MEJORAS EN EL COMPORTAMIENTO DE EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA

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COMPORTAMIENTO DE EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA

COMPORTAMIENTO DEL BUQUE EN LA MAR ALBERTO OTERO MIGUÉNS

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INDICE

1.- INTRODUCCIÓN. 2.- HIDRODINÁMICA DEL PLANEO. 3.- FORMAS DE UN CASCO DE PLANEO. 4.- ESTIMACIÓN DEL COMPORTAMOENTO EN LA MAR. 5.- EFECTOS NO LINEALES DEL COMPORTAMIENTO EN LA MAR DE LAS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA 6.- MEJORAS EN EL COMPORTAMIENTO 7.- CONCLUSIONES

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1.- INTRODUCCIÓN El objeto del presente estudio es evaluar el comportamiento de las embarcaciones de sustentación dinámica de tipo monocasco, con el fin de aumentar el confort de los pasajeros a bordo, y estudiar los diferentes dispositivos de mejora existentes en el mercado, así como su modo de operación. El diseño de este tipo de embarcaciones no sólo ha de realizarse para la situación de aguas tranquilas en la que normalmente se optimiza la resistencia al avance y el trimado dinámico, si no que también se han de considerar los efectos de su comportamiento en una mar abierta. La presencia de las olas tiene bastante importancia en el diseño de una embarcación de planeo y complica en cierta forma el problema de su diseño. Aquí, se comenta la influencia de algunos aspectos de las formas de una embarcación rápida en sus características de comportamiento en la mar en cuanto a movimientos verticales se refiere, y la forma de realizar unas primeras estimaciones de alguna de estas características que pueden servir para comparar distintas alternativas en una etapa de anteproyecto. Conseguir una embarcación rápida (Con un número de Froude por encima de 0.7) y con un buen comportamiento en la mar en olas, no es un tema sencillo. Para disminuir la resistencia al avance se suele disminuir la superficie mojada y/o el desplazamiento del buque y los movimientos se mejoran disminuyendo las fuerzas de excitación. El diseño de una embarcación rápida, refiriéndonos a las embarcaciones monocasco de planeo con codillos, se realiza normalmente optimizando la resistencia al avance en aguas tranquilas y el trimado dinámico que la

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embarcación tiene durante la navegación. Sin embargo, el comportamiento en la mar de este tipo de embarcaciones tiene un papel decisivo en su operatividad, llegando a impedir el realizar la misión para la que han sido diseñadas. El comportamiento en la mar estudia fenómenos tales como los movimientos, aceleraciones en puntos significativos del buque, slamming o pantocazos, embarques de agua y la resistencia añadida en olas con la consiguiente pérdida de velocidad. Para una embarcación rápida diseñada para navegar a gran velocidad, esta pérdida de velocidad en olas es el factor que más limita su operatividad. Existen dos grupos de factores de los que depende esta pérdida de velocidad en olas: factores del entorno y factores técnicos. Factores del entorno: incluyen entre otros, el aumento de resistencia debida al viento, debida al efecto de los movimientos en la disipación de energía o resistencia añadida en olas, aumento de la superficie mojada debida a las olas y que penaliza especialmente a las embarcaciones de planeo, cambio en los coeficientes propulsivos debido a los movimientos en la zona de popa y a la posible aireación del propulsor. Factores

técnicos:

fuertes

amplitudes

de

los

movimientos,

fundamentalmente de los verticales (Arfada o Heave, y Cabeceo o Pitch) y las aceleraciones verticales asociadas, pueden afectar seriamente a la integridad del casco, por el aumento de las solicitaciones sobre el mismo, aumento del número de pantocazos y de su intensidad, así como del embarque de agua o de la visibilidad por formación de spray debido a la separación y al impacto del agua en la obra muerta. Se puede producir además una sobrecarga en el motor para mantener la velocidad y fuertes cambios en las revoluciones del propulsor debido a lo anterior y a su posible aireación. Como consecuencia de lo anterior, el capitán del buque ha de disminuir la velocidad o cambiar el rumbo, afectando esto último a la velocidad media por el aumento de la distancia

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recorrida. A esto es a lo que se denomina una pérdida voluntaria de velocidad, con lo que los factores humanos entran también en juego, complicando el problema. En un buque convencional, que no navegue en régimen de planeo, los movimientos y aceleraciones suelen estudiarse a partir de sus valores significativos utilizando la teoría clásica lineal de las funciones de transferencia y la estadística espectral que se utiliza en el comportamiento en la mar. En una embarcación de planeo, los fenómenos no lineales cuando se navega a alta velocidad son bastante importantes, y se recomienda trabajar con valores máximos, en vez de con valores significativos. El ser humano reacciona frente a valores extremos, en vez de frente a valores medios. El comportamiento no lineal empieza aproximadamente por encima de un número de Froude de 0.72, valor que superan ampliamente las embarcaciones de planeo por su pequeña eslora. Los buques de guerra de mayor tamaño, fragatas, corbetas etc. no suelen alcanzar un valor tan alto del número de Froude a su velocidad habitual y presentan un comportamiento en la mar más lineal que una embarcación de planeo. Cuanto mayor sea el número de Froude al que se navegue, aumenta la sustentación dinámica y los consiguientes efectos no lineales, que producen valores máximos de las aceleraciones mucho mayores de los que se producen en un buque de mayor tamaño que navega a un número de Froude menor. De ahí que sea difícil estudiar el comportamiento en la mar de estas embarcaciones mediante los métodos clásicos basados en teorías de rebanadas (Strip Theories) y se recurra en el dominio del tiempo (Martin (1976), Chiu y Fujino (1989), Pérez y Clemente (2006)). Los métodos de cálculo que se usan para

buques

convencionales

no

tienen

en

cuenta

la

variación

del

amortiguamiento de los movimientos para altos números de Froude, con el

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consiguiente aumento de los fenómenos dinámicos cerca de la zona de resonancia.

2.- HIDRODINÁMICA DEL PLANEO. VARIACIONES DE TRIMADO El principio del planeo se puede reducir fundamentalmente, a que al pasar sobre la superficie del agua una placa de planeo, libre para adoptar una posición de equilibrio dinámico acorde con su velocidad, se generará una fuerza sustentadora perpendicular a la dirección de avance de la placa. La magnitud de esta sustentación dinámica dependerá de la carga del fondo y del peso de la embarcación a ser hidrodinámicamente soportado, suponiendo que la velocidad es lo suficientemente alta. Es evidente que a bajas velocidades la mayor parte del peso de la embarcación será soportado por las fuerzas de flotabilidad, mientras que a altas velocidades, lo será por las fuerzas de sustentación dinámica, generadas por las altas velocidades. En el equilibrio dinámico de las embarcaciones de planeo intervienen un elevado número de fuerzas originadas, por el peso, por la resistencia al avance, por la sustentación dinámica tanto del casco como de los posible apéndices, y otras producidas directamente por los propulsores (alternativas). Por ello para conocer el comportamiento de la embarcación en aguas tranquilas, se planteará para cada velocidad las ecuaciones de equilibrio de todas las fuerzas que intervienen, y suponiendo los diferentes asientos del buque, según sus diferentes condiciones de carga. La resolución de dichas ecuaciones dará ciertos valores de interés, como son: asiento dinámico, resistencia etc. Al aumentar la velocidad el trimado cambia de forma importante, así como la naturaleza de la resistencia al avance experimentada por la embarcación. A bajas velocidades (bajo nº de Froude), la resistencia al avance

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que experimenta el buque es en su totalidad de origen friccional y no aparecen efectos dinámicos apreciables. Cuando la velocidad es tal que el nº de Froude se acerca a 0,35, el buque navegará sobre algo más de un largo de la ola teniendo ésta su segunda cresta bajo la popa, como puede deducirse de la siguiente expresión obtenida para olas que se propagan en aguas no restringidas de profundidad ilimitada:

L(ola) / L(buque) = 6,28 * (Fnl2)

Cuando el nº de Froude está entre 0,40 y 0,45 la segunda cresta de la ola generada aparecerá más atrás que la popa del buque, quedando este soportado únicamente por la primera cresta de la ola. En estos momentos la resistencia por formación de olas, que ha cobrado importancia al aumentar la velocidad, crecerá de una forma rápida al navegar la popa sobre el seno de la ola generada por el barco. La embarcación tomará un cierto asiento por popa que será mayor si ésta presenta mangas y volúmenes escasos o prácticamente nulos, como ocurre en las popas de los tipos canoa o crucero. En estas circunstancias, la embarcación trimará excesivamente por popa generándose una ola de proa importante que hará que la resistencia por formación de olas represente un límite

efectivo

de

la

máxima

velocidad

alcanzable

por

los

barcos

convencionales. Además tratándose de buques de formas redondeadas, se tendrán elevadas velocidades de flujo en la capa que generarán presiones negativas, las cuales, a su vez, harán trimar al barco más aún por la popa. El resultado será una embarcación con aspecto de consumir una potencia excesiva para navegar tratando de trepar sobre la ola generada por ella misma. Para superar esta barrera de la velocidad se deberá recurrir a otras formas de casco, como de popa en espejo, que proporcionan tanto flotabilidad a bajas velocidades, como sustentación dinámica a altas velocidades. Se dará por

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lo tanto, la máxima inmersión de la popa de las embarcaciones rápidas con popa de espejo, a números de Froude cercanos a 0,45. Cuando se supera el número de Froude de 0,50, la segunda cresta del tren de olas generado por el buque se alejará aguas debajo de la popa, minimizándose la interferencia o amplificación entre los trenes de olas de proa y popa. Empezará entonces a perder importancia la resistencia por formación de olas frente a la resistencia de fricción. Normalmente a estas velocidades, el centro de gravedad de la embarcación se situará todavía por debajo de su posición de reposo, pero si se dispone de potencia propulsora suficiente para alcanzar un valor del nº de Froude superiores a 0,70, el centro de gravedad de la embarcación se colocará por encima de dicha posición en reposo. Una vez que la popa ha alcanzado su máxima inmersión, y al aumentar la velocidad, valores del nº de Froude superiores a 0,70 , la sustentación dinámica va cobrando importancia con relación a las fuerzas de flotabilidad. La delgada ola divergente generada en proa crecerá también de una forma importante: la embarcación empezará a planear presentando una superficie mojada y un desplazamiento, menores a los medidos en la condición de reposo (condición de desplazamiento). Incrementándose aún más la velocidad se experimentarán pequeños descensos del asiento dinámico de la embarcación, y la transformación por efecto de la gravedad y del aire, de la delgada ola generada en proa, formándose el llamativo spray, que es tan perjudicial para la navegación. Se puede decir que a números de Froude del orden de 1, casi la totalidad de la resistencia al avance de una embarcación rápida, es de origen friccional como ocurría a bajas velocidades. Resulta entonces importante controlar en lo posible la extensión de la superficie mojada del casco, mediante el empleo de junquillos anti-spray o de fondo que refuercen o sustituyan a los codillos pronunciados de las embarcaciones rápidas.

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Finalmente cuando se alcanza la velocidad de planeo total, la sustentación dinámica iguala al peso de la embarcación y ésta se deslizará sobre ella.

3.- FORMAS DE UN CASCO DE PLANEO Por lo expuesto anteriormente, se hace necesario, para alcanzar altas velocidades abandonar las popas pequeñas de los buques lentos para disponer popas de espejo que permitan longitudinales aproximadamente rectilíneos, que eviten la formación de presiones negativas en el codaste. Así se facilitará además un flujo de agua que se separe limpiamente en el espejo, reduciéndose al mínimo la resistencia de presión de origen viscoso.

Cuanto mayor sea la velocidad, mayor será el requerimiento de longitudinales rectos y espejos más anchos y más sumergidos. Cuando el número de Froude sea mayor de 0,90 se deberá minimizar la superficie mojada para controlar la resistencia friccional, y diseñar fondos que proporcionen un planeo eficiente, ya que la sustentación dinámica empieza a ser importante a esas velocidades. Además a altas velocidades se debe garantizar una separación de flujo limpia no solo en el espejo, sino también en los costados. Todo lo expuesto hasta ahora nos lleva a la conclusión de que para mayores velocidades o grados de planeo, se deben de preferir las embarcaciones con codillos pronunciados a las de formas redondeadas, ya que los codillos facilitan una buena separación del flujo en los costados, y evitan la formación de presiones negativas en el casco. Por otro lado, aunque las convexidades de las embarcaciones con formas redondeadas pueden facilitar la formación de presiones negativas sobre el casco, la disposición de junquillos anti-spray producen una separación efectiva del flujo en los costados y un cierto control de la superficie mojada. Las

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embarcaciones de formas redondeadas dotadas de junquillos anti-spray, suelen tener un comportamiento similar al de las embarcaciones equivalentes de codillos pronunciados.

4.- ESTIMACIÓN DEL COMPORTAMIENTO EN LA MAR En la etapa de anteproyecto de un buque rápido, es posible realizar algunas estimaciones o tanteos utilizando fórmulas empíricas basadas en ensayos de canal, y que utilizan parámetros importantes de la geometría de un buque de planeo. No obstante, estas fórmulas producen valores cualitativos más que cuantitativos, y pueden servir para comparar distintas alternativas de diseño, realizando posteriormente cálculos más avanzados o ensayos de canal. Cada formulación tiene unos rangos de validez y en este caso son aplicables para formas con codillos. Existen diferentes formulaciones que intentan explicar estos fenómenos, de las cuales la primera es la de Fridsma en 1971. La información se recoge en una serie de diagramas que permite obtener información sobre las aceleraciones verticales en el centro de gravedad (valores medios), para distintos parámetros del buque. Es interesante observar como existe cierta linealidad para baja velocidad, y como ésta se pierde al aumentar la velocidad, especialmente para una menor L/B. Se muestran a continuación los gráficos obtenidos.

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Los valores de la aceleración son función de la relación L/B, del inverso del factor de carga CΔ=∇/B3 y de la altura significativa de las olas H1/3. Los valores de la aceleración ηCG aparecen en g’s. Las gráficas se obtuvieron a partir de ensayos con formas prismáticas con un trimado dinámico fijo τ = 4º y una astilla muerta constante β = 20º. Posteriormente surgen diferentes autores como Savitsky y Brown (1976), que basándose en este primer estudio, plantean formulaciones numéricas, para el cálculo de aceleraciones y resistencias añadidas, en función de parámetros representativos del buque, formulaciones en las cuales no vamos a hacer referencia, ya que el propósito de este estudio es eminentemente práctico.

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5.- EFECTOS NO LINEALES DEL COMPORTAMIENTO EN LA MAR DE LAS EMBARCACIONES DE SUSTENTACIÓN DINÁMICA Ya se ha comentado que en las embarcaciones de planeo predominan los fenómenos no lineales a alta velocidad, debido al efecto de la sustentación dinámica que por otro lado, es la que consigue el comportamiento superior de estas embarcaciones en cuanto a velocidad. Esta sustentación dinámica es también responsable de un fenómeno molesto y que puede llegar a ser peligroso, como es el porpoising. Se entiende por este fenómeno un inestabilidad de los movimientos de arfada y cabeceo, que hace que estos se acoplen negativamente, aumentando su amplitud. Este fenómeno se produce en aguas tranquilas y puede llegar a ser peligroso al producirse repentinamente y producir una pérdida de control de la embarcación.

El porpoising depende de la condición de carga del buque, de la velocidad, de la manga, y fundamentalmente del trimado dinámico y de la astilla muerta. La causa del porpoising está relacionada con el movimiento del centro de presiones sobre el casco del buque, donde actúa la sustentación dinámica. Si el buque navega con un trimado bajo, una pequeña perturbación debida a una ola pequeña o incluso a un cambio en la batimetría produce una ALBERTO OTERO MIGUÉNS

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variación en el trimado del buque y un movimiento del centro de presiones. Debido a que la variación de la carena causada por la perturbación es pequeña, el movimiento del centro de presiones es bajo y el sistema es estable. Si el buque navega con un trimado pronunciado, la variación de la carena es mayor debido

a una perturbación, y por tanto, el momento que la sustentación dinámica produce para que el centro de presiones vuelva a la posición original puede ser mayor que el que ha producido la inestabilidad, produciéndose el principio del porpoising hasta que se recupere el equilibrio de fuerzas.

Tras estudios por diferentes autores, y formulaciones se llega a la conclusión que diferentes elementos proporcionan unas mejoras notables: o Los junquillos antispray, ayudan a reducir este tipo de inestabilidad. o El porpoising es función fundamentalmente del trimado, y si éste se reduce, bien a partir de la condición de carga o de flaps activos, puede llegar a prevenirse. (0,85 B a proa) o Se confirma que el trimado crítico aumenta con la velocidad, sustentación y con la astilla muerta.

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La aparición de porpoising se ve agravada en embarcaciones con propulsión de chorro (waterjet), que se presenta para menores ángulos de trimado dinámico. Además según el tipo de propulsor de chorro, las tomas de agua del mismo pueden afectar negativamente sobre este fenómeno. Broaching Otro fenómeno no lineal que también se produce en este tipo de embarcaciones, aunque es común a otras embarcaciones de pequeño tamaño como son los pesqueros, es el broaching. Se produce este fenómeno no lineal navegando en mares de popa, donde pueden producirse fuertes amplitudes acopladas en el movimiento de balance y en el de guiñada (Yaw), haciendo que se pierda el control sobre buque, que éste se cruce a las olas y que llegue incluso a zozobrar. Este fenómeno puede afectar también a las embarcaciones de planeo y es bastante difícil de estudiar debido a que puede ser producido por las formas del casco del buque o por las superficies de control que este pudiera tener, como timones o aletas. Es un fenómeno complejo de estudiar que relaciona el comportamiento en la mar con la maniobrabilidad, y con la perdida de estabilidad en olas. En una embarcación rápida hay que añadir que debido a la variación del trimado con la velocidad, se produce una pérdida de estabilidad, o lo que es lo mismo una peor curva de brazos adrizantes GZ, pues según se aumenta la velocidad cerca del planeo: disminuye el calado, disminuye el área mojada y por tanto en área en la flotación y como consecuencia, el par adrizante ante una escora producida por las olas.

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Con el aumento de la velocidad y debido al movimiento de balance, pueden producirse fuertes asimetrías en el flujo y en la sustentación producida en la carena, que desplacen transversalmente el centro de presiones de una forma importante, pudiéndose poner en peligro el control del buque, especialmente si se maniobra a gran velocidad y con olas de popa o través. Autores como Rutgersson y Ottosson (1987) presentan un modelo numérico experimental, y proponen una serie de mejoras ante este fenómeno, que en segundo plano también suponen mejoras ante la posibilidad de aparición de porpoising. o Un aumento del trimado que sumerja más los timones y los propulsores, reduce el riesgo de este fenómeno. o El uso de waterjets frente a la hélice y timón convencionales, disminuía la influencia del fenómeno: el momento escorante de un waterjet es menor que el de un timón pues es mayor el momento que ejerce este último sistema.

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o Los waterjet disminuyen el movimiento de balance en mares de popa, pero no el movimiento de guiñada.

6.- MEJORAS EN EL COMPORTAMIENTO A partir de distintos ensayos en canal, y de los trabajos de distintos autores, entre ellos Savisky (1976), Keuning y Blount y Fox (1976), se citan a continuación la influencia de algunos parámetros de las formas de unas formas con codillos en su comportamiento en la mar. Existe una influencia cruzada entre los parámetros pero básicamente se obtienen los resultados que se van a mencionar a continuación debido fundamentalmente a que los efectos positivos tienden a disminuir la sustentación dinámica y por tanto la no linealidad de las aceleraciones y movimientos verticales. Mencionar que es difícil reducir el movimiento de arfada (heave), centrándose los esfuerzos en disminuir el cabeceo (pitch). La Largada o Surge apenas presenta incidencia para los números de Froude que se manejan en estas formas con codillos. o Las aceleraciones verticales medias y máximas disminuyen de forma más o menos lineal al disminuir el ángulo β de astilla muerta. El subir este valor de 10º a 30º puede reducir las aceleraciones verticales por encima del 50%, aunque se penaliza la resistencia al avance al disminuir la sustentación. o El comportamiento en la mar mejora aumentado la astilla muerta hacia proa y teniendo secciones cóncavas en el esa zona. o Una reducción del trimado dinámico es beneficioso pues se reducen las aceleraciones máximas. Esto es relativamente sencillo de controlar utilizando flaps y especialmente flaps activos autocontrolados.

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o Una reducción de la manga, aumenta el factor de carga CΔ y la relación L/B haciendo que los fenómenos sea más lineales y reduciendo la incidencia de las aceleraciones verticales y de los movimientos. A cambio la estabilidad y la sustentación disminuyen. o Proa AXE, sin abanico que para conseguir un mayor volumen y por tanto amortiguamiento, desplaza el volumen en popa por debajo de la línea base. El agua ya no es echada hacia fuera por el abanico evitando así los impactos contra el mismo, sino que la proa se sumerge de forma más apreciable, con lo que es necesario un mayor francobordo en proa. No es aplicable a embarcaciones menores.

7.- FLAPS Los deflectores o vulgarmente flaps, son aletas que se colocan en la popa y regulables a voluntad, que llevan las embarcaciones rápidas para obligar a bajar la proa y hacer que la embarcación navegue lo más horizontal posible. Los deflectores se mueven por medio de un émbolo hidráulico independiente uno del otro y son accionados desde el control de mando donde se puede ver si están subidos o bajados y el ángulo de trimado de cada uno. Otros deflectores son fijos y se instalan en embarcaciones tradicionales con motores de gran potencia para obligar a bajar la proa al navegar a velocidad de crucero. Los

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deflectores o flaps no sólo son imprescindibles para el planeo de la embarcación, sino también mejoran la estabilidad de la embarcación. Al bajar los flaps la proa baja y al subirlos, la proa sube. La forma más correcta de navegar una embarcación es con aguas iguales, es decir, la cubierta paralela a la mar. Al bajar el flap de estribor la embarcación se escora a estribor y al bajar el de babor se escora a babor. Por último diremos que al bajar el flap de estribor la proa cae a la misma banda, porque éste hace de freno. Lo mismo ocurre al bajar el de babor. Conociendo el efecto que hacen los flaps dependiendo de su ángulo de inclinación, podemos aprovecharlo para gobernar la embarcación en caso de quedarse sin timón, metiendo unos pocos grados de inclinación a una u otra banda para ir manteniendo el rumbo.

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La utilización de los FLAPS se puede ver mejorada con el apoyo del “power trim”, en el caso de embarcaciones menores que monten motores fueraborda, o dentrofueraborda. Cuando se accione este equipo en el sentido de elevar la cola, el efecto en la embarcación es al de elevar el trimado, mientras que si la bajamos se produce el efecto contrario.

Las modernas embarcaciones de recreo poseen cascos en V profunda que ofrecen un pilotaje suave con aguas agitadas y con olas. Cuanto más profunda es la V de la carena, mayor es la necesidad de que los flaps mantengan una acción eficaz y mantengan la estabilidad. El balance lateral de la embarcación depende en gran medida y como se ha comentado, del viento reinante y de la carga. Tras cambiar de rumbo, el viento nos afecta desde otra dirección y es necesario ajustar los flaps. Lo mismo ocurre cuando los tripulantes se mueven buscando otra ubicación en la embarcación. Esta necesidad de ajustar constantemente los flaps requiere la atención del timonel, pudiendo incluso constituir un riesgo para la seguridad cuando se navega además a alta velocidad.

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8.- CONCLUSIONES En este artículo se han descrito distintos aspectos del comportamiento en la mar de buques de planeo dotados de codillos. Debido a los fenómenos no lineales en este tipo de embarcaciones, los métodos clásicos no son aplicables y son recomendables ensayos de canal o cálculos en el dominio del tiempo. Frente a una embarcación de desplazamiento, un buque de planeo es más sensible a los valores máximos de aceleraciones, debido a las pérdidas voluntarias de velocidad que se pueden producir. La mejora del comportamiento en la mar se basa fundamentalmente en aumentar la linealidad de los fenómenos reduciendo la sustentación dinámica que se produce a altos números de Froude.

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