Los beneficios del Virtual Towing Tank: por qué sustituir los ensayos en tanque por análisis CFD con Simcenter STAR-CCM+

Junto con los factores meramente de marketing y de diseño, aspectos como la velocidad máxima, el consumo de combustible, la autonomía y el confort forman parte de los criterios que utiliza el cliente para orientar su decisión de compra. Por estos motivos, la primera fase de investigación de las prestaciones de una embarcación se centra precisamente en estos dos factores: la resistencia y el comportamiento de la embarcación.

Para el diseñador, las herramientas clave para evaluar todos estos aspectos son las curvas de resistencia y de comportamiento, que describen cómo responde la embarcación a medida que aumenta la velocidad. Tradicionalmente, estas curvas se obtienen mediante ensayos en tanque navales, una metodología sólida, pero no exenta de limitaciones.

Los ensayos experimentales requieren, de hecho, tiempo y costes elevados, y conllevan diversas aproximaciones: desde la escala entre el modelo y el casco real, hasta la disponibilidad limitada del tanque, pasando por el hecho de que cada modificación geométrica requiere intervenir en el modelo o incluso reconstruirlo por completo.

En este artículo veremos cómo el uso de la CFD, y en particular de un software como Simcenter STAR-CCM+, permite superar estas dificultades, proporcionando curvas de resistencia y comportamiento en tiempos reducidos, con un nivel de precisión y correlación con los datos experimentales ya ampliamente consolidado.

La curva de resistencia muestra el valor de la resistencia hidrodinámica (es decir, la resultante de las fuerzas hidrodinámicas que se oponen al movimiento del casco) en función de la velocidad de la propia embarcación. Los datos de resistencia son fundamentales para dimensionar el sistema de propulsión (power plant) de las embarcaciones, desde el motor hasta las hélices, pasando por los inversores. Al superponer las curvas de prestaciones con los datos del power plant, el diseñador puede determinar si la embarcación es capaz de alcanzar una determinada velocidad máxima.

De manera análoga, basándose en los datos de consumo de combustible de la power unit, es posible estimar la autonomía (y el range) de la embarcación.

El otro dato importante para el diseñador es el comportamiento de la embarcación en función de la velocidad de navegación. El comportamiento de un casco, dentro del ámbito de la dinámica longitudinal, está representado principalmente por la combinación del ángulo de cabeceo (trim) y del desplazamiento vertical (sinkage) de la carena.

En cascos especialmente rápidos y diseñados adecuadamente, se produce la transición de un régimen de desplazamiento (desplazamiento de agua) a un régimen de planeo (deslizamiento sobre el agua), en el que la embarcación se eleva parcialmente sobre el agua gracias al aumento de las fuerzas hidrodinámicas.

Típicamente, durante la fase de pre-planeo, la proa se eleva y el trim es más apopado para aprovechar la presión del agua, apoyándose sobre la popa y los pantoques del casco, y entrar posteriormente en la fase de planeo completo. Como consecuencia, la carena sale parcialmente del agua gracias a la sustentación hidrodinámica, reduciendo drásticamente la superficie mojada y la fricción, y permitiendo alcanzar velocidades más elevadas.

Por tanto, es evidente que una correcta gestión del trim a las distintas velocidades, especialmente en los cascos de planeo, aporta una serie de beneficios en términos de prestaciones de la embarcación.

Además, una carena que planea correctamente puede garantizar un ángulo de trim adecuado (contenido), lo que se traduce en un mayor confort para los pasajeros y una mejor visibilidad para el piloto.

La calidad de una carena depende en gran medida de la relación directa entre el ángulo de asiento y el trim, que determina el comportamiento real durante el planeo. El ángulo de trim no es solo una consecuencia del movimiento, sino un parámetro que determina qué superficie mojada está trabajando, cómo se distribuyen las presiones hidrodinámicas y, por tanto, cuánta resistencia se genera. A una misma velocidad, pequeñas variaciones en el asiento pueden modificar significativamente el equilibrio entre sustentación y drag, aumentando o reduciendo la eficiencia global.

La resistencia y el comportamiento de la embarcación son, por tanto, el resultado de un delicado equilibrio entre la geometría (la forma de las secciones de fondo, con una V más o menos profunda, y la longitud y anchura de la superficie de planeo), las condiciones de carga (el desplazamiento y la posición del centro de gravedad, tanto longitudinal como vertical) y la interacción fluido-estructura. Estos parámetros actúan como variables de diseño que determinan el ángulo de trim que tiende a adoptar la carena y hasta qué punto este comportamiento es estable y óptimo en términos de resistencia.

A esto se añade el control de efectos hidrodinámicos como el spray y la ventilación, que a menudo se subestiman, pero son cruciales a altas velocidades.

Desde el punto de vista del diseño, las principales áreas de intervención incluyen la modificación del deadrise angle, la optimización de steps y redan, el uso y dimensionamiento de correctores de trim (como trim tabs y flaps), la gestión de los volúmenes de proa para controlar la entrada en planeo y, en términos más generales, la redistribución de las masas para obtener un comportamiento estable y con una resistencia mínima.

Es precisamente aquí donde la CFD se convierte en una herramienta potente: permite evaluar de forma cuantitativa cómo pequeñas variaciones geométricas o de trim influyen en las separaciones, las cargas hidrodinámicas y el comportamiento dinámico del casco, sin tener que recurrir cada vez a un ensayo físico en tanque.

Históricamente, existen diferentes métodos para evaluar las prestaciones de una embarcación, desde métodos analíticos hasta métodos empíricos, como el uso de analogías y la comparación con embarcaciones del mismo tipo, así como métodos semiempíricos como el de Savitsky.

En cualquier caso, la herramienta fundamental para evaluar las prestaciones de un casco es, sin duda, el ensayo en tanque, que se viene realizando desde hace casi un siglo. Con el paso del tiempo, estos ensayos se han codificado en una serie de procedimientos estándar validados y probados.

Por ejemplo, la International Towing Tank Conference (ITTC) propone una serie de guías para obtener resultados conformes y reproducibles durante los ensayos en tanque.

Durante este tipo de ensayos, el modelo, realizado con una elevada precisión geométrica, es remolcado a lo largo de un tanque de agua mediante un carro de remolque a una velocidad preestablecida, con el fin de reproducir el movimiento de la embarcación real. Durante el ensayo se miden parámetros como la resistencia al avance, el asiento, el trim y, en presencia de olas, los movimientos inducidos por el oleaje.

A menudo, cuando se habla de ensayos en tanque, se tiende a pasar por alto un aspecto implícito que, sin embargo, tiene importantes implicaciones en el análisis de los resultados: el hecho de que el ensayo se realice sobre un modelo del casco de dimensiones adecuadas para poder entrar en el tanque (escala modelo) y no sobre una versión real del casco completo (escala real).

Utilizar un modelo a escala, si por un lado ofrece ventajas al no requerir la construcción de la embarcación completa para realizar el ensayo, por otro introduce aproximaciones debido a la necesidad de “transferir” la información entre las dos escalas.

Esta transferencia se realiza mediante una serie de técnicas numéricas basadas principalmente en la analogía de Froude, en la que una serie de ecuaciones, coeficientes e hipótesis permiten obtener las prestaciones de la embarcación real a partir de los resultados obtenidos a escala modelo.

En la práctica:

• para realizar el ensayo, es necesario transferir la velocidad que se va a probar a la escala del modelo (es decir, el modelo se ensaya a una velocidad diferente de aquella a la que se desplazará la embarcación real en el mar);
• una vez finalizado el ensayo, las curvas de resistencia y de sinkage medidas en el tanque se transfieren a la escala real de la embarcación.

Aunque este procedimiento está detalladamente definido por la ITTC, siempre queda un cierto margen de aproximación y es necesaria cierta experiencia para interpretar los resultados del modelo con el fin de transferir las mediciones obtenidas en el tanque a la escala real. Esto se traduce inevitablemente en un margen de incertidumbre y de error sobre las prestaciones reales de la embarcación.

Además, la integración de los ensayos en tanque dentro del proceso de diseño de una embarcación plantea algunos retos.

El primero es el tiempo. En Europa no son muchos los tanques de pruebas navales que pueden ofrecer un alto grado de precisión y fiabilidad, así como la capacidad de realizar ensayos para cualquier tipo de situación.

Por tanto, es evidente que los plazos necesarios para realizar los ensayos en tanque pueden ser bastante largos, tanto por aspectos intrínsecos de la actividad (por ejemplo, la construcción del modelo) como por la disponibilidad efectiva de slots de ensayo libres en el tanque.

¿El resultado? Una campaña de ensayos referida a una geometría específica – y, por tanto, a un modelo definido – puede requerir varios meses para ser programada, realizada y posteriormente sometida a post-processing.

El segundo reto está relacionado con los costes asociados a los ensayos, que generalmente son considerables: desde los costes de construcción del modelo de la embarcación hasta los necesarios para realizar el ensayo y para el posterior post-processing de los datos recopilados.

Costes que se multiplican cuando se quieren estudiar variantes geométricas que no permiten reutilizar el modelo de partida.

Afortunadamente, hoy en día, junto con las tradicionales pruebas en tanque (y como alternativa a ellas), los análisis CFD son mucho más accesibles que hace apenas diez años, lo que ha permitido avanzar significativamente en su transformación en una herramienta plenamente integrada en el proceso de diseño.

Con STAR-CCM+ es posible replicar los ensayos en un tanque de pruebas real mediante la creación de lo que comúnmente se denomina Virtual Towing Tank, es decir, un carro de remolque virtual. Al igual que en los ensayos reales, se conecta un punto de la embarcación con un punto virtual definido en el CAD del casco y, mediante esta restricción, se impone una velocidad constante (o controlada) al casco, mientras se dejan libres los DoF (Degrees of Freedom, o grados de libertad) longitudinales, como el sinkage y el trim; los grados de libertad latero-direccionales pueden restringirse para reproducir fielmente la configuración (set-up) típica del tanque.

Además de los resultados macroscópicos (por ejemplo, la resistencia y el trim), la CFD también proporciona información que en un tanque de pruebas resulta difícil o imposible de obtener. Un ejemplo fundamental es la distribución de la presión sobre el fondo de la carena, que permite comprender en detalle cómo trabaja la carena, especialmente en régimen de planeo, donde las fuerzas hidrodinámicas pasan a ser predominantes frente a las fuerzas hidrostáticas.

Este nivel de detalle resulta aún más útil cuando en el modelo CAD se incluyen elementos geométricos como patines, túneles de hélice y apéndices. En ese caso, es posible evaluar la contribución y el funcionamiento de cada elemento observando las presiones y los campos de carga que se desarrollan localmente. En consecuencia, se pueden realizar optimizaciones específicas que en los ensayos en tanque reales están limitadas o solo son parcialmente viables.

Pero ¿por qué deberíamos utilizar ensayos virtuales y renunciar a las certezas (y al encanto) de los tanques de pruebas navales?

La ventaja inmediata es que ya no es necesario construir un modelo físico: gracias al digital twin, es posible conectar directamente el CAD con un software CFD, obteniendo una continuidad inmediata entre las geometrías disponibles en las distintas fases del proyecto y la evaluación de sus prestaciones.

Al pasar del modelo físico al digital twin, además, ya no se está limitado por las dimensiones del tanque real. Esto significa que no es necesario trabajar a escala modelo y posteriormente transferir los resultados: es posible simular directamente el casco a escala real, dentro de un tanque virtual suficientemente grande (idealmente infinito), imponiendo velocidades reales y obteniendo resultados directamente a escala real, sin necesidad de aplicar correlaciones basadas en la analogía de Froude.

Además, al no tener que construir cada vez un modelo de ensayo, es posible evaluar rápidamente numerosas variantes, comparar varias soluciones en paralelo y seleccionar las más prometedoras.

El control de los load cases de la embarcación también resulta más sencillo de gestionar en un entorno virtual: con unos pocos cambios, se pueden variar el desplazamiento y/o la posición del centro de gravedad y realizar diferentes simulaciones para comprender la respuesta de la embarcación ante distintas condiciones de carga.

Este enfoque aporta, por tanto, beneficios concretos:

• en el plano operativo, porque permite verificar la embarcación después de cada modificación del diseño (por ejemplo, cambiando la geometría);
• en términos de tiempo, porque no es necesario transformar los CAD en modelos para ensayarlos en tanque;
• en términos de costes, porque se elimina la necesidad de construir el modelo y organizar los ensayos experimentales;
• a nivel de toma de decisiones, porque disponer de información más detallada y visible permite tomar decisiones de diseño más precisas.

Aunque los colores de la dinámica de fluidos sean sin duda fascinantes, sin una estrecha correlación con los datos experimentales no es posible confiar en que los análisis virtuales sean capaces de reproducir correctamente los mismos fenómenos observados en los ensayos en tanque. En SmartCAE realizamos análisis CFD en los contextos más diversos. Para poder probar y perfeccionar la capacidad predictiva de nuestros modelos, desarrollamos casos de prueba (test cases), correlacionados con datos experimentales, para los principales sectores de nuestro interés. En el ámbito naval, para las carenas rápidas, hemos elegido las carenas de la serie Southampton como benchmark de fiabilidad.

En particular, la carena Hull C es aquella sobre la que hemos realizado el mayor número de estudios, ya que dispone de una mayor cantidad de datos experimentales para la comparación y constituye la carena madre de los modelos con step.

Los resultados obtenidos mediante las simulaciones CFD muestran una excelente concordancia con los datos experimentales disponibles en la literatura para los ensayos en tanque clásicos, tanto en términos de resistencia como de ángulo de asiento (así como de las demás magnitudes características de los ensayos en tanque, que no se muestran aquí), lo que confirma que el modelo numérico es capaz de reproducir los principales fenómenos físicos implicados.

Este nivel de correlación convierte la CFD en una herramienta fiable no solo para el análisis de prestaciones, sino también para realizar comparaciones paramétricas y optimizar la carena desde las primeras fases del proyecto.

En resumen, el Virtual Towing Tank de STAR-CCM+ ayuda al diseñador tanto a estimar las prestaciones globales del casco como al diseño y la optimización de detalle, es decir, en una fase de “segundo nivel” en la que se mejoran las características específicas de la geometría analizada, en cualquier fase del proyecto.

¿Todavía tienes algún motivo para no utilizarlo?

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