Tesis:
Numerical and Experimental Studies of Sail Aerodynamics.
- Autor: IZAGUIRRE ALZA, Patricia
- Título: Numerical and Experimental Studies of Sail Aerodynamics.
- Fecha: 2012
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS NAVALES
- Departamentos: ARQUITECTURA Y CONSTRUCCION NAVALES
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/14885/
- Director/a 1º: PEREZ ROJAS, Luís
- Resumen: El propósito de esta investigación es la determinación del comportamiento aerodinámico de velas y la mejora del conocimiento de los fenómenos involucrados. El hilo conductor de esta investigación es la combinación de ensayos experimentales y simulaciones numéricas en cuatro escenarios diferentes (clase IMS, clase Transpac 52, Dhows y alas estructurales) para entender el flujo de aire alrededor de dichas velas. Primero, se ha estudiado el efecto tridimensional del mástil en el comportamiento aerodinámico de la jarcia de un IMS. Existen varios estudios bidimensionales que tratan sobre la influencia del mástil pero hay una falta de resultados tridimensionales. Se han estudiado las velas de un barco de regatas en condición de ceñida mediante la combinación de simulaciones con códigos viscosos y las mediadas de ensayos a escala real descritas en artículos de referencia. Se han simulado tres disposiciones de las velas con los códigos comerciales ANSYS-CFX y el STAR-CCM+ de CD-Adapco. Los resultados se han comparado con datos experimentales y con simulaciones numéricas de referencia. Existe una buena correlación entre los resultados tanto cualitativamente como cuantitativamente. Segundo, se ha determinado la distribución de presiones sobre la mayor de un Transpac 52. Cuando comenzó esta investigación nunca antes se había publicado información sobre la medida de presiones sobre una vela tridimensional a escala y en condición de ceñida. Los experimentos se han realizado en el Túnel de Viento de Capa Límite del CEAMA (Universidad de Granada, España). Se han medido la distribución de presiones en 62 puntos de una vela a escala rígida. La técnica experimental que ha sido utilizada está muy extendida en la ingeniería de viento civil pero es innovadora en aerodinámica de velas. Uno de los experimentos se ha simulado con el código viscoso STAR-CCM+. Los resultados numéricos se han validado con los datos experimentales. La comparación muestra una buena correlación entre experimentos y simulaciones, tanto cuantitativamente como cualitativamente. Tercero, se han caracterizado los principales parámetros que afectan al comportamiento aerodinámico de los Dhows. Esta investigación surge del interés mostrado por diferentes velerías y la Yacht Research Unit (University of Auckland, Nueva Zelanda) por el comportamiento de los dhows. Nunca antes se habían estudiado estos veleros desde un punto de vista aerodinámico ni hidrodinámico. Esta es la primera investigación que ha estudiado científicamente los veleros dhows. Se han analizado las dos clases más importantes de dhows (43 pies y 60 pies). Los ensayos experimentales se han realizado en el Twisted Flow Wind Tunnel de la Yacht Research Unit, donde se han estudiado un amplio rango de parámetros. Además, uno de los ensayos con el modelo de 43 pies se ha reproducido con el código STAR-CCM+ mediante la adquisición de la forma de la vela con el sistema V-SPAR. Los resultados se han validado con las medidas experimentales. Finalmente, se ha hecho un estudio de vialidad de usar un ala estructural para reducir el consumo de combustible y las emisiones, dentro del proyecto EU-CargoXpress. Se ha simulado el comportamiento aerodinámico de tres alas estructurales con el STAR-CCM+. Luego, los resultados obtenidos con el código numérico se han validado con ensayos realizados en el Túnel de Viento A9 (Universidad Politécnica de Madrid, España). La comparación de los resultados es prometedora. Además, se ha calculado la potencia que se puede obtener de la vela, teniendo en cuenta la probabilidad de ocurrencia de viento en seis rutas de navegación diferentes. La potencia esperada de la vela se ha comparado con la potencia efectiva necesaria para compensar la resistencia hidrodinámica. Se ha determinado que hay una posibilidad clara de reducir el consumo de combustible mediante el uso de este ala. La contribución del viento al EU-CargoXpress, navegando a la velocidad de diseño, representa el 40% de la potencia efectiva necesaria par propulsar el buque a esa velocidad durante el 45% del tiempo. La principal conclusión de esta investigación es que clarifica vacío de conocimiento del comportamiento aerodinámico de velas. Además, dado que los códigos comerciales no están específicamente diseñados para el estudio de vales, se ha desarrollado un procedimiento. Por otro lado, se han utilizado innovadoras técnicas experimentales y aplicado a velas a escala. Los logros de esta investigación son prometedores y algunos de los resultados ya están siendo utilizados por la industria en su día a día.