Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Naval ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE UNA SERIE DE FLAPS DE POPA EN UNIDAD DE DESPLAZAMIENTO Tesis para optar al Título de Ingeniero Naval, Mención Arquitectura Naval. PROFESOR PATROCINANTE: Sr. Marcos Salas Inzunza Lic. Ing. Naval; M. Sc.; Ph. D. PATRICIO ANDRÉS JIMÉNEZ RODRÍGUEZ VALDIVIA-CHILE 2009 Esta tesis ha sido sometida para su aprobación a la comisión de Tesis, como requisito para obtener el grado de Licenciado en Ciencias de la Ingeniería. La tesis aprobada, junto con la nota del examen correspondiente, le permite al alumno obtener el título de Ingeniero Naval, mención Arquitectura Naval. EXAMEN DE TITULO: Nota de presentación (Ponderada) (1) Nota de Examen (Ponderada) (2) Nota Final de Titulación (1+ 2) : .......................... : .......................... : .......................... COMISION EXAMINADORA: ............................................................... Decano ............................................... Firma ............................................................... Patrocinante ............................................... Firma ............................................................... Informante ............................................... Firma ............................................................... Informante ............................................... Firma ............................................................... Secretario Académico ............................................... Firma Valdivia,............................................................................................ NOTA DE PRESENTACION = NC x 0.6 + Nota Tesis x 0.2 NA NOTA FINAL = Nota de Presentación + Nota Examen x 0.2 NC: Sumatoria Notas Currículo, sin Tesis. NA: Número de asignaturas cursadas y aprobadas, incluida Práctica Profesional. “Tu corazón es libre, ¡ten el valor de seguirlo!” i ÍNDICE RESUMEN iv SUMMARY v NOMENCLATURA vi INTRODUCCIÓN vii CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN A LOS MECANISMOS DE EFICIENCIA HIDRODINÁMICA UTILIZADOS EN LA ZONA DE POPA 1.1 Generalidades 1 1.2 Principales mecanismos de eficiencia hidrodinámica de la zona de popa 1 1.3 Beneficios de los mecanismos de la zona de popa 1 1.4 Flaps de popa 2 1.4.1 Características geométricas 3 1.4.2 Breve análisis de los flaps de popa 4 1.5 Cuñas de popa (wedges) 5 1.5.1 Características geométricas 5 1.5.2 Breve análisis de las cuñas de popa 6 1.6 Sistema integrado cuña-flap 7 1.6.1 Características geométricas 7 1.6.2 Breve análisis del sistema integrado cuña-flap 8 1.7 Interceptores 8 1.7.1 Características geométricas 9 1.7.2 Breve análisis de los interceptores 9 CAPÍTULO II: FENÓMENOS HIDRODINÁMICOS Y CONSIDERACIONES DE DISEÑO EN LOS FLAPS DE POPA 2.1 Generalidades 11 2.2 Beneficios de los flaps de popa 11 2.3 Comportamiento del flujo en la zona de popa 12 2.3.1 Alteraciones provocadas en el flujo de la zona de popa 14 2.4 Cambio en el sistema de formación de olas 15 2.5 Interacción propulsiva 15 2.6 Modificación en el trimado 16 2.7 Reducción del desplazamiento aparente 16 ii 2.8 Variaciones de las fuerzas de lift y drag 16 2.8.1 Drag 17 2.8.2 Lift 17 2.8.3 Formulas de Brown 18 2.9 Efecto escala de un flap de popa e influencia de los fenómenos viscosos 19 2.10 Utilización de los flaps como correctivos de navegación 20 2.11 Consideraciones para el diseño 21 2.11.1 Rango de dimensiones para los flap 22 2.11.2 Superficie del flap 22 2.11.3 Dificultades en la aplicación de un flap de popa estándar a un espejo curvada 24 CAPÍTULO III: INTRODUCCIÓN PARA EL ENSAYO EXPERIMENTAL 3.1 Generalidades 26 3.2 Características del Canal de Pruebas Hidrodinámicas 26 3.3 Descripción general de la embarcación en estudio 27 3.4 Descripción del modelo a ensayar 28 3.4.1 Escala del modelo 28 3.4.1.1 Bloqueo de Canal 29 3.4.1.2 Tensión superficial y velocidad de remolque 30 3.4.2 Dimensiones del modelo 31 3.4.3 Construcción del modelo 31 3.4.4 Determinación del punto remolque del molde 33 3.4.5 Definición de los estimuladores de turbulencia 34 3.5 Selección de la serie de flaps 35 3.5.1 Definición de Envergadura (SF) 35 3.5.2 Cuerda (CF) 36 3.5.3 Ángulo (αF) 37 3.5.4 Otras consideraciones 37 3.5.5 Resumen de la serie de flaps a ensayar 37 3.5.6 Construcción de los flaps de popa 38 3.6 Extrapolación de resultados 42 3.6.1 Resistencia del prototipo en condición de casco desnudo, Rpc 42 3.6.2 Resistencia del prototipo en condición de pruebas, Rpp 43 3.6.2.1 Resistencia por apéndice, Rap 43 3.6.2.2 Resistencia por aire, Ra 43 iii CAPÍTULO IV: RESULTADOS Y ANÁLISIS DEL ENSAYO EXPERIMENTAL 4.1 Objetivos 45 4.2 Generalidades 45 4.3 Resultados de la etapa Nº 1 de los ensayos 47 4.3.1 Resultados tabulados 47 4.3.2 Gráfico de los resultados 50 4.3.3 Tabla de los resultados 53 4.4 Resultados de la etapa Nº 2 de los ensayos 4.4.1 Resultados tabulados 53 54 4.4.2 Curvas de absorción de potencia en condición de viaje de pruebas 56 4.4.3 Resultados tabulados de la extrapolación 61 4.4.3.1 EHP versus velocidad, condición de viaje de pruebas 62 4.4.3.2 EHP versus velocidad, condición de canal de pruebas 63 4.4.3.3 Variación de la velocidad, condición de viaje de pruebas 64 4.5 Análisis de los resultados 65 4.5.1 Análisis del flap de 0º 65 4.5.2 Análisis del flap de 5º 66 4.5.3 Análisis del flap de 10º 66 4.5.4 Análisis del flap de 15º 67 4.6 Recomendaciones para futuros estudios CONCLUSIÓN 67 69 ANEXO I: BASE DE DATOS DE FLAPS ENSAYADOS EN MODELOS DE EMBACACIONES MILITARES 70 ANEXO II: CONSTRUCCIÓN DEL MOLDE Y EL MODELO EN PRFV 73 BIBLIOGRAFÍA 76 iv RESUMEN Los efectos de una serie de flaps de popa, en el rendimiento hidrodinámico de un casco de desplazamiento, fueron evaluados mediante ensayos en el canal de pruebas hidrodinámicas de la Universidad Austral de Chile. Se obtuvieron configuraciones de flaps de popa de envergadura y cuerda fija, con variación del ángulo de flap. Se evaluaron velocidades típicas de la embarcación, para verificar los rangos de velocidad en que es ventajoso o perjudicial la instalación de estos apéndices. Los ensayos se realizaron con trimado fijo, condición aceptable en el rango de velocidades estudiado y dada la relativa esbeltez del casco ensayado. También fue evaluado el rendimiento del casco sin flap, con el objetivo de comparar los efectos obtenidos, de cada configuración de flaps. Las principales características de los flaps ensayados, fueron obtenidas de las recomendaciones de diseño existentes, las cuáles provienen principalmente de la experiencia en el diseño en embarcaciones militares y naves de desplazamiento. Los resultados fueron potencialmente beneficiosos, no obstante, estos deben ser eventualmente comparado con ensayos en canales virtuales (CFD) e idealmente ratificado con pruebas a escala real. v SUMMARY The effects of a series of stern flaps, in the hydrodynamic performance of a displacement hull, were evaluated by means of tests in the Austral University of Chile Towing Tank. Configurations of stern flaps of fixed span and chord with variation of the flap angle, were obtained. Typical speeds of the surface, were evaluated to verify the speed ranks in which it is advantageous or detrimental, the installation of these appendices. The tests were realized with fixed trim, condition acceptable in the range of speeds studied and given the slenderness relative of the tested hull. Also, the performance of the hull without flaps, was evaluated with the intention of comparing the obtained effect, for each configuration of flaps. The main characteristics of the tested flaps, were obtained from the existing recommendations of design, which mainly come from the experience in the design in military vessels and displacement ships. The results were potentially beneficial, however, these must be compared with tests in virtual tanks (CFD) and ideally ratified with tests on full scale. vi NOMENCLATURA Loa : eslora total Lpp : eslora entre perpendiculares Lwl : eslora de línea de agua Bmax : manga Bwl : eslora de línea de agua D : calado T : puntal ∆ : desplazamiento S.M. : superficie mojada LCF : posición longitudinal del punto de flotación Fn : número de Froude FN ∇ : número de Froude de desplazamiento Rn : número de Reynold AP : perpendicular de popa FP : perpendicular proa CFD : Computational Fluid Dynamics EHP : Effective Horse Power m : metros s : segundos V : velocidad λ : escala modelo vii INTRODUCCIÓN Lograr las mejores condiciones de navegación, es un objetivo permanente que busca un arquitecto naval. Para todos los tipos de embarcaciones, existen recursos que permiten brindar confort a los tripulantes y hacer un uso económico del combustible. Incorporaciones estructurales de varios tipos y configuraciones, han sido implementadas para varios tipos de naves marinas, en función de mejorar el rendimiento de consumo de energía propulsora. Uno de los mecanismos que buscan mejorar la navegación, son los flaps de popa. Los flaps de popa representan una extensión del casco, a popa del espejo, con forma de una placa plana. El flap está montado en el espejo, a un ángulo relativo del fondo del casco, en la línea de centro de la embarcación. La aplicación de un flap de popa provoca modificaciones en el flujo de salida del casco, las cuales a cierto rango de velocidades provocan eficiencia hidrodinámica. El origen de este mecanismo comienza con la segunda guerra mundial con la aplicación de cuñas de popa en patrulleras de la armada alemana. Es a inicios de los años de 1980 en que esta aplicación se da en embarcaciones de guerra del tamaño de fragatas y destructores (aproximadamente 3.000 a 10.000 toneladas de desplazamiento). Actualmente, los flaps de popa y mecanismo similares a éste, como cuñas de popa (wedge) o del sistema integrado wedge-flap, son aplicados a diversos tipos de embarcaciones. Los flaps de popa se suelen instalar de mayor manera en embarcaciones de placer y de planeo, en los cuales son accionados mediante un pistón hidráulico, o bien se llevan de manera fija al casco. Análisis teóricos y ensayo de modelos han mostrado que la aplicación de este apéndice puede decrecer significativamente la resistencia al avance. En la presente tesis se realizó un análisis de los principales mecanismos de eficiencia hidrodinámica utilizados en la zona de popa. Estos fueron: flaps de popa, cuñas de popa, sistema integrado cuña-flap e interceptores. Con respecto a los flaps de popa, se profundizó en la teoría de los fenómenos que provocan sobre una embarcación, además se estudian las consideraciones de diseño existentes. En conjunto a esto, se llevó a cabo un análisis experimental de una serie de flaps de popa, en una unidad de desplazamiento, que corresponden a las formas de una embarcación moderna. Los experimentos fueron realizados en el Canal de Pruebas Hidrodinámicas, perteneciente al Instituto de Ciencias Navales y Marítimas de la Facultad de Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Austral de Chile. viii Este análisis constó de dos etapas. En la primera se realizó el ensayo de resistencia al avance del modelo a casco desnudo y, luego, con la presencia de la serie de flaps al casco. Estos ensayos se realizaron sin la utilización de estimuladores de turbulencia, debido a que estos resultados fueron recopilados para ser ocupados en un estudio de correlación, a escala del modelo, con un CFD. La modelación en el CFD no se encuentra dentro de este estudio, sino es parte de otro que se ejecuta paralelo a éste. La segunda etapa de este estudio se realizó la repetición de los mismos ensayos con respecto a la primera, pero esta vez, con la presencia de estimuladores de turbulencia. Estos datos fueron extrapolados, para así realizar el análisis cuantitativo y cualitativo de la influencia de los flaps de popa ante la embarcación en estudio. Al igual que la primera etapa, estos valores serán comparados con resultados arrojados por un CFD. 1 CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN A LOS MECANISMOS DE EFICIENCIA HIDRODINÁMICA UTILIZADOS EN LA ZONA DE POPA 1.1 Generalidades A continuación se dan a conocer algunos mecanismos hidrodinámicos que son utilizados para introducir mejoras en la navegación. Háblese de mejoras en la navegación a todo aquello que aporte a: • El confort para los tripulantes en la navegación • El mejoramiento en la maniobrabilidad • La disminución en la resistencia al avance 1.2 Principales mecanismos de eficiencia hidrodinámica de la zona de popa Existen diversas clases de apéndices que al ser instalados en las embarcaciones provocan mejoramientos hidrodinámicos. Estos pueden llegar a tener diversos tipos de clasificación, siendo una de éstas según su ubicación y zona de influencia con respecto al casco. Haciendo referencia a esto, existen apéndices que se agrupan por tener influencia y ubicarse en la zona de popa de las embarcaciones. En esta zona los dispositivos de eficiencia hidrodinámica más reconocidos y aplicados son: • Flaps de popa • Cuñas de popa (wedges) • Sistema integrado cuña-flap • Interceptores 1.3 Beneficios de los mecanismos de la zona de popa. La presencia de estos mecanismos crea una disminución de la velocidad del flujo bajo el casco en una localización extendida desde el espejo del barco a un punto generalmente a proa de las hélices, cuando el sistema propulsivo está compuesto por 2 éstas. El decrecimiento de la velocidad del flujo causará un incremento en la presión lo que conlleva a lo siguiente: • Una resistencia o drag sobre el mecanismo mismo • Una fuerza hacia proa que actúa sobre la popa de la nave • Un mayor empuje sobre la popa de la nave El drag sobre el flap, la cuña o el sistema integrado cuña-flap, incrementa la potencia requerida para el avance de la nave. La fuerza hacia proa, generada sobre la popa de la nave, es mayor que el drag, y ésta es la principal causa de los beneficios de potencia; estimándose que en algunos casos este empuje constituye más del 50% del beneficio de potencia. La fuerza de empuje generada sobre la popa de la nave resulta en una disminución del ángulo de trimado y una ligera subida en el centro de gravedad relativo a la superficie de agua. Generalmente, este empuje contribuye un 10% a 20% de la disminución de potencia. Además, el sistema de olas en la popa es modificado constatándose una disminución en el tamaño y perturbación en la estela. Este efecto puede representar un 10 a 20% de la energía disminuida. Para la aplicación del flap solo o sistema integrado cuña-flap, hay un alargamiento físico de la línea de agua de la embarcación, lo cual contribuye a la reducción de la resistencia por olas [1]. 1.4 Flaps de popa Un flap de popa es una extensión del fondo del casco a popa del espejo. Éste es un apéndice construido de una placa ubicada en el espejo con un ángulo relativo al fondo de la embarcación. La interacción con el casco causa variaciones en el trimado, reduce la resistencia a la propulsión y aumenta la velocidad máxima alcanzable. La eficiencia que puede llegar a producir un flap de popa al estar sometido a la interacción con el casco está estrechamente relacionada con sus características geométricas y su disposición en la zona de popa. Este apéndice, como se muestra en la figura 1.1 de la página siguiente, comienza en el borde inferior que conforman la unión del espejo y el fondo del casco, y se extiende hacia popa del espejo. 3 1.4.1 Características geométricas Los parámetros principales para el diseño de la geometría de un flap de popa son: -Cuerda (CF) : es la extensión longitudinal del flap y es medida, como se indica en la figura 1.1, midiendo la distancia del flap en la parte inferior. El valor es representado en porcentaje de Lpp -Envergadura (SF) : es la medida transversal del flap, como se muestra en figura 1.2 -Ángulo (αF) : es el ángulo entre la superficie inferior del flap en relación con el fondo del caso, tal como se presenta en la figura 1.1 Figura 1.1: Vista longitudinal, características geométricas de un flap de popa, t (espejo) Figura 1.2: Vista horizontal, características geométricas de un flap de popa, DWL (línea de flotación) 4 Existen características secundarias de las formas de un flap, pero no menos importantes e influyentes, tales como: • Forma de los bordes extremos • Las variaciones transversales del espesor • El acabado de empalme de flap con el casco • Terminación de los bordes transversales 1.4.2 Breve análisis de los flaps de popa La aplicación de flaps es mayoritariamente en naves de planeo, esto debido a que produce notables variaciones en el trimado de éstas. Estos mecanismos han tenido también buenos resultados en embarcaciones de desplazamiento, distinguiéndose las naves militares tipo destructores y fragatas. Como regla general, son un mecanismo eficaz para reducir la resistencia al avance a velocidades correspondientes a Fn > 0,2. Como se dijo en el punto 1.4.1 uno de los parámetros principales para el diseño de la geometría de un flap de popa es la cuerda. Como regla general, cuando se dispone de flaps con “cuerdas largas” se produce una mayor penalidad de resistencia a bajas velocidades, y el punto de transición en el cual el flap empieza a ser óptimo se retrasa a una velocidad mayor. Pero en compensación, la reducción de resistencia a altas velocidades es mayor [2]. De forma similar como ocurre en la variación de la cuerda, el aumento del ángulo produce un incremento en la resistencia a bajas velocidades y también retrasa el punto de transición donde empieza a ser efectivo el flap, también se constata con una mayor eficiencia a altas velocidades. Para navegar con ángulo adecuado de flap a distintas velocidades se han creado sistemas de flaps ajustables, los cuales permiten regular el ángulo según las condiciones de navegación. Hacer modificaciones de las dos variables del flap nombradas anteriormente, cuerda y ángulo, pueden producir cambios en el trimado, creando un momento que reduce el calado de la proa. Esto puede llegar a ser útil para alterar las condiciones de flujo en esta zona, lo que traería beneficios adicionales en el rendimiento hidrodinámico, cabe mencionar que el cambio en el trimado no es relevante en cascos de desplazamiento. 5 1.5 Cuñas de popa (wedges) A diferencia de los flaps, este tipo de apéndice no es una extensión a popa del espejo del casco, sino una protuberancia que su ubica debajo del casco en la zona de popa, lo que provoca una modificación local en las líneas de fondo donde se ubica. En similitud con los flaps, las cuñas de popa causan variaciones en el trimado, reduce la resistencia a la propulsión y aumenta la velocidad máxima alcanzable. Como se muestra en la figura 1.3 una cuña de popa comienza en un lugar a proa del espejo y termina en el espejo mismo. La totalidad de la cuña se encuentra bajo el fondo del casco. 1.5.1 Características geométricas Los parámetros principales para el diseño de la geometría de una cuña de popa son los siguientes: -Cuerda (CW) : es la distancia longitudinal y es medido, como es mostrado en el diagrama de la figura 1.3, midiendo la distancia de la cuña en la zona inferior. El valor es representado en porcentaje de Lpp -Envergadura (SW) : es la medida transversal del flap, ver figura 1.2 -Ángulo (αW) : el ángulo de la superficie inferior de la cuña en relación al fondo del casco, tal como muestra la figura 1.3 Figura 1.3: Vista horizontal, características geométricas de una cuña de popa, t (espejo) 6 Figura 1.4: Vista horizontal, características geométricas de una cuña de popa, DWL (línea de flotación) 1.5.2 Breve análisis de las cuñas de popa Los mejores resultados de las cuñas se dado en embarcaciones de desplazamiento mediano y alto. Se ha demostrado que las cuñas tienen una menor eficiencia hidrodinámica que el flap. Esto es atribuido principalmente a que las cuñas tienen un menor impacto en el coeficiente de estela del casco. Su efectividad suele comenzar en el rango de velocidades de 0,23 < FN< 0,35. Su efectividad empieza a decaer en el rango de 3,0 < FN ∇ < 4,0. Algunas consideraciones de diseño son: • Las cuñas con más cuerda producen los mayores efectos positivos • Para cuerdas grandes no se recomienda colocarlas a grandes ángulos, ya que cuanto mayor sea éste, menor será su rango de efectividad y mayor la penalidad a bajas velocidades • En general no se recomienda utilizar cuñas con ángulos mayores a 10º. En embarcaciones de poco desplazamiento es factible colocar cuñas con mayores ángulos Las cuñas de popa suelen ser más efectivas en embarcaciones de mayor manga debido a que la fuerza de lift es función de la relación de aspecto de un casco (L/B), lo que hace que sean eficientes en un mayor rango de velocidades [2]. 7 1.6 Sistema integrado cuña-flap Este sistema, como su nombre lo refleja, es la unión o fusión de los dos apéndices nombrados anteriormente. La combinación cuña-flap provoca mayores beneficios hidrodinámicos con respecto a los beneficios producidos actuando cada uno en forma individual. Como se muestra en la figura 1.5 el sistema cuña-flap comienza en un lugar a proa del espejo, y se extiende hacia popa del espejo. 1.6.1 Características geométricas -Cuerda (CW-F) : el valor es representado en porcentaje de Lpp. CW-F es equivalente a la suma de la cuerda de la cuña y a la del flap, ver figura 1.5 -Envergadura (SW-F): es la medida transversal del flap, tal se indica en la figura 1.6 -Ángulo (αW-F) : el ángulo de la superficie inferior del sistema cuña-flap en relación al fondo del casco, tal como muestra la figura 1.5. Además en esta figura se aprecia que el αW-F, αW y αF son todos equivalentes, ver figura 1.5 Figura 1.5: Vista longitudinal, características geométricas de un sistema integrado cuña-flap, t (espejo) 8 Figura 1.6: Vista horizontal, características geométricas de un sistema integrado cuña-flap, DWL (línea de flotación) 1.6.2 Breve análisis del sistema integrado cuña-flap Para que el sistema integrado cuña flap de popa tenga un buen rendimiento, se recomienda que alguno de los dos miembros deba tener una cuerda larga, ya sea el flap o la cuña. A pesar de eso, en cualquiera de los casos se van a presentar ventajas y desventajas desde el punto de vista hidrodinámico. En el caso de una cuña con cuerda larga, se produciría una gran inmersión de la zona del espejo, y con ello un mal desempeño que incrementaría la penalidad a bajas velocidades. Un flap de cuerda larga produce dificultades de diseño, debido a que se deben diseñar uniones más resistentes debido a los esfuerzos que están presentes en el flap. Por otro lado, un flap con ángulo muy grande generaría valores de drag altos, y consecuentemente, componentes de resistencia muy altas [2]. 1.7 Interceptores Son placas verticales ajustables en el fondo del espejo, normalmente una a babor y una a estribor o una en cada casco en el caso de un catamarán. El efecto de un interceptor puede ser un efecto similar a un flap y cuña de popa. Los interceptores suelen ser utilizados en los ferrys rápidos. Montar los sistemas convencionales de flaps en las naves veloces es dificultoso ya que habitualmente no hay espacio en popa para apéndices. De ahí la conveniencia de la aplicación de los interceptores en algunos tipos de naves. 9 1.7.1 Características geométricas -Envergadura (SI) : medida transversal interceptor, ver figura 1.8 -Altura (h) : es la longitud vertical del interceptor, ver figura 1.7 Figura 1.7: Vista longitudinal, características geométricas de un interceptor, t (espejo) Figura 1.8: Vista horizontal, características geométricas de un interceptor, DWL (línea de flotación) 1.7.2 Breve análisis de los interceptores El funcionamiento, como su nombre lo indica, se trata de interceptar el flujo de agua que pasa por debajo de la carena. El área del interceptor tiene un efecto de desaceleración sobre el flujo del espejo lo que incrementa la presión del mismo a popa del espejo, similar efecto del flap y sus similares, ver figura 1.9 [9]. 10 Figura 1.9: Vista longitudinal, comparación de flujo alterado por los mecanismos de popa, t (espejo) 11 CAPÍTULO II FENÓMENOS HIDRODINÁMICOS Y CONSIDERACIONES DE DISEÑO EN LOS FLAPS DE POPA 2.1 Generalidades El presente capítulo presenta la información necesaria para entender el fenómeno del flap y sus beneficios sobre una embarcación. También se detallan consideraciones y recomendaciones de diseño que existen para éste. 2.2 Beneficios de los flaps de popa Un flap modifica el trimado de las naves menores y rápidas, causando la disminución del calado de popa y el aumento del calado de proa, es decir un cambio positivo del trimado. La primera idea fue que el cambio de trimado era el único factor que llevaba a beneficiar al comportamiento de la nave. Pero esto era sólo una parte de la razón del mejoramiento del rendimiento que se lograba en una nave ya que existen otros factores que hacen beneficioso la utilización de un flap. Estos factores son: • La fuerza de lift desarrollada • Decrecimiento de la velocidad y aumento de la presión del flujo de la zona de popa • Reducción de la energía del campo lejano de las olas (reducción del tren de olas) • Reducción de la energía del campo cercano de las olas (reducción de la altura de ola y pendiente) • Aumento de la eslora efectiva del barco • Disminución del desplazamiento dinámico de la nave Sumado a esto, un flap de popa puede generar mejoras en las características de cavitación, reducir el ruido propulsivo y niveles de vibración. 12 Análisis teóricos y modelos ensayados de cascos de desplazamiento de alta velocidad y naves de planeo, han mostrado que los flaps de popa pueden disminuir significativamente la potencia efectiva (EHP) y la potencia antes de la hélice (DHP). La eficacia del flap de popa es dependiente del número de Froude. Fn = V / √(gL) Éste ha mostrado que en naves pequeñas veloces el uso de un flap de popa puede producir una reducción de hasta 11% en resistencia y 14% en potencia liberada (DHP), cuando se encuentra dentro del rango de 0,50 < Fn < 0,90. En el máximo Fn, este puede beneficiar hasta un incremento de 5 a 7% en velocidades altas y unos 2º de cambio máximo en el trimado. Entre 0,26 < Fn < 0,30, un flap de popa tiene un efecto neutro sobre la resistencia de las naves. Por debajo de 0,26 < Fn, el flap incrementa la resistencia de las naves. Debido a que el efecto de un flap varia con la velocidad, el diseño de éste es un compromiso entre el mejoramiento del rendimiento en velocidades medias y altas, con la minimización de las penalidades en velocidades bajas [4]. La adaptación de un flap produce un aumento de la eslora de la línea de agua efectiva de la nave y tiene directa relación con la cuerda del flap. El incremento de eslora es el del orden de 0,5 y 2,5% de Lpp y tiene un importante efecto en la resistencia por formación de eslora. 2.3 Comportamiento del flujo en la zona de popa Excesiva altura de ola y turbulencia representan pérdida de energía en el flujo de la zona de popa de una nave. Una gran cantidad de información cualitativa puede ser obtenida sobre el comportamiento de un flap de popa mediante la observación de sus efectos sobre flujo de salida del espejo. La manera en que el flujo se comporta en la zona de popa puede ser dividida en tres fases: • De baja velocidad • De transición • De alta velocidad 13 Para la fase de baja velocidad, la zona del espejo y el flap están completamente mojados y el flujo no presenta separación del casco. La resistencia al avance es relativamente alta, debido a la gran superficie mojada y la significativa formación de vórtices. A medida que aumenta la velocidad, el espejo está cada vez menos sumergido y menos agua tiende a fluir por encima del flap. En la fase denominada como la de transición, donde ocurre el cambio de fase de baja velocidad al de alta velocidad, en un rango pequeño de velocidades, el flujo en la zona de popa pasa por un estado transitorio, periódicamente separándose libre del espejo del flap y luego retrocediendo para mojarlo nuevamente. Por lo general, este rango de velocidades se ubica entre 0,3 < FN < 0,6. En la tercera fase la de alta velocidad, el flujo se separa libremente, en forma ordenada del borde exterior del flap. La velocidad en la que comienza la fase de alta velocidad depende de algunos factores como: • El desplazamiento de la nave • El trimado de la nave • El diseño e inmersión de la zona del espejo • Y, obviamente, del diseño del flap En la figura 2.1 se puede apreciar el efecto de un flap sobre el flujo de salida de un modelo ensayado de la patrullera USCG Island Class 11 WPB. Las fotografías comparativas pertenecen a la velocidad de 16 nudos, y la aplicación del flap beneficia a la nave con un incremento de 2 nudos de velocidad. El comportamiento del flujo de la zona de popa fue considerablemente alterado por el flap sobre velocidades desde 12 a 20 nudos [3]. 14 Figura 2.1: Ensayo del modelo de la patrullera USCG Island Class 11 WPB. arriba: modelo a casco desnudo. abajo: con flap de popa, en condición de máxima carga, 16 nudos [3] 2.3.1 Alteraciones provocadas en el flujo de la zona de popa La presencia de un flap provoca la reducción de la velocidad del flujo en la zona de popa, lo cual conlleva a un aumento de la presión debajo del casco en la misma zona. Se ha encontrado que los flaps pueden producir variaciones en el flujo en una extensión entre 5% y 15% de Lpp, y aumentos de presiones de hasta 0,3 Kg/cm2 en la zona de espejo y 0,04 Kg/cm2 en la zona de la hélice a velocidades cercanas a Fn igual a 0,4. Sumado a esto, el aumento de la presión dinámica genera bajo el casco, en la zona de popa, una fuerza de sustentación con una componente en sentido del movimiento de la nave, lo cual ayuda a contrarrestar el arrastre que es generado en la zona de popa. Con los distintos estudios realizados se ha observado que la velocidad del flujo en el borde de salida del flap, es mayor al de la nave sin flap. Este incremento produce una reducción sustancial de la velocidad de separación del flujo, lo que genera una 15 separación más ordenada de éste, y se traduce en una reducción de vórtices, lo cual esta relacionado con la resistencia de origen viscoso. 2.4 Cambio en el sistema de formación de olas En general, el flujo que se encuentra en la zona del espejo se ve afectado por pérdida de energía del campo próximo al casco debido a fenómenos de origen de presión viscosa. La aplicación de un flap provoca en el flujo de esta zona una disminución de: altura de ola, pendiente y posición de la primera cresta de ola, en la salida del espejo, y cantidad de “espuma” (ver figura 2.1) en las olas de salida de los bordes del flap. Los estudios realizados reflejan una disminución en la altura de las superficies libres de las olas presentes en el campo lejano del casco. Este fenómeno se presenta a partir de las velocidades medias de la fase de transición (0,3 < FN <0,6). Esta disminución de altura produce una reducción en el coeficiente de formación de olas a velocidades equivalentes. En el estudio “Stern Flap Powering Performance on the PC 1 Class Patrol Coastal, Full Scale Trials and Model Experiments”, realizado por Dominic Cusanelli a una lancha patrullera de 33,5 m de Lpp, se presentan resultados de la altura de ola para las velocidades de 20 y 28 nudos, donde se registran disminuciones de formación de olas máximas de 2,2 y 8,8% respectivamente [2]. 2.5 Interacción propulsiva Los ensayos realizados muestran que el factor de estela, 1-W, puede reducirse de un 1 a 3% con la instalación de un flap, producido por la variación en la distribución de presión en la zona de popa explicada anteriormente. Se han encontrado mejoras en el rendimiento propulsivo del orden de 2 a 4%, aportando a la eficiencia hidrodinámica de la hélice. Los estudios, en general, muestran que los flaps no alteran el factor de succión. Recordemos que con el hecho de disminuir la potencia requerida, se pueden obtener beneficios no tan solo de ahorro de combustible, sino también de disminución o prevención de vibraciones y de ruidos excesivos. El aumento de presión generado en la zona de la hélice puede reducir los niveles de cavitación y los perjuicios que conlleva ésta al sistema propulsivo: erosión de las palas de la hélice y pérdida de empuje [1]. 16 2.6 Modificación en el trimado La aplicación de un flap de popa es una alternativa para modificar el trimado de una nave y tiene una influencia significativa en embarcaciones de planeo. Este tema es mayormente analizado en embarcaciones con flaps móviles, en los cuales es importante conocer los ángulos de flap óptimo a lo largo del rango de velocidades. La fuerza de sustentación vertical causada por un flap, en conjunto con al aumento de distribución de presión en la zona de popa, produce modificaciones en el trimado. La mayor efectividad en relación a este factor se encuentra en 1,0< FN ∇ <4,0 [2]. Las naves de planeo, las cuales registran velocidades en el rango Fn igual a 0,9, experimentan grandes cambios en el trimado (hasta 2º), mientras que las embarcaciones de desplazamiento, como destructores y fragatas, registran cambios de trimado en el orden de solamente 0,2º. El lift de una nave de planeo, y el drag inducido asociado, son notablemente afectados por los cambios de trimado. Principalmente este cambio en el trimado es el que reduce la resistencia en las naves de planeo [5]. 2.7 Reducción del desplazamiento aparente Un flap produce una disminución del desplazamiento. Esto es causado por la generación de la fuerza de sustentación vertical producida por el flap. En embarcaciones de desplazamiento, esta disminución alcanza un valor promedio de 0,5% del desplazamiento original a lo largo del rango de velocidades, por lo que no tiene mayor efecto en la reducción de la resistencia al avance. Sin embargo, en embarcaciones de planeo la influencia de este aspecto es mayor, debido a la disminución de la superficie mojada principalmente, y en donde estas disminuciones están relacionadas con los cambios de trimado producidos por los flaps [1]. 2.8 Variaciones de las fuerzas de lift y drag Un flap de popa en todas las condiciones generará una fuerza de lift y drag sobre la embarcación. En embarcaciones de desplazamiento, estas fuerzas son pequeñas en comparación con el desplazamiento de la nave. 17 2.8.1 Drag La variación de la fuerza de drag, se debe a las distintas velocidades de separación, que tiene el flujo en las fases de su comportamiento. EL drag tiene un sentido contrario al avance de la nave, ver figura 2.2. Los valores altos de drag, se generan en el rango de bajas velocidades y disminuye a medida que aumenta la velocidad y se logra una mayor uniformidad en la separación de flujo. La drag varía según la inmersión de flap (su geometría en general) y del desplazamiento de la nave. 2.8.2 Lift La fuerza de lift, o de sustentación, es mayor que la fuerza de drag producida por un flap. El lift tiene un sentido vertical y perpendicular al drag, ver figura 2.2. Al igual que el drag, el lift está directamente influenciado por el desplazamiento de la nave y la geometría e inmersión del flap. A mayores desplazamiento se tendrá coeficientes de mayor valor a altas velocidades, en cambio, en embarcaciones de menor desplazamiento se obtendrá la mejor efectividad de esta fuerza a velocidades intermedias [2]. Figura 2.2: fuerzas generada por el aumento de presión en la zona de popa FL = fuerza de lift FD = fuerza de drag FH = fuerza horizontal con dirección al avance y opuesta a la fuerza de drag -∆V = decrecimiento de velocidad causada por el flap +∆P = aumento de presión causado por -∆V 18 2.8.3 Formulas de Brown Brown en su investigación: An Experimental and Theorical Study of Planning Surfeces with Trim Tabs (1971), analizó los efectos de los flaps en embarcaciones de planeo, determinó que el lift y drag producidos pueden ser calculados usando las siguientes ecuaciones: ∆F = 0,046* CF*αF* σ*b*(ρ/2)*V2 (2.1) DF =0,0052* ∆F*(T+ αF) (2.2) Donde: ∆F = lift del flap, libras DF = drag del flap, libras CF = cuerda del flap, pies σ = relación envergadura-manga αF = ángulo del flap, grados b = manga, pies T = trimado, grados V = velocidad, pies/seg ρ = densidad del agua, slugs/pies3 El centro de presión del lift actúa a 60% de la cuerda a proa del borde de salida del flap [3]. De manera general, el aumento de la fuerza del lift hidrodinámico produce un incremento en la fuerza de drag formado en el orden de ∆*tan(T), donde ∆ es la fuerza de lift total de la nave (incluida la producida por el flap) y que en total es igual al peso de la nave. Además, la presión del flap causa un drag. Como se expresa en la fórmula (2.1), la presión del flap causa un drag que es proporcional al lift producido. El momento hidrodinámico del flap medido en su borde de salida está dado por: MF = ∆F [0,6*b+CF*(1- σ)], libras-pies (2.3) Para los flaps ajustables, el torque requerido para mantener el flap reflectado contra la presión hidrodinámica, también conocido como momento de giro, está dado por la siguiente ecuación: HF = 0,139* ∆F* LF, libras-pies (2.4) 19 Las ecuaciones para determinar el lift del flap, ecuación 2.1, y el momento de giro, ecuación 2.4, para embarcaciones de planeo, han sido validadas para los siguientes rangos de aplicación: • CF, % de LPP 0 a 10 • αF, grados 0 a 15 • T, grados 0 a 10 • Coeficiente de velocidad (Cv =V/√(g*BT) 2a7 BT: manga del espejo 2.9 Efecto escala de un flap de popa e influencia de los fenómenos viscosos Basado en experiencias anteriores, el comportamiento del flap de popa a escala real, genera un rendimiento mayor al de la predicción de su modelo a escala. Los viajes de pruebas, indican que el ensayo del modelo generalmente tiende a bajar la predicción del comportamiento del flap en el rango de aproximadamente el 2% hasta más de 12%, con las más grandes discrepancias en las velocidades más bajas del rango de velocidad en estudio. Esto se atribuye a la presencia fenómenos viscosos, los cuáles no se reproducen exactamente a escala, dado que los ensayos de canal se realizan a iguales FN entre la embarcación real y el modelo. Las investigaciones señalan que el efecto de escala del flap de popa tiene una fuerte dependencia del número de Reynolds [3]. La presión bajo casco varía en función de la escala del modelo. Es probable que la efectividad de un flap sea mitigado por el mayor grosor de la capa límite asociado a las pruebas con modelos muy pequeños (la capa límite es mucho más delgada a factores de escala altos). Por medio de modelaciones computacionales, se ha demostrado que la componente por resistencia por presión viscosa alrededor de la zona de popa, tiene un importante efecto asociado a diferentes números de Reynolds. En la figura 2.3 de la siguiente página, perteneciente al documento: “Stern Wedges and Stern Flaps for Improved Powering” presentado durante el encuentro anual de la SNAME del año 1999, se puede observar como varía la presión en la línea de crujía de una nave simulada a distintos RN. 20 Figura 2.3: Presión local medida en la línea de crujía en la zona de popa bajo la acción de un flap a distintos números de Reynolds 2.10 Utilización de flaps de popa como correctivos de navegación Existen dos tipos de instalación de los flaps, los de ángulos fijos y ángulos móviles. Los flaps móviles, son utilizados generalmente en embarcaciones de alta velocidad y están diseñados para condiciones difíciles de navegación, ver figura 2.4. Con la utilización de estos flaps móviles, se pueden disminuir los valores extremos de los movimientos de heave y de pitch, esto debido a que las fuerzas del flap generan un momento que aumenta el calado de proa. También se logra disminuir los periodos de oscilación de estos movimientos. Los flaps móviles pueden ser accionados a través de sistemas hidráulicos y estar formado como una unidad o bien fraccionado en dos: flap de babor y flap de estribor. La ventaja del flap fraccionado en dos unidades, es que una unidad puede ser accionada en forma independiente de la otra, permitiendo de esta manera realizar correcciones de adrizamiento también, ver figuro 2.5. Cuando los flaps no están en posición de ataque se mantienen continuos a la línea del casco formando con este un ángulo de 180°. A medida que se los activa, es decir se bajan, ese ángulo se reduce hasta un determinado valor que dependerá del diseño de cada barco. Existen sistemas automáticos que tiende a mantener el barco estable mediante un dispositivo electrónico que analiza permanentemente el asiento y la escora. 21 Figura 2.4: Vista de perfil popa de una embarcación con flaps móviles con sus distintos ángulos óptimos (α1, α2, α3) [6] Figura 2.5: Vista en perspectiva de la embarcación de la figura 2.3 con distintas fases de movimientos [6] 2.11 Consideraciones para el diseño Antes de proponer un diseño de flap óptimo para una nave, se debe conocer y tener muy claro el perfil de misión de ésta. Es de suma importancia estar al tanto de las condiciones de operación, ya que con esto se determinan los criterios de selección de un flap idóneo. Naturalmente, el implante de un flap debe tener un diseño tal que las nuevas condiciones hidrodinámicas mejoren el rendimiento propulsivo y condiciones operacionales. Es recomendable estudiar el rango de velocidades versus el tiempo de operación anual en cada una de ellas. No siempre hay que enfocarse en la velocidad máxima o de servicio, ya que tener los mejores resultados en estas condiciones, no necesariamente implica que en otros rangos de velocidades sea así. Es importante también tener presente, si existieran, limitaciones de trimado para las tareas de operación de la embarcación. 22 2.11.1 Rango de dimensiones para los flaps Se recomienda considerar que las variables de los flaps estén dentro de los siguientes valores o rangos [2]: • Las cuerdas entre 0,5 y 2,5% de Lpp • Los ángulos efectivos están entre -10º a +15º. Sin embargo, debe estudiarse el efecto de esta variable a lo largo del rango de velocidades. En la actualidad, no existe ningún antecedente de la instalación de flaps con ángulos negativos en prototipos. Los menores ángulos instalados registrados son de 0º • La envergadura debe alcanzar el máximo valor posible, sin que ésta interfiera con los vórtices producidos en los bordes del espejo, y sin doblar significativamente la superficie del flap 2.11.2 Superficie del flap En un flap se diferencian dos tipos de superficie: • La superior • La inferior Generalmente, la superficie significante hidrodinámicamente (la superficie de “trabajo”) de un flap es su superficie inferior; su superficie superior es hidrodinámicamente insignificante, aunque esta puede ser estructuralmente importante. En otras palabras, la superficie inferior es la que interactúa con el agua. La superficie inferior del flap, puede ser geométricamente considerada que está compuesta por tres regiones de superficie: incluye una región intermedia y dos regiones finales curvadas, ver figuras 2.6 y 2.7. La región intermedia está delineada a proa por el borde de ataque y popa por un borde de salida paralelo, la longitud de cuerda se mantiene constante entre estos dos bordes. Las dos regiones finales de un flap estándar decrecen curvadamente. La curva característica del borde de entrada del flap es similar con la curva del borde inferior transversal del espejo del barco (la unión entre el fondo del barco y el espejo de éste), de este modo permite una forma continua del 23 borde de entrada del flap, relativo al borde inferior transversal del barco. Esto también posibilita dar una forma continua a la superficie inferior del flap en relación al fondo del barco. El flap de popa estándar (tradicional o convencional) está diseñado con bordes de entrada y salida paralelos y líneas rectas. La orientación de estos bordes rectos es perpendicular a la línea de crujía del barco, figura 2.6. Figura 2.6: Flap de popa estándar, ch (región intermedia), e (extremos) Existen configuraciones menos tradicionales y más complejas de los flaps como los de formas curvas, figura 2.7. Los flaps de popa curvos deben su forma a la adaptación que tienen a la geometría de la zona de popa de una nave. Estos flaps tienen un borde de ataque y de salida curvado las cuales están en paralelo la forma del espejo [5]. Figura 2.7: Flaps de popa curvo, ch (región intermedia), e (extremos) 24 Referente a los flaps mostrados en las figuras 2.6 y 2.7, se caracterizan por poseer una envergadura equivalente y tener similitud en otros aspectos, pero son notablemente distintos geométricamente. 2.11.3 Dificultades en la aplicación de un flap de popa estándar a un espejo curvo La aplicación de un flap de popa estándar en una embarcación con espejo curvo podría presentar varios problemas prácticos, como incidir en la disminución del borde de entrada del flap en su línea de centro bajo el espejo, ver figura 2.8. Por otra parte, tal aplicación podría no alcanzar la completa utilización de la longitud de la cuerda del flap. Generalmente, el largo de la cuerda es uno de los parámetros para ser optimizado en diseño de este tipo de apéndices; como se ha comentado anteriormente, incrementar la eslora efectiva de la nave provoca reducción de la resistencia por olas, y el incremento del área de superficie total del flap incrementa el drag (resistencia). Por lo tanto, la disminución del área efectiva podría directamente limitar el incremento de la eslora efectiva de la nave que se aporta con la aplicación de un flap de popa [5]. Figura 2.8: Vista de planta del fondo de una nave de espejo curvo con un flap de forma estándar, Ce (cuerda efectiva del flap), C (cuerda del flap) 25 Figura 2.9: Vista de planta del fondo de una nave de espejo curvo con un flap curvo, Ce (cuerda efectiva del flap), C (cuerda del flap) En la figura 2.9, no solo la longitud de cuerda del flap (C) es constante, también lo es la longitud de la cuerda efectiva del flap (Ce), la cual es medida perpendicular a la curvatura del espejo. Opuestamente, la situación de la figura 2.10 a pesar de mantener la longitud de la cuerda del flap constante, la cuerda efectiva es acortada, variando a lo largo de la envergadura, de esta manera reduciéndose el área efectiva del flap. Como criterio y conclusión de lo dicho, se debe procurar mantener una cuerda efectiva constante e igual a la de la longitud de la cuerda geométrica del flap (C), para que ocurra la influencia hidrodinámica del flap y así obtener los posibles beneficios sobre la embarcación. 26 CAPÍTULO III INTRODUCCIÓN PARA EL ENSAYO EXPERIMENTAL 3.1 Generalidades Para realizar los ensayos experimentales hubo que definir varios puntos tales como: • Embarcación a estudiar • Escala del modelo y construcción de éste • Serie de flaps a ensayar • Rango de velocidades a estudiar En este capítulo se explicarán cómo se definieron todos los distintos puntos para poder ejecutar el estudio experimental. 3.2 Características del Canal de Pruebas Hidrodinámicas Los ensayos experimentales fueron realizados en el Canal de Pruebas perteneciente al Instituto de Ciencias Navales y Marítimas de la Facultad de Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Austral de Chile. En el Canal de Pruebas es posible realizar ensayos de resistencia al avance, para lo cual posee: un winche de remolque, un registrador combinado y un contador electrónico. Además, es posible realizar ensayos de comportamiento de modelos en el mar, debido a su generador de olas, ensayos de flujo de corriente y mediciones de altura de ola generadas por los modelos. El Canal de Pruebas Hidrodinámicas tiene una longitud de 45 m y su sección transversal rectangular interior es 3,0 m de ancho y 2,0 m de altura. El nivel del agua es de 1,8 m. El sistema de remolque para los modelos consiste en un winche altamente especializado con mando electrónico, que permite efectuar las pruebas en un rango de velocidades desde 0 a 3,5 m/s y con una precisión de 0,01 m/s. La fuerza de remolque requerida durante el ensayo del modelo se mide automáticamente, pudiendo variar desde 2 gr hasta 4 kg. Tanto velocidades como las resistencias quedan registradas por un instrumento conectado al winche. 27 Figura 3.1: Canal de Pruebas Universidad Austral de Chile 3.3 Descripción general de la embarcación en estudio La unidad de desplazamiento en estudio corresponde a las formas de una unidad de superficie moderna. Las formas se extrajeron a partir del casco digitalizado en un software de diseño (figura 3.2). Los cálculos hidrostáticos fueron obtenidos en un software de arquitectura naval. Características principales: Potencia maquinaria : 50.000 SHP Velocidad máxima : 30 Kn Eslora : 148,2 m Manga : 13,9 m Calado : 4,6 m 28 Figura 3.2: Vista perspectiva del casco en estudio 3.4 Descripción del modelo a ensayar 3.4.1 Escala del modelo La escala para el modelo (λ) escogida fue 1/80. Se decide realizar la construcción del modelo con esta escala tomando en consideración la factibilidad de la construcción del modelo y las restricciones de borde del Canal de Pruebas. 1/80 es una relación de escala alta, que puede prestarse para discusión para la precisión o sobre el margen de error que podría existir al momento de realizar la extrapolación de resultados a las dimensiones del prototipo. Por ejemplo, una imprecisión de 1 gr en la toma de lectura en el ensayo, al realizar la extrapolación habrá una diferencia de la resistencia al avance del prototipo de 512 gr con respecto al verdadero. Sin embargo, el Canal de Pruebas es reconocido por su precisión y buen rendimiento en la obtención de los datos, y sumado a esto el canal es calibrado antes de llevar a cabo cada ensayo de resistencia al avance. Antes de ejecutar la construcción del modelo, las dimensiones y las condiciones de ensayos de éste fueron revisadas con respecto a algunas limitantes del canal de pruebas, todo esto para realizar los ensayos de una manera óptima y dentro las capacidades del canal. Los puntos chequeados fueron: • Bloqueo de canal • Tensión superficial y velocidad de remolque 29 3.4.1.1 Bloqueo de Canal En algunas casos de ensayos en canales de prueba, puede ocurrir un efecto de bloqueo de canal, el cual puede disminuir la velocidad del modelo o, que es lo mismo, aumentar la resistencia al avance del modelo y, por consiguiente, una obtención de resultados distorsionados. Para estimar la influencia “del efecto de canal” sobre la resistencia al avance del modelo se utilizó el método propuesto por Lockenby (1963), el cual presenta un gráfico sobre el porcentaje de velocidad perdida en función de la total [8]. Figura 3.3: Porcentaje de velocidad perdida en canal, Lockenby 1963 Donde: Am = área sección maestra del modelo, m2 h = profundidad del canal, m V = velocidad del modelo, m/s g = aceleración de gravedad, ms-2 H = radio hidráulico (para canales), H = A0/Pm , m A0 = área transversal del canal (AC) menos la de sección maestra del modelo (Am), AC - Am m2 Pm = perímetro de la sección transversal del canal más el de la maestra (sin considerar línea superficie de agua), m 30 Para el caso en estudio resulta: Am = 8,7*10-3 m2 h = 1,80 m V = 1,73 m/s g = 9,81 ms-2 AC = 5,40 m A0 = 5,39 m2 Pm = 6,84 m H = 0,79 m V, velocidad de modelo, es la velocidad máxima de ensayo y condición más desfavorable para que ocurra bloqueo de canal. Para ingresar al gráfico: V2 / (g*H) = 1,732 / (9,81*0,79) = 0,39 Am / H = √(8,7*10-3) / 0,79 = 0,12 Con el ingreso al gráfico y posterior lectura podemos determinar que la pérdida de velocidad del modelo (en la velocidad máxima de ensayo) por efecto de canal es de 0,6% de la velocidad total de este. El resultado obtenido a partir del gráfico propuesto por Lockenby es un valor que se encuentra bajo el 1%, cantidad aceptable para poder considerar como despreciable el efecto de canal para los resultados de los ensayos y no realizar correcciones por causa de este efecto. 3.4.1.2 Tensión superficial y velocidad de remolque Se denomina tensión superficial al fenómeno por el cual la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica. En un canal de pruebas es necesario romper esta tensión superficial para poder recrear de manera más próxima el comportamiento del fluido alrededor del prototipo. La recomendación es ensayar a velocidades sobre 0,5 m/s, ya que a esta velocidad es posible romper la tensión superficial alrededor del modelo. La velocidad menor de ensayo en nuestro estudio es de 0,8 m/s, la que es la velocidad de 14 nudos en el prototipo. Esta velocidad de ensayo es mayor a la de 31 mínima recomendada para romper la tensión superficial, por lo tanto, según esto no deberían surgir valores cuestionables por efecto de este fenómeno sobre el análisis experimental. Con respecto a la velocidad máxima de ensayo es de 1,725 m/s. Esta velocidad es menor a la velocidad máxima de remolque del canal de 3,5 m/s. Por lo tanto el rango de velocidad del ensayo a ejecutar no presenta limitantes. 3.4.2 Dimensiones del modelo Las dimensiones principales del modelo a la escala definida son: Loa 1.764,0 mm Lwl 1.704,0 mm Lpp 1.647,5 mm Bmax 184,0 mm Bwl 184,0 mm D 100,0 mm T 57,5 mm ∆* 9,27 Kg Tabla 3.1: Características principales prototipo *desplazamiento en agua dulce con densidad igual a 1 ton/m3 3.4.3 Construcción del modelo La construcción de modelo fue regida por las recomendaciones de la ITTC para la manufactura de modelos: documento 7.5-01-01-01, “Model Manufacture”. El modelo fue también ocupado como molde positivo para la fabricación de un negativo. La construcción de este molde negativo servirá para tener un respaldo para la obtención de un nuevo modelo para los ensayos, ya que el gran número de remolques y el recambio de flaps (perforaciones al modelo en el espejo) para los ensayos, pueden deteriorar el modelo. La matriz también quedará disponible para la continuación del desarrollo de investigación de la embarcación. El esquema de laminado y respaldo gráfico de la fabricación de la matriz se presenta en el anexo II. 32 Las recomendaciones tomadas fueron: • El material utilizado para la construcción del modelo fue madera de balsa de 5mm de espesor, y reforzada con resina P-4 (poliéster insaturado ortoftálica). La técnica de construcción utilizada es la “strip plank”, ver figura 3.4, 3.5 y 3.6. • El acabado de la superficie del modelo fue trabajo con lija seca y húmeda Nº 400, encontrándose dentro del rango de 300 a 400 que recomienda la International Towing Tank Conference. • La recomendación de la ITTC utilizada para identificar secciones fue el sistema de enumeración de diez secciones desde la popa con sección 0 en la AP y sección 10 en FP. • Las tolerancias de construcción utilizadas y sugeridas por la ITTC son para: 1. manga (Y) ± 1,0 mm 2. puntal (Z) ± 1,0 mm 3. eslora (X) ± 1,5 mm Figura 3.4: Ilustración del proceso constructivo del modelo: formas definidas con la utilización de plantillas 33 Figura 3.5: Sellado del casco con masilla mágica y resina poliéster, para posteriormente ser pintado y realizar el marcado de cuadernas Figura 3.6: Modelo finalizado listo para los ensayos 3.4.4 Determinación del punto remolque del modelo El punto de remolque del modelo en el sentido longitudinal fue situado en el LCF correspondiente al calado en estudio. El LCF del modelo se encuentra 12,2 cm a popa de la sección 5. En el sentido vertical el punto remolque del modelo estuvo ubicado a 12 cm de la línea de flotación, ver figura 3.7. 34 Figura 3.7: Imagen del punto de remolque del modelo 3.4.5 Definición de los estimuladores de turbulencia En un ensayo experimental de canal es preciso que la zona experimental corresponda a un proceso hidrodinámico bien definido, para realizar de manera seguras las extrapolaciones al prototipo. En planchas lisas, existe discrepancia sobre que valor de Reynolds comienza el flujo turbulento. Hay autores que hablan que el valor de Rn que marca el inicio del flujo turbulento es de 106, y por otra parte hay otros que estipulan que el valor es de 5*106. El rango de Rn de nuestro modelo a ensayar es de 1,12*106 y 2,04*106, por lo que no sabemos bajo qué régimen de flujo está realmente, si de transición o turbulento. Es por esta razón que se decidió usar estimuladores, asegurando que el flujo sea turbulento y poder realizar de manera segura las extrapolaciones. Como sabemos nuestro ensayos están divididos en dos fracciones, la primera para fines de correlación con un CFD, y la segunda para realizar un el análisis cuantitativo y cualitativo de los efectos hidrodinámicos de la serie de flaps sobre el prototipo. La primera fracción está bajo régimen laminar, por lo que se omite los estimuladores. En cambio, para la segunda parte se debe ensayar bajo régimen turbulento y hacer uso de estimuladores. Después de haber realizado la etapa Nº 1 se realiza la aplicación de pins, lo cual fue realizado según las recomendaciones del Ship Report Nº 10 de NPL, de Hughes y Allan. Los pins aplicados fueron de 1/8” de diámetro con una altura de 1/10”, ubicados a una distancia de una 1” entre ellos y 14 mm de distancia a popa de la roda. En total se aplicaron 12 pins, 6 por lado del modelo. En la figura 3.8 se puede apreciar la vista de perfil del de la proa del modelo con la distribución de los estimuladores. 35 Figura 3.8: Ubicación de los estimuladores en zona de proa del modelo 3.5 Selección de la serie de flaps Para escoger los flap de la serie se tomó en consideración los tres principales parámetros geométricos: • Envergadura (SF) • Cuerda (CF) • Ángulo (αF) Para realizar la selección de estos parámetros se toma como apoyo el punto 2.10 (Consideraciones para el diseño) del presente documento y el anexo I. El anexo I es una base de datos ensayados en modelos de embarcaciones militares de la Armada de los Estados Unidos. Estos ensayos han sido realizados en el David Taylor Model Basin, canal de pruebas de dicha institución. 3.5.1 Definición de Envergadura (SF) Los flaps de la serie serán de una única envergadura, atendiendo a investigaciones realizadas con anterioridad, aplicando la mayor envergadura posible y sin que el flap a los costados tome una curvatura significativa que pueda alterar considerablemente el flujo en torno a esta zona, causando por lo tanto un efecto 36 negativo sobre la nave. Se debe tener en mente también la viabilidad constructiva de la curvatura del flaps a los costados. Además, para definir este parámetro geométrico se debe asegurar que el flap se mantenga bajo la línea de flotación no tan solo en la máxima carga, sino también en una condición de bajo calado. Para esto se estima el calado de 4 m como referencial, ya que según las especificaciones de la unidad de desplazamiento en estudio, es un calado de baja carga. Hechas estas consideraciones se define una envergadura de 7 m (23,1 pies). Observando la tabla 1 del anexo I, los valores de envergadura ensayados en las primeras 18 naves (las cuales son de desplazamiento y que guardan condiciones geométricas y de navegación similar a la nave en estudio) se encuentran en el rango de 20 y 34 pies, los cuales tiene resultados positivos en la eficiencia propulsiva de las naves. El valor de envergadura determinado para la serie de flaps se encuentra dentro de éstos valores, lo que da un respaldo a la envergadura escogida para encontrar efectos positivos sobre el monocasco en estudio. 3.5.2 Cuerda (CF) De acuerdo al punto 2.11.1, se recomienda en general para las embarcaciones, cuerdas que estén entre el rango de 0,5 y 2,5 % de Lpp. Los ensayos registrados en el anexo I (tabla 1) muestran un rango de cuerdas probados de 0,5 y 1,1 % de Lpp en las naves de características similares a la de nuestro estudio (naves del 1 al 18 del cuadro). En este registro de experimentos es importante notar el resultado obtenido de la nave número 12, la cual es una fragata de eslora total de 124,97 m. Con respecto al resto de ensayos fue el que tuvo un mayor incremento de velocidad, de 1 nudo. El modelo fue ensayado con una envergadura de cuerda 0,96% de Lpp. Para este análisis experimental se decide ensayar una magnitud única de cuerda. A partir de los registros de rangos de cuerda recomendados y ensayados, se estima realizar los ensayos con flaps de cuerda de 1,0% de Lpp. Con: Lpp = 131,8 m Por lo que tenemos: CF = 1,318 m 37 3.5.3 Ángulo (αF) Para definir el rango de ángulos, que utilizaremos para estimar nuestros valores de ensayo, utilizaremos la tabla 2 del Anexo I. En la tercera columna de la tabla 2 podemos apreciar los mejores ángulos de flaps. Por simple inspección dentro de las embarcaciones del 1 al 18, podemos observar que los valores e encuentran dentro del rango de +5º a +15º de ángulo. Se decide realizar ensayos con flaps para la envergadura y cuerda ya definidas y con la variante de cuatro ángulos. En función del rango de mejores ángulos de flaps, estimamos realizar los ensayos a: • 0º • +5º • +10º • +15º 3.5.4 Otras consideraciones Las siguientes consideraciones hacen referencia a las descritas en los puntos 2.11.2 y 2.11.3. Los extremos de las regiones finales del flap fueron construidos con una curvatura de radio igual a la longitud de la cuerda. En el diseño de los flaps se procuró mantener la longitud de cuerda efectiva en toda la extensión del flap. 3.5.5 Resumen de la serie de flaps a ensayar A continuación se presentan dos tablas 3.2 y 3.3 con las medidas principales de los flaps de la serie a tamaño natural y a escala. Dimensiones del los flaps a tamaño natural Ángulo Cuerda Cuerda Envergadura (º) (m) % Lpp (m) 1 0 1,32 1,0 7,0 2 5 1,32 1,0 7,0 3 10 1,32 1,0 7,0 4 15 1,32 1,0 7,0 Nº Flap Tabla 3.2 38 Dimensiones del los flaps a tamaño del modelo Ángulo Cuerda Cuerda Envergadura (º) (mm) % Lpp (mm) 1 0 16 1,0 87,5 2 5 16 1,0 87,5 3 10 16 1,0 87,5 4 15 16 1,0 87,5 Nº Flap Tabla 3.3 3.5.6 Construcción de los flaps de popa Para la construcción de los flaps fueron utilizadas las recomendaciones de la ITTC para apéndices, punto 2.1.3, incluida dentro del documento 7.5-01-01-01, “Model Manufacture”. Las recomendaciones fueron: • Las tolerancia de construcción sugerida por la ITTC y utilizadas es de ± 0,2 mm • El acabado superficial es el mismo que se le dio al casco del modelo, lija seca y húmeda Nº 400 • El margen de error para la localización del apéndice es de ± 0,5 mm Para ensamblar los flaps al casco se utilizaron dos pernos. Este sistema de ensamblaje fue diseñado a una distancia considerable sobre la línea de flotación, a fin de evitar influencia sobre el fluido o el tren olas. A continuación las figuras muestran los cuatro flaps construidos para los ensayos de manera independiente y luego cada uno ensamblado al modelo en las vistas de perfil y transversal de la zona de popa de la nave en estudio. 39 Figura 3.9: Flap Nº 1, 0º de inclinación Figura 3.10: Flap Nº 2, 5º de inclinación Figura 3.11: Flap Nº 3, 10º de inclinación Figura 3.12: Flap Nº 4, 15º de inclinación 40 Figura 3.13: vista de popa del flap Nº 1 Figura 3.14: vista de popa del flap Nº 2 Figura 3.15: vista de popa del flap Nº 3 Figura 3.16: vista de popa del flap Nº 4 41 Figura 3.17: vista de perfil del flap Nº 1 Figura 3.18: vista de perfil del flap Nº 2 Figura 3.19: vista de perfil del flap Nº 3 Figura 3.20: vista de perfil del flap Nº 4 42 3.6 Extrapolación de resultados 3.6.1 Resistencia del prototipo en condición de casco desnudo, Rpc El ensayo fue realizado bajo la “Ley de Similitud de Froude”. Para los ensayos y la extrapolación de resultados se tuvieron las siguientes consideraciones y secuencias de pasos: 1.- El modelo fue remolcado a la velocidad Vm = Vp/√λ, obteniendo de esta manera la resistencia total del modelo, RTm 2.- La resistencia por fricción del modelo, Rfm, fue calculado utilizando el coeficiente de fricción según Hughes o ITTC-78: Cfm = 0,066 / (log10Rn – 2,03)2 3.- La resistencia residual del modelo es: Rrm = RTm - Rfm 4.- La resistencia residual del prototipo es: Rrp = Rrm * λ3 * (ρp/ρm) 5.- La resistencia por fricción del prototipo, Rfp, se calculó de la misma fórmula del punto 2, pero considerando una corrección en el coeficiente de fricción del modelo por efecto de rugosidad y curvatura según ATTC de 4*10-4 6.- La resistencia total del prototipo para las condiciones de casco desnudo es: Rpc = Rrp + Rfp 43 3.6.2 Resistencia del prototipo en condición de viaje de pruebas, Rpp Para estimar la resistencia en condiciones de viaje de pruebas se estimó la resistencia por apéndices y la por aire, para luego ser sumada a la resistencia a casco desnudo. Rpp = Rpc + Rap + Ra A continuación se detalla la estimación de la resistencia por apéndices y la de aire. 3.6.2.1 Resistencia por apéndice, Rap La resistencia por apéndices se estimó como porcentaje de la de casco desnudo. Para barcos de una hélice, esta resistencia está en el orden del 5 a 7% de la resistencia del casco desnudo, y puede alcanzar hasta un 10% aproximadamente en buques de dos o más hélices. Debido a que no existe la información de las medidas de los apéndices, no se hizo el cálculo de la resistencia de estos por separados. Para efecto del estudio se estimó una resistencia por apéndice del 7% de la resistencia del casco desnudo. 3.6.2.2 Resistencia por aire, Ra La resistencia por aire suele variar entre el 2 y 4% de la resistencia total del casco desnudo. La Ra se determinó usando la recomendación de Baker en que: Ra = CA x 1/2 x ρA x Vb2 x A Donde: ρA = densidad del aire, 0,125 Kg s2/m4 A = 0,3 A1 + A2 A1 = área proyectada frontal del casco expuesta al aire A2 = área proyectada frontal de la superestructura expuesta al aire Vb = velocidad del buque CA = coeficiente de resistencia al aire, 1,25 44 Debido a que no tenemos los valores de A1 y A2, el valor de A lo estimaremos según Taylor: A = ½ x B2 Donde: B = manga del barco, 14,7 m Por lo que se obtiene: A = 108 m2 45 CAPÍTULO IV RESULTADOS Y ANÁLISIS DEL ENSAYO EXPERIMENTAL 4.1 Objetivos Por medio de este análisis experimental de resistencia al avance, se busca obtener dos grupos de resultados sobre la influencia hidrodinámica, causada por una serie de flaps de popa en una embarcación de superficie. Cada grupo de resultado cumplirá con un objetivo respectivamente. El primer grupo de valores se obtendrá de los ensayos de resistencia al avance del modelo a casco desnudo y con la serie de flaps, pero sin la presencia de estimuladores de turbulencia. El objetivo de esto es realizar un estudio de correlación de un CFD con los resultados obtenidos del modelo, se hará una modelación virtual del ensayo en canal de pruebas. Como se explicó en la introducción, la modelación y el estudio de correlación no están dentro del marco de esta tesis, sino es parte de otra que se ejecuta de manera paralela y en conjunto. El segundo grupo de resultados se obtiene, al igual que el primer grupo, de los ensayos de resistencia del avance del modelo a casco desnudo y con la serie de flaps, pero esta vez con la presencia de estimuladores de turbulencia. El objetivo de esto es poder realizar la extrapolación a la escala del prototipo y tener valores de las curvas de absorción de potencia. Con esta información se podrá llevar a cabo el análisis cuantitativo y cualitativo de la influencia hidrodinámica de la serie de flaps de popa sobre la embarcación a prueba. Estos resultados extrapolados a la escala natural, también serán comparados con los valores obtenidos de una modelación de tamaño natural de la embarcación en un CFD. 4.2 Generalidades Como se dijo anteriormente, el ensayo será fragmentado en dos etapas. En la etapa Nº 1 se realizaron los ensayos del primer grupo de valores, donde el modelo está sin la presencia de estimuladores de turbulencia. La etapa Nº 2 abarca los ensayos para obtener el segundo grupo de datos y, a diferencia de la etapa Nº 1, con la presencia de estimuladores de turbulencia en el modelo. El rango de velocidades estudiadas fue de 14 y 30 nudos. Para conformar las curvas de resistencia en este rango de velocidades, se realizaron ensayos cada dos nudos. En total por curva se ensayaron nueve puntos o velocidades. En la tabla que se 46 presenta a continuación, se indican las velocidades ensayadas en el modelo y su velocidad correspondiente a prototipo. Número Velocidad 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Velocidad Prototipo (Nudos) 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Velocidad Modelo (m/s) 0,805 0,920 1,035 1,150 1,265 1,380 1,495 1,610 1,725 Tabla 4.1: velocidades ensayadas Para cada etapa, primero se llevó a cabo el ensayo con el modelo sin flaps y luego con cada uno de los cuatro flaps de la serie. Sumando entre la etapa Nº 1 y Nº 2 el total 10 condiciones y 90 ensayos o remolques del modelo. Notar que las velocidades ensayadas no son exactamente iguales a las mostradas en la tabla anterior, esto ocurre porque en los ensayos es difícil precisar exactamente las velocidades, sin embargo esto no afecta los resultados. El modelo fue ensayado a un único calado y parejo: 57,5 mm (4,6 m dimensión prototipo). Para todos los ensayos el punto de remolque fue ubicado en el LCF del calado de ensayo del modelo. En los ensayos no se realizaron mediciones de trimado. Se decidió omitir esta variable porque el cambio de trimado por efecto de un flap sobre las embarcaciones de desplazamiento es poco relevante. El fluido del canal de pruebas, con el que se llevo a cabo los ensayos, corresponde a agua dulce. 47 4.3 Resultados de la etapa Nº 1 de los ensayos Las condiciones ensayadas dentro de esta etapa se resumen en la tabla 4.2. Los valores de temperatura tabulados hacen referencia al agua dulce del canal pruebas, durante los tiempos de ensayos en las distintas condiciones estudiadas. Nº Condición Flaps T ºC 1 S/F 11 2 0º 11 3 5º 13 4 10º 13 5 15º 13 Tabla 4.2: Condiciones de ensayo etapa Nº 1 4.3.1 Resultados tabulados A continuación, se presentan las tablas con los resultados de los ensayos de canal de la etapa Nº 1. Número Velocidad Resistencia Velocidad (m/s) (gr) 1 0,797 54,2 2 0,889 64,4 3 0,989 83,4 *4 1,137 111,4 5 1,248 146,2 6 1,369 173,1 7 1,497 218,1 8 1,602 271,2 9 1,732 350,1 Tabla 4.3: Resultados condición Nº 1, casco desnudo (*) Este punto fue descartado para trazar la curva, debido a que este no seguía la tendencia de ésta. 48 Número Velocidad Resistencia Velocidad (m/s) (gr) 1 0,786 56,1 2 0,885 66,9 3 0,996 84,7 4 1,143 118,1 5 1,276 147,4 6 1,389 177,2 7 1,492 212,3 8 1,613 274,3 9 1,734 346,8 Tabla 4.4: Resultados condición Nº 2, αF: 0º Número Velocidad Resistencia Velocidad (m/s) (gr) 1 0,788 58,0 2 0,883 66,0 3 0,996 83,9 4 1,152 118,6 5 1,269 146,0 6 1,402 178,3 7 1,495 216,2 8 1,612 270,2 9 1,737 345,7 Tabla 4.5: Resultados condición Nº 3, αF: 5º 49 Número Velocidad Resistencia Velocidad (m/s) (gr) 1 0,796 59,5 2 0,903 71,0 3 1,000 84,9 4 1,157 121,6 5 1,278 148,2 6 1,413 180,8 7 1,499 213,4 8 1,611 271,5 9 1,730 336,7 Tabla 4.6: Resultados condición Nº 4, αF: 10º Número Velocidad Resistencia Velocidad (m/s) (gr) 1 0,798 60,0 2 0,885 68,3 3 1,000 87,0 4 1,163 126,1 5 1,272 148,8 6 1,398 177,8 7 1,494 212,5 8 1,609 268,1 9 1,733 348,4 Tabla 4.7: Resultados condición Nº 5, αF: 15º 50 Dentro del tipo de estudio en que nos encontramos, descartar un punto de la curva por no seguir una tendencia o escapar de esta no es la solución más adecuada. Esto porque queda la incertidumbre de que ocurrió realmente con el dato: el valor fue mal tomado, hay una inflexión en la curva en el rango del valor, los puntos próximos a la curva fueron mal tomados, etc. Por lo que queda una duda de que realmente ocurrió con aquel dato. Frente a este problema, lo más idóneo habría sido repetir el ensayo y corroborar el valor obtenido y, para posteriormente, salir de la incertidumbre. La numerosa cantidad de ensayos, 90 pasadas de remolque del modelo en canal, y el largo periodo de tiempo que se usó para realizar los ensayos, cinco días completos de pruebas aproximadamente, dieron la razón de no haber hecho nuevamente las pasadas de revisión de aquellos puntos o datos en cuestionamiento. 4.3.2 Gráfico de los resultados Los siguientes gráficos presentan las curvas de velocidad versus resistencia al avance del modelo a casco desnudo. 350 Velocidad-Resistencia, Sin Flap Sin Fla p Pto. Des carta do Resistencia al Avance (gr) 300 250 200 150 100 50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 Velocidad de Remolque(m/s) Gráfico 4.1: Resultados condición Nº 1, casco desnudo 51 350 Velocidad-Resistencia, αF: 0º Fl a p 0º Resistencia al Avance (gr) 300 250 200 150 100 50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 Velocidad de Remolque(m/s) Gráfico 4.2: Resultados condición Nº 2, αF: 0º Velocidad-Resistencia, αF: 5º 350 Fl a p 5º Resistencia al Avance (gr) 300 250 200 150 100 50 0,75 1,00 1,25 1,50 Velocidad de Remolque(m/s) Gráfico 4.3: Resultados condición Nº 3, αF: 5º 1,75 52 350 Velocidad-Resistencia, αF: 10º Fl ap 10º Resistencia al Avance (gr) 300 250 200 150 100 50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 Velocidad de Remolque(m/s) Gráfico 4.4: Resultados condición Nº 4, αF: 10º 350 Velocidad-Resistencia, αF: 15º Fl a p 15º Resistencia al Avance (gr) 300 250 200 150 100 50 0,75 1,00 1,25 1,50 Velocidad de Remolque(m/s) Gráfico 4.5: Resultados condición Nº 5, αF: 15º 1,75 53 4.3.3 Tabla de los resultados La tabla 4.9 presenta un resumen de los resultados obtenidos de la etapa Nº 1 del ensayo. En este resumen de datos se expresa la resistencia del modelo a la velocidad del modelo en metros por segundos correspondiente a la velocidad en nudos de la escala natural. Es importante recordar, que estos ensayos no fueron todos realizados a la misma temperatura, por lo que no es una fuente de comparación directa de las distintas condiciones ensayadas Vel. Prototipo (Kn) 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Vel. Sin Flap Flap 0º Flap 5º Flap 10º Modelo Resist. Resist. Resist. Resist. (m/s) (gr) (gr) (gr) (gr) 0,805 55,1 58,0 59,3 60,4 0,863 61,1 64,1 64,0 66,4 0,920 69,1 71,6 70,5 73,1 0,978 80,7 81,2 80,2 81,2 1,035 94,5 92,9 92,1 91,6 1,093 108,9 106,2 104,8 105,0 1,150 123,3 119,7 118,1 119,9 1,208 137,0 132,3 131,7 133,1 1,265 149,9 144,9 145,1 145,4 1,323 162,2 158,8 158,1 157,9 1,380 176,0 174,5 172,0 171,7 1,438 193,7 192,4 190,4 188,6 1,495 217,2 213,5 216,2 211,6 1,553 244,8 240,0 242,4 239,7 1,610 275,7 272,5 269,2 270,9 1,668 309,7 306,9 300,7 302,5 1,725 345,7 341,4 337,6 334,0 Tabla 4.8: Resumen de los resultados etapa Nº 1 Flap 15 Resis. (gr) 60,6 65,9 72,7 82,4 94,9 109,0 123,1 135,6 147,4 159,4 173,0 190,1 212,9 239,1 268,7 303,4 342,7 4.4 Resultados de la etapa Nº 2 de los ensayos Las condiciones ensayadas dentro de esta etapa, todas con estimuladores de turbulencia, y, por lo tanto, bajo régimen de flujo turbulento, fueron: Nº Condición Flaps T ºC 6 S/F 13 7 0º 13 8 5º 13 9 10º 13 10 15º 13 Tabla 4.9: Condiciones de ensayo etapa Nº 2 54 La temperatura tabulada en la tabla 4.9 corresponde a la del agua del canal pruebas durante los ensayos. 4.4.1 Resultados tabulados A continuación se presentan los resultados de los ensayos de canal del modelo a casco desnudo de las cinco condiciones de estudio de la presenta etapa Nº 2 Número Velocidad Resistencia Velocidad (m/s) (gr) 1 0,801 47,5 2 0,895 59,4 3 1,008 80,5 4 1,154 114,3 5 1,275 143,7 6 1,415 181,7 7 1,506 220,7 8 1,609 274,6 9 1,733 354,3 Tabla 4.10: Resultados condición Nº 6, casco desnudo Número Velocidad Resistencia Velocidad (m/s) (gr) 1 0,813 50,4 2 0,897 56,8 3 1,007 77,1 4 1,161 112,3 5 1,276 140,6 6 1,394 173,2 7 1,502 215,8 8 1,609 270,7 9 1,743 355,8 Tabla 4.11: Resultados condición Nº 7, αF: 0º 55 Número Velocidad Resistencia Velocidad (m/s) (gr) 1 0,811 46,6 2 0,901 55,8 3 1,018 73,9 4 1,182 115,8 5 1,292 141,9 6 1,392 167,1 7 1,514 214,9 8 1,611 265,4 9 1,749 348,4 Tabla 4.12: Resultados condición Nº 8, αF: 5º Número Velocidad Resistencia Velocidad (m/s) (gr) 1 0,812 50,7 2 0,894 59,3 3 1,014 78,9 4 1,165 118,2 5 1,276 141,9 6 1,382 167,4 7 1,495 213,4 8 1,602 264,1 9 1,725 337,3 Tabla 4.13: Resultados condición Nº 9, αF: 10º 56 Número Velocidad Resistencia Velocidad (m/s) (gr) 1 0,810 48,8 2 0,901 61,4 3 1,010 80,3 4 1,162 119,0 5 1,249 135,9 6 1,380 168,6 7 1,495 209,5 8 1,581 250,6 9 1,725 333,5 Tabla 4.14: Resultados condición Nº 10, αF: 15º 4.4.2 Curvas de potencia efectiva en condición de viajes de pruebas Los siguientes diagramas presentan las curvas de potencia efectiva, EHP, en condición de viajes de prueba. Las extrapolaciones fueron realizadas con las consideraciones del punto 3.6 del presente documento. Los gráficos son presentados en unidades de nudos por HP. Las curvas grafican los resultados del modelo con cada uno de los flaps de la serie y, además, se presenta trazada la curva de la nave sin flaps, todo esto para poder observar las diferencias el modelo con y sin flaps. 57 Velocidad vs Potencia Efectiva, αF: 0º 35000 Flap 0º Sin Flap 30000 25000 EHP (HP) 20000 15000 10000 5000 0 12 14 16 18 20 22 Velocidad (Kn) Gráfico 4.6 24 26 28 30 32 58 Velocidad vs Potencia Efectiva, 5º 35000 Flap 5º Sin Flap 30000 25000 EHP (HP) 20000 15000 10000 5000 0 12 14 16 18 20 22 Velocidad (Kn) Gráfico 4.7 24 26 28 30 32 59 Velocidad vs Potencia Efectiva, 10º 35000 Flap 10º Sin FLap 30000 25000 EHP (HP) 20000 15000 10000 5000 0 12 14 16 18 20 22 Velocidad (Kn) Gráfico 4.8 24 26 28 30 32 60 Velocidad vs Potencia Efectiva 15º 35000 Flap 15º Sin Flap 30000 25000 EHP (HP) 20000 15000 10000 5000 0 12 14 16 18 20 22 Velocidad (Kn) Gráfico 4.9 24 26 28 30 32 61 4.4.3 Resultados tabulados de la extrapolación Para realizar una comparación y evaluación de la influencia de la serie de flaps se elaboraron las tablas 4.15 y 4.16, las que se presentan a continuación, y que muestran los EHP en función de la velocidad en condición de viaje de pruebas y de canal de pruebas, respectivamente. También se presenta la tabla 4.17, donde se presentan los resultados en función de las variaciones de la velocidad provocada por los flaps. Si bien la influencia en condición de viaje de pruebas (también conocida como sea trials) es la más relevante en el momento de realizar estudios de resistencia a la nave, debido a que en ésta es donde se prueban la velocidad alcanzable por la nave en la vida real, para efecto del presente estudio, también se decide adjuntar la tabulación de los resultados para la condición de canal de pruebas para tener mayor información. A diferencia de la condición de viaje de pruebas, la condición de canal de pruebas no tiene sumada la resistencia por aire y apéndices. Estas dos resistencias son estimadas, por lo que puede variar según criterios y prestarse para diferencias. 62 4.4.3.1 EHP versus velocidad, condición de viaje de pruebas S.F. Vel. EHP (Kn) (HP) 14 1365 15 1684 16 2128 17 2782 18 3603 19 4540 20 5560 21 6640 22 7772 23 9009 24 10451 25 12361 26 14967 27 18052 28 21552 29 25782 30 30730 0º EHP (HP) 1353 1605 1988 2587 3350 4228 5210 6298 7488 8831 10395 12343 14789 17698 21139 25294 30128 5º % (+,-) -0,9 -4,7 -6,6 -7,0 -7,0 -6,9 -6,3 -5,2 -3,7 -2,0 -0,5 -0,1 -1,2 -2,0 -1,9 -1,9 -2,0 EHP (HP) 1253 1488 1817 2321 3031 3967 5060 6182 7289 8477 9859 11674 14144 17145 20581 24679 29411 % (+,-) -8,2 -11,6 -14,6 -16,6 -15,9 -12,6 -9,0 -6,9 -6,2 -5,9 -5,7 -5,6 -5,5 -5,0 -4,5 -4,3 -4,3 10º EHP (HP) 1473 1752 2122 2650 3398 4403 5539 6612 7638 8785 10202 12172 14800 17637 20737 24468 28815 % (+,-) 7,9 4,0 -0,3 -4,7 -5,7 -3,0 -0,4 -0,4 -1,7 -2,5 -2,4 -1,5 -1,1 -2,3 -3,8 -5,1 -6,2 15º EHP % (HP) (+,-) -5 -0,4 55 3,3 49 2,3 -46 -1,7 -106 -2,9 -32 -0,7 77 1,4 64 1,0 -30 -0,4 -101 -1,1 -145 -1,4 -260 -2,1 -551 -3,7 -781 -4,3 -896 -4,2 -1356 -5,3 -2302 -7,5 Tabla 4 .15: EHP en condición de viaje de pruebas S.F. = sin flaps EHP = potencia efectiva, en HP Vel. = velocidad en nudos (-) = decrecimiento de la potencia (+) = incremento de la potencia 63 4.4.3.2 EHP versus velocidad, condición de canal de pruebas S.F. Vel. EHP (Kn) (HP) 14 1244 15 1535 16 1943 17 2545 18 3300 19 4168 20 5112 21 6102 22 7144 23 8280 24 9611 25 11379 26 13791 27 16647 28 19895 29 23822 30 28414 0º EHP (HP) 1233 1461 1812 2363 3064 3877 4785 5782 6879 8113 9558 11359 13623 16318 19509 23365 27853 5º % (+,-) -0,9 -4,8 -6,7 -7,2 -7,2 -7,0 -6,4 -5,2 -3,7 -2,0 -0,6 -0,2 -1,2 -2,0 -1,9 -1,9 -2,0 EHP (HP) 1139 1352 1652 2114 2767 3635 4645 5674 6693 7784 9057 10735 13021 15798 18987 22791 27182 % (+,-) -8,4 -11,9 -15,0 -16,9 -16,2 -12,8 -9,1 -7,0 -6,3 -6,0 -5,8 -5,7 -5,6 -5,1 -4,6 -4,3 -4,3 10º EHP % (HP) (+,-) 1342 7,9 1598 4,1 1936 -0,4 2420 -4,9 3110 -5,8 4044 -3,0 5093 -0,4 6075 -0,4 7018 -1,8 8071 -2,5 9378 -2,4 11202 -1,6 13633 -1,1 16260 -2,3 19134 -3,8 22595 -5,2 26626 -6,3 15º EHP % (HP) (+,-) 1239 -0,4 1590 3,6 1988 2,3 2501 -1,7 3203 -2,9 4141 -0,6 5184 1,4 6160 1,0 7115 -0,4 8186 -1,1 9476 -1,4 11134 -2,2 13275 -3,7 15918 -4,4 19058 -4,2 22554 -5,3 26265 -7,6 Tabla 4 .16: EHP en condición de canal de pruebas S.F. = sin flaps EHP = potencia efectiva, en HP Vel. = velocidad en nudos (-) = decrecimiento de la potencia (+) = incremento de la potencia 64 4.4.3.3 Variación de la velocidad, condición de viaje pruebas Fn 0,20 0,21 0,23 0,24 0,25 0,27 0,28 0,30 0,31 0,32 0,34 0,35 0,37 0,38 0,39 0,41 0,42 S.F. Vel. EHP (Kn) (HP) 14,0 497 15,0 650 16,0 659 17,0 684 18,0 636 19,0 533 20,0 443 21,0 451 22,0 420 23,0 408 24,0 363 25,0 308 26,0 287 27,0 279 28,0 254 29,0 243 30,0 267 0º Vel. (Kn) 14,1 15,3 16,3 17,3 18,3 19,3 20,3 21,3 22,2 23,1 24,0 25,0 26,1 27,1 28,1 29,1 30,1 5º % 0,4 1,7 1,7 1,6 1,7 1,7 1,7 1,4 1,0 0,5 0,1 0,0 0,3 0,4 0,4 0,4 0,4 Vel. (Kn) 14,5 15,7 16,7 17,7 18,6 19,5 20,4 21,5 22,4 23,4 24,4 25,3 26,3 27,3 28,3 29,2 30,3 10º % 3,6 4,3 4,1 4,0 3,5 2,8 2,2 2,1 1,9 1,8 1,5 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,9 Vel. (Kn) 13,6 14,8 16,0 17,2 18,2 19,1 20,0 21,0 22,1 23,2 24,1 25,1 26,1 27,1 28,2 29,3 30,4 15º % -2,9 -1,5 0,1 1,2 1,2 0,6 0,1 0,1 0,6 0,8 0,6 0,3 0,2 0,5 0,8 1,1 1,4 Vel. (Kn) 14,0 14,9 15,9 17,1 18,1 19,0 19,9 20,9 22,0 23,1 24,1 25,1 26,2 27,2 28,2 29,3 30,6 % 0,1 -0,9 -0,6 0,4 0,7 0,2 -0,3 -0,3 0,1 0,3 0,4 0,5 0,8 0,9 0,9 1,2 1,9 Tabla 4 .17: variación de la velocidad en condición de viaje de pruebas Los valores de velocidades mostrados en la tabla, son a igual potencia efectiva del casco sin flap (ver columna referencia EHP). S.F. = sin flaps EHP = potencia efectiva, en HP Vel. = velocidad en nudos (-) = decrecimiento de la velocidad (+) = incremento de la velocidad 65 4.5 Análisis de los resultados En el presente punto se analizan los resultados obtenidos de la extrapolación de los datos perteneciente a la etapa Nº 2 del ensayo experimental. Las observaciones se basan en la influencia de la serie de flaps sobre la unidad de desplazamiento. 4.5.1. Análisis del flap 0º El experimento mostró que el flap de 0º decrece la potencia efectiva a lo largo de todo el rango de las velocidades estudiadas. Del flap de 0º se pueden hacer las siguientes observaciones: • Dentro de las velocidades estudiadas, este flap presenta los mayores beneficios en el rango de bajas velocidades, específicamente entre los 16 y 21 nudos, donde se supera el 5% de reducción de los EHP en viaje de pruebas. Luego de la velocidad de 21 nudos el porcentaje de reducción de EHP decrece paulatinamente y hasta no superar más del 2%, ver tablas 4.15 y 4.16 • Los 17 y 18 nudos de velocidad presentan un decrecimiento de 7% de los EHP en condición de viaje de pruebas, el cual es el porcentaje más favorable dentro de las velocidades estudiadas • Los mejores valores sobre la velocidad, lo presentan en el rango de los 15 y 21 nudos, donde hay un incremento de 0,3 nudos para todas las velocidades, ver tabla 4.17 • Los valores positivos sobre la velocidad en el rango de 24 y 30 nudos que registra el flap sobre la nave, se pueden considerar como despreciables, ya que no registran un incremento más del 1% de la velocidad en la condición de viaje de pruebas. Por lo tanto, podemos concluir que el flap no tiene influencia sobre la resistencia a la propulsión de la nave en el rango de 24 y 30 nudos 66 4.5.2 Análisis del flap 5º El flap de 5º, al igual que el de 0º, disminuye la potencia a lo largo de todo el rango de velocidades estudiado, pero presenta porcentajes mayores de beneficio. Observaciones: • Entre los 15 y 19 nudos se disminuye los EHP por sobre el 10% en condición de viaje de pruebas • El flap presenta su máximo beneficio a los 17 nudos, con el decrecimiento de 16,6% de los EHP en condición de viaje de pruebas. En las velocidades posteriores comienzan a decrecer los porcentajes hasta el orden del 4% a los 29 y 30 nudos • Con respecto al aumento de la velocidad, entre los 14 y 19 nudos se mantiene un incremento por sobre los 0,5 nudos, y llegando hasta los 0,7 nudos en los 15, 16 y 17 nudos, todo esto en la condición de viajes de pruebas 4.5.3 Análisis del flap 10º El flap comienza a presentar valores positivos a la velocidad de 16 nudos del rango ensayado. Bajo esta velocidad tiene un efecto de penalización sobre la resistencia. Desde la velocidad de 16 nudos y hasta la cercana de los 25 nudos, este flap tiene un comportamiento irregular que varía de manera considerable en los porcentajes de disminución de la resistencia, llegando alcanzar una reducción de 5,8% de los EHP a los 18 nudos, donde luego comienza a bajar para llegar a tan sólo 0,4% de beneficio en las velocidades de 20 y 21 nudos. Posteriormente, vuelve a subir los porcentajes de disminución de los EHP hasta los 2,5% para los 23 nudos, y nuevamente caer hasta llegar al 1,1% a los 26 nudos. Del flap de 10º se pueden hacer las siguientes observaciones: • Tiene un efecto de incremento de los EHP en las velocidades 14 y 15 nudos, en condición de servicio, de 7,5 y 3,9 %, respectivamente 67 • El flap a partir de los 26 nudos comienza a tener porcentajes de disminución considerable en la potencia y llega alcanzar su máximo beneficio a la velocidad de 30 nudos, donde se disminuye en 6,2% los EHP en condición de viaje de pruebas • El mayor incremento de velocidad es en los 30 nudos, el cual es de 0,4 nudos 4.5.4 Análisis del flap 15º Este flap a las bajas velocidades del rango ensayado, entre las de 14 y 21 nudos, presenta un comportamiento donde se dan valores tanto con efectos positivos como negativos. Los porcentajes de diferencia que se dan con respecto a la nave sin flap, en estas velocidades, no superan el 1%. Estos porcentajes son bajos y se pueden considerar como despreciables y concluir que el flap de 15º no tiene influencia en la nave entre las velocidades de 14 y 21 nudos. El flap comienza a tener incidencia y presentar resultados positivos sobre la nave de manera clara y creciente a partir desde los 22 nudos de velocidad. Del flap de 15º se puede hacerse las siguientes observaciones: • La mayar reducción de potencia en la condición de servicio ocurre a los 30 nudos, disminuyendo 7,5% los EHP • Para la velocidad de los 30 nudos, se puede llegar a un incremento 0,6 nudos. 4.6.- Recomendaciones para futuros estudios A continuación se presentan cinco puntos con recomendaciones a considerar para futuros estudios. 1.- Para obtener curvas de absorción de potencia más precisas, se sugiere realizar los ensayos con una mayor cantidad de velocidades de remolque. Considerando que en el rango de velocidades estudiado se hicieron ensayos de remolque con intervalos de dos nudos, se recomendaría hacer ensayos con intervalos de un nudo, para obtener una mayor precisión. 68 2.- Frente al problema suscitado en el punto 4.3 (resultados etapa Nº 1), donde se descarta un punto para trazar la curva debido a que no seguía la tendencia de ésta, se reitera la recomendación de repetir el muestreo a la velocidad correspondiente y corroborar la información arrojada por el canal 3.- Con respecto a las características geométricas de los flaps estudiado, se propone realizar ensayos con ángulos intermedios dentro del rango estudiado. Si se desea buscar mejoras para bajas velocidades, y teniendo presento los resultados beneficiosos del flap de 5º, los ángulos estudiados podrían ser: 2,5 y 7,5º. En cambio, si se está interesado por buscar mejoras a altas velocidades se recomienda estudiar los ángulo de 12,5 y 17,5º 4.- Para tener más antecedentes e información sobre la influencia de los flaps en la nave estudiada, su sugiere hacer ensayos con flaps que varíen en el parámetro de la cuerda. 5.- Haciendo mención a lo descrito en el punto 2.9, sobre los problemas de las escalas de los modelos y los fenómenos viscosos en los canales pruebas, se sugeriría ensayos con modelos de mayor envergadura 6.- La eficiencia de los flaps en condición de servicio (presencia de mar irregular y oscilaciones de la nave) es un aspecto que deber estudiado con detalle. Las investigaciones anteriores han indicado que la eficiencia de los flaps no se ve afectada en condición de servicio. Los movimientos de Heave y Pitch disminuyen con la presencia de flaps, debido al momento que se genera y que aumenta el calado de la proa. Recordemos que este efecto ocurre sólo en naves de planeo y rápidas, y no en naves de desplazamiento, como lo es la nave del presente estudio). 7.- La influencia que podría tener la hélice en la eficiencia de los flaps estudiado debe ser chequeada, a pesar que los estudios realizados en el tema no registran efectos perjudiciales. Como se comentó en el punto 2.5, se han registrado mejoras en el rendimiento propulsivo, aportando a la eficiencia hidrodinámica de la hélice. 69 CONCLUSIÓN En el ensayo de resistencia al avance, realizado en el Canal de Pruebas de la Universidad Austral de Chile, se evaluó el efecto hidrodinámico de cuatro flaps sobre un casco de desplazamiento de forma moderna, en un rango de velocidades de 14 a 30 nudos. La serie de flaps fue ensayada con y sin estimuladores de turbulencia en el modelo. Las características geométricas de los flaps fueron definidas siguiendo las recomendaciones existentes de los estudios ya realizados sobre el tema. Los ensayos mostraron resultados potencialmente beneficiosos, los cuales deben ser eventualmente comparados con ensayos en canales virtuales (CFD) e idealmente ratificados con pruebas a escala real. Observaciones generales Con respecto a la serie de flaps y el rango de velocidades estudiado se hacen las siguientes observaciones: • El flap de 5º es el que presenta mayores beneficios entre los 14 y 28 nudos • El flap de 15º es el que presenta mayores beneficios entre las velocidades de 29 y 30 nudos • El fenómeno de penalización en las bajas velocidades que tienen los flaps de 10 y 15º no es de sorprender, ya que como se dijo, los flaps de grandes ángulo sufren este tipo de inconveniente. Pero en recompensa tienen mayores beneficios a las velocidades altas como lo demuestra el flap de 15º en las velocidades de 29 y 30 nudos 70 ANEXO I BASE DE DATOS DE FLAPS ENSAYADOS EN MODELOS DE EMBACACIONES MILITARES Este anexo contiene una base de datos sobre ensayos en modelos de embarcaciones militares de la Armada de los Estados Unidos. Estos ensayos han sido realizados en el David Taylor Model Basin, canal de pruebas de dicha institución. A continuación se presentan dos tablas con el resumen de los datos obtenidos a partir de estos ensayos. Tabla 1: Características de los flaps ensayados Tabla 2: Resumen del rendimiento de los flaps probados 71 Tabla 1: Características de los flaps ensayados Ángulo de Eslora Alcance Criterio Factor Cuerda % de Ángulo de Inclinación Clase de Buque Designación Total Transversal del Perfil Principal de Lpp Perfil (º) en la Crujía (Ft) (Ft) (Ft) de Diseño Escala (º) O.H. Perry FFG-7 Fragata 408 7,0 20,82 4,50 1,10 -5 a +20 20,0 Energía Arleigh Burke DDG-51 Flt II A Destructor 471 6,0 20,26 3,20 0,68 0 a +20 23,7 Energía Arleigh Burke DDG-51 Flt II A Destructor 471 6,0 20,26 4,70 1,00 0 a +20 23,7 Energía N/A Cruiser Variant Crucero 535 6,0 24,82 2,70 0,50 0 a +20 34,0 Energía N/A Cruiser Variant Crucero 535 6,0 24,82 4,00 0,75 0 a +20 34,0 Energía N/A Cruiser Variant Crucero 535 6,0 24,82 5,30 0,99 0 a +20 34,0 Energía Ticonderega CG-47 Crucero 532 6,0 24,82 2,70 0,51 0 a +20 34,0 Energía Ticonderega CG-47 Crucero 532 6,0 24,82 4,00 0,75 0 a +20 34,0 Energía Ticonderega CG-47 Crucero 532 6,0 24,82 5,30 1,00 0 a +20 34,0 Energía N/A CG Heavy Load Crucero 532 6,0 24,82 5,30 1,00 +10 34,0 Energía Spruance DD 963 Destructor 532 6,0 24,82 5,30 1,00 +10 34,0 Energía N/A Concep Frigate Fragata 410 N/A 16,42 3,94 0,96 0 a +20 37,4 Mas Velocidad Arleigh Burke DDG-51 Flt I/II Destructor 466 6,0 20,26 2,30 0,50 0 a +20 24,0 Energía Arleigh Burke DDG-51 Flt I/II Destructor 466 6,0 20,26 3,50 0,75 0 a +20 24,0 Energía Arleigh Burke DDG-51 Flt I/II Destructor 466 6,0 20,26 4,70 1,00 0 a +20 24,0 Energía Arleigh Burke DDG-51 Flt I/II Destructor 466 6,0 12,87 4,70 1,00 +10 24,0 Graduación Arleigh Burke DDG-51 Flt I/II Destructor 466 6,0 20,26 4,70 1,00 +10 24,0 Graduación Arleigh Burke DDG-51 Flt I/II Destructor 466 6,0 36,00 4,70 1,00 +10 24,0 Graduación Ashville PG-100 Patrullera 154 3,0 8,25 1,50 0,97 0 a +20 17,0 Trimado Ashville PG-100 Patrullera 154 3,0 8,25 2,75 1,79 0 a +20 17,0 Trimado Cyclone PC-1 Patrullera Costera 160 2,3 6,75 0,80 0,50 0 a +15 18,0 Más Velocidad Cyclone PC-1 Patrullera Costera 160 2,3 6,75 1,60 1,00 0 a +15 18,0 Más Velocidad Cyclone PC-1 Patrullera Costera 160 2,3 6,75 2,40 1,50 0 a +15 18,0 Más Velocidad Cyclone (Long.) PC-14 Patrullera Costera 160 2,3 6,75 2,40 1,50 0 a +15 18,0 Más Velocidad San Antonio LPD-17 Logístico 656 6,5 22,18 3,28 0,50 +10 N/A Más Velocidad Midterm Sealift MTS Despl. Liv. Logístico 944 0,9 32,00 4,50 0,50 +10 N/A Más Velocidad Midterm Sealift MTS Max. Carga Logístico 944 0,9 32,00 4,50 0,50 +10 N/A Más Velocidad N/A CSP/S 24 Logístico 927 10,9 32,80 4,60 0,50 +12 a +17 N/A Más Velocidad *Los flaps de Arleigh Burke Flt I/II 13, 14 y 15 fueron probados por debajo del ángulo de 13º de la cuña existente. º^Los flaps del Cyclone 21, 22, 23 y 24 fueron probados por debajo del ángulo de 3.3º de la cuña existente. Tipo de Buque 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 72 Tabla 2: Resumen del rendimiento de los flaps probados 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13* 14* 15* 16 17 18 19 20 21^ 22^ 23^ 24^ 25 26 27 28 Designación Cuerda del Perfil (Ft) Mejor Ángulo de Flap (º) Velocidad Inicial de Efectividad EHP (Kn) Máxima Reducción EHP (%@Kn) O.H. Perry Arleigh Burke Arleigh Burke N/A N/A N/A Ticonderega Ticonderega Ticonderega N/A Spruance N/A Arleigh Burke Arleigh Burke Arleigh Burke Arleigh Burke Arleigh Burke Arleigh Burke Ashville Ashville Cyclone Cyclone Cyclone Cyclone (Long.) San Antonio Midterm Sealift Midterm Sealift N/A 4,5 3,2 4,7 2,7 4,0 5,3 2,7 4,0 5,3 5,3 5,3 3,9 2,3 3,5 4,7 4,7 4,7 4,7 1,5 2,8 0,8 1,6 2,4 2,4 3,3 4,5 4,5 4,6 +10 +15 +15 +10 +10 +5 +15 +15 +10 +10 +10 +12,5 +13 +13 +13 +10 +10 +10 N/A +20 +15 +15 +3 +10 +10 +10 +10 +12 15 20 20 <10 10 17 15 16 15 17 16 14 17 16 15 15 17 19 N/A 15 18 <14 <14 14 20 26 20 20 8,2@26 4,3@25 3,8@26 5,6@26 4,1@27 6,3@26 5,9@28 6,9@30 7,1@27 8,1@29 6,7@27 9,2@25 2,4@28 3,3@25 4,8@25 6,0@25 5,8@26 4,8@32 N/A 8,2@20 2,9@30 4,1@19 3,6@20 6,8@32 1,0@23 3,4@33 5,6@36 5,1@35 Velocidad Inicial Máxima Máxima de Efectividad Reducción DHP Incremento en DHP (Kn) (%@Kn) Velocidad (Kn) 16 13 <10 14 17 16 15 13 N/A <14 16 24 8,4@26 7,2@24 7,7@27 9,4@30 10,6@29 9,0@29 11,4@25 6,3@31 N/A 5,3@20 3,5@22 10,3@35 0,4 0,3 0,4 0,6 0,6 0,5 1,0 0,4 N/A 0,7 0,2 0,4 0,6 0,8 73 ANEXO II CONSTRUCCIÓN DEL MOLDE Y EL MODELO EN PRFV 1 Fabricación del molde El esquema de laminado del molde es ligero, lo que permite la obtención de tres modelos óptimos. Para la fabricación del molde, se utilizó como matriz el modelo fabricado, al cual se le trabajó la superficie para lograr un acabado “espejo”, para que quede impreso en el molde, y posteriormente en todos los modelos obtenidos. La matriz tiene una superficie de 4,6 m², a la cual se le agregó una superficie de 0,18 m², la que corresponde a una pestaña en el borde del molde, la que ayudará a darle rigidez y evitar deformaciones de los futuros modelos. 1.1 Esquema de laminado Etapa 1 • Gelcoat • Velo superficial de 200 gr/m² • Gelcoat • Tiempo de curado de 24 horas Etapa 2 • Resina P4 • Mat de 300 gr/m² • Resina poliéster • Roving de 450 gr/m² • Resina poliéster • Mat de 300 gr/m² • Resina poliéster • Mat de 300 gr/m² • Resina poliéster 74 En resumen, el esquema de laminado contempla un espesor aproximado de 3 mm, con las siguientes capas: 2 gelcoat, 1 velo, 3 MAT, 1 Roving, 5 resina P4. Además, el molde cuenta dos refuerzos longitudinales y tres transversales. 2 Fabricación del modelo El modelo posee la misma secuencia de laminado que el molde: 2 gelcoat, 1 velo, 3 MAT, 1 Roving, 5 resina P4. Esto equivale a un peso aproximado de 1,8 kg. El casco fue reforzado con dos longitudinales y tres cuadernas, las cuales se fabricaron de espuma de PVC y fueron recubiertas con PRFV, por cuanto se logra un peso total de 2 kg. La obtención de este modelo requirió un mínimo de cuatro días, para que cumpla con los tiempos de curado de la resina, tiempo en el cual se pudo desmoldar y estar listo para el uso. Imagen de la etapa 1 del esquema de laminado de la fabricación del molde 75 Imagen del reforzamiento del molde con refuerzos transversales 76 BIBLIOGRAFÍA [1] “Combined Wedge-Flap for Improved Ship Pawering” Karafiath G., Cusanelli D. US Patent, Marzo 21, 2000. [2] Tesis: “Análisis Teórico y Experimental de la Eficiencia Hidrodinámica de Flaps de Popa en Embarcaciones Veloces” Rosas J., Universidad Austral de Chile, Valdivia 2002. [3] “Hydrodynamic Efficiency Improvements to the USCG 110 Ft. WPB Island Patrol Boats” Karafiath G., Cusanelli D., Jessup S. y Barry C. [4] “Stern Flap Powering Performance Prediction for the Coast Guard 110-foot WPB Island Class Patrol Boat” Cocklin M., Parsons M. y Troesch A., Marine Technology Vol. 37, Nº2 Spring 2000 [5] “Contour Stern Flap” Cusanelli D., MD (US) US Patent, Octubre 19, 2002 [6] “Stern Flap Corrective Motion and Fuel Saving Control System for Marine” Shen Y., Cusanelli D. y Bishop Y. US Patent, Junio 8, 2004 [7] “Guía del Curso: Resistencia a la Propulsión y Potencia Propulsiva” Perez N., Instituto de Ciencias Navales y Marítimas, Universidad Austral de Chile 2005, Valdivia [8] “Ship Design for Efficiency and Economy” Schneekluth, H. y Bertram, V. Segunda edición, 1998 [9] “Practical Ship Hydrodinamics” Bertram, V. 2000 77 [10] “Principles of Naval Architecture”, Volumen II Lewis, Edward V., New Jersey, SNAME, 1988