Modelos de simulación

EjemplosRevista: el periodico, sección, cosas de la vida

El Mare Nostrum, el superordenador más rápido y pueda prever con más exactitud el viento que soplará durante esta competición, que tendrá lugar el próximo año en Valencia. En el terreno del diseño, la colaboración consiste en prever el rendimiento de distintos elementos del barco (casco, quilla, timón, velas y mástil). Para ello, el diseño de las distintas formas se traduce a números finitos, que posteriormente corren por el Mare Nostrum. Concretamente, se trata de analizar la dinámica de fluidos en contacto con los sólidos elásticos en que consisten las distintas partes del barco.

DOS PROGRAMAS EN UNO / Se da la circunstancia de que el Barcelona Supercomputing Center (BSC) dispone de uno de los pocos programas de simulación multifísica existentes. Esto

permite analizar no sólo la dinámica de los fluidos en torno a un cuerpo sólido –la resistencia de una quilla en el agua, a fin de encontrar el diseño más aerodinámico posible, por ejemplo–, sino también cómo afecta la deformación de cada uno de estos cuerpos (las velas, elmástil, el mismo casco o la quilla) al flujo laminar de las moléculas de agua o de aire.

Es decir, se resuelven a la vez dos problemas interrelacionados. Lo que puede parecer un tema exclusivo de veleros de alta competición tiene sin embargo notables aplicaciones en la vida de cada día. «La simulación de fluidos que aplicamos en el caso del Desafío es la misma que en el caso del flujo de la sangre en un corazón», explicó José María Cela, jefe de equipo del área de métodos numéricos de tecnologías de la información del BSC, durante la presentación del acuerdo con el equipo deportivo.

PREDICCIÓN DE VIENTO / El segundo gran proyecto de cooperación entre el BSC y Desafío Español es la previsión meteorológica del área de regatas de la

Copa América, frente al puerto de Valencia. El objetivo es dar al equipo de navegantes información que les permita conocer cada día de antemano no sólo la velocidad, sino también la dirección del viento en cada uno de los puntos del campo de regatas durante la duración de la prueba. Se trata de un problema similar a otros ya analizados por el BSC, que es capaz de predecir la producción de cada uno de los molinos de un campo eólico minuto a minuto durante las siguientes 24 horas. La potencia de cálculo del Mare Nostrum es tal que la simulación

atmosférica realizada para el Desafío se ha hecho en 12 días, cuando con computadores ordinarios los cálculos habrían requerido seis años de trabajo.H

Del ejemplar 2539 de la revista New Scientist, 18 de Febrero de 2006, página 46

Navíos resbaladizos flotan en aire liviano

El constante precio al alza de los combustibles fósiles y sus derivados hace que la

ciencia trate de buscar medios de transporte alternativos que hagan los fletes más

económicos. La última idea consiste en una alfombra mágica de microburbujas que

disminuyan la fricción de los grandes navíos.

Se diseña un barco con aberturas laterales que expulsan aire, con lo que es posible reducir el

contacto agua/casco hasta en un 80%. Unas grandes cavidades con aire alrededor del barco

pueden reducir la resistencia a la mitad mejorando la eficiencia del combustible y reduciendo la

polución. Pulse en la imagen para ampliarla.

©

YOSHIAKI KODAMA está tejiendo una alfombra mágica lo suficientemente grande para llevar

un barco. Invocada desde aire liviano a golpe de interruptor, esta sábana resbaladiza

ayudará a transportar un buque cisterna completamente cargado o un barco contenedor a

través del océano a mayor velocidad, y usando mucho menos combustible que nunca antes.

Kodama es director del Departamento de Tecnología Avanzada en Transporte Marítimo en el

Instituto Nacional Japonés de Investigación Marítima (NMRI) en Tokio. Su trabajo es solo uno

de los varios programas especializados en marcha en EEUU, Rusia, Japón y Europa centrados

en cómo hacer que un barco sea más resbaladizo.

Una embarcación que tiene menos fricción al deslizarse por el agua será mucho más

eficiente que los barcos convencionales. Barcos resbaladizos podrían viajar a través del mar

más rápido o llevar mayores cargas con el mismo consumo de combustible, ahorrando dinero

y reduciendo la contaminación. Esto es crucial considerando que en 2003 más del 90% de

todos los artículos que se enviaron alrededor del globo lo hicieron por barco – esto es, más de

6.000 millones de toneladas y la cifra tiende a aumentar.

Un reciente informe del Instituto Holandés de Investigación Marítima (MARIN), con base en

Wageningen, dice que reduciendo la fricción y por ello la resistencia en el casco de un buque

podría mejorar la eficiencia hasta en un 20%. “No hay actualmente ninguna otra técnica en

arquitectura naval que pueda augurar estos ahorros”, comenta.

¿Pero cómo hacer un barco resbaladizo? Hasta ahora los investigadores lo han intentado con

minúsculas burbujas, polímeros resbaladizos y capas atrapadas de aire, y parece que el

mejor método depende de lo que se quiere conseguir. Si simplemente se desea transportar

más carga a unos sosegados 14 nudos de una manera ambientalmente responsable usando

menos combustible, entonces creando una alfombra de microburbujas bajo un casco

aplanado en su base puede ser la respuesta. Por otra parte, la mejor opción para un barco de

mercancías que se espera que corte el mar a más de 50 nudos podría ser cubrir el metal del

casco con una cascada de aire, creando de hecho un barco en una burbuja.

La idea de disminuir la resistencia empezó cuando el ingeniero británico William Froude

investigó la dinámica de fluidos de los barcos en el siglo 19. Al moverse un barco a través del

agua encuentra tres tipos de resistencia: resistencia de onda, resistencia de presión y

resistencia de fricción. La resistencia de onda es principalmente un problema a grandes

velocidades y puede minimizarse con un diseño cuidadoso del casco. Un perfil aerodinámico

puede también eliminar la resistencia por presión – el tirón hacia atrás generado por la

diferencia de presión entre la proa y la popa mientras el agua que el navío atraviesa se

divide y después se vuelve a combinar. El mayor componente de resistencia, y el mayor

problema para los diseñadores de barcos, es la resistencia de fricción. Ésta se produce por la

interacción entre el casco y el agua a su alrededor. Su efecto, dice Kodama, significa que el

barco empuja un gran cuerpo de agua junto a él mientras se mueve.

La región de agua afectada por el paso del barco, conocido como capa límite, es

normalmente medida en términos de impacto en el flujo a lo largo del casco. Típicamente

cualquier masa de agua moviéndose a lo largo del casco a menos del 99% de un flujo

despejado se cuenta como parte de la capa límite. Así como el impacto de un barco en el

agua alrededor decrece cuanto más se aleja del casco, también hay variaciones entre la proa

y la popa. Para un barco de 30 metros de eslora, la capa límite podría ser de alrededor de un

metro de espesor en la proa, digamos, pero decenas de metros de espesor en la popa.

La resistencia de fricción tiene el mayor impacto a alrededor de un centímetro del barco,

donde las interacciones entre el casco de metal y el agua son más fuertes. Una posible

manera para reducir esto fue intentado por primera vez a principios de los ’70 por Michael

McCormick y Rameswar Bhattacharyya en la Academia Naval de Estados Unidos en

Annapolis, Maryland. Revistieron un cilindro con pequeñas burbujas de hidrógeno generadas

por electrolisis, y lo arrastraron a través del agua. El resultado fue una significativa reducción

de la fricción. La siguiente década, los investigadores mostraron que estas microburbujas

podían disminuir la resistencia friccional hasta un 80%. Sin embargo, el efecto fue difícil de

replicar en navíos reales.

Ahora los investigadores de Japón han decidido afrontar este problema, y planean convertir

la promesa de las microburbujas en una realidad como parte del programa de desarrollo

“Super Eco-Ship". Liderado por Kodama, el proyecto aspira a reducir la emisión de gases de

efecto invernadero de los barcos en un cuarto al tiempo que incrementar su capacidad de

carga en un 20%, gracias a toda una serie de cambios en la propulsión, el control y el diseño.

Japón tiene un interés particular dado que la mayoría de sus importaciones y exportaciones

viajan en barco.

En teoría, dice Kodama, hay más de un mecanismo por el que las microburbujas pueden

ayudar a los barcos a deslizarse en el agua. Primero, las propias burbujas forman una lámina

de aire emparedada entre el agua y el casco. Puesto que la viscosidad del aire – su

resistencia al flujo – es alrededor del 1% de la del agua, la nave se mueve más fácilmente.

Otro mecanismo modifica la turbulencia que crea la resistencia friccional en el agua. A menor

turbulencia generada, más fácil el movimiento de un barco a través del agua. Los

investigadores han descubierto experimentalmente que las burbujas modifican directamente

la turbulencia, comenta Kodama. “En un flujo turbulento, las burbujas en el fondo de la capa

límite están bajo fuerzas de cizalla muy fuertes y sufren grandes deformaciones y a menudo

se aplanan”. Este cambio de forma parece reducir la turbulencia y por tanto desciende la

resistencia a la fricción.

El equipo de Kodama cree que una manera de recubrir el casco con microburbujas podría ser

desviar una pequeña energía suplementaria del motor para generar burbujas cerca de la

proa del barco mediante el soplo de aire comprimido a través de un plato ranurado o poroso.

Estas burbujas podrían barrer hacia atrás para cubrir casi completamente el casco aplanado

por debajo. La flotabilidad de las burbujas tendería a mantenerlas en su lugar bajo el barco, y

las que se perdieran serian recargadas continuamente.

Para probar el efecto, el equipo de Kodama y los investigadores de las Universidades de

Tokio y Osaka arrastraron un gran plato perforado con agujeros capaces de soltar

microburbujas a lo largo de un tanque de pruebas de 400 metros. Incluso modificaron dos

barcos para soltar burbujas de perforaciones cerca de la proa – un mercante de 6.000 Tm y

un carguero de cemento de 10.000 Tm. Sin embargo, en las pruebas en el mar Kodama

observó un descenso neto en la resistencia de solo un 3%. Con modelos a escala los

investigadores en MARIN encontraron reducciones de menos de un 10 %.

Estas cifras no resultan tan magníficas como la teoría y las pruebas previas sugerían. Parece

que hay toda suerte de complicaciones en la aplicación de las microburbujas a barcos reales.

Por ejemplo, hay un trueque entre la energía usada para generar las burbujas y la energía

ahorrada al soltarlas. Además hay que asegurarse que las burbujas no alcancen las hélices.

Las hélices batiendo en agua llena de aire carecen de mordida y pierden empuje. También

hay muchas incógnitas, como dónde colocar los eyectores de burbujas, qué tamaño de

burbuja y qué forma del casco es mejor para el efecto, y fundamentalmente, como montar en

una lámina de aire afecta la maniobrabilidad y navegabilidad del barco.

Algunos problemas se han resuelto fácilmente. Deflectores especiales o diseño cuidadoso de

la parte posterior del casco por ejemplo, asegurará que las burbujas no alcancen las hélices.

Otros temas están aún bajo investigación. Cuando el carguero de cemento fue equipado para

la prueba a principios del año pasado, por ejemplo, las ranuras emitiendo las burbujas

estaban colocadas en un lado de la proa. Pero las burbujas no se mantenían bajo el barco. Y

en otros experimentos la lámina de burbujas fue efectiva en menos de 50 metros corriente

abajo de la inyección. El barco ha sido contratado para ulteriores experimentos en 2007. Esta

vez, dice Kodama, el equipo inyectará aire bajo el casco en dos o tres lugares a lo largo de su

eslora.

La buena noticia es que parece ser pequeño el problema con la navegabilidad. De hecho,

según los investigadores en Japón y una serie de experimentos usando modelos en MARIN,

en la mayoría de las condiciones marítimas, las microburbujas, o bien hacen los barcos más

estables, o bien tienen poco efecto.

Pero hay un problema que parece irresoluble – las microburbujas son efectivas sólo a

velocidades relativamente bajas. “A mayor velocidad de flujo,” – dice Kodama, “mayor la

magnitud de la turbulencia. Y esta turbulencia tiende a conducir las burbujas fuera del

casco”. Si se desplazan más de un centímetro del barco, se pierde toda reducción de la

resistencia.

Este es un problema importante para la marina de EEUU, que no solo quiere una buena

eficiencia en el combustible, sino también alta velocidad. En el 2000, la Agencia de Proyectos

de Investigación Avanzada de Defensa de EEUU (DARPA) empezó un programa para reducir a

la mitad la resistencia de fricción. Solo este grado de mejora, argumentan los investigadores,

podría dar aumentos significativos de la velocidad.

En lugar de barcos de prueba a escala real, el DARPA se centra en desarrollo de modelos

numéricos y simulaciones por ordenador que revelaran como puede ser reducida la

resistencia. Dos equipos están compitiendo para producir modelos, uno en la Universidad

Stanford en California y el otro liderado por investigadores de contratistas de defensa de

General Dynamics. Los resultados de estos modelos están siendo validados por experimentos

a gran escala en las instalaciones de un enorme túnel de la marina de EEUU en Memphis,

Tenessee, por un tercer equipo liderado por el ingeniero Steve Ceccio en la Universidad de

Michigan en Ann Arbor. Este tanque es capaz de probar secciones de barcos de 3 metros de

diámetro, en flujos de más de 35 nudos.

Este programa tiene como objetivo examinar las microburbujas, pero también la idea de

cubrir los cascos con polímeros resbaladizos bombeándolos a través de agujeros en el lado

del navío. Los polímeros ya son usados para ayudar en el flujo de aceite del Sistema de

Tuberías de Trans-alaska, por ejemplo.

Aún estamos en los primeros días, pero ensayos a altos índices de flujo usando las

microburbujas revelaron las mismas dificultades que encontró el equipo japonés. Durante el

primer metro corriente debajo de la inyección de burbujas “la resistencia de fricción es

increíble”, comenta Marc Perlin, investigador del grupo Ceccio. “Se acerca a resistencia cero.

Pero entonces las fuerzas de cizalla lanzan las burbujas fuera de la capa límite”. Esto reduce

el efecto significativamente. Pero, comenta Perlin, las microburbujas podrían trabajar bien

para buques cisterna de movimiento lento. “Aquí el efecto burbuja puede mantenerse

durante largas distancias”.

A alta velocidad, los polímeros parecen ser mucho más efectivos. Los compuestos

investigados por el equipo incluyen óxido de polietileno, usado para hacer capsulas digeribles

para medicamentos, y poliacrilamida, empleada como floculante en plantas de tratamiento

de aguas residuales. Los polímeros probablemente no dañarán al ambiente, comenta Perlin,

“pero la marina no tiene interés en los polímeros porque uno tiene que llevarlos y eso reduce

la carga útil del barco”.

Otra forma de lubricación está también generando interés. Una película de aire de pocos

milímetros de espesor puede formarse bombeando aire a través de un recubrimiento super-

repelente de agua en el casco. El aire queda atrapado junto al recubrimiento en preferencia

al agua, ayudando a reducir la fricción entre el agua y el casco.

Perlin y otros investigadores aún piensan que la mejor solución puede llegar del concepto ya

explorado por los ingenieros rusos: cavidades de aire. Aunque ha habido pocos comentarios

de DARPA, esta idea está claramente en observación por la agencia, juzgando por el título de

uno de los últimos programas de investigación: Reducción de Resistencia por Cavidades de

Aire (AirCat).

Barco en una burbuja

La idea de cavidades de aire tiene mucho en común con la supercavitación, en la que un

objeto sumergido como un torpedo crea una única y gran burbuja a su alrededor. Esto corta

la fricción superficial, llevando su capacidad a velocidades notables (New Scientist, 22 Julio

2000, p. 26). Quizá no sorprenda que los ingenieros rusos, quienes primero desarrollaron los

torpedos de supercavitación, no solo han hecho bastante investigación sobre lubricación por

cavidades de aire para barcos, sino que también han puesto sus ideas en marcha.

Desde 1980, los astilleros rusos han entregado al menos 50 navíos, incluyendo patrulleras,

transbordadores y lanchas de desembarco que están equipados con cavidades en el casco. El

bombeo de aire por ellas reducen la resistencia hasta un 40%, requiriendo solo un 3% de la

potencia del navío para mantenerlo. La mayoría de estos navíos incorporan un casco

escalonado o con muescas para crear una cavidad en forma de ‘V’ dentro de la cual es

bombeado el aire. Una de las ventajas de esta tecnología es que puede ser mejorada fijando

segmentos en forma de cuña a lo largo del casco para crear escalones. Los ingenieros del

Instituto de Investigación de Arquitectura Naval Krylov en San Petersburgo afirman que

pueden construir un barco de baja velocidad que ahorra un 20% de combustible; y barcos de

alta velocidad que pueden ahorrar incluso más. E incluso puede comprar un yate a motor de

alta velocidad equipado con esta tecnología.

Pero ¿está el dinero bien gastado? MARIN usa modelos para comparar cavidades de aire,

películas de aire y microburbujas, y ha descubierto que todos resultan en ahorros netos de

energía. “En nuestro experimento”, dice Cornel Thill, gerente superior del proyecto en

MARIN, “las microburbujas fueron las menos eficientes, ahorrando solo algo de porcentaje. La

película de aire fue mejor, y las cavidades de aire representan las mejores”. Thill piensa que

esta clasificación podría cambiar fácilmente al avanzar las investigaciones.

Cualquiera que sean los detalles, la reducción de resistencia es una idea cuyo tiempo ha

llegado, comenta Thill. Él y sus colegas planean construir una barcaza motorizada lubricada

por aire hacia 2009. Y el Grupo DK con base en Rotterdam, una compañía que pretende

desarrollar navíos con cavidad de aire, está trabajando con el arquitecto naval danes Knud E.

Hansen para desarrollar un sistema de cavidad de aire para cruceros de línea, buques

cisterna y barcos contenedores. Eventualmente aspira a construir un carguero de alta

velocidad que cruce el atlántico en dos días y medio, cerca de un cuarto del tiempo requerido

por un barco convencional. De esta manera, ¿quién necesita una alfombra mágica que vuela

en el aire?

ONDAS DE CHOQUE

Los estudios mediante observaciones ópticas de proyectiles de artillería revelan la naturaleza de las perturbaciones atmosféricas encontradas durante el vuelo. A velocidades subsónicas, por debajo de Mach 0,85, la única perturbación atmosférica es una turbulencia en la estela del proyectil. En la zona transónica, entre Mach 0,85 y Mach 1,3, aparecen ondas de choque a medida que aumenta la velocidad; en el rango más bajo de esa zona de velocidades, las ondas de choque surgen de cualquier protuberancia abrupta en el contorno suave del proyectil. Cuando la velocidad supera Mach 1, las ondas de choque surgen de la parte delantera y la cola y se propagan en forma de cono desde el proyectil. El ángulo del cono es tanto menor cuanto mayor es la velocidad del proyectil. Así, a Mach 1, la onda es esencialmente un plano; a Mach 1,4 (1.712 Km. /h al nivel del mar), el ángulo del cono es de aproximadamente 90°; a Mach 2,48 (unos 3.030 Km. /h), la onda de choque procedente del proyectil tiene un ángulo cónico ligeramente menor de 50°. La investigación en este campo ha permitido el diseño de los modernos aviones de gran velocidad, en los que las alas se inclinan hacia atrás formando ángulos de hasta 60° para evitar la onda de choque procedente de la parte delantera del avión.

Las ondas de choque son el principal campo de estudio del el autor Jerry D. Wilson dentro de la mecánica de fluidos, ya que según el autor es donde tiene mayor implicación con la tecnología aeronáutica moderna y toda la tecnología que conlleva el estudio de su realización.

MAXIMIZACION DE LA EFICIENCIA

Entre otros factores estudiados por la investigación sobre proyectiles de artillería supersónicos figuran la forma ideal de los proyectiles y el comportamiento de un gas que fluye a altas velocidades. La llamada forma de gota, que es la forma aerodinámica ideal para velocidades subsónicas, es muy poco eficaz en la zona supersónica debido a su gran superficie frontal, que comprime el aire y da lugar a ondas de choque de gran amplitud que absorben mucha energía.

Cuando un gas fluye por un tubo estrechado, como la tobera de un cohete, a velocidades subsónicas, la velocidad de flujo aumenta y la presión disminuye en el cuello del estrechamiento. A velocidades supersónicas se produce el fenómeno inverso, y la velocidad de flujo aumenta en un tubo divergente. Así, los gases de escape de un cohete, al acelerarse en la tobera hasta la velocidad del sonido, aumentan aún más su velocidad, y por tanto su empuje, en el ensanchamiento divergente de la tobera, con lo que se multiplica la eficiencia del cohete. Otro factor que los diseñadores de cohetes conocen desde hace tiempo es la influencia directa de la presión atmosférica reinante sobre la eficiencia del vuelo a velocidades supersónicas. Cuanto más próximo esté el medio circundante a un vacío perfecto, más eficiente es el motor del avión o el cohete. El rango de velocidades de un avión supersónico también puede aumentarse reduciendo la superficie, o sección transversal, que presenta al aire. En los aviones que operan a velocidades supersónicas es imprescindible aumentar el peso del aparato aumentando su longitud, hacerlo más esbelto y dotarlo de un frente en forma de aguja. En los años posteriores a la II Guerra Mundial, los centros de investigación en aerodinámica construyeron túneles de viento donde se podían probar maquetas o piezas de aviones en corrientes de aire supersónicas.

REGLA DE LAS SUPERFICIES

 Un importante avance en la aeronáutica, gracias a las investigaciones en túneles de viento, se debió al físico estadounidense Richard Travis Whitcomb, que descubrió la regla de las superficies para el diseño de aviones supersónicos. Según este principio, el aumento abrupto en la resistencia al avance que se produce a velocidades transónicas se debe a la distribución de la superficie total de la sección transversal en cada punto del avión. Estrechando el fuselaje en la zona donde está unido a las alas, la reducción en la sección transversal total del fuselaje y las alas disminuye la resistencia al avance del aparato. El diseño de Whitcomb, llamado de

talle de avispa, hizo posible un aumento del 25% en el rango de velocidades supersónicas sin necesidad de una mayor potencia en los motores.

En el pasado se utilizaba el término supersónica en un sentido más amplio, e incluía la rama de la física ahora conocida como ultrasónica, que se ocupa de las ondas de sonido de alta frecuencia, generalmente por encima de los 20.000 hercios (Hz).