Canales de pruebas Hidrodinámicas

ESCUELA SUPERIOR DE LA MARINA CIVIL DE GIJÓN

Hidrodinámica, Hidrodinámica, Resistencia y Propulsión Marina. Canales de Experiencias Hidrodinámicas.

UNIVERSIDAD DE OVIEDO E.S. DE LA MARINA CIVIL

HIDRODINÁMICA RESIS!ENCIA " #RO#ULSI$N MARINA

CANALES DE E%#ERIENCIAS HIDRODINÁMICAS - ENERO 2&&' -

Alejandro Díez Fernández.

-2Alejandro Díez Fernández



1. INTRODUC I NTRODUCCIÓN. CIÓN. Toda investigación que permita mejorar las formas de un buque para reducir la resistencia al avance en alta mar conlleva un ahorro de combustible, una menor contaminación ambiental y un barco más competitivo. El estudio previo de la capacidad de adaptación de la nave en el medio en el que se desplazará es la mejor forma de prevenir posibles averías y accidentes a la hora de navegar y optimizar al máximo las propiedades hidrodinámicas del un buque. La misión fundamental de un canal de experiencias hidrodinámicas es el estudio, la experimentación y la investigación de los aspectos hidrodinámicos de la construcción naval en general ya sean buques mercantes, de pesca, deportivos, además de otras estructuras flotantes como plataformas o muelles y diques. Los experimentos y actividades que se desarrollan en estos son fundamentalmente fundamentalmente los siguientes: • Ensayos de remolque, de casco desnudo o con apéndices, en aguas tranquilas o entre olas generadas por el propio canal. • Ensayos del propulsor aislado en aguas libres. • Ensayos de modelos autopropulsados. autopropulsados. • Pruebas de maniobrabilidad y control. • Pruebas de estabilidad estabilidad y resistencia r esistencia estructural. • Ensayos de vibraciones en el casco. • Pruebas de cavitación de hélices. 1.1 BREVE INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN HISTÓRICA. HISTÓRICA.

William Fraude.

Entre los 1871-1872 surgió una nueva manera en el estudio de los buques y del estudio de los modelos a escala que serán posteriormente extrapolados a escala humana. Se construye en la localidad inglesa de Torquay, el primer canal de experiencias hidrodinámicas. Gracias a la determinación de un ingeniero civil llamado William Fraude. Fraude nació en Devon en 1810 y, aunque un hijo de una de la familia literaria y académica se puso a trabajar con Isambard Brunel, ingeniero de ferrocarriles. Pero el mar y los barcos siempre le ejercieron una -(Alejandro Díez Fernández



atención especial especial y pronto comenzó comenzó a realizar experimentos de resistencia con la resistencia pequeño modelos barcos en el río Dart. El primero de ellos se llevó a cabo en modelos a escala de las cañoneras "Swan" y "Raven". En poco tiempo, Fraude se planteo construir su propio canal de prueba en la que podría trabajar sin las molestias, debidas tanto a los elementos atmosféricos como a la dificultad de las observaciones. Con la adquisición de unos terrenos y el apoyo del Almirantazgo, Primer canal de experiencias construido por Fraude. construyo en primer canal de experiencias experiencias hidrodinámicas. hidrodinámicas. Dicho canal tenía 84,7 m de longitud, 11 m de anchura y 3 m de calado. Sobre el canal corría una especie de carruaje movido por una máquina de vapor, el cual apoyado sobre raíles, llevaba incorporado un dinamómetro. El modelo a remolcar era echo firme sobre este dinamómetro registrando este todas las resistencias ofrecidas por el mismo que eran registradas en un diagrama sobre un tambor giratorio movido por uno de los ejes del carro. En dicho remolque también eran recogidos los tiempos y las distancias recorridas. r ecorridas.

-)Alejandro Díez Fernández


Hidrodinámica, Resistencia y Propulsión Marina. Canales de Experiencias Hidrodinámicas.

El primer modelo experimentado por Fraude en su nuevo canal de experiencias fue el modelo a escala del HMS Greyhound en 1871, llevando a cabo las pruebas de mar un año más tarde en el Solent, con un resultado satisfactorio.

Primeros modelos a escala construidos en madera de William Fraude.

En la actualidad los canales de experiencias no difieren tanto en los principios básicos de este primero, salvando las distancias con la tecnología actual de precisión y sobre todo de registro y análisis de datos. Existen unos 120 canales de experiencias a lo largo del mundo, estos pertenecen tanto a universidad, como a entidades públicas o privadas dedicadas a la investigación de los efectos de los fluidos sobre los distintos artefactos flotantes y las optimización hidrodinámica de dichos artefactos así como se sus propulsores.

2. TIPOS DE CANALES HIDRODINÁMICOS. Como se ha mencionado para optimizar y resolver los problemas derivados de la dinámica del buque, se puede recurrir a la utilización modelos a escala de los buques y artefactos originales, pero a partir de las investigaciones en dichos canales se crean una seria de modelos matemáticos que realizan una primera aproximación de las características finales del modelo.

-*Alejandro Díez Fernández



Los modelos matemáticos nos permiten el desarrollo de teorías aplicadas para resolver problemas concretos. Debido a las complejas ecuaciones involucradas se necesita el desarrollo de métodos numéricos para alcanzar soluciones útiles al campo de la ciencia. En los últimos años, estos Modelo matemático de análisis hidrodinámico métodos se han desarrollado mucho debido a la utilización de potentes herramientas de cálculo, como son los ordenadores de gran capacidad y potencia de cálculo. Estos métodos van a facilitar a los técnicos procedimientos de resolución de las ecuaciones del flujo a lo largo de la carena, que vendrá a sustituir en parte los modelos físicos. La utilización del análisis dimensional, y el desarrollo de las técnicas de instrumentación, permite que la experimentación con modelos pueda resolver técnicamente los problemas de la dinámica del buque, con costes y tiempos de ejecución satisfactorios. La utilización de los modelos físicos, ha conocido un gran desarrollo desde la construcción del canal de Torquay por Fraude hasta nuestros días, por medio de la experimentación con modelos de buques que son a pesar de todas las herramientas matemáticas imprescindibles para un buen resultado final. Por estas razones y para realizar las diferencias experiencia con los modelos tanto de artefactos flotantes como de hélices existen toda una variedad de canales y túneles de hidrodinámicos.

2.1. CANAL DE AGUA CIRCULANTE. En este primer tipo de canales hidrodinámicos el modelo en estudio se encuentra en reposo, fijo a un soporte anclado en las paredes del canal, siendo el propio fluido el que circula alrededor del mismo con la velocidad que corresponda a dicho experimento.

-+Alejandro Díez Fernández



Para provocar el movimiento del fluido en este tipo de canales, éste es impulsado por una bomba de tipo axial en un circuito cerrado. Este tipo de canal tiene la ventaja de que, estando el modelo en reposo, la observación de los efectos hidrodinámicos a los que son sometidos los modelos, así como los ensayos y pruebas pueden realizarse de manera continua sin ningún tipo de limitación. Esto queda en contraposición con los canales de aguas tranquilas, como son las que hay en los canales de remolque, en las que primeramente hay que acelerar el modelo, mantenerlos a la velocidad de adquisición de datos y observar los efectos, y después se frenar el modelo antes de llegar al final de la longitud del propio canal.

Instalaciones de un canal de agua circulante.

-,Alejandro Díez Fernández



El inconveniente de los canales de agua circulante, radica en la dificultad de mantener el flujo homogéneo del fluido en la zona de observación, debido a la turbulencia producida en el agua por la acción de la bomba impulsora, que puede afectar al resultado de los datos que se obtengan en el experimento, sobre todo en los cálculos de resistencia al avance. Una de las instalaciones más importantes del mundo en lo que se refiere a canales de agua circulante es la de David Taylor Model Basin (EE.UU). Los Canales de Agua Ensayo de hélice en un túnel de cavitación . Circulante y los Túneles de Cavitación han sido desarrollados utilizando técnicas de diseño moderno e innovación tecnológica. Los túneles están manufacturados a partir de materiales de alto grado para resistir contra la corrosión y contaminación. La gama de equipo disponible es diversa y los diseños pueden adaptarse a las necesidades de los clientes. Estos canales también son utilizados con gran eficiencia en la realización de ensayos con artes de pesca, principalmente en la pesca de arrastre y la que la acción dinámica del agua es primordial. Los canales están diseñados específicamente para suministrar un funcionamiento de velocidad continua incluyendo instalaciones para ajustar la profundidad de la superficie y las características uniformes.

Canal de agua circulante. Corte longitudinal.

-'Alejandro Díez Fernández



2.1.1. TÚNELES DE CAVITACIÓN. Dentro de los canales de agua circulante podemos incluir los dedicados al estudio de los propulsores de los buques, principalmente hélices. La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible. El fenómeno puede producirse lo mismo en estructuras hidráulicas estáticas (tuberías, vénturis, etc.), como en máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas). Por los efectos destructivos que en las estructuras y máquinas hidráulicas mal proyectadas o mal instaladas produce la cavitación es preciso estudiar este fenómeno, para conocer sus causas y controlarlo.

Túnel de cavitación del Berlín Tier-garten.

Los túnel de cavitación permite el estudio de las características de las hélices estudiando la generación de cavitación, riesgo de erosión , fluctuaciones de presión y la producción de ruidos inherente a la cavitación, con el fin de optimizar el diseño de los propulsores. Los ensayos pueden realizarse con el propulsor aislado o bien trabajando en la estela del buque que se simula bien con mallas o bien introduciendo en el canal una réplica del modelo o "dummy model".

-Alejandro Díez Fernández



PARTES DE UN TUNEL DE CAVITACIÓN f j

h

g

k

e

b

d c

a

Un motor eléctrico de 1.500 rpm y 90 kW a impulsa un engranaje reductor con una relación de transmisión de 1:6,3. Las subunidades de este eje, montadas sobre un armazón común, están acopladas elásticamente. El agua del túnel es bombeada b por una hélice de barco de cuatro palas a una velocidad máxima de 200 rpm. Los elementos de la hélice son de bronce de gran resistencia. El paso de las palas es regulable. Después de abandonar la hélice, el agua pasa a través de un difusor c , es decir, una sección de tubo que reduce la presión del agua al aumentar su sección transversal y luego pasa a través de un reabsorbedor con una rejilla enderezadora d que estabiliza el flujo. Los codos del túnel e contienen aletas cuyo número y forma son diferentes para cada codo. Antes de entrar en la cámara de medición, el agua circula por el llamado concentrador (confuser) f . Este elemento estabiliza el chorro de agua cuando sale del codo y también aumenta

su

presión al reducirse la sección transversal. Cada parte del concentrador es objeto de un minucioso análisis hidrodinámico y de un preciso mecanizado. El túnel completo está situado en un edificio. La planta superior permite acceder a la cámara de medición g , que contiene sensores que supervisan diversos parámetros del agua. Placas de ventanas de plexiglás de 80 mm de espesor, instaladas en las cuatro paredes de esta sección, permiten la inspección visual y la filmación de la prueba desde diferentes ángulos, así como el uso de instrumentos externos, como estroboscopios. Aunque ha sido diseñado sobre todo para hélices, el túnel se puede usar también para ensayar otros componentes, por ejemplo los cascos de los barcos. Al salir de la cámara de medición, el agua entra en un difusor h . Elementos de desaireación del agua situados en el codo del túnel i y en el tanque de compensación j .ayudan a conseguir los parámetros de trabajo requeridos como, por ejemplo, una presión manométrica positiva o negativa. El túnel está sostenido y estabilizado mediante soportes k de acero.

2.2. CANAL DE AGUAS TRANQUILAS O CANAL REMOLQUE. Este tipo de canales se asientan sobre los mismos principios que en el primer canal de Fraude. Son rectangulares y constan de un carro dinamométrico perfectamente nivelado sobre raíles. En este carro además de llevar un dinamómetro - & Alejandro Díez Fernández



como inicialmente suman una amplia gama de sofisticados instrumentos de medida y de grabación de imágenes para obtener el mayor número de datos posibles del experimento. El carro permite además la estancia de los técnicos encargados de dirigir y controlar las operaciones del ensayo. También existe en los extremos del canal, un “canalillo de trimado”, provisto de ventanas laterales para poder observar la carena del modelo, mientras éste se prepara para la prueba.

Un canal de aguas tranquilas como por ejemplo el que se encuentra en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas del Pardo (CEHIPAR), tiene unas dimensiones aproximadas de: 360 m. de longitud, 12,5 m. de ancho y 6,5 m. de profundidad, estas dimensiones permiten la aceleración, el remolque a régimen y el frenado de un modelos a escala mediante un remolcador puede alcanzar velocidades de ensayo de hasta de 10 m/s con aceleraciones máximas de 1 m/s². El software de control permite establecer de una manera automatizada los perfiles de velocidad de ensayo. Por norma general y según las características e instrumentación que posean permiten la realización de diferentes ensayos siendo los más habituales: • Resistencia al avance. • Autopropulsión, arrastre y tracción. -  Alejandro Díez Fernández



• Propulsor aislado. • Medida de estela. • Líneas de corriente.

Planta y alzado de un canal de aguas tranquilas. CEHIPAR.

El que en su inicios de denominaba carro dinamométrico en la actualidad se nombra con el acrónimo CPMC (Computerized Planar Motion Carriage), y es el conjunto integrado por la estructura que se mueve sobre el vaso del canal, formada por el carro principal y subcarros. La misión fundamental de este conjunto es reproducir, con la máxima precisión y a escala del modelo, todo movimiento horizontal que un buque de cualquier tipo es capaz de ejecutar en la mar. El conjunto está compuesto por una estructura principal, que se desplaza con movimiento uniforme en el eje X en toda la longitud del canal, sobre la que van suspendidas res estructuras (carros) mecánicamente independientes y cuyos movimientos en los ejes DX e Y, se superponen al movimiento de la estructura del carro principal. El subcarro transversal del eje Y incorpora un dispositivo que permite la variación en altura de los subcarros incrementando o disminuyendo en la dirección del eje DX y de giro “y”. Su misión es ajustar el francobordo del modelo a las condiciones requeridas de Carro principal de remolque . ensayo. - 2 Alejandro Díez Fernández



Una aplicación software de control, gestiona de forma continua las distintas tareas que realizadas simultáneamente el CPMC: • Control de movimientos, posicionamientos, monitorización del modelo, adquisición de datos, evaluación de las carreras de ensayo, etc. 2.2.1. PARTICULARIDADES DE LOS CANALES DE REMOLQUE. 2.2.1.1. ATMOSFÉRICOS. Este tipo de canales son abiertos, y la presión que está actuando sobre el modelo es la misma que actuaría sobre el buque. Durante los ensayos realizados no puede cumplirse la igualdad de los índices de cavitación que exige que la presión Generador de Olas (Flap). Un solo tipo de ola. atmosférica sobre el modelo sea inferior a la que actúa sobre el propio buque. 2.2.1.2. PRESURIZADOS. Son instalaciones cerradas, donde puede modificarse el valor de la presión atmosférica sobre el modelo, de acuerdo con todos aquellos requerimientos citados. La mayoría de los canales existentes son atmosféricos, debido al coste tan elevado que supone la construcción de instalaciones del tipo despresurizado.

Generador de olas multiflap. Genera multitud de tipos de ola.

2.2.1.3. CANALES CON GENERADOR DE OLAS. Los ensayos de resistencia y propulsión, pueden realizarse en aguas tranquilas o en un ambiente de olas provocado. Para simular estos movimientos ondulatorios de la mar, el canal tiene

- ( Alejandro Díez Fernández



que disponer de un generador de olas, que produzca olas de tipo irregular o regular. Estas olas tienen unas características prefijadas, obteniendo de aquí los parámetros necesarios para el estudio hidrodinámico del buque. El generador de olas está dispuesto en uno de los extremos del canal, posee un sistema por accionamiento neumático o hidráulico, lo cual le permite modificar la amplitud y el periodo de oleaje generado dentro del canal. En el otro extremo del canal de remolque, se dispone de una playa para el amortiguamiento del oleaje generado. Un generador de olas como el de la imagen nos permite la creación de olas de una gran complejidad, modificando a petición los periodos y longitud de Modelo en ensayo entre olas las ondulaciones producidas en el canal.

2.3. CANAL DE MANIOBRAS O DE AGUAS LIBRES. Estos son estanques o lagos de aguas tranquilas, situados normalmente al aire libre en donde su utilizan para realizar el experimento requerido modelos autopropulsados y dirigidos por control remoto. Estos modelos presentan una complicación adicional a los utilizados en los ensayos de remolque ya que deben de incorporar además de una propulsión adecuada a la escala del mismo, todos los instrumentos de medida y control del ensayo, así como los elementos de telecontrol y gobierno del modelo. Estos modelos se suelen ser Ensayo de un modelo en aguas libres. el último paso de en todos los estudios hidrodinámicos que se realizan antes de llevar un modelo a tamaño real. Los ensayos de autopropulsión también son realizados en el canal de aguas tranquilas e incluso con la formación de olas específicas para el ensayo.

- ) Alejandro Díez Fernández



3. ESCALA Y MATERIALES. Al elegir la escala del modelo, se trata siempre de que el modelo sea lo mayor posible, y que sus dimensiones sean compatibles con las dimensiones del canal. Todo esto se hace para tratar de aumentar al máximo el número de Reynold’s del modelo, que viene dado por la expresión:

Por lo tanto se ha de tratar reducir su diferencia con el nº de Reynold’s del buque. De esta manera, si tratamos de igualar en la medida de lo posible el nº de Reynold’s del modelo al del buque reducimos el error cometido por efecto de la escala del modelo. Así mismo se tendrá en cuenta las hélices que estén almacenadas en el canal, una de las cuales se utilizara en el primer ensayo de autopropulsión del modelo del buque. Los materiales utilizados para la elaboración del modelo, son: •

La parafina.

•

La madera.

•

El poliéster, reforzado con fibra de vidrio u otro tipo de fibras.

La parafina es uno de los materiales más utilizado por los canales de experiencias hidrodinámicas, debido a que nos ofrece frente a la madera y el poliéster las siguientes ventajas: •

Mayor facilidad de elaboración de los modelos.

•

Posibilidad de realizar modificaciones locales sobre los modelos ya existentes.

La parafina además de estas propiedades es un material recuperable y reusable. Los inconvenientes de la parafina frente a la madera y el plástico, son: •

•

•

Los que derivan de su deformabilidad, su poca resistencia, la cual limita el tamaño máximo de los modelos, que no serán mayor de 7 u 8 metros.

Tallado de una maqueta en madera

La utilización de los modelos en programas largos de ensayos, debido al deterioro que se produce por su manejo, golpes, etc.

- * Alejandro Díez Fernández



Para la elaboración de los apéndices en los modelos, es frecuente el uso de madera y aluminio, y en casos excepcionales, donde más interesa que el apéndice permita una mejor observación del flujo, como es el caso de las toberas, el material más utilizado es el metacrilato, por tratarse de un material transparente. Debido a que el número de Reynolds que corresponde al campo del modelo, en los buques normales se encuentra por debajo del nº de Reynolds critico, el régimen que establece a lo largo del modelo es un régimen de tipo laminar. De otra manera en el buque el régimen será de tipo turbulento, por ser su nº de Reynolds considerablemente mayor. Para evitar esta falta de semejanza en el tipo de régimen de flujo entre el modelo y el prototipo (buque), se provoca el régimen turbulento con la utilización de estimuladores de turbulencias en el modelo. Los estimuladores de turbulencia más utilizados, consisten en finos alambres de 1mm de diámetro, que estén dispuestos en una de las secciones más a proa de la carena. Normalmente la nº 20 u otra que este situada más a proa, siempre que el perfil de proa sea lanzado. En lugar de utilizarse alambre, pueden utilizarse pequeñas clavos dispuestas en la sección más a proa, lo cual produce un efecto similar.

4. REALIZACION DE ENSAYO DE REMOLQUE. Este ensayo tiene por objeto hallar el valor de la resistencia al avance de la carena, independientemente del sistema de propulsión, para una amplia gama de velocidades. El modelo es remolcado con el carro y a través de un dinamómetro se mide la resistencia que hay que vencer para mantener la velocidad del ensayo. Además de su conexión a través del dinamómetro el modelo es conectado al carro por medio de dos mecanismos guía, un a Ensayo de remolque con indicador de velocidad en el carro. proa y otro a popa, y cuyo único objeto es impedir las desviaciones laterales del modelo y mantener la trayectoria rectilínea, pero permitiendo variar su asiento de acuerdo con los trenes de olas que forma en su avance.

- + Alejandro Díez Fernández



Durante el periodo de marcha uniforme del carro de remolque se registran en cada carrera la velocidad del carro, que es igual a la del modelo, la resistencia al avance, las variaciones de trimado y la temperatura del agua del canal. Para la realización de dichas pruebas existe una serie de recomendaciones y guías de procedimientos provenientes de la ITTC. (International Towing Tank Conference). Un ejemplo genérico de las consideraciones en pruebas realizadas a un modelo según la ITTC es el siguiente: • Modelo: El modelo debe ser fabricado de acuerdo a la recomendaciones de la ITTC, prestando especial atención a las tolerancias en el acabado de la superficie del mismo, apéndices y al tamaño y posicionamiento durante la simulación. El modelo debe ser generalmente lo más grande posible, acorde al tamaño del canal para respetar los efectos posibles por las paredes, aguas poco profundas, masas de aguas y la velocidad de remolque del carro. • Condiciones del Test: El modelo debe ser testeado en al menos, una de las dos condiciones siguientes: 1. Resistencia desnuda , sin apéndices, para determinar los coeficientes de resistencia de las formas básicas del casco. Si se incluye algún apéndice debe ser claramente Ensayo de remolque en aguas tranquilas. advertido. En cuanto a los timones, solo deben estar presentes en este test si forman parte de una sección continua de las líneas del casco. 2. Resistencia completa del modelo con todos sus apéndices , que nos servirá para determinar el incremento de los coeficientes de resistencia debido a los apéndices. Todos los apéndices fijos excepto aquellos que están relacionados con la propulsión, deben ser fijados al modelo. Los apéndices móviles u otros objetos controlables no deben ser incluidos en este test.

- , Alejandro Díez Fernández



El valor de la resistencia debido a quillas de balance se puede despreciar en el caso de que se suponga una clara evidencia de que su valor será muy pequeño. Es necesario dejar una especificación clara de los apéndices utilizados para un test como este. • Instalaciones necesarias: El modelo de buque deberá usarse con el cálculo de desplazamiento adecuado, las recomendaciones a efectos de ser tenidas en cuenta en las instalaciones están reflejadas en las recomendaciones de la ITTC. Los puntos de anclaje del modelo, y por ende, de aplicación de remolque debe ser aplicados, en la medida de lo posible en la línea que seguirán los ejes de los propulsores y también en la línea proa-popa a fin de evitar asientos artificiales y sus correspondientes efectos. El trincado del modelo debe realizarse lo más cercano posible al dinamómetro y de tal manera que solamente refleje la Ensayo de remolque con olas. resistencia dinamométrica en el plano horizontal, incluso en el caso de que se estén realizando corridas con asientos muy grandes. Todo el conjunto de fijaciones estará diseñado de tal forma que tratara de evitar los posibles movimientos de abaniqueo en cualquier dirección no deseados que puedan adulterar el resultado de la prueba. Pero esto debe de producirse de tal manera que no alteren mediante la imposición de alguna fuerza o momento el natural balanceo o cuchareo del modelo al navegar. En caso de que alguno de los instrumentos transportados en el carro, estén conectados al carro de alguna manera por cables flexibles, se ha de prestar especial atención de que dichas conexiones no sometan al modelo a la acción de ninguna fuerza. En la práctica la mejor opción para evitar dicho efecto será colocarlos lo más verticalmente posible al carro de remolque. También se ha de prestar atención a que dicha instrumentación, conectada o no al carro este perfectamente equilibrada de manera que su mera presencia no altere de alguna manera la natural flotabilidad del modelo - ' Alejandro Díez Fernández



Pasemos pues a detallar las atenciones que se ha de tener en cuenta respecto de las características técnicas de los equipos e instrumentos necesarios: • Resistencia: El dinamómetro debe estar seleccionado de tal forma que tenga aproximadamente una precisión o error del 0,2 % de su capacidad máxima de medida, lo que resulta en la práctica habitual es un valor de aproximadamente 0,05 N. Esta precisión, no obstante no implica necesariamente que la resistencia medida en un modelo por si misma pueda tener la misma tolerancia de error. • Velocidades: Idealmente, la velocidad registrada sobre el agua debería ser medida directamente. Como esta práctica esta en verdad afectada por muchos posibles factores se utiliza uno de los dos siguientes métodos en función del tipo de canal que se éste utilizando: 1. La velocidad del carro de remolque con respecto al suelo o cimentación que éste utilizando para su desplazamiento. 2. La velocidad del carro de remolque relativa a la corriente de agua sobre la que éste actuando el modelo mediante el uso de medidores de corriente, en cuyo caso la estela y el oleaje deben ser minimizados al máximo posible. Los medidores de velocidad, en cualquiera de sus métodos posibles deben disponer de un error máximo del 0,1% de su velocidad máxima, lo que viene siendo en la práctica un error máximo de 3 mm / s

4.1. SINKAGE Y TRIMADO. El sinkage tanto proa como a popa debe ser medido mediante el uso de guías mecánicas, potenciómetros, codificadores LDVT o mediante el uso de algún otro procedimiento remoto tal como el uso de láser o ultrasonidos. El asiento o trimado de trabajo se calcula a partir de los datos obtenidos con los sinkages a proa y a popa, que deben ser medidos con una precisión de no más de 1,0 mm. Toda la instrumentación necesaria se entiende que estará perfectamente calibrada antes de realizar alguna medición. Antes de que empiece ninguna corrida de carro es necesario chequear que todos los instrumentos marcan cero o en su defecto el valor inicial esperado para asegurarse de que no se produce ninguna deriva no prevista en la toma de datos.

-  Alejandro Díez Fernández



Una vez realizada dicha comprobación el modelo corre a lo largo del canal remolcado a diferentes velocidades que vienen determinadas por el número de Fraude. Generalmente dichas velocidades se toman desde un Fr=0,05 hasta Fr= 0,40 con intervalos incrementales de 0,05. Las mediciones no comenzaran hasta que el modelo no adquiera la velocidad de remolque deseada y esta sea mantenida de una manera uniforme durante un periodo de tiempo dado de antemano para todas las corridas del carro de remolque. Se hacen necesarias hasta 5 repeticiones de dicho proceso para obtener medidas de datos fiables aplicando criterios de deducción de errores tales como el de mínimos cuadrados.

4.2. ENSAYO DE LINEAS DE CORRIENTE. El ensayo de líneas de corriente tiene por objeto visualizar el fluyo que se establece a lo largo de la carena en las condiciones impuestas por las leyes de semejanza. Existen dos técnicas para la realización de este ensayo: 1. Utilización de un líquido colorante que se inyecta a través de una red de orificios perforados en la carena del modelo cuando es remolcado a la velocidad correspondiente. El líquido impregna la superficie de la carena quedando visualizado en cada orificio la dirección del vector velocidad del fluido en ese punto. 2. Utilizando cabos de algodón unidos a la superficie de la carena en una red de puntos que al desplazarse con el modelo a la velocidad de la cadena se orientan según el vector velocidad en ese punto del flujo. Mediante la utilización de una cámara fotográfica o de tv submarina pueden obtenerse imágenes que permitan trazar sobre el plano de formas las líneas de Modelización líneas de agua. corriente. El ensayo de líneas de corriente es un ensayo cualitativo con el que se obtienen una información visual sobre el flujo a lo largo de la carena permitiendo detectar fenómenos de desprendimiento, principalmente a popa y asimismo, permite realizar un diseño adecuado de apéndices, tales como quillas de balance, henchimientos, etc.. - 2& Alejandro Díez Fernández



4.3. PROGRAMAS INFORMÁTICOS DE MODELIZACIÓN. Los datos obtenidos de los ensayos de Remolque, Autopropulsión, Propulsor Aislado, Estela y Líneas de Corriente que se realizan con el modelo en el Canal de Aguas Tranquilas han de ser analizados y procesados para obtener los resultados a escala real del buque, para ello se utilizan una serie de programas informáticos que por norma general podemos dividirlos en tres: 1. Permite hacer este análisis extrapolando los datos de los ensayos de remolque, autopropulsión y propulsor aislado del modelo al buque. 2. Proporciona los valores de la estela, que son el campo de velocidades en el plano de la hélice, a partir de los datos del modelo y predice el comportamiento de la hélice en esa estela desde el punto de vista de cavitación, ruidos y vibraciones. 3. Permite el análisis de las pruebas de mar de un buque y su comparación con los resultados de los ensayos. En base a esta información se reactualizan los factores de correlación que permiten predecir con mayor fiabilidad los valores reales del buque.

5. CENTROS DE EXPERIMENTACION HIDRODINÁMICA DE BUQUES. Un canal donde se realizan pruebas hidrodinámicas, con el fin de diseñar un buque nuevo, o de refinar el diseño de un buque para mejorar el funcionamiento del buque en el mar. En general, los centros de experimentación con modelos de buques, extienden sus actividades desde el campo de la investigación pura y aplicada, hasta la realización de trabajos para astilleros, armadores, etc. Su dimensión varía desde los pequeños canales de experiencias, en el seno de instituciones universitarias, hasta el gran complejo de experimentación que ofrece sus servicios a la industria de la construcción naval, explotación de recursos marinos, etc. Las instalaciones experimentales básicas en uno de estos centros de tamaño medio, son: • Canal de aguas tranquilas para ensayos de remolque y autopropulsión. • Canal con dispositivos generadores de olas. • Túnel de cavitación. • Canal de maniobrabilidad. Como alternativa al canal de remolque, en algunos centros se dispone de un canal de agua circulante. Algunos de los más importantes canales de experiencias son el canal de experiencias de David Taylor en los Estados Unidos, el MARIN en Wageningen, - 2 Alejandro Díez Fernández



Holanda, el INSEAN en Roma, el HSVA Hamburgo, Alemania ,el "Canal de ensayos de Carenas" en Val de Reuil, Francia y CEHIPAR ,en Madrid, España .

5.1. CANAL DE EXPERIENCIAS HIDRODINAMICAS DEL PARDO. El gran centro de experimentación hidrodinámica dentro del estado español en el CEHIPAR o Canal de Experiencias Hidrodinámicas del Pardo creado en 1928 por la Armada Española. El CEHIPAR es un centro público de investigación, desarrollo tecnológico y asistencia técnica de alto nivel, configurado administrativamente como Organismo Autónomo del Estado y adscrito al Ministerio de Defensa a través de la Dirección General de Armamento y Material.

La misión fundamental del CEHIPAR es el estudio, la experimentación y la investigación de los aspectos hidrodinámicos de la construcción naval militar, mercante, pesquera y deportiva. Esta misión está recogida en el Real Decreto de reorganización 451/1995 de 24 de marzo, en el que se definen también sus principales funciones: a. La experimentación con modelos para el estudio y proyecto de buques, equipos y artefactos en sus aspectos hidrodinámicos. b. La investigación y experimentación encaminada al ahorro energético de los buques. c. La certificación de las velocidades previsibles para el buque y otros parámetros o características hidrodinámicas deducidas de los resultados obtenidos en sus pruebas de mar y la homologación de dichas pruebas, así como las de otros sistemas y equipos cuando se requiera. d. El estudio de cuestiones hidrodinámicas que pueden ser de aplicación a otras ramas de la técnica y especialidades científicas.

- 22 Alejandro Díez Fernández



e. La colaboración con entidades nacionales e internacionales de I+D, sirviendo de elemento de transferencia de tecnología española, dentro de sus competencias. f. La promoción de la colaboración e intercambios en trabajos científicos y técnicos de I+D con centros análogos extranjeros. g. La formación de personal técnico especializado, colaborando con universidades y empresas.

Los trabajos que realiza el CEHIPAR contribuyen decisivamente al ahorro y optimización de las condiciones de explotación de los buques así como a incrementar su seguridad, tanto por el ahorro de combustible al optimizar la resistencia al avance y el rendimiento del propulsor, como por las mejoras en sus condiciones de navegabilidad y movimientos y aceleraciones en la mar, incluyendo estudios de seguridad en condiciones extremas.

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El CEHIPAR ha respondido al continuo incremento de las demandas industriales mediante la construcción de nuevas instalaciones y la continua adaptación de las existentes, todas ellas dotadas con la adecuada instrumentación. Las permanentes actividades de I+D+i en colaboración con Universidades, Centros de Investigación y Organizaciones y Empresas nacionales e internacionales, hacen del CEHIPAR un socio competente en ciencia y servicios para trabajar en las nuevas estrategias del mercado. En la actualidad, los programas de cálculo numérico, unidos a una Base de Datos con más de 24.000 ensayos y un personal con experiencia, permiten efectuar diseños, valoraciones de proyectos y simulaciones con rapidez, flexibilidad y confianza. Se complementan con el adecuado software y hardware de CAD (Computer Aid Design) y CAM (Computer Aid Machine) para diseñar y construir los modelos de buques y propulsores que se utilizan en la experimentación. La experiencia del CEHIPAR durante más de 75 años ha permitido la existencia de una base de datos de ensayos que complementada con el software de simulación y CFD (Computer Fluid Dinamics) más actual, proporciona a nuestros clientes valoraciones cualitativas y rápidas en los inicios de los proyectos. El CEHIPAR también proporciona personal y equipos para la realización de pruebas de mar. Las instalaciones del CEHIPAR se indican en el plano:

1. Canal de aguas tranquilas. 2. Túnel de Cavitación. 3. Laboratorio de dinámica del buque. 4. Talleres.

5.1.1. INVESTIGACION. Las actividades de Investigación, Desarrollo e innovación (I+D+i) se concretan en dos Áreas fundamentales: - 2) Alejandro Díez Fernández



• De demanda comercial: Con capacidad para resolver una amplia variedad de problemas prácticos a los que se pueda enfrentar potencialmente la industria. • De generación interna: Teóricas o aplicadas, de utilidad para un desarrollo multidisciplinario y puesta al día del "know how" científico-tecnológico. Es objetivo prioritario el proteger la tecnología y la propiedad intelectual de nuestros clientes; para lo cual el CEHIPAR promueve y desarrolla acciones para la obtención de las Patentes, Modelos de Utilidad, y Marcas correspondientes. El CEHIPAR coopera con Universidades y Centros Tecnológicos en I+D+i, estableciendo convenios para el desarrollo de Programas específicos en todos los campos de la hidrodinámica (Resistencia, Propulsión y Dinámica). El CEHIPAR participa en un buen número de proyectos de I+D, tanto nacionales como internacionales, que incluyen investigación fundamental y aplicada, así como el desarrollo de nuevos métodos experimentales y sistemas innovadores de diseño. El CEHIPAR es miembro y colabora activamente en investigación con: • ITTC (International Towing Tank Conference). • CRS (Cooperative Research Ship). • Large Scale Research Facilities- HYDRALAB (Unión Europea). • Research and Technology Organization (RTO) de la NATO. • Grupo CEPA-10 de la Unión Europea Occidental (UEO). • Red temática “Coordinated Action in Ocean Energy”, de la U.E. • Empresas del Sector Naval. • Gran número de universidades de la U.E. y U.S.A. • Centros de investigación españoles y extranjeros. • CAM – CAE. El CEHIPAR dispone de programas específicos para el diseño (CAD), fabricación (CAM) e ingeniería (CAE) para la Tallado del modelo en resina. elaboración de los modelos a ensayar así como de instrumentación específica para uso en sus instalaciones. Para el proceso de fabricación de modelos, tanto de carenas, como hélices y apéndices (timones, arbotantes, etc.) dispone de un taller mecánico, dotado con las - 2* Alejandro Díez Fernández



máquinas herramientas habituales en este tipo de instalaciones, y de tres fresadoras de control numérico con las siguientes capacidades:

Fresadora de 5 ejes BERMAQ con capacidad para mecanizar piezas de: Largo: 10.950 mm. Ancho: 2.500 mm. Alto: 1.200 mm. Velocidad rotación: 1.000 a 20.000 rpm. Potencia: 12 kW Control: SIEMENS, SINUMERIK 8400. Materiales: aluminio, bronce, madera, parafina, espumas de PVC, poliestirenos, poliuretanos y otros materiales compuestos. Uso: mecanizado de carenas de modelos y apéndices cuando estos son de grandes dimensiones. · Fresadora de 3 ejes K&R-B15 con capacidad para mecanizar piezas de: Largo: 10.000 mm. Ancho: 1.800 mm. Alto: 860 mm. Velocidad máxima: 3.000 mm/min. Control: SIEMENS, SINUMERIK 8400. Materiales: madera, parafina, espumas de PVC, poliestirenos, poliuretanos y otros materiales compuestos. - 2+ Alejandro Díez Fernández



Uso: mecanizado de carenas de modelos y apéndices cuando estos son de grandes dimensiones. Fresadora de 4 ejes LAGUN con capacidad para mecanizar piezas de: Largo: 720 mm. Ancho: 406 mm. Alto: 150 mm. Velocidad máxima: 3000 mm/min.

Materiales: metales, madera, espumas de PVC, poliestirenos, poliuretanos y otros materiales compuestos. Uso: mecanizado de propulsores y apéndices.

5.2. CANAL DE ENSAYOS HIDRODINÁMICOS DE LA E.T.S.I. NAVALES Y OCEÁNICOS. Este canal de es otro de los canales hidrodinámicos que tenemos en el estado. Situado en las instalaciones de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Navales y Oceánicos de Madrid. Se utiliza además de para la enseñanza de los efectos hidrodinámicos de un buques y el desarrollo de modelos para la diversos proyectos de investigación realizados por la E.T.S.I. Navales.

5.2.1. INSTALACIONES. • Canal de aguas tranquilas: Inaugurado en 1967 con unas dimensiones de 56 metros de largo, 3,8 m. de ancho y 2,2 m. de profundidad, posteriormente se aumentó su longitud hasta los 100 m. Fue proyectado por Luis de Mazarredo con el fin - 2, Alejandro Díez Fernández



de que los estudiantes de ingeniería naval se pusieran en contacto con los métodos de experimentación en hidrodinámica. Además de para labores académicas se usa para los estudios de optimización y estimación de resistencia al avance de buques. • Generador de olas: Existe un generador de olas de tipo pantalla que permite la realización de ensayos en olas. Permite alcanzar olas regulares de hasta 0,2 m. y períodos de olas comprendidos entre 0,5 y 2 segundos. Con estas olas es posible hacer estudios de comportamiento en la mar de buques, sobre todo con mares de popa y de proa. • Carro de arrastre de los modelos: Para poner en movimiento el modelo se dispone de un carro de estructura de acero, que rueda sobre dos líneas de carriles ancladas en los pretiles laterales del "canal". La alineación y nivelación de estos carriles se ha efectuado con gran precisión para evitar alteraciones de la velocidad del carro durante los ensayos. El carro puede alcanzar una velocidad de hasta 4.5 m/s lo que permite efectuar pruebas de buques de velocidades altas. • Talladora de modelos: Se utiliza para construir los modelos para la experimentación propia y los contratados por diferentes instituciones y empresas. • Centro mecanizado de cinco ejes: La función principal es realizar la talla de modelos en plástico, madera o aluminio aunque también sirve para mecanizar cualquier pieza. • Banco de ensayo de tanques estabilizadores pasivos: Se dispone de un sistema ensayador de tanques estabilizadores pasivos, donde se obtienen las características de los modelos de los diferentes tanques, y se define su punto óptimo de funcionamiento. • Red de ordenadores: Se dispone de una red de 16 PC's de última generación con la que se realizan los cálculos CFD y de comportamiento en la mar y el análisis de las diferentes medidas experimentales.

5.3. CANAL DE EXPERIENCIAS DE MARIN (Wageningen HOLANDA.) El Instituto Marítimo de los Países Bajos fue fundado en 1929 como el canal de experiencias de público para investigaciones estatales y de la industria. El trabajo comenzó en 1932, completando la construcción del canal de remolque de aguas profundas mas tarde.

- 2' Alejandro Díez Fernández



Para cooperar con el incremento de la demanda de la industria, el canal de experiencias, MARIN, trabaja para proporcionar a los puertos buenas instalaciones, seakeeping y maniobra, incluyendo el efecto de aguas poco profundas, cavitación, vibración, ruido, etc. Se realizaron una serie de pruebas que mostraron el éxito de la construcción (canal de aguas profundas 1951, canal de aguas poco profundas 1958, canal de alta velocidad 1965, canal presurizado 1972, Túnel de cavitación 1979). Un nuevo canal de seakeeping y maniobra se creó durante el 1999. El canal presurizado se completó en el 2001.

MARIN comenzó a involucrarse en proyectos de instalaciones en el mar desde 1960. Un canal de olas y corriente fue construido en 1973, .el cual fue reemplazado por un canal de nuevas instalaciones en el mar en el 2000. Para servir a la industria, MARIN ofrece una completa variedad de instalaciones, incluyendo seis canales dedicados a las pruebas con modelos, sistemas de medida del avance, dos simuladores del puente de un barco y un simulador de tráfico marítimo. MARIN ha construido recientemente un canal de seakeeping y maniobra y otro de instalaciones en el mar, también ha mejorado el canal despresurizado. Las instalaciones son las siguientes: • Canal de aguas poco profundas. • Túnel de cavitación. • Canal de alta velocidad. • Canal de aguas profundas. • Canal presurizado. - 2 Alejandro Díez Fernández



• Canal de instalaciones en el mar. • Canal de seakeeping y maniobra. • Simuladores de puente. • Simulador de tráfico marítimo.

5.4. CANAL DE EXPERIENCIAS DE HAMBURGO HSVA. Desde hace más de nueve décadas, el privado e independiente canal de experiencias de Hamburgo ( HSVA) ha estado al frente de los estudios hidrodinámicos. El HSVA fue fundado en 1913 como la más grande instalación de esta clase. En 1929 se creó un canal de 320 m. de longitud con un carro de remolque de 20m/s para pruebas con aeronaves. En 1932 el director Dr. Kempf inició una conferencia sobre "Problemas hidrodinámicos de propulsión del barco" que más tarde se convirtió en la conferencia internacional de canales ( ITTC ).

Desde 1939 a 1943 se creó un gran túnel de cavitación con una sección de 2.4*1.2m. En 1942 el HSVA aumentó su gran extensión con un canal de 450m. de longitud con un carro de remolque de 100 Tns. y una potencia de 2000 hp. Sus instalaciones constan de : • Un gran canal de remolque:

- (& Alejandro Díez Fernández



• Un canal de hielo:

• Túnel de cavitación de circuito cerrado:

• Dos túneles de cavitación de de media y alta velocidad:

- ( Alejandro Díez Fernández



• Un canal que reproduce el clima ártico:

• Un canal de remolque pequeño :

5.5. CANAL DE EXPERIENCIAS DE ROMA (INSEAN). El instituto nacional para el estudio de experiencias de construcción naval tiene competencia científica en el campo de la hidrodinámica naval y marítima. Es una personalidad jurídica de derecho público con autonomía científica bajo la vigilancia del Ministerio de Defensa y el Ministerio de transporte. El INSEAN está instalado en el Laboratorio de la Universidad de la Ricera y dispone de las siguientes instalaciones :

- (2 Alejandro Díez Fernández



In/0ala1one/ del Canal de E34eren1a/ INSEA de la Un5er/dad de R1ea.

•

•

•

El canal rectilíneo N 1 (longitud: 470 m; manga: 13,5 m; profundidad: 6,5 m), El canal rectilíneo N 2 (longitud: 220 m; manga: 9 m; profundidad: 3,5 m) dotado de generador de olas. Canal de circulación del tipo de superficie libre y despresurizadle (longitud: 10 m; manga: 3,6 m; altura máxima del agua: 2,2 m),

Canal Hidráulico. Dispone también de laboratorios auxiliares como: •

•

El Laboratorio electrónico.

Taller mecánico. También cuenta con otro emplazamiento para los ensayos que en el lago Nemi: •

Lago Nemi utilizado para pruebas autopropulsadas en aguas libres.

- (( Alejandro Díez Fernández



5.6. CANAL DE EXPERIENCIAS “VAL DE REUIL” EN FRANCIA. El canal de ensayos con carenas de Val de Reuil es uno de los canales de experiencias hidrodinámicas con más antigüedad. Su construcción data del 7 de julio del 1906 y su ingeniería es debida a Emile Bertin, general marítimo jefe de la sección técnica de construcción naval. Denominado inicialmente “Canal de experiencias de la marina”, en la actualidad " Canal de ensayos de carenas " y situado en terrenos del bulevar Víctor, en la ciudad de París.

De 1906 a 1975, todas las instalaciones de ensayos construidas son : •

El actual canal de remolque Nª 1 construido en 1906 de 160 m.

•

El canal giratorio puesto en servicio en 1942.

•

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El canal de remolque Nª 2, construido en 1950, se le equipa en 1970 con un generador de olas irregulares. El canal de remolque n° 3 fue construido en 1965 y dotado de un generador de olas irregulares en 1973.

- () Alejandro Díez Fernández


•

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Dos túneles de cavitación, inaugurados en 1988 . Tanque Roger Brard utilizado para el estudio hidrodinámico de submarinos y aeronaves. Generador de olas B600 con una longitud de 545 m.

5.7. CANAL DE EXPERIENCIAS MODELO DE DAVID TAYLOR. El canal modelo de David Taylor es uno de los canales de experiencias más grandes del mundo. Actualmente pertenece a la división de Carderock que es el centro de la marina de guerra de la excelencia para los buques y los sistemas del buque. Las localizaciones primarias de la división son sus jefaturas en Bethesda del oeste, Maryland y la estación de la ingeniería de sistemas del buque en Philadelphia, Pennsylvania. Los elementos dominantes en su éxito tecnológico son la anchura y la profundidad de sus capacidades y la maestría de sus científicos e ingenieros. David Watson Taylor diseñó y supervisó la construcción en 1896 del canal . experimental de la yarda de marina de guerra de Washington (EMB). El canal que lleva su nombre fue construido en 1939 en Bethesda, Maryland. El edificio del canal de David Taylor es 3200 pies de largo y contiene tres instalaciones independientes únicas .para pruebas de canal de remolque: el canal bajo el agua, el canal profundo, y el canal de alta velocidad. El canal bajo el agua abarca tres secciones colindantes: aguas profundas, poco calado, y un canal usado para las maniobras del manejo. Su carro de remolque puede proporcionar aceleraciones de 18 nudos. El canal profundo tiene un Instalaciones del Canal de Experiencias David Taylor. generador de olas situado en un extremo, y una playa absorbente de la onda en el otro. Esta capacidad permite modelar los estados del mar regulares o irregulares. Se establece detrás de una sección móvil de la playa un muelle seco de la guarnición hacia fuera. Su carro de remolque puede proporcionar aceleraciones de 20 nudos. El canal de alta velocidad abarca dos secciones colindantes: una sección profunda y una sección de poco calado. Hay tres ventanas de visión subacuáticas grandes en diversas elevaciones que se fijan en la pared a mitad de la longitud. - (* Alejandro Díez Fernández



Los carros de remolque de alta velocidad pueden proporcionar movimientos complejos para el modelo con aceleraciones de 50 nudos. Estos canales de remolque están entre los más grandes y mejores del mundo. Las calidades del seakeeping y las características de la propulsión de los modelos se determinan en los canales profundos y de alta velocidad con los simuladores de olas que son capaces de producir ondas uniformes o irregulares. Estos tres canales de remolque se utilizan para una variedad de pruebas hidrodinámicas incluyendo: la resistencia, la propulsión, la estabilidad estática en aguas tranquilas, las caracterizaciones abiertas del propulsor del agua, las maniobras automotoras del manejo, las medidas inestables de la fuerza de la lámina del propulsor, las encuestas sobre la estela, las calibraciones del nudo-metro bajo condiciones dinámicas simuladas, los experimentos en planos verticales y horizontales del movimiento, las fuerzas hidrodinámicas en los cuerpos sumergidos, etc. El canal de alta velocidad se utiliza para medir fuerzas hidrodinámicas en los hydrofoils. El nivel del agua en el canal bajo el agua se puede variar para simular los ríos, los canales, y los canales restringidos. Los carros del remolque funcionan a lo largo de los carriles que siguen la curvatura de la superficie de la tierra. Los carros del remolque son accionados por los sistemas de impulsión eléctricos o electrohidráulicos ,cada uno se equipa de las fuentes de alimentación del motor, los sistemas de adquisición de datos de la minicomputadora, las luces fotográficas, empuje y esfuerzo de torsión. Los sistemas de comunicación de la microonda han estado instalados recientemente en cada uno de los carros de remolque para proporcionar una capacidad .que transmite datos digitales en tiempo real, voz, y las señales video entre la orilla y los carros durante funcionamientos de prueba.

- (+ Alejandro Díez Fernández

Canales de pruebas Hidrodinámicas

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