HIDRODINAMICA NAVAL (MV-335)

HIDRODINAMICA NAVAL (MV-335)Universidad Nacional de Ingeniera

RESUMEN

Esta monografa aplica conocimientos obtenidos en el curso de Hidrodinmica Naval, especficamente el tema de Resistencia al avance, para analizar un tipo de buque (para nuestro caso un buque granelero) y determinar la velocidad de crucero del mismo.

Este anlisis se desarrollara con la ayuda de un programa informtico especfico, el Maxsurf, el cual nos permitir calcular la velocidad de crucero de forma rpida y sencilla, que de otra manera se obtendra utilizando un canal de ensayos hidrodinmicos (o simplemente canal hidrodinmico).

De esto podemos tambin deducir la importancia del uso de las aplicaciones y los programas informticos de ayuda en la Ingeniera Naval actual.

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN2TABLA DE CONTENIDO3LISTA DE TABLAS4LISTA DE FIGURASError! Marcador no definido.INTRODUCION5CAPTULO I: MARCO DE REFERENCIA61.1Antecedentes61.2Marco conceptual71.2.1Resistencia al avance71.2.2Velocidad de crucero71.2.3Numero de Froude81.3Marco terico81.4Marco geogrfico10CAPTULO II: METODOLOGIA13CAPTULO III: CALCULOS Y RESULTADOS152.1CONCLUSIONES162.2RECOMENDACIONES162.3FUENTES DE INFORMACIN17

LISTA DE FIGURASFigura 1: William Froude8Figura 2: Canal de ensayos hidrodinmicos10Figura 3: Mapa hdrico del Per11Figura 4: Granelero tipo handysize13Figura 5: Curva V vs Potencia15Figura 6: Modelo de la navegacin15

INTRODUCION

El objetivo principal del presente trabajo es determinar la velocidad de crucero de un buque granelero, esta velocidad es importante ya que:

Disminuye considerablemente el consumo de combustible, durante el trayecto, ms lento o ms rpido a esta velocidad aumenta el consumo.

Los planos aerodinmicos estn sometidos a presiones o fuerzas menores frente a la resistencia al avance.

Los motores (tanto a reaccin como los de pistn), se encuentran funcionando a niveles ptimos de temperatura, presin y desgastes en el vuelo

Aumenta la vida de los motores, ya que no estn sometidos a altos esfuerzos en la navegacin.

Por tanto debemos notar la gran utilidad de esta velocidad y la importancia que se le debe dar en el proceso del diseo de los diferentes tipos de buques que existen.

CAPTULO I: MARCO DE REFERENCIA

1.1 Antecedentes El termino Velocidad de crucero y el tema de Resistencia al avance es englobado por un tema ms general, la Mecnica de fluidos. La Historia de la Mecnica de Fluidos es la historia de cmo el ser humano ha aprendido a comprender el comportamiento de los fluidos y a crear aplicaciones tecnolgicas que involucren a estos.

Dicha disciplina naci con el surgimiento de la agricultura en las primeras civilizaciones, que implic la creacin de sistemas de regados y canales y la acumulacin del primer corpus de conocimientos sobre el agua, adems de favorecer un auge de la navegacin. Con la Antigedad Clsica vivi, como muchas otras ciencias, una etapa de esplendor con el asentamiento de los primeros principios cientficos modernos por Arqumedes y el culmen tcnico que supusieron las grandes obras hidrulicas romanas.

Newton obtiene las primeras leyes de la dinmica de Fluidos que posteriormente ampliaran Bernoulli, Euler, Lagrange, Cauchy y el resto de las grandes mentes de la mecnica clsica. La mecnica de medios continuos se asent a partir de estos slidos cimientos matemticos, llegando a grandes avances con el desarrollo del clculo tensorial y las ecuaciones de Navier-Stokes, que dan el marco terico completo de la disciplina y permiten plantear los problemas de la hidrulica tradicional: tuberas, canales...

Ya desde finales del siglo XIX, la nutica y la naciente aeronutica llevan a trabajos como los de Kutta, Joukowski, Prandtl o Von Karman, que deben afrontar el clculo del vuelo de objetos. Prandtl, particularmente, revolucion la mecnica de fluidos cuando con su teora de la capa lmite logr solucionar el gran defecto del modelo clsico. Ms recientemente, el gran auge de la ciencia moderna ha motivado descubrimientos y avances, particularmente en el uso de la fluidodinmica computacional para resolver problemas de gran complejidad matemtica, aunque an queden problemas como la solucin de las ecuaciones de Navier-Stokes.

A da de hoy, y en general, se busca siempre siempre maximizar la eficiencia de cualquier producto que se fabrique. Esto no escapa a la realidad de los Ingenieros navales y es por eso que se encuentran programas en el mercado que ayudan a conseguir esto. Es por eso que existen libros como el Diseo de una embarcacin de crucero de alta velocidad, por citar un ejemplo.

1.2 Marco conceptual La teora usada en este trabajo es parte de, como se dijo previamente, el estudio de la resistencia al avance y la propulsin, vista de manera superficial en nuestro curso de hidrodinmica y de manera ms profunda en el curso del mismo nombre.Sabiendo esto tendramos que definir los siguientes conceptos.1.2.1 Resistencia al avance La fuerza que sufre un cuerpo al moverse a travs del agua, y en particular a la componente de esa fuerza en la direccin de la velocidad relativa del cuerpo respecto del medio. La resistencia es siempre de sentido opuesto al de dicha velocidad, por lo que habitualmente se dice de ella que, de forma anloga a la de friccin, es la fuerza que se opone al avance de un cuerpo a travs del agua.

1.2.2 Velocidad de cruceroVelocidad de Crucero o Velocidad Media se define como aquella velocidad constante y uniforme que puede llevar una aeronave en condiciones normales de presin y temperatura sin sufrir perturbacin o variacin de velocidad, altura, traccin y resistencia1.2.3 Numero de FroudeEl nmero de Froude (Fr) es un nmero adimensional que relaciona el efecto de las fuerzas de inercia y las fuerzas de gravedad que actan sobre un fluido.

1.3 Marco terico

El nmero de Froude es un nmero adimensional definido como la relacin de una velocidad caracterstica a una velocidad de la onda gravitatoria. Se puede equivalentemente puede definir como la relacin de inercia de un cuerpo a las fuerzas gravitatorias. En la mecnica de fluidos, el nmero de Froude se usa para determinar la resistencia de un objeto parcialmente sumergido en movimiento a travs del agua, y permite la comparacin de objetos de diferentes tamaos. El nombre de William Froude, el nmero de Froude se basa en la relacin de velocidad de longitud tal como se define por l. El nmero de Froude es, pues, anlogo al nmero de Mach. Cuanto mayor es el nmero de Froude, mayor es la resistencia.

Figura 1: William Froude

En los flujos de canal abierto, Blanger introdujo por primera vez la relacin de la velocidad de flujo a la raz cuadrada de la aceleracin de la gravedad veces la profundidad de flujo. Cuando la relacin es menor que la unidad, el flujo se comport como un movimiento fluvial, y al igual que un movimiento de flujo torrencial, cuando la proporcin era mayor que la unidad.

Cuantificacin de la resistencia de los objetos flotantes se acredita generalmente a William Froude, que utiliza una serie de modelos a escala para medir la resistencia de cada modelo ofrecido a remolque a una velocidad determinada. Observaciones de Froude lo llevaron a derivar la teora de onda de lnea de la que se describe primero la resistencia de una forma como una funcin de las olas causadas por presiones variables en todo el casco medida que se mueve a travs del agua. El constructor naval Ferdinand Reech haba presentado el concepto en 1832, pero no se haba demostrado la forma en que se podra aplicar a los problemas prcticos de la resistencia a la nave. Velocidad/relacin de longitud fue definida originalmente por Froude en su Ley de Equiparacin en 1868 en trminos dimensionales como:donde:

v = velocidad en nudos Lwl=Eslora de flotacin en pies

El trmino se convirti en trminos adimensionales y se le dio el nombre de Froude en reconocimiento a la labor que hizo. En Francia, a veces se le llama nmero Reech-Froude despus Ferdinand Reech.

El programa Maxsurf nos permite estimar los requisitos de resistencia y potencia para cualquier diseo de Maxsurf utilizando tcnicas de prediccin estndar de la industria.

En el diseo de un buque accionado usando Maxsurf, Hullspeed ofrece una amplia gama de mtodos de clculo para ayudarle a estimar los requisitos de resistencia y encendido del casco. Se proporcionan una serie de algoritmos estndar de la industria, lo que permite seleccionar los mtodos ms apropiados para la forma del casco que est diseando.

Figura 2: Canal de ensayos hidrodinmicos

1.4 Marco geogrfico En el pero contamos con una diversa geografa hdrica, tenemos medios de navegacin tales como ros, lagos, lagunas y el gran ocano que nos bordea.

El Per cuenta con 54 cuencas hidrogrficas, 52 de las cuales son pequeas cuencas costeras que vierten sus aguas al ocano Pacfico. Las otras dos son la cuenca del Amazonas, que desemboca en el Atlntico, y la cuenca endorreica del lago Titicaca, ambas delimitadas por la cordillera de los Andes. En la segunda de estas cuencas nace tambin el gigante Amazonas que, con sus 6872 km, es el ro ms largo y caudaloso del mundo. Su vertiente ocupa el 75% del territorio peruano. El Per contiene el 4% del agua dulce del planeta.

El lago Titicaca es el segundo ms grande de Sudamrica, con 8.380 km. Este lago tectnico es compartido por Per y Bolivia. En l vierten sus aguas 20 ros; entre ellos, el Ramis, el Ilave y el Huancan, por el lado peruano. Registra olas y mareas; tiene 36 islas e influye en el clima de la meseta del Collao, por su temperatura media de 12C, como el lago Titicaca formaba, junto a la laguna Azapa y el lago Poop en Bolivia, el gran lago Ballivin del altiplano peruano-boliviano. Figura 3: Mapa hdrico del Per

Por la vertiente del Pacfico descienden 75 ros que desembocan, como el nombre lo sugiere, en el ocano Pacfico. Debido a sus cortos recorridos y por precipitarse desde alturas andinas superiores a los 5.000 metros de altitud, son por lo general, tormentosos, de caudal irregular, con fuertes crecidas en verano, y prcticamente secos en invierno, y ninguno es navegable, excepto el tramo final del ro Tumbes. De esta vertiente, el ro ms largo es el Colca-Majes-Caman, con 388 kilmetros, y el ms caudaloso el ro Santa, con un aporte medio anual de 6.100 hm. El ro Rmac pasa por la ciudad de Lima y es usado para la generacin de energa hidroelctrica en las plantas de Moyopampa y Huampan. El ro Tumbes es el ms caudaloso en valor absoluto de la vrtice del Pacfico.

La mayora de los principales ros de la vertiente oriental, o atlntica tiene su origen en los nudos de Pasco y Vilcanota, en los Andes. Son ros de gran magnitud, profundos, navegables y de caudal regular que desaguan en el gran Amazonas, que a su vez desemboca en el ocano Atlntico.

La navegacin fluvial se concentra en la cuenca amaznica y en el lago Titicaca. La dificultad para viajar por vas terrestres convierte a los ros en una eficaz red de 50.000 kilmetros de vas de transporte en el oriente peruano. Gracias a las aguas continentales se realiza, adems del interregional, un importante comercio internacional con Brasil, Ecuador y ColombiaIquitos, a orillas del Amazonas, es el principal puerto fluvial del Per, apto para naves de grandes tonelajes. Le siguen en importancia Pucallpa, a orillas del ro Ucayali, y Yurimaguas, en el ro Huallaga. Puerto Maldonado es la terminal de la regin Madre de Dios. Tambin forman parte de la red fluvial los ros Maran, despus del pongo de Manseriche, Tigre, Napo, Putumayo y Yavar, entre otros.

CAPTULO II: METODOLOGIA

Para poder hallar la velocidad de crucero del barco requerido primero propondremos un nmero de Froude, esto a partir de los datos de un barco similar al nuestro, es decir, de dimensiones parecidas.

En este caso el barco con mayor parecido encontrado fue el Handysize:

Figura 4: Granelero tipo handysize

Tabla 1: Dimensiones del granelero seleccionado

LOA 175m Beam 29m Draft 9.5m DWT abt 32000 mts GT 19800 cgo capacity 54200 m3 Speed 14.0kt

Y nuestro nmero de Froude ser:

As, con este nmero de Froude obtenido calcularemos la velocidad mxima que usaremos en el programa de Maxsurf para luego poder hallar nuestro curva de Velocidad vs Potencia.

De esta curva tenemos que identificar los valles que posee ya que entre estos se encontrara nuestra velocidad de crucero requerida.

Finalmente procederemos a modelar el barco en navegacin con nuestra velocidad de crucero supuesta, siendo esta la velocidad de crucero si observamos 2 olas principales, una en proa y otra en popa.

CAPTULO III: CALCULOS Y RESULTADOS

Figura 5: Curva V vs Potencia

Analizando los diversos valles observados obtenemos el modelo de navegacin con mejor distribucin de olas:

Figura 6: Modelo de la navegacin

De todas los valles probado, a la velocidad de 9.676 kt observamos lo ms parecido a dos olas bien definidas en proa y poda, por tanto diremos que la velocidad de crucero de nuestro barco es 9.767kt.

CONCLUSIONES1. Debemos notar la gran importancia de la velocidad de crucero y la importancia que se le debe dar en el proceso del diseo de los diferentes tipos de buques que existen.2. El programa informtico Maxsurf simplifica en gran medida el desarrollo del clculo de esta velocidad por tanto es un gran ayuda.

RECOMENDACIONES1. Recomiendo totalmente el uso del software Maxsurf para el curso de Resistencia al avance e Hidrodinmica Naval y en general para la profesin de Ingeniera Naval.

2. Para el correcto funcionamiento y ptimo desempeo de los buques se recomienda el clculo de la velocidad de crucero en estos.

3. Recomendamos el uso del software ms actual de Maxsurf ya que con la versin usada, 13.01, hubo ciertos problemas como clculos detenidos sin ms entre otros.

FUENTES DE INFORMACINPGINAS WEB CONSULTADAS http://hudsonshipping.com/?q=node/95http://www.deere.com.ar/es_AR/ag/homepage/consejo/cs071_sist_admision_motor.html http://www.eagle.org/eagleExternalPortalWEB/ShowProperty/BEA%20Repository/References/Capability%20Brochures/BulkCarrierCphttp://www.kawasakiloaders.com/downloads/training/Sistema_de_admision_-_Recomendaciones_de_Filtracion.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Hidrograf%C3%ADa_del_Per%C3%BAhttp://www2.pr.gov/agencias/AAE/Documents/Informaci%C3%B3n%20Energ%C3%A9tica%20Escrita/Informacion%20Energetica/Biodiesel.pdf http://www.slideshare.net/franciscomaestre/resistencia-al-avance-del-buquehttp://mecanicayautomocion.blogspot.com/2009/02/engrase-indice-introduccion-aceites.html http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/numerofroude/numerofroude.html

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Ingeniera Naval || 2013-II