Análisis y optimización de la resistencia de interferencia en multicascos

262 Pages·2015·9.69 MB·Spanish

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS NAVALES
Doctorado en Ciencias y Tecnologías Navales y Oceánicas

ANÁLISIS Y OPTIMIZACIÓN
DE LA RESISTENCIA DE
INTERFERENCIA EN
MULTICASCOS

Tesis Doctoral

DAVID FERNÁNDEZ GUTIÉRREZ
Ingeniero Naval

Director: ANTONIO SOUTO IGLESIAS

Madrid, 11 de Enero de 2016
DAVID FERNÁNDEZ GUTIÉRREZ
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS NAVALES (UPM)

ANÁLISIS Y OPTIMIZACIÓN DE LA RESISTENCIA DE INTERFERENCIA EN MULTICASCOS
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DOCTORADO EN CIENCIAS Y TECNOLOGÍAS NAVALES Y OCEÁNICAS
TESIS DOCTORAL

Depto. de Arquitectura, Construcción, Sistemas Oceánicos y Navales
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Navales
Universidad Politécnica de Madrid

Análisis y optimización de la resistencia de
interferencia en multicascos
(Tesis Doctoral)

por

David Fernández Gutiérrez
Ingeniero Naval (Universidad Politécnica de Madrid, España, 2008)
MS en Ingeniería Mecánica (University of California at Berkeley, USA, 2014)

Director: Antonio Souto Iglesias
Doctor Ingeniero Naval (Universidad Politécnica de Madrid, España)

Madrid, 11 de Enero de 2016

ANÁLISIS Y OPTIMIZACIÓN DE LA RESISTENCIA DE INTERFERENCIA EN MULTICASCOS
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DAVID FERNÁNDEZ GUTIÉRREZ
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS NAVALES (UPM)

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Tribunal nombrado por el Sr. Rector Magfco. de la Universidad Politécnica de
Madrid, el día...............de.............................de 20....

Presidente:

Vocal:

Vocal:

Vocal:

Secretario:

Suplente:

Suplente:

Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el día..........de........................de 20 ...
en la E.T.S.I. /Facultad....................................................

Calificación ..................................................

EL PRESIDENTE LOS VOCALES

EL SECRETARIO
DAVID FERNÁNDEZ GUTIÉRREZ
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS NAVALES (UPM)

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DOCTORADO EN CIENCIAS Y TECNOLOGÍAS NAVALES Y OCEÁNICAS
TESIS DOCTORAL

RESUMEN

Esta
 tesis
 presenta
 un
 estudio
 de
 la
 resistencia
 de
 interferencia
 en
 multicascos,
 término
 que

engloba
 las
 variaciones
 en
 la
 resistencia
 al
 avance
 debidas
 a
 la
 interacción
 entre
 cascos.
 Su

característica
 más
 notable
 es
 que
 puede
 ser
 tanto
 positiva
 como
 negativa,
 contribuyendo

favorablemente
  en
  este
  último
  caso
  a
  la
  reducción
  de
  la
  resistencia
  total.
  Su
  análisis

permanece
  como
  un
  área
  activa
  dentro
  de
  la
  comunidad
  hidrodinámica,
  si
  bien
  se
  ha

detectado
 una
 significativa
 falta
 de
 información
 experimental
 sobre
 el
 flujo
 entre
 cascos.

En
 primer
 lugar
 se
 incluye
 una
 caracterización
 de
 los
 fenómenos
 de
 interferencia,
 evaluando

su
  impacto
  en
  las
  diferentes
  componentes
  de
  la
  resistencia
  al
  avance.
  Al
  igual
  que
  la

resistencia
 total,
 su
 predicción
 requiere
 el
 uso
 de
 técnicas
 experimentales
 o
 numéricas
 al
 ser

inviable
 su
 solución
 analítica.
 Ambos
 procedimientos
 han
 sido
 considerados
 en
 esta
 tesis.

El
 análisis
 experimental
 de
 la
 resistencia
 de
 interferencia
 supone
 el
 núcleo
 central
 del
 trabajo

realizado.
 Se
 han
 ensayado
 dos
 geometrías
 diferentes,
 un
 catamarán
 de
 servicio
 comercial

PESBO
 junto
 con
 un
 catamarán
 compuesto
 por
 dos
 Serie
 60
 (S60)
 en
 paralelo.
 Los
 ensayos
 se

han
  llevado
  a
  cabo
  en
  dos
  canales
  de
  experiencias,
  CEHINAV
  y
  CEHIPAR,
  midiéndose

resistencia
 al
 avance,
 asiento
 y
 trimados
 dinámicos,
 y
 cortes
 de
 olas
 en
 la
 zona
 entre
 cascos.

Mención
 especial
 a
 estos
 últimos,
 dado
 que
 a
 pesar
 de
 ser
 en
 la
 zona
 central
 donde
 ocurren

los
 principales
 efectos
 de
 interferencia,
 no
 se
 encontró
 información
 previa
 publicada
 en
 la

literatura.
 Su
 medición
 requirió
 la
 fabricación
 de
 un
 sistema
 de
 soporte
 específico
 para
 las

probetas
 de
 medición.
 Por
 otro
 lado,
 aunque
 el
 Serie
 60
 es
 una
 geometría
 bien
 conocida
 en
 la

comunidad
 hidrodinámica,
 a
 conocimiento
 del
 autor
 su
 comportamiento
 como
 multicasco
 no

había
 sido
 aún
 caracterizado
 experimentalmente.

Los
 bastidores
 de
 unión
 se
 fabricaron
 de
 forma
 que
 permitieran
 variar
 la
 separación
 entre

cascos.
 Además,
 los
 multicascos
 son
 en
 general
 embarcaciones
 de
 alta
 velocidad
 mostrando

asientos
 y
 trimados
 dinámicos
 significativos.
 Para
 cuantificar
 su
 efecto
 en
 la
 resistencia
 total
 y

de
 interferencia
 se
 construyó
 un
 sistema
 de
 fijación
 del
 modelo
 al
 carro
 que
 los
 restringiera,

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DAVID FERNÁNDEZ GUTIÉRREZ
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS NAVALES (UPM)

posibilitando
  comparar
  los
  resultados
  en
  esta
  condición
  con
  los
  del
  modelo
  libre.
  Como

resultado,
 se
 han
 obtenido
 resultados
 experimentales
 de
 las
 dos
 geometrías
 estudiadas
 con

múltiples
 separaciones,
 incluyendo
 un
 solo
 casco,
 y
 con
 modelo
 fijo
 y
 libre.

Una
 de
 las
 principales
 utilidades
 de
 los
 resultados
 experimentales
 es
 servir
 como
 referencia

para
  validar
  modelos
  de
  predicción.
  Como
  primera
  aplicación,
  los
  datos
  experimentales

obtenidos
 con
 el
 catamarán
 S60
 se
 han
 contrastado
 con
 las
 predicciones
 numéricas
 de
 Yeung

et
  al.
  (2004).
  El
  análisis
  numérico
  de
  la
  resistencia
  de
  interferencia
  se
  completa
  con
  la

realización
 de
 simulaciones
 numéricas
 utilizando
 dos
 códigos
 substancialmente
 diferentes:

Tdynlin
 y
 CD-­‐Adapco
 Star-­‐CCM+.
 Los
 cortes
 de
 olas
 obtenidos
 en
 las
 simulaciones
 se
 comparan

con
 los
 valores
 experimentales,
 mostrándose
 además
 los
 campos
 de
 presiones
 y
 velocidades

calculados
 sobre
 el
 casco.

La
  principal
  aportación
  de
  esta
  tesis
  es
  una
  extensa
  caracterización
  experimental
  de
  los

fenómenos
 de
 interferencia,
 con
 la
 intención
 de
 servir
 de
 referencia
 para
 futuros
 estudios
 con

multicascos.
  El
  análisis
  de
  los
  resultados
  permite
  comprender
  mejor
  el
  impacto
  que
  la

interacción
 entre
 cascos,
 así
 como
 las
 variaciones
 dinámicas
 de
 las
 condiciones
 de
 navegación,

tienen
 en
 las
 diferentes
 componentes
 de
 la
 resistencia.
 Por
 otro
 lado,
 permite
 apreciar
 la

dependencia
 de
 la
 resistencia
 de
 interferencia
 con
 la
 velocidad
 y
 separación
 entre
 cascos,
 de

cara
 a
 su
 utilización
 como
 parámetro
 de
 diseño.

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TESIS DOCTORAL

ABSTRACT

This
 thesis
 presents
 a
 study
 of
 the
 interference
 resistance
 in
 multihulls,
 which
 comprises
 all

the
 variations
 in
 the
 ship
 resistance
 due
 to
 the
 interaction
 between
 hulls.
 Its
 most
 remarkable

characteristic
 is
 that
 it
 can
 be
 positive
 or
 negative,
 contributing
 in
 the
 second
 case
 to
 the

reduction
 of
 the
 total
 ship
 resistance.
 Its
 study
 remains
 an
 active
 area
 in
 the
 hydrodynamic

community,
 although
 there
 is
 a
 significant
 lack
 of
 published
 experimental
 data
 regarding
 the

flow
 between
 hulls.

First
  of
  all,
  the
  interference
  phenomena
  are
  characterized,
  evaluating
  the
  impact
  in
  the

different
 components
 of
 the
 ship
 resistance.
 Similar
 to
 the
 total
 resistance,
 their
 prediction

requires
 experimental
 or
 numerical
 techniques,
 as
 no
 analytic
 solutions
 are
 known.
 Both

procedures
 have
 been
 considered
 in
 this
 thesis.

The
 experimental
 analysis
 of
 the
 interference
 resistance
 is
 the
 core
 of
 the
 work
 done.
 Two

different
 geometries
 have
 been
 tested,
 a
 commercial
 catamaran
 PESBO
 and
 a
 catamaran

composed
 by
 two
 parallel
 Series
 60
 (S60).
 The
 tests
 have
 been
 carried
 out
 in
 two
 towing
 tanks,

CEHINAV
 and
 CEHIPAR,
 measuring
 ship
 resistance,
 dynamic
 sinkage
 and
 trim,
 and
 wave
 cuts

in-­‐between
 the
 hulls.
 Special
 mention
 to
 the
 wave
 cuts,
 as
 no
 previous
 published
 information

was
 found
 regarding
 this
 zone,
 even
 if
 it
 is
 where
 the
 main
 interference
 effects
 happen.
 Their

measurement
 required
 building
 a
 support
 tripod
 for
 the
 probes,
 specifically
 designed
 for
 this

experimental
  campaign.
  In
  addition,
  although
  the
  Series
  60
  is
  a
  well
  known
  hull
  for

experimental
  and
  computational
  analyses,
  to
  the
  author’s
  knowledge
  its
  behavior
  as
  a

multihull
 had
 not
 yet
 been
 experimentally
 described.

The
  connection
  frames
  between
  the
  hulls
  were
  built
  so
  they
  allowed
  adjusting
  the
  hull

spacing.
 Furthermore,
 multihulls
 are
 usually
 high-­‐speed
 vessels,
 acquiring
 significant
 dynamic

sinkage
 and
 trim.
 To
 quantify
 the
 effect
 of
 these
 dynamic
 variations
 of
 the
 interference

resistance,
 a
 clamping
 system
 was
 developed
 to
 fixed
 the
 model
 and
 compare
 the
 results
 with

the
 free
 model
 condition.
 Thus,
 experimental
 results
 have
 been
 obtained
 for
 various
 hull

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DAVID FERNÁNDEZ GUTIÉRREZ
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS NAVALES (UPM)

separations
 with
 the
 two
 geometries
 analyzed,
 including
 a
 single
 hull,
 and
 with
 free
 and
 fixed

model.

One
 of
 the
 main
 applications
 of
 experimental
 results
 is
 to
 serve
 as
 a
 reference
 to
 validate

prediction
 models.
 As
 a
 first
 step,
 the
 obtained
 experimental
 data
 with
 the
 catamaran
 S60

have
 been
 compared
 with
 the
 numerical
 predictions
 of
 Yeung
 et
 al.
 (2004).
 The
 numerical

analysis
  of
  the
  interference
  resistance
  is
  completed
  with
  the
  inclusion
  of
  numerical

simulations
 using
 two
 codes
 substantially
 different:
 Tdynlin
 and
 CD-­‐Adapco
 Star-­‐CCM+.
 The

wave
 cuts
 obtained
 from
 the
 simulations
 are
 compared
 with
 the
 experimental
 ones,
 showing

also
 the
 pressure
 and
 velocity
 fields
 over
 the
 hulls.

The
 main
 contribution
 of
 this
 thesis
 is
 an
 extensive
 experimental
 characterization
 of
 the

interference
 phenomena,
 aiming
 to
 serve
 as
 reference
 for
 future
 studies
 about
 multihulls.
 The

analysis
 of
 the
 results
 provides
 insights
 into
 the
 impact
 that
 the
 interaction
 between
 hulls,
 as

well
 as
 the
 dynamic
 variations
 of
 the
 sailing
 conditions,
 have
 in
 the
 different
 components
 of

the
 ship
 resistance.
 Moreover,
 it
 allows
 us
 to
 observe
 the
 dependence
 of
 the
 interference

resistance
 on
 the
 velocity
 and
 hull
 spacing,
 useful
 towards
 its
 use
 as
 a
 design
 parameter.

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