Impacto de las Superficies Libres en la Energía Cinética Turbulenta en Barcos

La energía cinética turbulenta (TKE) es un término fancy para medir las cargas inestables que enfrentan los barcos al moverse por el agua. Esta medición es importante para diseñar cosas como hélices y dispositivos que ayudan a ahorrar energía. La mayoría de las veces, se hacen simulaciones usando un modelo simplificado que asume simetría para ahorrar tiempo y esfuerzo. Sin embargo, los barcos de la vida real no tienen esa suerte. Tienen que lidiar con una Superficie Libre de agua, lo que puede cambiar todo el juego.

En un estudio de caso que involucra un gran buque conocido como Japan Bulk Carrier, se realizaron simulaciones con y sin considerar la superficie libre. Estas simulaciones analizaron la TKE en los núcleos de vórtices detrás del barco. El enfoque también estuvo en localizar el centro de estos vórtices, ya que acertar en esto es crucial para entender los patrones de flujo.

Curiosamente, cuando se realizaron simulaciones con mallas más finas, revelaron una tendencia inesperada en la TKE, lo que llevó a una investigación más profunda para descartar problemas relacionados con el método al usar un modelo híbrido. Básicamente, descubrimos que mover las posiciones de los núcleos de vórtice alteraba significativamente los resultados, lo que plantea preguntas sobre cuán confiables son las posiciones experimentales del centro.

Para mejorar la comparación de resultados, se utilizó una posición fija para los núcleos de vórtice en todos los casos. Esta modificación reveló una historia diferente. Las mallas medianas fueron ajustadas, y una caja de refinamiento se extendió más hacia adelante, lo que llevó a resultados que coincidían mejor con las mallas finas. Resultó que al observar la TKE en su conjunto, no había mucha diferencia entre las simulaciones que incluían la superficie libre y aquellas que no. Sin embargo, la estructura del barco seguía siendo influenciada por la superficie del agua, lo que cambiaba características locales.

A medida que todos se preocupan más por la eficiencia energética por razones ecológicas, hubo un fuerte impulso para desarrollar optimizaciones y dispositivos para reducir las demandas de energía en grandes embarcaciones. Muchos estudios mostraron que las mejoras a menudo son marginales, lo que desató debates sobre si los resultados de las simulaciones realmente pueden llevar a mejoras en el mundo real. Muchos modelos más simples ignoraron por completo la superficie libre, usando en su lugar un espejo plano. Pero como incluso los barcos lentos aún crean ondas detrás de ellos, está claro que una superficie libre impacta el flujo a su alrededor.

Las herramientas de software más nuevas pueden manejar superficies libres a través de diferentes métodos. La investigación sobre cuerpos sumergidos cerca de la superficie ha mostrado cambios en el patrón de flujo y la resistencia, incluso a velocidades más bajas. Para embarcaciones más grandes, se notaron diferencias en las velocidades de flujo, pero generalmente no afectaron factores clave como la resistencia. En situaciones más extremas, como en olas, el impacto en los dispositivos de ahorro de energía (ESD) fue lo suficientemente significativo como para que la pérdida de empuje fuera mayor con los ESD que sin ellos.

La energía cinética turbulenta sigue siendo una medición importante, ya que no solo afecta el empuje, sino también la integridad estructural. El objetivo principal de este estudio era ver cómo la superficie libre influía en la TKE alrededor del rastro del Japan Bulk Carrier. Esperaban recopilar información para entender cuánto importa la interfaz al analizar resultados que podrían verse afectados por cambios en las cargas.

El artículo comenzó con explicaciones sobre la motivación y el conocimiento existente antes de sumergirse en el trasfondo teórico, configuraciones de malla y especificaciones del caso. La sección de resultados presentó algunos datos básicos de verificación, seguidos de una discusión sobre la convergencia de la malla y resultados preliminares. Se realizaron simulaciones y análisis adicionales debido a algunas inconsistencias que surgieron, y estos se exploraron en profundidad en la discusión.

Las cargas inestables que actúan sobre las hélices en el rastro de un barco son generalmente causadas por tres cosas: cambios en la velocidad debido a variaciones en la velocidad del barco o las olas circundantes, no uniformidad en el rastro y fuerte turbulencia, particularmente en embarcaciones más grandes como petroleeros y graneleros. Si bien el primer punto no fue examinado, el segundo se pudo cubrir usando técnicas comúnmente aceptadas, mientras que analizar el tercero requirió investigar las estructuras de turbulencia usando métodos más avanzados.

Un taller anterior destacó que los niveles de TKE en varias secciones detrás del Japan Bulk Carrier diferían significativamente cuando se calcularon con diferentes técnicas. Estudios anteriores señalaron que las fluctuaciones de empuje de la hélice identificadas en URANS (un método de Simulación más tradicional) tienden a ser regulares y bajas. En comparación, las fluctuaciones de empuje identificadas a través de métodos híbridos fueron irregulares con picos más altos. Esto destacó la necesidad de usar métodos híbridos para capturar con precisión la turbulencia en el rastro.

Curiosamente, mientras que un estudio encontró que la superficie libre tenía algún efecto, otro estudio no encontró una relación significativa. Sin embargo, es crucial analizar estos hallazgos de cerca. Los experimentos realizados previamente en el Japan Bulk Carrier se llevaron a cabo a un número de Froude bajo, permitiendo la suposición de simetría en la modelación. Sin embargo, solo un puñado de simulaciones examinó cómo la superficie libre influía en el flujo. Ninguna de estas se realizó usando métodos avanzados de resolución de turbulencia.

En investigaciones anteriores, se intentó medir la influencia de las superficies libres en la TKE, principalmente a través de experimentos. Un punto básico es que hay diferencias en la distribución de presión que ocurren debido al barco en movimiento creando olas y alterando la superficie. Este cambio esencial afecta los patrones de presión y es particularmente evidente al considerar pequeños movimientos.

Un investigador realizó experimentos con placas planas y superficies no perturbadas para analizar el rastro con velocimetría de imágenes de partículas. Mostró que flujos secundarios emergían de las condiciones de frontera mixtas debido a la superficie libre. Otros demostraron que la turbulencia causada por superficies libres estaba vinculada a la ruptura de olas, y luego estudios adicionales mostraron que incluso pequeñas y empinadas olas en laboratorio pueden resultar en turbulencia debido al movimiento del agua.

Estudios adicionales han mostrado que las superficies libres pueden alterar los campos de velocidad, como se encontró en simulaciones de CFD. Los resultados de simulaciones utilizando el método de volumen de fluido estaban más en línea con los hallazgos experimentales reales. Se encontró que la TKE era más alta debido a la superficie libre, provocando una desaceleración en el flujo, incluso a velocidades más bajas. Sin embargo, estas simulaciones se basaron principalmente en métodos tradicionales, lo que condujo a perspectivas limitadas sobre características de flujo detalladas.

Un estudio reciente intentó abordar el problema, pero solo usó un tamaño de malla. Se reconoció que números de Courant más pequeños y un tiempo promedio más largo eran preferibles al usar métodos de resolución de escala, ya que las elecciones iniciales pueden haber llevado a una identificación ambigua de los núcleos de vórtice. La necesidad de diferentes tamaños de rejilla no fue reconocida en ese momento, y las diferencias en los resultados surgieron de ajustes posteriores.

Para los buques, se asume un flujo completamente turbulento por encima de cierta velocidad. Sin embargo, la velocidad de diseño habitual para los barcos generalmente corresponde a un rango donde la turbulencia no se ha desarrollado por completo. Un modelo híbrido es óptimo cuando hay separaciones significativas en la capa límite. Dado que la turbulencia es un comportamiento de fluctuación rápida, los códigos CFD transitorios se vuelven cruciales para describir el flujo con precisión.

Las simulaciones utilizaron un modelo de turbulencia específico para asegurar que la TKE resuelta se alineara con los resultados esperados. Fue esencial implementar una función de mezcla para el modelo híbrido, lo que permite una transición más suave entre los métodos de modelado. Las mallas creadas fueron validadas a través de benchmarks anteriores, y se ejecutaron simulaciones utilizando diferentes métodos para analizar la superficie libre.

Existen diferentes métodos para modelar la superficie libre en dinámica de fluidos computacional. El estudio utilizó principalmente dos enfoques del marco OpenFOAM. Uno fue VOF algebraico, mientras que el otro fue VOF geométrico, lo que permitió interacciones más precisas en la superficie del agua. Estas simulaciones se compararon con los resultados de investigaciones anteriores para asegurar consistencia y fiabilidad.

Una parte significativa del estudio involucró extraer manualmente un sector alrededor del núcleo de vórtice para analizar la TKE, buscando la vorticidad axial máxima. Los resultados recopilados fueron procesados para visualizar la TKE e identificar la posición de los núcleos de vórtice con precisión. Estos análisis tenían como objetivo medir la intensidad de la turbulencia relacionada con los vórtices y evaluar las características de flujo capturadas en las simulaciones.

Se crearon diferentes mallas para asegurar un espaciado de rejilla adecuado para resultados precisos, con una longitud de referencia basada en las dimensiones del barco. Emplear un enfoque híbrido permitió usar funciones de pared de manera eficiente. Las mallas finas necesitaban ser adecuadamente resueltas, particularmente alrededor de la línea de flotación, para capturar eficazmente la interfaz.

Se establecieron condiciones de frontera para simular comportamientos de fluidos realistas, y se llevaron a cabo evaluaciones de rendimiento usando recursos computacionales de alto rendimiento para ejecutar las simulaciones. Los resultados fueron analizados a través de varios métodos, observando las distribuciones de TKE y asegurando que se alinearan estrechamente con los datos experimentales.

Una observación principal fue que los valores de TKE fluctuaron significativamente entre los diferentes tamaños de malla y métodos utilizados. Si bien los estudios de convergencia de rejilla son esenciales, pueden volverse complicados con métodos híbridos. Aunque se notaron algunas discrepancias, es crucial entender que estas diferencias podrían surgir del método en sí o de los tamaños de malla usados.

Cuando los resultados se presentaron siguiendo las pautas establecidas, quedó claro que las variaciones en la TKE eran evidentes, indicando la complejidad de los patrones de flujo. La metodología también estableció un centro de vórtice fijo para futuras observaciones. Este método ayudó a estandarizar las comparaciones y sugirió una mejor alineación de los resultados.

Al examinar las tendencias generales, se notó que los valores integrales de TKE no destacaban diferencias significativas entre las simulaciones de fase única y de dos fases. Sin embargo, las distribuciones espaciales mostraron algunas variaciones, sugiriendo que factores como el tamaño de la malla pueden jugar un papel crucial bajo ciertas condiciones.

Después de finalizar el análisis de las posiciones de los núcleos de vórtice y ajustar las configuraciones de rejilla en consecuencia, las distribuciones de TKE comenzaron a converger de una manera más confiable. A pesar de las preocupaciones anteriores sobre la malla fina, los refinamientos adicionales indicaron que podría proporcionar información más cercana a los hallazgos experimentales.

En última instancia, a pesar de que la superficie libre tuvo poco impacto en las mediciones de TKE, cómo presentó diferentes características espaciales siguió siendo un punto focal. Al considerar dispositivos que dependen de los efectos del flujo de fluidos, la superficie libre podría alterar sustancialmente las distribuciones de presión y necesita una consideración cuidadosa en las simulaciones para asegurar diseños precisos.

En conclusión, investigar la influencia de las superficies libres al medir la energía cinética turbulenta sigue siendo una tarea compleja pero vital para el diseño de barcos. Si bien los hallazgos indican que no hay diferencias significativas en la TKE total, la distribución espacial variable destaca la importancia de simulaciones detalladas. De cara al futuro, es esencial tener en cuenta estos resultados y seguir explorando cómo las superficies libres afectan diferentes diseños de embarcaciones, especialmente en entornos más desafiantes como aguas poco profundas o diferentes velocidades.

Investigaciones adicionales se centrarán en cómo estos hallazgos pueden aplicarse a diferentes tipos de barcos y condiciones, lo que llevará a una mejor comprensión de la relación entre TKE, superficies libres y la eficiencia energética general. En la búsqueda de prácticas de navegación más verdes y eficientes, cada pequeño detalle cuenta.