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Estudio hidrodinámico del casco de una motonave fluvial para operar en el río Sinú que tenga la menor resistencia al avance, usando herramientas computacionales y validando los resultados con un modelo a escala

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dc.contributor.advisorDurango Álvarez, Demóstenes Joséspa
dc.contributor.authorTorres Sánchez, Jairo Eulises
dc.date.accessioned2023-02-27T16:17:14Z
dc.date.available2023-02-27T16:17:14Z
dc.date.issued2023-02-23
dc.description.abstractIn the present work, a study was carried out to establish how the geometry of the hull of a four meter long vessel influences the resistance to the advance in the water of the Sinu River in the city of Monteria, Colombia, using the theories of fluid mechanics associated to naval design and with the help of computational tools, particularly the programs Maxsurf and Ansys Fluent and a scale model. The system is modeled by previously establishing the ship's mission, in which the initial conditions of the design are established such as: Maximum length, number of occupants, propulsion type, among others. With this information, a database is built, where dimensions and characteristics of some commercial models are included. By means of a linear regression, the initial dimensions of the hull are obtained, taking into account the information provided by the database. Once the initial dimensions are established and with the help of Maxsurf Modeler, the first prototype of our study is designed. The next step consists of determining a hull with a geometry that has the least resistance to the advance but that also adjusts to the mission of the ship, for this we use the information that we already have from the database and we establish three dimensional relations of the hull, such as: Beam - Length, Depth - Length and Draft - Depth, where the minimum and maximum of these relations are taken and tabulated. From this process 9 dimensions are obtained, with which 9 models with their respective geometries can be obtained, using Maxsurf Modeler. To each of these geometries the curves of the resistance to the advance as a function of the speed of the boat are determined, using the software Maxsurf Resistance. With the data obtained and the relationships of dimensions, a design of experiments was carried out, using the response surface methodology, with the objective of finding the geometry with the least resistance to the advance that fulfilled the ship's mission. These results show the region where the geometry with the lowest drag is located. The result of this study establishes that the relationship that most influences the resistance to the advance Length - Beam. To determine the drag and compare this result obtained with Maxsurf Resistance, a Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis was used with the help of Ansys Fluent 2021 R1 software. In this study a meshing is performed, choosing a poly - hexacore mesh, which contains polyhedral and hexahedral cells that have the characteristic of combining two types of meshes (ANSYS Fluent, 2021). The ANSYS Fluent (with Fluent Meshing) module was used for the configuration of the mesh, in which three poly - hexacore meshes were created and used to carry out the mesh independence and select the appropriate mesh for the calculation of the forward resistance. Finally, a scale model (1:4) of the vessel was built to determine the total resistance to the advance by means of tests in a hydraulic test channel. These tests were carried out in the test channel of the Almirante Padilla Naval Cadet School in the city of Cartagena, Colombia. The results obtained were validated with the use of computational tools (Maxsurf and Ansys Fluent).eng
dc.description.degreelevelMaestríaspa
dc.description.degreenameMagíster en Ingeniería Mecánicaspa
dc.description.modalityTrabajos de Investigación y/o Extensiónspa
dc.description.resumenEn el presente trabajo, se realizó un estudio para establecer cómo influye la geometría del casco de una embarcación de cuatro metros de eslora, con respecto a la resistencia al avance en el agua del Río Sinú de la ciudad de Montería Colombia, usando las teorías de la mecánica de fluidos asociadas al diseño naval y con la ayuda de herramientas computacionales en particular los programas Maxsurf y Ansys Fluent y un modelo a escala. El sistema se modela estableciendo previamente la misión del buque, en la cual se establecen las condiciones iniciales del diseño como son: Eslora máxima, número de ocupantes, tipo de propulsión, entre otras cosas. Con esta información construye una base de datos, donde se incluyen dimensiones y características de algunos modelos comerciales. Mediante una regresión lineal se obtienen, las dimensiones iniciales del casco, teniendo en cuenta la información suministrada por la base de datos. Una vez establecidas las dimensiones iniciales y con la ayuda de Maxsurf Modeler, se diseña el primer prototipo de nuestro estudio. El siguiente paso consiste en determinar un casco con una geometría que tenga la menor resistencia al avance pero que también se ajuste a la misión del buque, para esto se usa la información que ya se tiene de la base datos y se establecen tres relaciones dimensionales del casco, como son: Manga – Eslora, Puntal – Eslora y Calado – Puntal, donde se toman los mínimos y máximos de estas relaciones y se tabulan. De este proceso se obtienen 9 dimensiones, con las cuales se pueden obtener 9 modelos con sus respectivas geometrías, utilizando Maxsurf Modeler. A cada una de estas geometrías se les determinan las curvas de la resistencia al avance en función de la velocidad de la embarcación, usando el software Maxsurf Resistance. Con los datos obtenidos y las relaciones de dimensiones se realizó un diseño de experimentos, mediante la metodología de superficie de respuesta, esto con el objetivo de encontrar la geometría con menor resistencia al avance que cumpliera con la misión de buque. Estos resultados muestran la región donde se encuentra la geometría que presenta la menor resistencia la avance. El resultado de este estudio establece, que la relación que más influye en la resistencia al avance Eslora – Manga. Para determinar la resistencia al avance y comparar este resultado que se obtuvo con Maxsurf Resistance, se usó un análisis de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), con la ayuda de Software Ansys Fluent 2021 R1. En este estudio se realiza un mallado, escogiendo una malla poly – hexacore, la cual contiene celdas poliédricas y hexaédricas que tienen como característica la combinación de dos tipos de mallas (ANSYS Fluent, 2021). Para la configuración de esta, se empleó el módulo Fluent (with Fluent Meshing) de ANSYS, en el cual, se realizaron tres mallas poly – hexacore, que se usaron que se usaron para llevar a cabo la independencia de mallado y seleccionar la malla adecuada para el cálculo de la resistencia al avance. Finalmente, se construye un modelo a escala (1:4), de la embarcación, para determinar la resistencia total al avance mediante ensayos en canal de pruebas hidráulicas. Estas pruebas fueron realizadas en el canal de pruebas de la escuela naval de cadetes Almirante Padilla de la ciudad de Cartagena Colombia. Con estos resultados se validaron los resultados obtenidos mediante el uso de herramientas computacionales (Maxsurf y Ansys Fluent).spa
dc.description.tableofcontentsRESUMEN 1spa
dc.description.tableofcontentsABSTRACT 2spa
dc.description.tableofcontents1. Capítulo I. Descripción del trabajo de investigación 4spa
dc.description.tableofcontents1.1. INTRODUCCIÓN. 4spa
dc.description.tableofcontents1.2. Objetivos. 7spa
dc.description.tableofcontents1.2.1. Objetivo general. 7spa
dc.description.tableofcontents1.2.2. Objetivos específicos. 7spa
dc.description.tableofcontents1.3. Estructura de la tesis. 8spa
dc.description.tableofcontents1.4. Revisión de literatura. 10spa
dc.description.tableofcontents1.4.1. Dimensiones de la embarcación 10spa
dc.description.tableofcontents1.4.1.1. Mediciones Longitudinales 10spa
dc.description.tableofcontents1.4.1.2. Mediciones transversales 11spa
dc.description.tableofcontents1.4.1.3. Mediciones verticales 11spa
dc.description.tableofcontents1.4.2. Geometría del casco 12spa
dc.description.tableofcontents1.4.2.1. Criterios esenciales de diseño de forma 12spa
dc.description.tableofcontents1.4.3. Mecánica de Fluidos y su aplicación a la Ingeniería Naval 14spa
dc.description.tableofcontents1.4.3.1. Principio de Arquímedes 14spa
dc.description.tableofcontents1.4.3.2. Centro de Gravedad (C.G) 15spa
dc.description.tableofcontents1.4.3.3. Hidrostática 15spa
dc.description.tableofcontents1.4.3.4. Cascos de Desplazamiento 15spa
dc.description.tableofcontents1.4.3.5. El número de Reynolds 16spa
dc.description.tableofcontents1.4.3.6. El Número de Froude 16spa
dc.description.tableofcontents1.4.3.7. Hipótesis de Froude 16spa
dc.description.tableofcontents1.4.3.8. Estudio de la Resistencia al avance 16spa
dc.description.tableofcontents1.4.3.9. Resistencia de fricción 19spa
dc.description.tableofcontents1.4.3.10. Resistencia de Presión Viscosa (Rpv) 22spa
dc.description.tableofcontents1.4.3.11. Resistencia por Formación de Olas (Rw) 24spa
dc.description.tableofcontents1.4.3.12. Resistencia Residual (Rr) 25spa
dc.description.tableofcontents1.4.4. Leyes de comparación 25spa
dc.description.tableofcontents1.4.4.1. Ecuación física completa 26spa
dc.description.tableofcontents1.4.4.2. El coeficiente de resistencia 27spa
dc.description.tableofcontents1.4.4.3. Velocidades correspondientes 27spa
dc.description.tableofcontents1.4.4.4. Semejanza dinámica 28spa
dc.description.tableofcontents1.4.4.5. Extrapolación de la resistencia del modelo al barco 29spa
dc.description.tableofcontents1.4.5. Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) 30spa
dc.description.tableofcontents1.4.5.1. Ecuaciones fundamentales. 30spa
dc.description.tableofcontents1.4.5.2. Ecuaciones de flujo 33spa
dc.description.tableofcontents1.4.5.3. Modelos de turbulencia 34spa
dc.description.tableofcontents1.4.5.4. Mallado 35spa
dc.description.tableofcontents1.4.6. Maxsurf program 40spa
dc.description.tableofcontents1.4.6.1. Maxsurf Modeler 41spa
dc.description.tableofcontents1.4.6.2. Maxsurf Resistance 41spa
dc.description.tableofcontents1.4.6.3. Maxsurf Stability 41spa
dc.description.tableofcontents1.5. Trabajos derivados 43spa
dc.description.tableofcontents2. Capítulo II. Desarrollo de geometría de un casco tomando como referencia modelos comerciales estandarizados internacionalmente, utilizando herramientas computacionales CAD. 44spa
dc.description.tableofcontents2.1. Introducción. 44spa
dc.description.tableofcontents2.2. Misión del Buque 44spa
dc.description.tableofcontents2.3. Datos del río Sinú 45spa
dc.description.tableofcontents2.4. Base de datos 46spa
dc.description.tableofcontents2.5. Proceso de regresión lineal 47spa
dc.description.tableofcontents2.6. Dimensiones preliminares del casco 48spa
dc.description.tableofcontents2.7. Diseño geométrico del casco usando Maxsurf Modeler. 50spa
dc.description.tableofcontents2.7.1. Diseño de la geometría preliminar CAD. 50spa
dc.description.tableofcontents2.7.2. Curvas de formación 50spa
dc.description.tableofcontents2.7.3. Diseño de cuadernas del casco 51spa
dc.description.tableofcontents2.7.4. Formación de superficie 52spa
dc.description.tableofcontents2.8. Dimensiones y geometrías generadas 52spa
dc.description.tableofcontents2.9. Estudio de la estabilidad 54spa
dc.description.tableofcontents2.9.1. Perfil base 54spa
dc.description.tableofcontents2.9.2. Planta base 54spa
dc.description.tableofcontents2.9.3. Curvas de área seleccionada 55spa
dc.description.tableofcontents2.9.4. Distribución de peso de la embarcación 55spa
dc.description.tableofcontents2.9.5. Análisis hidrostático 56spa
dc.description.tableofcontents2.10. Resistencia al avance en Maxsurf 60spa
dc.description.tableofcontents2.11. Optimización 61spa
dc.description.tableofcontents2.11.1. Diseño de experimentos 61spa
dc.description.tableofcontents2.11.2. Vistas de la Embarcación 63spa
dc.description.tableofcontents2.11.3. Dimensiones del Diseño Optimizada 63spa
dc.description.tableofcontents2.11.4. Patrón de olas de la geometría optimizada 64spa
dc.description.tableofcontents2.12. Conclusiones. 65spa
dc.description.tableofcontents3. Capítulo III: Estudio de la resistencia al avance del casco, usando herramientas computacionales basadas en modelos estadísticos y análisis CFD para definir la geometría más eficiente. 66spa
dc.description.tableofcontents3.1. Introducción 66spa
dc.description.tableofcontents3.2. Dimensiones y formas del casco 66spa
dc.description.tableofcontents3.3. Importación del modelo 67spa
dc.description.tableofcontents3.4. Geometría del dominio computacional. 67spa
dc.description.tableofcontents3.4.1. Mallado 68spa
dc.description.tableofcontents3.4.2. Calidad de la malla y la adecuación a la geometría 69spa
dc.description.tableofcontents3.4.3. Criterio de independencia de mallado 70spa
dc.description.tableofcontents3.5. Definición de condiciones y propiedades de los fluidos 70spa
dc.description.tableofcontents3.5.1. Modelo multifásico VOF (Volume of fluid) 70spa
dc.description.tableofcontents3.6. Definición del número de pasos e iteraciones 71spa
dc.description.tableofcontents3.6.1. Métodos realizados en la simulación 71spa
dc.description.tableofcontents3.6.2. Convergencia en la simulación 72spa
dc.description.tableofcontents3.7. Simulación y análisis de resultados 74spa
dc.description.tableofcontents3.7.1. Resistencia al avance 75spa
dc.description.tableofcontents3.8. Conclusiones 75spa
dc.description.tableofcontents4. Capítulo IV. Evaluación experimental del modelo a escala para determinar su resistencia al avance y poder validar los resultados obtenidos en las simulaciones computacionales. 76spa
dc.description.tableofcontents4.1. Introducción. 76spa
dc.description.tableofcontents4.2. Proceso de construcción. 76spa
dc.description.tableofcontents4.3. Pruebas en canal de ensayos 79spa
dc.description.tableofcontents4.4. Ensayo experimental con modelo a escala 82spa
dc.description.tableofcontents4.5. Resultados obtenidos del experimento 82spa
dc.description.tableofcontents4.5.1. Datos tomados del canal de ensayos 82spa
dc.description.tableofcontents4.5.2. Resistencia al avance en ensayo experimental 84spa
dc.description.tableofcontents4.6. Análisis de resultados 85spa
dc.description.tableofcontents4.7. Conclusiones 85spa
dc.description.tableofcontents5. Capítulo V. Análisis y conclusiones generales del trabajo. 86spa
dc.description.tableofcontents5.1. Introducción 86spa
dc.description.tableofcontents5.2. Comparación de resultados. 86spa
dc.description.tableofcontents5.3. Resultados 88spa
dc.description.tableofcontents5.4. Conclusiones generales 88spa
dc.description.tableofcontents6. Conclusiones Generales y futuros trabajos 90spa
dc.description.tableofcontents6.1. Objetivo específico I: 90spa
dc.description.tableofcontents6.2. Objetivo específico II: 90spa
dc.description.tableofcontents6.3. Objetivo específico III: 90spa
dc.description.tableofcontents6.4. Futuros trabajos. 91spa
dc.format.mimetypeapplication/pdfspa
dc.identifier.urihttps://repositorio.unicordoba.edu.co/handle/ucordoba/7237
dc.language.isospaspa
dc.publisherEscuela Naval de cadetes Almirante Padillaspa
dc.publisher.facultyFacultad de Ingenieríaspa
dc.publisher.placeMontería, Córdoba, Colombiaspa
dc.publisher.programIngeniería Mecánicaspa
dc.rightsCopyright Universidad de Córdoba, 2023spa
dc.rights.accessrightsinfo:eu-repo/semantics/openAccessspa
dc.rights.creativecommonsAtribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)spa
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/spa
dc.subject.keywordsComputational fluid dynamicseng
dc.subject.keywordsCFDeng
dc.subject.keywordsMaxsurfeng
dc.subject.proposalDinámica de fluidos computacionaleng
dc.subject.proposalCFDspa
dc.subject.proposalMaxsurfspa
dc.subject.proposalAnsys Fluentspa
dc.subject.proposalAnsys fluentspa
dc.titleEstudio hidrodinámico del casco de una motonave fluvial para operar en el río Sinú que tenga la menor resistencia al avance, usando herramientas computacionales y validando los resultados con un modelo a escalaspa
dc.typeTrabajo de grado - Maestríaspa
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dc.type.redcolhttps://purl.org/redcol/resource_type/TMspa
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