Mecánica de Fluidos Computacional (CFD). Aplicaciones Navales

El término CFD proviene de las siglas del inglés “Computational Fluid Dynamics”, lo cual se traduce al castellano como “Mecánica de Fluidos Computacional”. Es una rama de mecánica de fluidos que utiliza procedimientos numéricos por ordenador para resolver las ecuaciones gobernantes de los flujos. En el mercado existen numerosos softwares de CFD tales como Fluent, FIDAP, Star-CD, FLOW3D, OpenFOAM, etc.

Básicamente, la metodología de CFD se basa en subdividir el dominio de cálculo en elementos discretos formando una malla en la cual las ecuaciones diferenciales gobernantes son resueltas.

Entre los temas de aplicación Navales para la simulación CFD podríamos enumerar las siguientes:

1-      Diseño de Propulsores Navales:

Malla 3D de un propulsor Marino. Ref. [3]

Resultado de simulación CFD de un propulsor marino, campo de Velocidades y de Presiones. Ref. [1]

2-      Diseño de modelos de cascos de barcos:

Malla computacional 3D de un casco de un barco. Ref. [2]

Resultado de la simulación CFD del casco anterior, se observa la formación del tren de olas, pudiendo cuantificar la resistencia al avance. Ref. [2]

3-      Diseño de velas:

Simulación de velas, a) malla computacional 2D, resultados del campo de presiones. Ref. [3]

4-      Diseño de maquinas rotativas: Bombas, turbinas, turbocompresores:

Simulación CFD de un turbocompresor MAN TCA. Ref: [3]

5-      Diseño de maquinas alternativas: Motores diesel, Otto, compresores, etc

Simulación CFD del proceso de barrido de un motor Sulzer RTA58. Fracciones másicas de gases quemados (azul) y gases frescos (rojo). Ref. [6]

Simulación CFD del proceso de barrido de un motor de cuatro tiempos Wartsilla 46C. Fracciones másicas de gases quemados y gases frescos. Ref. [6]

6-      Combustión en calderas, en motores alternativos, etc y obtención de los productos de combustión, especies de gases.

Simulación de la inyección y combustión (campo de temperaturas) en un motor MAN Diesel de un grupo electrógeno. Ref. [6]

7-      Diseño de dispositivos para eliminación de los gases contaminantes producidos en la combustión: Catalizadores SCR, SCNR, lavado de gases, etc.

Caldera con catalizador SCNR para reducir el NOx de los gases de la ombustión. Ref. [5]

      La idea de calcular soluciones aproximadas de ecuaciones diferenciales que describen flujos de fluidos y transferencia de calor es relativamente antigua, incluso más antigua que la aparición de los ordenadores. Sin embargo, el desarrollo de las técnicas numéricas no ha podido ser posible sin el desarrollo de la computación, que hace posible el desarrollo de millones de operaciones en un tiempo del orden de segundos, propiciando una rápida expansión de los métodos numéricos. Las primeras aplicaciones del CFD se remontan a aplicaciones militares. En los años 60 se realizaban estudios CFD para analizar casos como ondas de choque producidas por una explosión o flujo que circula alrededor de un avión, y más tarde se aplicó a la industria aeroespacial y de automoción. Sin embargo, no es hasta la década de 1980 cuando comenzaron a hacerse estudios tridimensionales. En esta misma década de 1980 es cuando aparecieron los primeros softwares comerciales. En los últimos años, el CFD se ha implementado en el campo de la ingeniería de diseño. Las simulaciones ahorran tiempo y dinero en cuanto a la elaboración de prototipos y otras pruebas experimentales. Esto ha provocado que el CFD se aplique a disciplinas como meteorología, biomédica, química, y, por supuesto, aplicaciones marítimas.

La utilidad de las herramientas modernas de modelado y simulación con programas informáticos de simulación CFD son actualmente indiscutibles, permitiendo ensayar de manera virtual diferentes modelos o diseños antes de acometer la fabricación del prototipo industrial, proporcionando con esta metodología de trabajo, enormes ventajas y beneficios por ahorro de costes de fabricación de prototipos y acortamiento de los tiempos en el desarrollo del producto, dando lugar como consecuencia que la compañía sea más competitiva en la creación y desarrollo de nuevos productos.

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Referencias:

[1] Abramowski, T; Żelazny, K.; Szelangiewicz, T. Numerical analysis of influence of ship hull form modification on ship resistance and propulsión characteristics. Part III Influence of hull form modification on screw propeller efficiency. Polish Maritime Research, vol. 1(63), pp. 10-13, 2010.

[2] Jones, D.A.; Clarke, D.B. Fluent code simulation of flow around a naval hull: the DTMB 5415. Maritime Platforms Division  DSTO Defence Science and Technology Organization. 2010.

[3] http://sa.northsails.com/RADUploads/diseno_copa_america.pdf

[4] MAN Diesel & Turbo - HOMEPAGE

[5] Fuel Tech Inc

[6] TECNOLOGÍA MARITIMA

[7] Grupo de Innovaciones Mariñas de la Universidad de La Coruña