VALIDACION EXPERIMENTAL DEL CANAL DE ENSAYOS HIDRODINAMICOS DEL by 9NLnRBU7

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                   VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DEL CANAL DE ENSAYOS
                   HIDRODINÁMICOS DEL LABORATORIO NACIONAL DE
                HIDRÁULICA - UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
                Marcelo Elias Elias*, José C. Villagómez Rosales, Guillermo A. Vásquez Chillcce
                      Departamento de investigaciones navales, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima Perú


          RESUMEN
             Este trabajo presenta el proceso de validación del Canal de Ensayos Hidrodinámicos del
          Laboratorio Nacional de Hidráulica de la Universidad Nacional de Ingeniería (Lima-Perú).
          Para esto se utiliza el modelo del casco Wigley de 1.5 metros de eslora como modelo patrón.
          Los resultados obtenidos son comparados con resultados sugeridos                          por la ITTC
          (Internacional Towing Tank Conference) en términos de Cw donde se establece inicialmente
          desviaciones relativas de hasta 48%, luego de las mejoras en equipos y procedimientos se
          establece una desviación de 5% para números de Froud mayores a 0.25. Las mejoras
          implementadas ayudan a reducir las fuerzas externas ocasionadas por la fricción de las partes
          móviles de la estructura de soporte del modelo en aproximadamente 30 gramos
          correspondiente a 42% de la resistencia total del modelo para un numero de Froud de 0.25.


          1. INTRODUCCION

             Los ensayos hidrodinámicos de remolque a escala reducida son una herramienta efectiva
          que permiten determinar la potencia a ser instalada para conseguir una determinada velocidad
          de servicio, cuando se proyecta, diseña o modifica una embarcación. Para esto, el laboratorio
          en el que se realizan estos ensayos debe garantizar la confiabilidad de sus pruebas y
          extrapolaciones.
             En el 2007 el Instituto Nacional de Investigación de la Facultad de Ingeniería Mecánica
          aprobó el proyecto “Validación Experimental del Canal de Ensayos Hidrodinámicos de la
          Universidad Nacional de Ingeniería”, este proyecto es parte del continuo desarrollo del canal
          de experiencias hidrodinámicas, el objetivo principal del proyecto es la comparación de los
          resultados obtenidos al ensayar el modelo patrón Wigley con los valores sugeridos por la
          ITTC en términos de coeficientes de resistencia por formación de olas y establecer el grado de
          certeza de las mediciones, instrumentación y procedimientos, determinar las posibles fuentes
          de error y luego implementar las mejoras necesarias.



          *Autor correspondiente. Tel.: +01 989148045
           E-mail: marceloeliase@gmail.com (Marcelo Elias Elias)
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          2. DESCRIPCION DEL CANAL DE ENSAYOS HIDRODINAMICOS

             En el 2004 fue creada el área de investigaciones navales en el laboratorio nacional de
          hidráulica, área dedicada al estudio hidrodinámico en el tanque de remolque cuyas
          dimensiones son 60 metros de largo, 3 metros de ancho y 2.5 metros de profundidad. Este
          tanque cuenta con un carro de remolque de instalaciones electromecánicas Marca Kempf and
          Renners-Hamburgo que se desplaza a lo largo por dos rieles perfectamente alineados en
          ambos lados del tanque, con una velocidad máxima de 5 metros por segundo, es el más
          grande y el único con las facilidades para realizar este tipo de ensayos en Perú. El desarrollo
          tecnológico y científico de Tanque de Remolque está impulsado por los estudiantes de la
          especialidad de ingeniería naval de la Universidad Nacional de Ingeniería


          3. INTERNATIONAL TOWING TANK CONFERENCE (ITTC)

             La ITTC es una asociación voluntaria de organismos mundiales que tienen la
          responsabilidad de predecir el desempeño hidrodinámico de barcos e instalaciones marinas
          basado en los resultados físicos y numéricos de modelos (ITTC URL). La ITTC fue
          establecida en 1932 y actualmente tiene 116 organizaciones miembros en 32 países.
             La primera tarea de la ITTC es la de estimular el progreso en la solución de problemas
          técnicos que son de importancia para los directores y superintendentes de los tanques de
          remolque, estos son responsables de aconsejar e informar sobre pruebas de modelos a los
          diseñadores, constructores y operadores de barcos e instalaciones marinas basados en los
          resultados físicos y numéricos del modelamiento.
             La ITTC publica guías y recomendaciones de procedimientos relacionados con
          experimentos de dinámica de fluidos.
             La Conferencia tiene como objetivo también promover la investigación en todos los
          campos en los que se necesita más conocimientos sobre la hidrodinámica de barcos e
          instalaciones marinas para innovar métodos de experimentos con modelos, modelamiento
          numérico y mediciones en embarcaciones de tamaño real.


          4. PLANEAMIENTO DEL ESTUDIO

             Este estudio se considera un Benchmarking por compararse resultados, mejorar
          procedimientos y métodos para alcanzar un objetivo concreto y mejorar la calidad del servicio
          así como el completo desarrollo y aprendizaje de nuevos sistemas de remolque.
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             Uno de los motivos de comparación es garantizar que los resultados obtenidos por el Canal
          de Experiencias Hidrodinámicas de la Universidad Nacional de Ingeniería (CEHIDUNI) son
          de completa confianza para los diversos estudios realizados a todo tipo de embarcaciones.
             En un ensayo de resistencia al avance se deben recolectar tres datos importantes, la fuerza
          de remolque, la velocidad y el trimado de la embarcación, con estos valores y usando líneas
          de correlación, en nuestro caso la de ITTC 1957, se determinan el coeficiente de resistencia
          total y el coeficiente de resistencia friccional, luego con el factor de forma que es
          independiente de la escala y la velocidad se calcula el coeficiente de resistencia residual de la
          siguiente manera:




          Donde:




             El método recomendado para la evaluación experimental del factor de forma es el
          propuesto por Prohaska. Si no se presenta separación de la capa límite, la resistencia total
          puede ser escrita, hacia una primera aproximación como
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             Si la componente de la resistencia por formación de olas en una región de baja velocidad
          (0.1<Fr<0.2) se asume como función de             , la recta ploteada de   versus

          intersecará el eje de ordenadas (Fr =0) en (1+K). Se recomienda tener cuidado con los bulbos
          cuando estos están cerca de la superficie del agua, además no se debe usar este método
          cuando la proa y popa del modelo están en contacto con el agua para las velocidades en el
          método de Prohaska pero están secas para la velocidad de diseño.


          5. DESCRIPCION DE LA GEOMETRIA DEL MODELO

             La geometría parabólica del casco Wigley esta descrita por una ecuación matemática
          definida a continuación:




             Los Valores paramétricos son:




             Esta forma tiene las siguientes características geométricas:




             Esta    caracterizada        por     bordes
          puntiagudos en la proa, popa y quilla.




              Fig. 1. Vista transversal del modelo Wigley
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                                   Fig. 2. Rhinoceros vista isométrica del modelo Wigley




                                     Fig. 3. Modelo Wigley utilizado para los ensayos
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             El modelo fabricado para realizar el ensayo tiene 1500 mm de eslora, 150 mm de manga y
          93.75 mm de calado, ha sido modelado utilizando el programa Rhinoceros 4.0 SR5 y
          fabricado en una maquina de control numérico con tolerancia de 1 mm de acuerdo con las
          recomendaciones de la ITTC para la fabricación de modelos.
             El Modelo Wigley debido a las formas debe tener un comportamiento de una embarcación
          de desplazamiento, se ha ensayado dejando libre el trimado del modelo.


          6. DESCRIPCION DEL SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS

             Celda de carga.-           Dispositivo
          encargado de registrar la fuerza de
          remolque. Rango: 0-1000g dentro del
          cual tiene comportamiento lineal,
          alimentación: 0-32 voltios CC, salida:
          orden de mili voltios siendo necesario
          un amplificador de voltaje para
          registrar la salida.
             Sensor Fotovoltaico.- Dispositivo
          encargado de registrar la velocidad de
          desplazamiento del carro de remolque                  Fig. 4. Celda de carga.

          siendo     esta    la    velocidad    de
          desplazamiento          del      modelo,
          alimentación: 10 voltios CC, salida:
          pulsos de 10 voltios marcados al
          cambio de tonalidad negro-blanco.
             Amplificador de señal con filtro.-
          Dispositivo encargado de amplificar
          la señal de voltaje emitida por la
          celda de carga a un valor entre 0-10
          voltios para que pueda ser registrado
          por la tarjeta de adquisición de
                                                                 Fig. 5. Sensor fotovoltaico
          datos, además cuenta con un filtro
          interno.
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             Tarjeta       de     adquisición       de   datos.-
          Dispositivo encargado de la lectura del
          voltaje    que        emite    el   amplificador    y
          transmitirlo a la computadora para ser
          registrado en tiempo real. La capacidad de
          este dispositivo es de 1000 muestras por
          segundo, tiene entradas analógicas y digitales
          con puesta a tierra y de doble polaridad.
          Marca National Instruments.                              Fig. 6. Amplificador de señal con filtro

             Plataforma          en     Labview.-    Programa
          utilizado para la elaboración de un código
          visual que permite registrar en tiempo real
          el valor del voltaje de la celda de carga así
          como el del sensor fotovoltaico, permite
          calibrar los sensores y graficar la curva de
          resistencia      vs     tiempo      calculando     el
          promedio de las muestras en cualquier
          intervalo de tiempo.                                     Fig. 7. Tarjeta de adquisición de datos




          7. SISTEMA DE SOPORTE DEL MODELO

             Se cuenta con un sistema de soporte que restringe los movimientos de rolling, yawing y
          swaying, estas restricciones dejan libertad para heave, pitchy surge. Se trata de dos estructuras
          de aluminio que tienen dos ejes de rotación. Para el remolque del modelo se coloca, por
          medio de poleas, un nylon que transmite la tensión                 al sensor, esta tensión horizontal
          representa la resistencia que ofrece el fluido al avance del modelo. Las espadas de aluminio
          cuentan con unos contrapesos en la parte posterior y superior para colocar el centro de masa
          de las estructuras en los ejes de rotacion y de esta manera no existan fuerzas externas al
          sistema.
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                                      Fig. 8. Sistema de remolque y soporte de modelos



          8. RESULTADOS EXPERIMENTALES

             Inicialmente se asumió el factor de forma igual a 1, ya que la bibliografía especializada
          utiliza este valor como preliminar debido a las formas muy finas y bordes puntiagudos del
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          casco. Por lo tanto los valores obtenidos para el Cr se consideran, para este estudio, iguales al
          Cw para cada velocidad.
             Tabla 1: Resultados obtenidos por el CEHIDUNI

                                                                                3
                                              CEHIDUNI                Cw x 10
           Datos Experimentales*     Fn= 0.18 0.2 0.22            0.24 0.266        0.313   0.35 0.402 0.452 0.482
           Primer ensayo                   --    -- 0.105         0.183 0.526       1.600   1.584 --     --    --
           Segundo ensayo                0.343 0.640 0.735        0.872 1.198       1.574   1.891 --     --    --
           Tercer ensayo                   -- 0.543 0.663         0.630 0.611       1.637   1.871 2.113 --     --

           * valores de Cw asumiendo factor de forma (1+k)=1, el trimado libre, valores interpolados
           de ser necesario


             Tabla 2: Valores referenciales publicados por la ITTC.

                                              ITTC max             ITTC min
                                             Fn     Cw*           Fn     Cw*
                                            0.210   0.38         0.210   0.38
                                            0.228   0.42         0.228   0.42
                                            0.240   0.56         0.240   0.56
                                            0.250   0.68         0.250   0.68
                                            0.259   0.65         0.259   0.65
                                            0.265   0.64         0.265   0.64
                                            0.274   0.73         0.274   0.71
                                            0.283   0.96         0.284   0.88
                                            0.292   1.21         0.293   1.06
                                            0.299   1.35         0.305   1.29
                                            0.307   1.48         0.313   1.40
                                            0.314   1.54         0.319   1.42
                                            0.320   1.52         0.325   1.39
                                            0.330   1.42         0.331   1.31
                                            0.338   1.33         0.340   1.18
                                            0.345   1.31         0.347   1.12
                                            0.349   1.33         0.352   1.15
                                            0.356   1.42         0.364   1.27
                                            0.370   1.66         0.383   1.48
                                            0.385   1.92         0.398   1.62
                                            0.398   2.23           --     --

                                           * Valores de Cw x 103
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          9. ANALISIS DE RESULTADOS

             Los 3 ensayos realizados en el tanque de remolque del CEHIDUNI se realizaron en días
          diferentes y en cada ensayo fue necesario colocar nuevamente las estructuras de soporte y
          remolque del modelo, medir la temperatura y calibrar los sensores.

               Comparación de los 3 ensayos realizados por el CEHIDUNI en términos de Cw




                                         Fig. 9. Valores obtenidos por el CEHIUNI

             Los valores de Cw para números de Froud menores a 0,275 tienen variaciones de hasta
          0.0007 correspondiente a 58% de variación relativa. Para números de Froud entre 0.275 y
          0.325 las variaciones alcanzan valores de 0.0004 correspondiente a 23% de variación relativa.
          Para números de Froud entre 0.325 y 0.4 las variaciones alcanzan valores de 0.0006
          correspondientes a 23% de variación relativa.
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             Para el rango de números de Froud entre 0.2 y 0.4 la resistencia que ofrece el modelo varía
          entre 50 gramos y 250 gramos, una variación de 0.0006 de Cw equivale a 30 gramos de
          resistencia ofrecida por el modelo.
             Para números de Froud menores a 0.23 se observo en los ensayos que no había
          desprendimiento de la capa limite y se genera solo flujo laminar alrededor del modelo.

               Comparación de los resultados obtenidos por el CEHIDUNI y los valores
                 recomendados por la ITTC




                          Fig. 10. Comparación de los resultados antes de la implementación de las mejoras

             Para números de Froud menores a 0.275 la desviación de Cw alcanza valores de hasta
          0.00059 correspondiente a 48% de variación relativa, esto corresponde a 29 gramos de
          variación en la resistencia total del modelo. Para números de Froud mayores a 0.30 la
          variación de Cw alcanza valores de hasta 0.00059, correspondiente a 31% de variación
          relativa. Esto también corresponde a 29 gramos de variación en la resistencia total del
          modelo.
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          10. POSIBLES CAUSAS DE LAS DESVIACIONES

              Las posibles causas que generan las desviaciones son:
             Asumir el factor de forma 1 para obtener los valores de Cw a ser comparados con los
              respectivos Cw sugeridos por la ITTC.
             Los ejes de rotación del sistema de soporte del modelo no cuentan con los rodamientos
              adecuados lo que origina fricción al rotar, esta fricción se ve reflejada en la resistencia al
              ser una fuerza externa al sistema, esta fuerza es variante y está presente todo el tiempo.
             Las espadas que soportan el modelo y que restringen el Roll, Yaw y Sway no están
              debidamente alineadas en la dirección de desplazamiento del modelo lo que indicaría que
              podría estar guiñado a estribor o babor. Las articulaciones que conectan al modelo no
              cuentan con rodamientos, estas articulaciones al ser ajustadas para restringir el roll
              generan fricción al rotar.
             Las poleas encargadas de transmitir la fuerza de remolque por medio del nylon al sensor
              no cuentan con rodamientos adecuados para reducir la fricción. El nylon con el que se
              remolca puede sufrir deformaciones y ocasionar una fuerza recuperadora induciendo a una
              fuerza externa.
             Las bases de las estructura de soporte y de remolque del modelo se encuentran muy
              alejadas del modelo originando vibraciones debido a la falta de rigidez de las estructuras.
             Las pesas de calibración de la celda de carga no están debidamente calibradas y
              certificadas.
             El sensor fotovoltaico solo registra una toma de muestra por cada revolución que da la
              rueda del carro de remolque, esto quiere decir que la velocidad se registra cada metro y
              medio de avance del carro, en este tiempo la velocidad del carro de remolque podría sufrir
              pequeñas variaciones
             Los carbones encargados de transmitir la energía del carro de remolque están desgastados
              en exceso lo que origina perdida de energía en algunos tramos del recorrido, esta pérdida
              de velocidad se ve reflejada en la velocidad del carro de remolque.
             En los rieles de acero por donde se desplaza el carro de remolque se acumula oxido lo que
              origina pequeñas perturbaciones que se transmiten a los sistemas de soporte y remolque
              del modelo ya que están conectados al carro de remolque rígidamente.
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          11. IMPLEMENTACION DE LAS MEJORAS Y PROCEDIMIENTOS

               Mejoras realizadas en el carro de remolque.

             Cambio de carbones, elementos encargados de transmitir la energía al carro de remolque
          para que este se desplace, energice los sensores y sistemas de adquisición de datos.
             Limpieza de los rieles de acero por donde se desplaza el carro de remolque antes de
          realizar la prueba de remolque.

                   Mejoras realizadas en el sistema de soporte del modelo

             Instalación de rodajes de titanio en todas las estructuras donde exista rotación, esto
          incluye:
                    -   Los dos ejes de rotación de las espadas de aluminio
                    -   Las dos articulaciones que conectan al modelo
                    -   Las 2 poleas encargadas de transmitir la fuerza de remolque por medio del nylon
             Alineación de las espadas de aluminio respecto al desplazamiento del modelo a lo largo del
          tanque.
             Reducción de la distancia entre la base del soporte del modelo y el nivel del agua, ahora la
          base de la estructura de soporte del modelo esta a 900 milímetros del nivel del agua.

               Mejoras realizadas en el sistema de adquisición de datos y en los sensores

             Calibración de los pesos utilizados para calibrar la celda de carga con una balanza
          certificada por El Instituto Nacional de Defensa de la Competencia y de la Protección de la
          Propiedad Intelectual (INDECOPI).
             Toma de muestras de velocidad cada 10 centímetros de avance del carro de remolque.
             Calibración de la celda de carga con 8 pesos diferentes según recomendaciones de la ITTC,
          4 verificaciones son realizadas posterior a la calibración.
             Cambio del nylon utilizado para remolcar el modelo por un cable de acero muy fino con
          capacidad de carga de 50 kilos sin sufrir deformación alguna.


          12. RESULTADOS EXPERIMENTALES POSTERIORES A LA IMPLEMENTACION
              DE LAS MEJORAS Y PROCEDIMIENTOS

             Tabla 3: Comparación de los resultados obtenidos por el CEHIDUNI y los valores
          recomendados por la ITTC después de las mejoras.
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                                                           Cw x 103
                        Fn= 0.197 0.212 0.238 0.248     0.272 0.281    0.296   0.316   0.329 0.345 0.367 0.388 0.405
           CEHIDUNI*        0.417 0.49 0.584 0.708      0.646 0.846    1.404   1.586   1.452 1.408 1.715 2.123 2.548
           ITTC max**         --  0.383 0.526 0.674     0.695 0.906    1.295   1.539   1.438 1.31 1.613 1.978 --
           ITTC min**         --  0.383 0.526 0.674     0.685 0.83     1.122   1.414   1.349 1.125 1.311 1.527 --


             *Valores de Cw obtenidos por el CEHIDUNI posterior a la implementación de las mejoras
             y asumiendo factor de forma (1+k)=1. Trimado libre
             **Valores de Cw recomendados por la ITTC interpolados de ser necesario.




                            Fig. 11. Comparación de valores después de la implementación de las mejoras



             Para números de Froud menores a 0.25 las desviaciones de Cw alcanzan valores de hasta
          0.0001 correspondiente a 20% de variación relativa. Para números de Froud entre 0.25 y 0.4
          la desviación máxima de Cw es de 0.000098 correspondiente a 5% de variación relativa.
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          13. CONCLUSIONES

             Las desviaciones de alrededor de 20% para números de Froud menores a 0.25 pueden estar
          relacionados con las dimensiones del modelo, se ha utilizado un modelo de eslora 1.5 metros
          y para números de Froud menores a 0.25 no se observa formación de flujo turbulento
          alrededor del modelo, la resistencia promedio para esos números de Froud es alrededor de 70
          gramos. Para números de Froud menores a 0.25 variaciones de 10 gramos representa una
          desviación de 14%.
             Para números de Froud mayores a 0.28, los valores de Cw obtenidos por el CEHIDUNI
          son todos mayores a los sugeridos por la ITTC en aproximadamente 0.0001, esto se puede
          atribuir a que se ha asumido el factor de forma igual a 1.
             Después de la implementación de las mejoras en las estructuras de remolque y soporte del
          modelo se redujo las fuerzas externas ocasionadas por fricción en aproximadamente 30
          gramos, pese a esto todavía existe una fuerza externa de aproximadamente 3 gramos, se debe
          tener en cuenta que para modelos cuya resistencia total sea menor a 300 gramos se está
          originando una desviación mayor al 1% debido a las estructuras de remolque.


             REFERENCIAS
             Lewis, E.V., 1988. Principles of Naval Architecture. Vol. II, SNAME.
             David W. Taylor Ship Research and Development Center 1979, Proceedings of the
          Workshop on Ship Wave-Resistance Computations, Vol. I, Bethesda, Maryland, USA.
             ITTC- Quality Management System Guidelines for Benchmarking, 2002, Rev. 01, 4.0-01
             ITTC- Model Manufacture Ship Models, 2008, Rev 02, 7.5-01-01-01
             ITTC- Uncertainty Analysis Instrument Calibration, 2008, Rev 00, 1.5-01-03-01
             ITTC- Guide to the Expression of Uncertainty in Experimental Hydrodynamics, 2008, Rev
          01, 7.5-02-01-01
             ITTC- Testing and Extrapolation Methods, General Density and Viscosity of Water, 2006
          Rev 01, 7.5-02-01-03
             ITTC- Testing and Data Analysis Resistant Test, 2008 Rev 02, 7.5-02-02-01
             ITTC- Testing and Extrapolation Methods, General Guidelines for Uncertainty Analysis in
          Resistance Towing Tank Tests, 2008 Rev 01, 7.5-02-02-02

								
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