto Yate y apéndices, mostrados en las Tablas de las Figuras 5.45 y 5.46, a mayor velocidad, el conjunto EIN 25 Bβ no genera mucho menos resistencia
(
FHX0)
respecto al conjunto EIN 25 B , no obstante la pérdida de fuerza lateral α(
FHY0)
es mucho mayor en el conjunto EIN 25 Bβ que en el EIN 25 B . Esta pérdida de α FHY0 resulta mucho más importante ya que en Yates de tamaño pequeño como el EIN 25, resulta muy necesaria.S V