Cap 05 Predicción de La Resistencia
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8/17/2019 Cap 05 Predicción de La Resistencia
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BASES DE
POTENCIA Y DE
PREDICCIÓN DELA RESISTENCIA
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La
determinación
de
la
potencia
necesaria
para
el
movimiento
de
un
barco
es
una
de
las
tareas
fundamentales
del
Ingeniero
Naval
.
Para
poder
lograr
la
determinación
de
la
potencia,
es
necesario
seleccionar
el
sistema
de
propulsión
(por
lo
general
la
hélice
estándar
para
buques
convencionales)
.
Además,
en
la
etapa
de
diseño,
es
necesario
estimar
la
resistencia
del
buque
y
de
los
coeficientes
de
propulsión
(factor
de
succión,
coeficiente
de
estela,
el
coeficiente
rotativo
relativo)
.
http://viajes-cruceros.net/wp-content/uploads/2009/12/274.jpg
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La ecuación de propulsión y el Coeficiente Casi Propulsivo (QPC)
La básico de la propulsión en Arquitectura Naval de los buquesestándar es la ecuación de propulsión que conduce a laintroducción del llamado "cuasi-coeficiente de propulsión" (queno debe confundirse con una eficacia real):
:[W] effective power
: [N] ship resistance
: [m/s] ship speed: [W] power delivered at the propeller
T S S E d
D D
E T S
T
S
D
R V V P QPC
P P
P R V V
R
V P
POTENCIA EFECTIVA
RESISTENCIA TOTAL
VELOCIDAD
POTENCIA DELPROPULSOR
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Nótese que la entrega de potencia DP, que está directamente relacionadacon la con la propulsión del barco, es una parte de la energía total
requerida, ya que es necesario tener en cuenta también la potenciaadicional debido a:
La eficiencia de la línea de eje y reductores: este es habitualmente deaproximadamente 2% de PD en el caso de acoplamiento directo entremotor y la hélice, y 4% de la PD en caso de la presencia de cajasreductoras.
La potencia adicional a requerimientos diferentes de la propulsión: estodepende en gran medida del tipo de buque y, para determinados buquescomo los cruceros, podría ser una parte significativa de la potencia totala bordo.
Las pérdidas de energía debidas al acoplamiento entre el motor y la hélicese toma generalmente en cuenta por medio de una eficiencia (orendimiento de trasmision) de transmisión para obtener la potencia al freno como:
D t b P P
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Además, se debe recordar que los barcos funcionan usualmente a suvelocidad de servicio, utilizando una potencia inferior a la relación máximacontinua (MCR)del motor.
La relación entre la potencia necesaria en la prueba y el MCR del motor noes un tema fácil, ya que dicha relación depende básicamente de la forma enla que se ha escrito en el contrato entre el armador y el astillero.
El caso más típico es cuando, en el contrato, el armador exige que el buquedebe ser capaz de mantener una velocidad determinada VT en las pruebas
con una proporción determinada (por lo general 85%) de la MCR. En talcaso, el MCR es simplemente dada por:
with 0.85
b T
d
d
P V MCR k
k
Este último, sin embargo, esta no es la única posibilidad
existente.
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La potencia necesaria para mover un barco nuevo y limpio en pruebasen aguas tranquilas es significativamente menor que la potencianecesaria para mover un barco sucio en el mar, especialmente encondiciones ambientales malas.
Por lo tanto, la potencia de freno calculada para un barco nuevo en laspruebas se debe incrementar para tener en cuenta tales efectos,llegando a la llamada “potencia de servicio”:
&1bS b sea fouling P P
Los valores típicos para ξsea&fouling varían entre 10-20%. Sin embargo, esimportante señalar que la potencia adicional necesaria en el serviciose puede estimar mediante cálculos directos basados en medidas opredicciones numéricas o experimentales de resistencia añadida y porestimación de suciedad del casco.
Además de la potencia adicional requerida en condiciones de servicio,hay otro punto que requiere atención: el motor normalmente no seutiliza al MCR, y por lo tanto un "margen de motor" debe ser tomada.
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El margen de motor ξem está alrededor del 10%, y se debe añadir a laconsiderada potencia de servicio para estimar finalmente la MCR:
&1 1 1bS em b sea fouling em MCR P P
El uso de "factores adicionales" es, sin embargo, sólo una primeraaproximación para el complejo problema de la velocidad sostenible en elmar, o, equivalentemente, para el problema de la potencia requerida paraalcanzar una velocidad sostenible en el mar.
Para abordar el problema de una manera más directa, es necesario tener amano un contrato especificando claramente cual es la velocidad requeridasostenible en un dado, y claramente definido, entorno o conjunto decondiciones ambientales.
De este modo la resistencia adicional, que es la cantidad física real queconduce a la potencia adicional, se puede estimar y, en tal forma, lapotencia total requerida (y también el asociado requerido "óptima" hélice)se puede determinar.
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Haciendo un reordenamiento en la ecuación de propulsión, es común paraseparar el término “casco", término y el término de “hélice" de la siguiente
manera:
/2 /
1: hull "efficiency" (better "coefficient")
1
: thrust deduction factor
: Taylor wake fraction
: open water propeller efficiency2
S o A oT d H O R
A o o
H
T
S A
S
o AO
o
V T V T T RT V nQ Q Q
t
w
T Rt
T V V
wV
T V
nQ
/
: relative rotative "efficiency" (better "coefficient")/
:[N] propeller thrust ; :[N m] propeller torque ;
:[N] open water propeller thrust ; :[N m] open water propeller torque
o R
o
o o
T T
Q Q
T Q
T Q
;
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Estimación simp lificada de la potencia del barco
Hemos visto que la predicción de la potencia requerida entregado requiere el
conocimiento de la resistencia del buque, las características de la hélice y loscoeficientes de interacción barco / casco
Sin embargo, también es posible obtener estimaciones aproximadaspreliminares de la potencia requerida basándose en coeficientes simples.
Recordamos aquí el coeficiente de Almirantazgo:
2/3 3
A
b
V C
P
Las unidades utilizadas para el desplazamiento D, la velocidad y la potencia
depende de la fuente de datos.
Por lo general, la potencia considerada en la Constante de Almirantazgo es lapotencia total instalada, pero, dependiendo de las fuentes, es posible obtenerla constante Almirantazgo basándose en la potencia de frenado en laspruebas.
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Cuando el desplazamiento del buque se expresa en toneladas, la velocidad delbuque en nudos y la potencia en kilowatts, los valores típicos del coeficiente delAlmirantazgo para diferentes tipos de buques de acuerdo con Schneekluth yBertram (1998) son los siguientes:
• Buques de carga general: 400-600 [t2 / 3 * kn3/kW]• Graneleros y petroleros: 600-750 [t2 / 3 * kn3/kW]• Reefer: 550-700 [t2 / 3 * kn3/kW]}• Los buques nodriza: 350-500 [t2 / 3 * kn3/kW]• Los buques de guerra: 150 [t2 / 3 * kn3/kW]
La figura de la izquierdamuestra un análisis deregresión relativa a losbuques Ro-Ro de la PaxEliopoulou y Papanikolaou
(2001).
Nota: 1 HP = 0.746 kW
A partir del gráfico CA esaproximadamente
200-500 [t2 / 3 * kn3/kW]
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La predicción de la resistencia
Como ya se ha dicho, la predicción de la resistencia del buque es una parte fundamental del proceso para determinar la potencia requerida del barco.
Hay muchas formas para estimarla:
• A partir de experimentos directo con modelos o métodos numéricos
• Con regresiones de Taylor (Tailored regressions) basadas en barcos
similares de los cuales se dispone de datos
• Con simplificadas "reglas del pulgar“ • Con métodos estadísticos
• Con series sistemáticas
Por lo general, los experimentos de modelos no están disponibles en la fase inicial de diseño, y los métodos numéricos a menudo requieren deinformación detallada sobre la geometría de la nave que podrían no estar
disponibles (y con frecuencia no están realmente disponibles) en la etapainicial de diseño.
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Además, experimentos realizados con modelos y cálculosnuméricos toman demasiado tiempo para ser utilizado en laestimación preliminar de la potencia requerida, sobre todo cuando
los datos principales de la nave todavía no se han fijado.
Cuando los datos relativos a la resistencia y la potencia estándisponibles en buques similares, la forma de analizarlos paraobtener información para un nuevo buque depende mucho de la forma de la base de datos, y por lo tanto, se deberían usar
aproximaciones de Taylor.
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Reglas del pulgar
Es posible tener a mano algunas reglas simplificadas del pulgar queproporcionan una aproximación de magnitud muy cercana a la resistencia
esperada de un determinado casco.
Según Watson (1998) un valor típico para el coeficiente de resistencia totalCTS a escala del buque a velocidad de servicio puede ser considerado como:
3
22.5 10
/ 2
T TS
RC SV
Algunas fórmulas de regresión están disponibles para estimar lasuperficie mojada S [m2] a partir de las principales dimensiones delbuque:
Mumford: 1.7
Taylor: 2.58
B
B
S L T C B
S L C B T
Otras fórmulas se pueden encontrarse, entre otros, en Watson(1998), Schneekluth y Bertram (1998), Holtrop y Mennen (1982) yHoltrop (1984).
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Otra forma simplificada de la determinación de la resistencia del buque esmediante el uso de la relación de RT / Δ. En el siguiente gráfico se ha tomado deSaunders (1957):
Nótese que los
resultados se presentanen forma dimensional:desplazamiento enlong/tons, la resistenciaen libras, el cociente develocidad de Taylorbasado en una velocidaddel buque en nudos yuna eslora del buque en
pies.
Para transformar losresultados en formaadimensional:
,
0.298
2240
q
T lbT
long tons
V Fn T gL
R R
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Los métodos estadísticos para la predicción de la potencia se basan enel análisis de regresión de serie de los datos disponibles.
Los resultados del análisis se proporcionan en forma de gráficos o fórmulas analíticas de regresión que se utilizan para realizarpredicciones de resistencia para un nuevo buque.
Actualmente los resultados de los análisis realizados en la forma de fórmulas analíticas ya que pueden ser fácilmente incorporados en uncódigo para la computadora.
Sin embargo, los datos gráficos también se puede utilizar en loscódigos de computadora después de la digitalización adecuada y
mediante el uso de técnicas automáticas de interpolación, de talmanera para automatizar el procedimiento que de lo contrario se debehacer un cálculo manual.
Métodos estadísticos
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Entre los distintos métodos disponibles (ver referencias enSchneekluth y Bertram (1998) y en Watson (1998)), los siguientes
métodos tienen una aplicabilidad muy general:
El método de Holtrop y Mennen (Holtrop y Mennen, 1982; Holtrop,1984);
Los gráficos de Guldhammer y Harvald (Guldhammer y Harvald, 1965,1974; Harvald, 1983) de las cuales las tablas de Harvald (Harvald,
1978; Harvald, 1983) han sido hechas para "buques mercantesnormales“
El método de Hollenbach (Hollenbach, 1997, 1998, y reportados enSchneekluth y Bertram, 1998)
El método de Mercier-Savistky el desplazamiento de lasembarcaciones de alta velocidad (Mercier y Savitsky, 1973, y véaseLewis, 1988)
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Los métodos estadísticos generalmente permiten realizar una predicción de laresistencia en aguas tranquilas, así como una predicción de los
Coeficientes propulsivos "t" y "w".
Con los resultados obtenidos, se puede realizar la selección de una héliceadecuada (óptima).
Se debe señalar que los métodos estadísticos basados en la regresión sedeben considerar como un subconjunto del método mas generalmente
aplicable llamado “técnicas de repuesta artificial" (por ejemplo Khuri y Cornell,1996; Raymond y Douglas, 2002).
La idea fundamental detrás de las técnicas de repuesta superficial es, engeneral, para proporcionar adecuados aproximaciones globales o locales de la
dependencia de un vector de salida dado en la base de un vector dado devariables de entrada.
Regresiones polinómicas, técnicas de redes neuronales, técnicas deinterpolaciones locales, etc. son algunas de las posibles herramientas que se
pueden utilizar para modelar la dependencia de su interés.
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Por supuesto, las técnicas de respuesta superficial siempre pueden serutilizadas, en una forma de Taylor, cuando se disponen de “in home data”, particularmente de una muestra seleccionada de los datos procedentes de
los buques que son similares a la nave que va a ser diseñada.
Este último, es el caso que se espera para proveer a los resultados masconfiables, ya que la confiabilidad de una predicción se espera sea muchomayor cuando el método se basa en buques similares que en el caso de unapredicción basada en un método estadístico general desarrollado al mezclarposiblemente diferentes tipos de buques.
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Serie sistemáticas de los cascos
Un enfoque diferente para la predicción de la potencia es hacer usode los resultados experimentales de la serie de cascos obtenidos
por la variación sistemática de una o más carenas “parent ”.
Los resultados por lo general se refieren a los datos de resistencia,pero algunas series sistemáticas también proporcionan coeficientes
de propulsión.
Aquí, a modo de información, haremos una breve referencia aalgunas series de casco metódicas, principalmente siguiendo la
lista de Lewis (1988).
Referencias adecuadas son reportadas para cada serie dondecompletos se pueden encontrarse toda la información.
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Buques mercantes estándar
Serie Estándar de Taylor
Tipo de buque: “ Twin screw”, militar
Referencias: Taylor, 1943 ; Gertler, 1954 ; Lewis, 1988 ; Hähnel and Labes, 1964 ;
Schneekluth & Bertram, 1998
“Parent hull form”:
Source: Lewis, 1988
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Serie 60
Tipo de buque: Buque carguero “ single screw”
Referencias: Todd and Pien, 1956 ; Todd et al., 1957 ; Loukakis and
Chryssostomidis, 1975 ; see the list of references in Schneekluth & Bertram,
1998 ; Lewis, 1988
Ejemplo de “parent hull” para C B=0.6:
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Serie SSPA – Nordstrom
Tipo de buque: Carguero “single screw”
Referencias: Nordstrom, 1948, 1950 ; and references in Lewis, 1988 and inSchneekluth & Bertram, 1998
Serie SSPA – Edstrand
Tipo de buque: Cisternas Referencias : Edstrand et al., 1953-1956 ; Lewis, 1988 ; Schneekluth & Bertram,
1998
Serie SSPA – Warholm
Tipo de buque: Costeros
Referencias : Warholm, 1953 ; Lewis, 1988 ; Schneekluth & Bertram, 1998
NPL Series of Casters
Tipo de buque: Costeros
Referencias : Todd, 1931-1942 ; Dawson, 1952-1960 ; Lewis, 1988
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Serie Ridgely -Nevitt
Tipo de buque: Cisternas
Referencias: Ridgely-Nevitt, 1956 ; Lewis, 1988
Forma de casco promedio:
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Serie de barcos pesqueros ITU
Tipo de buque: Barcos pesqueros
Referencias: Aydin & Salci, 2008
Ejemplo de forma de casco:
Source: Aydin & Salci, 2008
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Serie MARAD
Tipo de buque: “ Full single screw ships”
Referencias: Roseman, 1987 ; Lewis, 1988
Lineas “Parent” para C B=0.875, LPP /B=5.5, B/T=3.0, C M=0.994, LE /LPP=0.117,
LR /LPP=0.346:
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Serie I.O.
Tipo de buque: “Twin-screw merchant ships”
Referencias: Zborowski, 1973
Plano de formas representativas de modelos de series I.O. :
Modelo 255
L=190
B=30
T=10.71
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Embarcaciones semi-desplazantes de pantoque redondo
Round-bilge semi-displacement high speed craft
Serie Nordstrom-De Groot
Tipo de buque: embarcaciones semi-desplazantes de pantoque redondo
Referencias: Nordstrom, 1951 ; De Groot, 1955 ; Lewis, 1988
Forma de casco:
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Serie 63
Tipo de buque: embarcaciones semi -desplazantes de pantoque redondo
Referencias: Beys, 1963 ; Lewis, 1988
Forma de casco:
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Serie 64
Tipo de buque: embarcaciones semi -desplazantes de pantoque redondo
Referencias: Yeh, 1965 ; Lewis, 1988
Forma de casco:
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Embarcaciones planeantes de alta velocidad
Serie 62
Tipo de buque: embarcación planeante
Referencias: Clement and Blount, 1963 ; Lewis, 1988
Forma de casco:
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Series 65
Tipo de buque: embarcación planeante
Referencias: Hadler et al., 1974 ; Holling and Hubble, 1974 ; Lewis, 1988
Forma de casco:
