Diez canales de ensayos hidrodinámicos

En el artículo se habla de algunos de los canales de experiencias hidrodinámicas más significativos a día de hoy. Cuando se diseña un buque, una parte fundamental de su desarrollo es el estudio de su resistencia y propulsión, esto es, la resistencia al avance que opone para alcanzar su velocidad de diseño (que puede ser decidida o modificada después de los cálculos) y la potencia y propulsor que llevará acoplado para vencer esta resistencia con una maniobrabilidad suficiente, que además deberá estar exento de problemas como la cavitación.

Con el fin de obtener estos datos se acude a los canales de experiencias hidrodinámicas o de ensayos hidrodinámicos en los que se miden, para modelos a escala del buque o de su propulsor, una serie de magnitudes físicas (resistencia al avance de la carena[1] para distintos estados del mar, par, empuje y revoluciones del propulsor…) que luego son extrapoladas al buque original. En las etapas iniciales del proyecto no sólo resultará excesivamente caro acudir a los canales de experiencias, sino que además serían imposibles al no disponer de un plano del buque o unas formas que ensayar, por lo que se suele recurrir a los medios analíticos, que pueden ser series sistemáticas de formas y/o métodos numéricos estadísticos.

Se llama resistencia al avance de un buque, para una determinada velocidad, a la fuerza necesaria para remolcar al buque a esa velocidad en aguas tranquilas, suponiendo que no hay interferencia con el buque remolcador. Esta resistencia al avance (en adelante resistencia total o simplemente resistencia) dependerá de las formas del buque (relación eslora/manga, manga calado, coeficiente de la maestra y área de las secciones lo largo de la eslora)[2], de las propiedades del fluido (densidad y viscosidad), de la gravedad y de la velocidad de avance.

Fue Da Vinci el primero que intentó estudiar una maqueta de un buque para extrapolar, sin éxito, los resultados al buque real. El primero que logró obtener resultados extrapolables fue William Froude en el siglo XIX. El éxito de su método consistió en dividir la resistencia en distintos componentes, a saber una resistencia de fricción que sería la resistencia que opone al avance una placa plana de igual longitud y superficie mojada que el buque y una resistencia residuo, igual a la diferencia entre la resistencia de fricción y la total. Froude nos legó una fórmula para el cálculo de la resistencia de una placa plana así como el coeficiente adimensional que lleva su nombre, el número de Froude. No se trabaja directamente con las resistencias, sino con coeficientes adimensionales que se obtienen de dividir la resistencia que se trabaja entre el término [1/2·densidad·superficie mojada·cuadrado de la velocidad]. La aplicación del método de Froude consiste en realizar el ensayo a igualdad de número de Froude (Fn) entre la maqueta a ensayar y el buque, se demuestra que esto consiste en hacerlo a igualdad de coeficiente residuo, pudiéndose llegar de una manera simple a la resistencia del buque a partir de la resistencia del modelo sin entrar en números (salvo que alguien quiera para montarse su canal y tal dándome un 20 % del beneficio):

Rt=Rf+Rr;
Ct=Cf+Cr;
Ctbuque=Cfbuque+Cr;
Ctmodelo=Cfmodelo+Cr;
Ctbuque=Cfb+Ctm-Cfm; despejándose la resistencia del buque para una velocidad a partir de la obtenida de la maqueta y los Cf de la fórmula ITTC-57 [3].

Posteriormente Hughes modificó el método dividiendo la resistencia en una resistencia viscosa (debida a que el buque no es una placa plana), que es igual a la resistencia de fricción multiplicada por un factor de forma y una resistencia por formación de olas, un método más preciso que el anterior pero que requiere la obtención del factor de forma (ITTC-78 [3]). El proceso una vez obtenido el factor es igual que el anterior y es el que se usa actualmente en los canales de ensayos para obtener la resistencia.

Los métodos usados en los canales para los propulsores son más complejos y no voy a ahondar en ellos si no es necesario, al igual que se podrían desarrollar bastante más las implicaciones de la resistencia por formación de olas u otras divisiones (rugosidad, presión de origen viscoso…) para dejar una descripción básica pero relativamente clara.

Información adicional en #1