Reductor de arrastre bioinspirado para embarcaciones

Abstract

Este estudio es inspirado en el Pingüino Emperador (Aptenodytes Fosteri) quien es capaz de almacenar burbujas alrededor de su cuerpo y liberarlas para para aumentar drásticamente la velocidad de nado, y así salir eyectado desde el agua a la superficie. Este fenómeno es conocido como lubricación con aire, el cual permite al pingüino reducir momentáneamente el arrastre ejercido por el medio acuoso. Se estudia el fenómeno de lubricación con aire para cuerpos sólidos sumergidos en agua en movimiento. El objetivo principal es cuantificar el efecto de inyectar aire continuamente a la obra viva de un barco en movimiento, para ello. Se utilizan simuladores CFD para evaluar dinámicamente un barco navegando a 10 velocidades diferentes, analizar las fuerzas de arrastre ejercidas por el medio y repetir la experiencia en presencia con un inyector de aire continuo en la proa. Comparar los resultados obtenidos para concluir si el efecto de lubricación con aire provoca alguna reducción del costo de transporte necesario para mantener navegando a velocidad constante del modelo mediante simulaciones. Los modelos consisten en la simulación de un corte horizontal de la obra viva de un barco que se mueve a esa velocidad constante, con el fin de estudiar las fuerzas de reacción de las paredes del modelo, siendo estas de igual magnitud que las fuerzas de arrastre ejercidas por el fluido. Se espera que esta fuerza de reacción de las paredes sea menor en presencia de lubricación con aire. La validación se realiza mediante dos etapas, la primera es verificando que los resultados obtenidos sean independientes del tamaño del volumen de control, finesa del mallado y tiempo de simulación. Esto se logra mediante varias simulaciones que permiten ver que la diferencia entre resultados no supera el 5%.La segunda etapa de validación consiste en evaluar dos aproximaciones con fundamento bibliográfico que permiten estimar preliminarmente los resultados. Se considera que los modelos son válidos cuando los resultados obtenidos en la simulación se encuentran dentro de los márgenes teóricos impuestos. De los modelos estudiados se observa que en presencia de inyección de aire se genera un efecto Magnus, el cual hace que el fluido aumente su velocidad parcialmente al rodear las burbujas. Este aumento de velocidad trae con sigo una disminución en el grosor de la capa limite y aumento parcial de los esfuerzos que se concentran en las paredes que no están cubiertas por aire, sin embargo esto se compensa debido a que las secciones cubiertas con burbujas reducen drásticamente la fuerza de reacción en dicha zona. Se obtiene como resultado una disminución promedio de 19,3% en el costo de transporte de los modelos que presentan inyección de aire continua con respecto de los modelos que navegan sin lubricación con aire.