La reducción del consumo de combustible y las emisiones es una prioridad para la industria marítima, donde los buques queman petróleo pesado y representan una parte significativa de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. Arrastre – la resistencia que un buque encuentra a medida que se mueve a través del agua – determina directamente cuánto poder es necesario para mantener la velocidad. Incluso las reducciones modestas en la arrastre se traducen en ahorros sustanciales de combustible y menores costos operativos durante la vida de un buque.

El software de Dinámica Fluida Computacional (CFD) como Ansys Fluent permite a los ingenieros modelar estas complejas interacciones de fluido-estructura con alta fidelidad, simulando el rendimiento de varios revestimientos antes de que se haga cualquier aplicación física. Este enfoque acelera el ciclo de diseño, reduce la necesidad de experimentos de remolque costosos, y proporciona una visión profunda de los mecanismos de flujo responsables de reducción de arrastre.

La Física de Arrastre en los buques marinos

Arrastre sobre un casco de barco consta de dos componentes principales: presión (o forma) arrastre y fricción (o fricción de la piel). La arrastre de presión surge de la forma del casco y la separación de la capa de límite, mientras que la arrastre friccional es causada por el estrés de la arrastre ejercido por el fluido sobre la superficie mojada. A velocidades típicas de crucero de los buques comerciales, la arrastre fricción total es 70-80% de la resistencia.

La capa de aire de la capa de la capa de la capa de la capa de la superficie del casco, la bajada del aire, la transferencia de impulso es alta, lo que lleva a un mayor estrés de la superficie. Los revestimientos de la superficie pueden modificar la capa de la superficie alterando la rugosidad de la superficie (que influye en la producción de turbulencia) o mediante la introducción de una condición de deslizamiento en la pared.

El número Reynolds (Re) caracteriza el régimen de flujo. Para los vasos grandes, Re puede exceder 109], lo que significa que la capa de límite es totalmente turbulenta sobre la mayoría del casco. Las comillas que retrasan la transición a la turbulencia cerca del arco pueden proporcionar beneficios adicionales, pero en alta Re el mecanismo primario sigue siendo la reducción de la piel en el régimen turbulento.

Tipos de revestimientos de superficie para reducción de arrastre

Coatings hidrofóbicos y superhidrofóbicos

Los revestimientos hidrofóbicos tienen un ángulo de contacto con agua superior a 90°, mientras que los revestimientos superhidrofóbicos exceden de 150°. Estos revestimientos reducen la resistencia promoviendo el deslizamiento parcial en la pared. En simulaciones, este deslizamiento se modela normalmente utilizando un parámetro de longitud de deslizamiento (la distancia debajo de la pared a la que la velocidad tangencia se extrapolaría a cero).

Superficies texturizadas y bio-inspiradas

Inspirado en la piel de tiburones de agitación rápida, superficies de ribetes, ranuras microscópicas alineadas con el flujo, reduce la arrastre restringiendo el movimiento de azotes de las horquillas turbulentas. Estudios de CFD con Ansys Fluent muestran que las costillas pueden reducir la arrastre friccional en un 5–10% cuando se optimiza para una forma de casco determinada y velocidad.

Aire-Lubrication Coatings

Algunos revestimientos avanzados inyectan o atrapan el aire a lo largo del fondo del casco para crear una capa de gas parcial. Los modelos multifase de Ansys Fluent (por ejemplo, Volumen de Fluid o Eulerian multifase) pueden simular la interfaz de agua del aire y la reducción de la arrastre resultante. Estos sistemas pueden conseguir teóricamente ahorros de energía neta de 10-20%, aunque la implementación práctica requiere una cuidadosa gestión de la inyección de aire y geometría del casco.

Cubiertas compatibles y represivos

Los revestimientos compatibles, fabricados con materiales poliméricos blandos, absorben la energía turbulenta y la transición de demoras. Su efecto es más pronunciado en los números inferiores de Reynolds, pero su durabilidad y rendimiento a largo plazo en los entornos marinos todavía están siendo investigados.

Dinámicas Fluidas Computacionales con Fluidos de Ansys

Ansys Fluent ofrece una amplia gama de herramientas para simular el flujo de fluidos, la transferencia de calor y las interacciones multifase. Para estudios de recubrimiento de casco, las robustas capacidades de fusión del software, modelos de turbulencia y funciones definidas por el usuario (UDFs) lo hacen ideal para modelar los efectos sutiles de los tratamientos superficiales.

Configurar una simulación

El primer paso es crear un modelo 3D de la geometría del casco, a menudo importado como un archivo CAD. El dominio computacional es lo suficientemente grande para evitar interferencias de límite: aguas arriba, aguas abajo y longitudes laterales de 2–5 casco son comunes. Una malla sin estructura con capas de prisma cerca de la superficie del casco es esencial para resolver la capa de límite.

Las condiciones de los límites incluyen una entrada de velocidad (o entrada de flujo de masa) en la cara de arriba, una salida de presión hacia abajo, planos de simetría (si es aplicable), y la superficie de casco definida como una pared de no-deslizante. Para superficies recubiertas, la condición de límite de la pared debe ser modificada para reflejar el efecto de deslizamiento. Esto se hace a través de una UDF que establece la velocidad de la función de la pared local

Para los flujos marítimos, el modelo k-ω SST es una opción popular porque captura los flujos de paredes cercanas y de baja distancia. Para estudios más detallados de interacción de recubrimiento-turbulencia, Simulaciones de gran tamaño de Eddy (LES) o Simulación de Eddy (DES) se pueden emplear, aunque son costosos computacionalmente. Las simulaciones de RANS de Steady son suficientes para muchos estudios de arrastrarismo.

Definir propiedades de cocción

Para recubrimientos hidrofóbicos, el parámetro clave es la longitud del deslizamiento. En Fluent, esto se puede implementar modificando la condición de límite de presión de revestimiento de pared. Para superficies superhidrofóbicas con bolsillos de aire, se puede necesitar una simulación multifase más detallada: la superficie de recubrimiento se modela como un patrón de regiones de sólido y gas, con las regiones de gas establecidas como paredes de clip experimentales libres.

Para superficies de ribete, la geometría exacta de los ranuras se puede fundir directamente si las dimensiones de la ribera son mucho más grandes que el espesor de la capa de límite. Sin embargo, para cascos de gran escala, esto es poco práctico. En lugar, se puede aplicar una rugosidad equivalente o función de pared anisotrópica. Ansys Fluent permite la especificación de la rugosidad direccional utilizando el modelo de “rugia” con distintos parámetros de altura aproximada y ancho de corriente.

Simulación de Corrección y Monitorización

Después de configurar el caso, el solucionador se ejecuta hasta que los residuos se estabilizan y monitorean cantidades (por ejemplo, fuerza de arrastrar, ascensor, momento) convergen. Típicamente, se requieren estaciones de 1000-5000 para RANS estable, mientras que las LES transitorias requieren muchos pasos. El post-procesamiento en los contornos de velocidad o CFD-Post produce, distribuciones de tensión deselladas, diagramas de presión y de reducción de arrastrar.

Estudio de caso: Cocción hidrofóbica en un tanque de hull

Para ilustrar el proceso de modelado, considere un casco simplificado de tanque (por ejemplo, una forma de casco de Wigley o una geometría de tanque real) que viaja a 12 nudos en agua de mar. La longitud del casco es de 250 m, y el número de Reynolds basado en la longitud es de aproximadamente 1.1×109].

Se crea un dominio computacional con dimensiones: 1000 m aguas arriba, 1500 m aguas abajo, 500 m de ancho y 300 m de profundidad. Se genera una malla hexárea estructurada de 8 millones de células, con 20 capas de prisma dando y+ ~ 1. El modelo de turbulencia k-ω SST se utiliza. Dos casos se simulan: un casco desnudo (condicion de no-slip) y un casco recubierto (long = 50μ

Los resultados muestran una reducción del 12% en la resistencia total del casco recubierto, con el componente friccional bajando en 15% mientras la presión sigue siendo casi inalterable. La distribución del estrés de la pared es significativamente menor sobre la superficie de casco recubierto, especialmente en la parte inferior y los lados donde el recubrimiento está expuesto al flujo de alta velocidad.

La visualización de flujo revela un ligero engrosamiento de la capa de límite abajo, pero no efectos adversos en la separación. La simulación confirma que el revestimiento proporciona el mayor beneficio en la sección media y las porciones de popa del casco, donde la capa de límite está completamente desarrollada.

Análisis de los resultados de simulación

Al evaluar el rendimiento de recubrimiento, se deben comparar varias métricas:

  • Coeficiente total de la resistencia (C]D]) – el indicador principal de ahorro de combustible.
  • Coeficiente de arrastre (C]F])] – mide el componente de fricción de la piel.
  • Distribución de la tensión de la vaina – mapas espaciales muestran áreas de alta tensión donde los revestimientos son más eficaces.
  • Los perfiles de velocidad] revelan la condición de deslizamiento y la forma de capa de límite.
  • La energía cinética turbulenta] – indica si el revestimiento suprime la producción de turbulencia.

Comparando múltiples revestimientos (por ejemplo, diferentes longitudes de deslizamiento, geometrías de las tortillas o tasas de inyección de aire) en un estudio paramétrico permite a los ingenieros identificar el revestimiento óptimo para una forma de casco y condición de operación específica. Los análisis de sensibilidad también pueden examinar el efecto de la degradación del revestimiento (pérdida de hidrofobia, desgaste) reduciendo la longitud del deslizamiento o aumentando la rugosidad.

Un matiz importante: un revestimiento que reduce significativamente la resistencia a escala modelo puede ser menos eficaz a toda escala debido a los efectos de número de Reynolds. Ansys Fluent puede simular ambas escalas, y los resultados pueden ser utilizados para desarrollar leyes de escalado. Por ejemplo, el porcentaje de reducción de la resistencia a la arrastre a menudo disminuye con el aumento de Re, por lo que las predicciones a gran escala deben ser realizadas con cuidado.

Validación y desafíos

La validación contra datos experimentales es esencial para cualquier estudio de CFD. Las pruebas de tanques de remolque con placas planas recubiertas o modelos de casco simples proporcionan datos de referencia para la reducción de la resistencia. Sin embargo, los experimentos físicos con revestimientos son costosos y consumen mucho tiempo, por lo que CFD es tan valioso para los recubrimientos de candidatos de baja selección antes de las pruebas.

  • Resolución de mallas:] Resolver adecuadamente la capa de límites cerca de una superficie recubierta requiere una malla muy fina. Superhidrofóbica superficies con microtexturas exigen mallas con decenas de millones de células, a menudo más allá de los límites prácticos para los cascos completos.
  • La precisión del modelo de turbulencia: Ningún modelo es perfecto para todos los flujos. El modelo k-ω SST tiende a subpredecir la separación y la fricción predecible en algunos casos. LES es más exacto pero mucho más costoso.
  • Modelo de la microespacial: Para recubrimientos de lubricación de aire, el comportamiento de la capa de aire es sensible a la tensión superficial, la velocidad de inyección de aire y el movimiento de casco.
  • La durabilidad de la cocina: Las simulaciones suponen que el revestimiento se comporta de forma ideal, pero los revestimientos reales degradan, incrustan o están dañados. La CFD puede modelar estados degradados a través de barridos de parámetro para estimar el rendimiento durante un ciclo de mantenimiento.

Implicaciones prácticas y futuras direcciones

Desde un punto de vista práctico, los operadores marinos están interesados en el ahorro neto de combustible alcanzable con un recubrimiento dado. Ansys Estudios fluidos pueden proporcionar el porcentaje de reducción de la resistencia, que se traduce directamente en ahorro de energía. Para un gran buque de contenedores, una reducción de la arrastre del 10% puede ahorrar varios miles de toneladas de combustible al año y reducir las emisiones de CO2.

Presiones reguladoras, como el Índice de Diseño de Eficiencia Energética (EDI) y el Indicador de Intensidad en Carbono (CII), empujan a los propietarios a adoptar mejoras de eficiencia. Los revestimientos validados por CFD ofrecen una vía de bajo riesgo para cumplir con estos objetivos.

Los futuros desarrollos en la tecnología de recubrimiento incluyen recubrimientos “mart” que pueden cambiar sus propiedades en respuesta a las condiciones de flujo (por ejemplo, campos eléctricos para controlar el deslizamiento), recubrimientos que liberan el aire con una mínima entrada de energía, y recubrimientos duraderos que resisten la bioespiración manteniendo la reducción de la resistencia. Ansys Fluent tiene la capacidad de incorporar física definida por el usuario (a través de UDF y UDS) hace que sea un prototipo ideal para explorar estas innovaciones.

Además, el acoplamiento de CFD con algoritmos de optimización (por ejemplo, solucionador de adjoint o algoritmos genéticos) puede encontrar automáticamente el patrón de recubrimiento óptimo o textura para un casco dado. Ansys El solucionador de unión de Fluent puede computar sensibilidades de arrastre con respecto a la distribución de deslizamiento de pared o rugosidad, permitiendo la forma y la cooptimización de recubrimiento.

Conclusión

Los revestimientos superficiales representan una de las tecnologías más prometedoras y escalables para reducir la resistencia a los buques marinos, ofreciendo el potencial de ahorros significativos de combustible y reducción de emisiones. Ansys Fluent proporciona un marco de simulación potente y flexible para modelar los efectos dinámicos de los recubrimientos, desde el deslizamiento hidrofóbico y las capas de aire superhidrofóbicas hasta las texturas de las costillas y los sistemas de lubricación de aire.

El proceso, desde la creación de geometría, la mecanización, la configuración de las condiciones de límites, el funcionamiento del solucionador, hasta el procesamiento posterior, requiere una cuidadosa atención a la modelación de turbulencias, el tratamiento de la pared y la parametrización de recubrimientos. A pesar de los desafíos como la resolución de malla y la validación de modelos, los estudios de CFD con Ansys Fluent han demostrado ser confiables.