Capa Límite
La capa límite alrededor de un buque es la zona próxima a la pared del sólido en la que el fluido pierde velocidad respecto a la que tiene el flujo lejos de la pared.
Se va ensanchando conforme avanza a popa. A más rápidas las partículas, más rozamiento entre ellas y más turbulencias. (+ velocidad – presión).
El espesor es la distancia perpendicular a la superficie que va desde el cuerpo a la zona donde V=0.99. El espesor aumenta conforme aumenta el número de Reynolds.
La capa límite es turbulenta, menos 0.08% a proa. En la transición de régimen laminar a régimen turbulento, hay un fuerte aumento del espesor de la capa límite.
Para prevenir desprendimientos de capa límite, el ángulo de salida de la flotación debe ser inferior a 20º. Como no siempre es posible, será preferible cortar la flotación y dar forma de espejo a la popa manteniendo el ángulo inferior a 20º.
- Flujo laminar: la trayectoria de las partículas es ordenada y paralela.
- Flujo turbulento: la trayectoria de las partículas es aleatoria, el flujo se rompe y se producen torbellinos.
Cavitación
Es la modificación en el flujo de un fluido en contacto con una superficie física en movimiento.
Esta modificación se produce como consecuencia de que en determinados puntos de la pala, la velocidad alcanza valores elevados, lo que hace que el fluido no pueda acompañarla en su movimiento, produciendo un despegue del mismo que se traduce como una disminución de la presión.
Cuando esta presión local se hace igual a la presión del vapor del agua, se produce la evaporación de la misma produciendo burbujas en la zona.
Estas burbujas son arrastradas por el flujo y al llegar a zonas con presión más alta, vuelve a presentarse el fenómeno pero en sentido contrario.
La burbuja pasa a líquido y se transforma en una gota mucho menor, originando una implosión.
Resultado: vibraciones, ruidos, deterioro de superficie de la pala.
Efectos de la cavitación
- Disminución de rendimiento de la hélice.
- Aparición de vibraciones y ruidos.
- Erosión sobre superficie de la pala.
Tipos de cavitación
- Laminar
- Tipo nube
- Tipo burbuja
- Torbellino
Para evitar este fenómeno, calcularemos por el criterio de Burrill el empuje por unidad de área proyectada para que la hélice tenga un grado de cavitación aceptable y no sea más de un 5% de la pala.
Bulbo de Proa
Es una protuberancia que se sitúa en proa bajo la línea de flotación.
Su misión es producir una perturbación en el sistema de olas transversales de proa, de tal forma que las olas disminuyen su presión y energía.
Efectos del bulbo:
- Aumento de la resistencia viscosa, debido al aumento de superficie mojada.
- Disminución de la resistencia por formación de olas.
El bulbo es beneficioso para un intervalo 0.24 < Fn < 0.57.
Un buen diseño de bulbo será el que produzca una reducción de la RT un 10% o 15%.
Relaciones Adimensionales
A. Relación L/B = Eslora/Manga
Esta relación influye de la misma manera que la eslora.
- Mayor L/B: mayor Rf, menor Rprov, menor Rw
- Relación alta, L mayor y B menor (Buques medianos)
- Relación baja, L menor y B mayor (Buques grandes)
B. Relación B/T = Manga/Calado
En cuanto a la resistencia de fricción (superficie mojada) la relación tiene un comportamiento peculiar.
- Mayor B/T: mayor RT
- Para coeficientes de bloque altos, la superficie mojada es mínima para B/T = 2.25.
- Para coeficientes de bloque bajos, la superficie mojada es mínima para B/T = 3.
La influencia de B/T es equivalente a la de la manga.
C. Relación L3/∇ = Eslora/Volumen Carena
Se comporta como la relación L/B ya que esta expresión está relacionada con L/B, B/T y el coeficiente de bloque y L/B está elevada al cuadrado por lo que tiene más peso.
Resistencia de Fricción en Superficie Curva
Efectos
Curvatura Transversal
- Mayor esfuerzo cortante y mayor resistencia de fricción.
- Es más acusado en los modelos que en los buques.
- Según aumenta el número de Reynolds el efecto de la fricción de la curvatura es menor para una misma relación L/B.
Curvatura Longitudinal
- No está sujeta a escala.
- Depende de la geometría del objeto y por tanto, siendo modelo/buque se forman efectos semejantes.
Resistencia de Presión de Origen Viscoso
La resistencia de presión de origen viscoso está generada por esfuerzos normales al casco (presión) pero de origen viscoso debido a la existencia de una capa límite.
Resistencia de formas + Resistencia de fricción placa plana = Resistencia viscosa
Dimensiones Principales: Influencia en Hidrodinámica
1. Eslora
- Resistencia RF: a mayor eslora mayor superficie mojada y mayor RF. Para una misma velocidad aunque aumenta Rn y por tanto disminuye CF es mayor el aumento de superficie mojada.
- Resistencia RPov: a mayor eslora disminuye la Pov. Se comporta de la manera opuesta al aumentar L.
- Resistencia Rw: al aumentar la eslora, Rw disminuye drásticamente debido a bajar mucho Fn. De hecho la acción más eficaz para disminuir la Rw es aumentar la eslora.
2. Manga
- Rfricción: a mayor manga mayor superficie mojada y mayor R.
- Prov viscoso: aumento de la Prov con riesgo de desprendimiento de flujo.
- Rw olas: a mayor manga, aumenta Rw sensiblemente pero menos drástico que con la eslora.
3. Calado
- Rf: mayor fricción por aumentar superficie mojada.
- Rpov: mayor calado mayor RPov.
- Rw: mayor calado mayor Rw.
Curva de Áreas
Esta curva representa en abscisas la eslora del barco y en ordenadas las áreas bajo las cuadernas.
El área bajo la curva es el volumen de carena.
El coeficiente prismático es la relación entre el área bajo la curva nos indica la posición longitudinal del centro de carena.
La curva nos indica cómo están repartidas las formas del barco a lo largo de la eslora.
Una buena curva:
- Partes rectas claras y definidas en proa y popa.
- Rc (radio de curvatura) debe ser amplio (Rc > 0,3Ax) un ángulo pequeño puede dar desprendimiento de flujo.