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Tesis:

Modelización numérica de las fuerzas y momentos inducidos por un tanque estabilizador pasivo

  • Autor: BERNAL COLIO, Vicente Ramón

  • Título: Modelización numérica de las fuerzas y momentos inducidos por un tanque estabilizador pasivo

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS NAVALES

  • Departamentos: MECANICA DE FLUIDOS Y PROPULSIÓN AEROESPACIAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73883/

  • Director/a 1º: CERCÓS PITA, José Luis

  • Resumen: Un tema crucial en el estudio del comportamiento del buque en la mar, ha sido y es la dinámica acoplada de un barco que se mueve en las olas y el movimiento de los líquidos dentro de sus tanques (por ejemplo: Zhao et al. (2014a), Zhao et al. (2014b), Serván-Camas et al. (2016), Bulian y Cercos-Pita (2018)). Al aprovechar los efectos favorables debido a esta dinámica acoplada, los tanques antibalance (Anti Rolling Tank - ART por sus siglas en Inglés) son un método efectivo y rentable para mejorar la estabilidad de los buques que requieren más estabilidad de lo normal, cuando operan a baja o nula velocidad (ver Moaleji y Greig (2007)). Dichos buques incluyen pesqueros, cableros o de abastecimiento, representando los primeros, con mucho, la mayor parte de la flota en el mar. El diseño de un tanque antibalance se puede abordar de manera rentable si se dispone de modelos numéricos precisos y asequibles computacionalmente hablando. Aunque en principio se podría pensar que el flujo dentro del tanque podría modelarse bajo el supuesto de flujo potencial, generalmente no es así debido a la aparición de la ruptura de la ola en condiciones de resonancia, y debido a la saturación del tanque cuando el agua alcanza el techo del tanque durante el movimiento de balance. Además, en el diseño del tanque se incluyen obstáculos y compartimentos laterales, con el fin de ampliar el rango de frecuencia en el que el tanque funciona correctamente, lo que desencadena efectos tridimensionales debido a la aparición de vórtices en esquinas o flujos divididos por los obstáculos. Debido a esto, las capacidades de códigos computacionales de dinámica de fluidos (CFD) en tres dimensiones se vuelven necesarios para el modelado de superficies libres en los ARTs. Aunque son ampliamente utilizados en la industria, existe poca literatura que investigue la superficie libre de los ARTs con dinámica 3D. Souto-Iglesias et al. (2004) simularon un ART con deflectores, pero solo analizó el desfase entre el movimiento forzado del tanque y el momento producido por el fluido en el tanque, pero no determino´ la amplitud del momento, que es un factor crucial para establecer su eficiencia. Liu et al. (2017) presentaron simulaciones híbridas RANS/LES del flujo dentro de un tanque rectangular con deflectores, pero el fujo es principalmente 2D debido a la configuración de los bafles. Diebold et al. (2018) presentaron resultados 3D con deflectores pero no discutieron las mejoras en el diseño del tanque debido a la dinámica forzada en 3D. Guan et al. (2020) sí investigaron en el comportamiento de un tanque rectangular variando su geometría con elementos sencillos. Sería una gran ayuda disponer de una herramienta numérica para modelar el flujo en 3D dentro de los tanques de manera precisa, ayudando a teorizar lo que ocurre en los ARTs. En esta línea de acción se valoran diversas herramientas, incidiendo con mayor detalle en AQUAgpusph (Cercos-Pita (2015)) y OpenFOAM (OpenFOAM (2018)). Ambas son soluciones de código abierto, lo que las hace doblemente atractivas, por su potencial para ayudar en el diseño, y por su bajo coste. Además de ser modulares y extensibles con códigos C++ y/o Python. Los modelos numéricos deberán ser validados, para poder ser utilizados para caracterizar tanques en el dominio de la frecuencia con más garantía. En este trabajo se presentan los resultados experimentales de un tanque rectangular con y sin deflectores, uno con planta en C y un tanque con una geometría más compleja, de aplicación real en un buque. Estos ensayos se replican con CFDs y se comparan los resultados, para validar las herramientas numéricas utilizadas. Una campaña experimental de un ART es costosa, tanto en tiempo como en equipos y material, por lo que sería muy ventajoso disponer de toda la información posible que ayude a afinar el diseño. Las herramientas numéricas pueden ser un gran apoyo en esta tarea, analizando el comportamiento de los tanques. ABSTRACT A crucial topic in the study of a ship behavior at sea has been and is the coupled dynamics of ship motion in the waves and the liquid’s movement inside its tanks (for example: Zhao et al. (2014a), Zhao et al. (2014b), Serván-Camas et al. (2016), Bulian y Cercos-Pita (2018)). By taking advantage of the favorable efects due to these coupled dynamics, Anti Rolling Tanks (ART) are an efective and proftable method of improving the stability of vessels that require more stability than normal when operating, at low or no speed (see Moaleji y Greig (2007)). Such vessels include fshing, cable or supply vessels, the former representing by far the largest part of the feet at sea. The design of an antiroll tank can be achieved cost-efectively if computationally afordable and accurate numerical models are available. Although in principle one might think that the fow within the tank could be modeled under the assumption of potential fow, this is generally not the case due to the occurrence of wave breaking under resonance conditions, and due to tank saturation when water reaches the top of the tank during the rolling movement. In addition, obstacles and side compartments are included in the tank’s design, in order to extend the frequency range in which the tank works properly, which triggers three-dimensional efects due to the appearance of vortices in corners or divided fows by obstacles. Because of this, the capabilities of computational fluid dynamics (CFD) in three dimensions become necessary for the modeling of free surfaces in ARTs. Although they are widely used in the industry, there is little literature that researches the free surface of the ARTs with 3D dynamics. Souto- Iglesias et al. (2004) simulated a bafed ART, but only analyzed the ofset between the forced movement of the tank and the moment produced by the fuid in the tank, but did not determine the amplitude of the moment, which is a crucial factor to establish its efectiveness. Liu et al. (2017) presented hybrid RANS/LES simulations of the fow inside a bafed rectangular tank, but the fow is primarily 2D due to the confguration of the bafes. Diebold et al. (2018) presented 3D results with bafes but did not discuss tank design improvements due to forced dynamics in 3D. Guan et al. (2020) researched the behavior of a rectangular tank by varying its geometry with simple elements. It would be of great help to have a numerical tool to accurately model the 3D fow inside the tanks, helping to theorize what happens in the ARTs. Various tools are evaluated in this line of action, focusing in greater detail on AQUAgpusph (Cercos-Pita (2015)) and OpenFOAM (OpenFOAM (2018)). Both are open source solutions, which makes them doubly attractive, for their potential to help in the design, and for their low cost. In addition to being modular and extendible with C++ and/or Python codes. The numerical models must be validated, in order to be used to characterize with greater assurance tanks in the frequency domain. In this study, the experimental results of a rectangular tank with and without bafes, one with a C-shaped plan and a tank with a more complex geometry, of real application in a ship, are presented. These tests are replicated with CFDs and the results are compared to validate the numerical tools used. An experimental campaign of an ART is expensive, both in time and in equipment and material, so it would be very advantageous to have all the information possible that helps refne the design. Numerical tools can be of great support in this task, analyzing the behavior of the tanks.