Tesis:
Interacción de recubrimientos bioinspirados de geometría variable con la capa límite de un fluido y su efecto sobre la resistencia viscosa en buques
- Autor: RODRÍGUEZ ORTIZ, Alvaro
- Título: Interacción de recubrimientos bioinspirados de geometría variable con la capa límite de un fluido y su efecto sobre la resistencia viscosa en buques
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS NAVALES
- Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/74119/
- Director/a 1º: SUÁREZ BERMEJO, Juan Carlos
- Director/a 2º: PINILLA CEA, Paz
- Resumen: Any body moving in a fluid is affected by boundary layer phenomena, which always involve energy dissipation. In the case of a ship moving through the sea, this can mean that a mass of water up to a third of the total displacement can be attached to the hull. This phenomenon is exacerbated in merchant vessels travelling at low to moderate speeds. Reducing this added water mass will result in lower fuel consumption and therefore lower greenhouse gas emissions.
Sharks, which are excellent swimmers, have a skin made up of thousands of tiny scales, or denticles, with a complex geometry of channels and striations parallel to the direction of flow, varying in size and orientation on different parts of the body. The purpose of these denticles is to reduce viscous drag by controlling the flow characteristics on a microscopic scale and increasing the speed of the fish. This natural mechanism, suitably adapted to our manufacturing technologies, allows us to design new bio-inspired materials for use in marine applications, with the aim of reducing the viscous drag of the ship and thus reducing greenhouse gas emissions during navigation.
This work focuses on the study of the preparation of bio-inspired hybrid materials to be used as hull coatings in ships, and also on the development of an experimental methodology that allows, through the construction of a test channel and its instrumentation with auxiliary systems, to evaluate the effectiveness of the coating in reducing the viscous drag generated by the interaction with the fluid in motion. This new material consists of denticles produced by additive manufacturing. In order for the denticles to adopt a shape or angle of incidence with respect to the fluid in an independent and self-regulating manner, it was necessary to place another material under the denticles that reacts elastically and absorbs the necessary deformations in a reversible manner. The material of choice is a PVA hydrogel, which was synthesised to be tunable in terms of the desired performance. In addition, CFD tools have been used to analyse the physics involved in these phenomena, which has allowed the design and manufacture of bio-inspired materials, guided by the results obtained with the numerical models, for subsequent testing and adaptation to achieve an effective coating for use in real sailing conditions.
RESUMEN
Cualquier elemento que se desplaza en un fluido esta afectado por los fenómenos que tienen lugar en la capa límite, los cuales implican siempre un consumo de energía. En el caso de un buque desplazándose por el mar esto puede suponer que pueda llevar adherida al casco una masa de agua que sea de hasta un tercio de la masa total desplazada. Este fenómeno se acentúa en buques mercantes, que navegan a velocidades bajas o moderadas. Lograr una reducción de esta masa de agua añadida repercutirá en un menor gasto de combustible y, por consiguiente, en una reducción de la emisión de gases de efecto invernadero.
Si observamos a los tiburones, excelentes nadadores, se puede comprobar que tienen una piel formada por miles de pequeñas escamas o dentículos, con una geometría compleja de canales y estriaciones paralelas a la dirección del flujo, que varían en tamaño y orientación en distintas partes del cuerpo. El propósito de estos dentículos es reducir la resistencia viscosa al avance, controlando las características del flujo a escala microscópica y aumentando la velocidad del pez. Este mecanismo de la naturaleza, convenientemente adaptado a nuestras tecnologías de fabricación, nos permite el diseño de nuevos materiales bioinspirados para su empleo en aplicaciones de ingeniería naval, con el objetivo de reducir la resistencia viscosa del buque y por ende las emisiones de gases de efecto invernadero durante la navegación.
El presente trabajo se centra en el estudio de la fabricación de materiales híbridos bioinspirados para ser usados como recubrimiento del casco en buques y, asimismo, en el desarrollo de una metodología experimental que permita, mediante la fabricación de un canal de ensayos y su instrumentación con sistemas auxiliares, evaluar la eficacia de los mismos para reducir la resistencia viscosa producida por la interacción con el fluido en movimiento. Este nuevo material está formado por unos dentículos que se han construido mediante fabricación aditiva. Para que los dentículos adopten una forma o ángulo de incidencia respecto al fluido de una forma independiente y autorregulable se ha necesitado situar bajo los dentículos otro material que responda elásticamente y que absorba las deformaciones necesarias de manera reversible. El material que se ha elegido es un hidrogel de PVA, que se ha sintetizado para que responda a al comportamiento deseado de forma sintonizable. Además, se han utilizado herramientas CFD para analizar la física implicada en estos fenómenos, que ha permitido diseñar y fabricar materiales bioinspirados guiados por los resultados obtenidos con los modelos numéricos, para su posterior ensayo y adaptación de cara a conseguir un recubrimiento efectivo para su empleo en condiciones reales de navegación.