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

Durango Álvarez, Demóstenes JoséTorres Sánchez, Jairo Eulises2023-02-272023-02-272023-02-23https://repositorio.unicordoba.edu.co/handle/ucordoba/7237In 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).RESUMEN 1ABSTRACT 21. Capítulo I. Descripción del trabajo de investigación 41.1. INTRODUCCIÓN. 41.2. Objetivos. 71.2.1. Objetivo general. 71.2.2. Objetivos específicos. 71.3. Estructura de la tesis. 81.4. Revisión de literatura. 101.4.1. Dimensiones de la embarcación 101.4.1.1. Mediciones Longitudinales 101.4.1.2. Mediciones transversales 111.4.1.3. Mediciones verticales 111.4.2. Geometría del casco 121.4.2.1. Criterios esenciales de diseño de forma 121.4.3. Mecánica de Fluidos y su aplicación a la Ingeniería Naval 141.4.3.1. Principio de Arquímedes 141.4.3.2. Centro de Gravedad (C.G) 151.4.3.3. Hidrostática 151.4.3.4. Cascos de Desplazamiento 151.4.3.5. El número de Reynolds 161.4.3.6. El Número de Froude 161.4.3.7. Hipótesis de Froude 161.4.3.8. Estudio de la Resistencia al avance 161.4.3.9. Resistencia de fricción 191.4.3.10. Resistencia de Presión Viscosa (Rpv) 221.4.3.11. Resistencia por Formación de Olas (Rw) 241.4.3.12. Resistencia Residual (Rr) 251.4.4. Leyes de comparación 251.4.4.1. Ecuación física completa 261.4.4.2. El coeficiente de resistencia 271.4.4.3. Velocidades correspondientes 271.4.4.4. Semejanza dinámica 281.4.4.5. Extrapolación de la resistencia del modelo al barco 291.4.5. Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) 301.4.5.1. Ecuaciones fundamentales. 301.4.5.2. Ecuaciones de flujo 331.4.5.3. Modelos de turbulencia 341.4.5.4. Mallado 351.4.6. Maxsurf program 401.4.6.1. Maxsurf Modeler 411.4.6.2. Maxsurf Resistance 411.4.6.3. Maxsurf Stability 411.5. Trabajos derivados 432. Capítulo II. Desarrollo de geometría de un casco tomando como referencia modelos comerciales estandarizados internacionalmente, utilizando herramientas computacionales CAD. 442.1. Introducción. 442.2. Misión del Buque 442.3. Datos del río Sinú 452.4. Base de datos 462.5. Proceso de regresión lineal 472.6. Dimensiones preliminares del casco 482.7. Diseño geométrico del casco usando Maxsurf Modeler. 502.7.1. Diseño de la geometría preliminar CAD. 502.7.2. Curvas de formación 502.7.3. Diseño de cuadernas del casco 512.7.4. Formación de superficie 522.8. Dimensiones y geometrías generadas 522.9. Estudio de la estabilidad 542.9.1. Perfil base 542.9.2. Planta base 542.9.3. Curvas de área seleccionada 552.9.4. Distribución de peso de la embarcación 552.9.5. Análisis hidrostático 562.10. Resistencia al avance en Maxsurf 602.11. Optimización 612.11.1. Diseño de experimentos 612.11.2. Vistas de la Embarcación 632.11.3. Dimensiones del Diseño Optimizada 632.11.4. Patrón de olas de la geometría optimizada 642.12. Conclusiones. 653. 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. 663.1. Introducción 663.2. Dimensiones y formas del casco 663.3. Importación del modelo 673.4. Geometría del dominio computacional. 673.4.1. Mallado 683.4.2. Calidad de la malla y la adecuación a la geometría 693.4.3. Criterio de independencia de mallado 703.5. Definición de condiciones y propiedades de los fluidos 703.5.1. Modelo multifásico VOF (Volume of fluid) 703.6. Definición del número de pasos e iteraciones 713.6.1. Métodos realizados en la simulación 713.6.2. Convergencia en la simulación 723.7. Simulación y análisis de resultados 743.7.1. Resistencia al avance 753.8. Conclusiones 754. Capítulo IV. Evaluación experimental del modelo a escala para determinar su resistencia al avance y poder validar los resultados obtenidos en las simulaciones computacionales. 764.1. Introducción. 764.2. Proceso de construcción. 764.3. Pruebas en canal de ensayos 794.4. Ensayo experimental con modelo a escala 824.5. Resultados obtenidos del experimento 824.5.1. Datos tomados del canal de ensayos 824.5.2. Resistencia al avance en ensayo experimental 844.6. Análisis de resultados 854.7. Conclusiones 855. Capítulo V. Análisis y conclusiones generales del trabajo. 865.1. Introducción 865.2. Comparación de resultados. 865.3. Resultados 885.4. Conclusiones generales 886. Conclusiones Generales y futuros trabajos 906.1. Objetivo específico I: 906.2. Objetivo específico II: 906.3. Objetivo específico III: 906.4. Futuros trabajos. 91application/pdfspaCopyright Universidad de Córdoba, 2023Estudio 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 escalaTrabajo de grado - Maestríainfo:eu-repo/semantics/openAccessAtribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)Dinámica de fluidos computacionalCFDMaxsurfAnsys FluentAnsys fluentComputational fluid dynamicsCFDMaxsurf