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 FIGURAS
Figura 1: William Froude8
Figura 2: Canal de ensayos hidrodinmicos10
Figura 3: Mapa hdrico del Per11
Figura 4: Granelero tipo handysize13
Figura 5: Curva V vs Potencia15
Figura 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 crucero
Velocidad 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 resistencia
1.2.3 Numero de Froude
El 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 Colombia
Iquitos, 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.
CONCLUSIONES
1. 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.
RECOMENDACIONES
1. 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 INFORMACIN
PGINAS 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
2
Ingeniera Naval || 2013-II