Funcionamiento de una vela de succión naval
En los años 80, Jacques Cousteau desarrolló varias patentes sobre la vela de succión. Este dispositivo autónomo permite la impulsión de barcos por medio de la energía eólica.
La idea principal se basa en aspirar el flujo de aire. Este flujo se desprende en la estela de una estructura cilindroide hacia su interior. Con esto, se logra evitar el desprendimiento de la capa límite.
Según dichas patentes, la fuerza de sustentación aumenta notablemente. Crece del orden de 6 veces respecto a un cuerpo sin aspiración. Orientando esta fuerza hacia la dirección de avance, el barco se ve impulsado.
Por ello, se hace necesario un sistema de control inteligente. En Atreydes Ingeniería analizamos estos sistemas para optimizar la navegación moderna.
Esta tecnología se desarrolló en el famoso barco Alcyone. Su diseño ha permanecido inalterado durante décadas. El auge de los combustibles fósiles frenó estas innovaciones. Hoy día, las exigencias ambientales cambian las reglas. Una nueva legislación internacional obliga a reducir el consumo de combustible. Por esto, la vela de succión cobra de nuevo gran sentido. Representa una alternativa limpia frente a las emisiones de efecto invernadero. Puedes conocer otros hitos tecnológicos similares en nuestro Portfolio de Proyectos. Allí detallamos nuestras aplicaciones para el sector marítimo.
Por esto, la vela de succión cobra de nuevo gran sentido. Representa una alternativa limpia frente a las emisiones de efecto invernadero. Puedes conocer otros hitos tecnológicos similares en nuestro Portfolio de Proyectos.
Principios de la vela de succión
Todo comienza cuando la vela de succión se coloca frente a un fluido. El aire se desplaza a una velocidad relativa v . Esto genera un esfuerzo aerodinámico, llamado F .
Este esfuerzo se divide en dos componentes. Primero, una fuerza sustentadora P , perpendicular a la velocidad. Segundo, una fuerza de arrastre R , dirigida en el mismo sentido que la velocidad del aire.
Supongamos que el dispositivo se desplaza formando un ángulo \alpha . Este ángulo interacciona con la velocidad v . El sistema queda sometido a un esfuerzo de tracción T . Dicho esfuerzo corresponde a la proyección de F sobre la dirección de avance.
La tracción aumenta cuanto mayor sea la sustentación. A su vez, el arrastre debe ser lo más reducido posible. El arrastre y la sustentación se expresan por coeficientes sin dimensión.
C_d = \Large \frac {R} { \frac 12 \rho V^2 S}
C_l = \Large \frac {P} { \frac 12 \rho V^2 S}
Donde:
- Cd: coeficiente de arrastre
- Cl: coeficiente de sustentación
- R: fuerza de arrastre
- ρ: densidad del aire
- P: fuerza de sustentación
- V: velocidad del viento
- S: superficie expuesta al viento
Considerando estas expresiones matemáticas, el esfuerzo de tracción T se define así:
T = \frac 12 \rho V^2 S (C_l \cdot sen \alpha - C_d \cdot cos \alpha)
Esta fórmula demuestra un aspecto vital del diseño. Para una velocidad dada, el empuje depende del producto del área ( S ) por el coeficiente de sustentación ( C_l ). Si deseas implementar esta tecnología, en Atreydes Ingeniería calculamos todos estos parámetros para tu embarcación.
“Patente de invención 507.586. Perfeccionamientos en un dispositivo de elevada fuerza de sustentación para utilizar la energía de fluidos en movimiento especialmente para la propulsión eólica de buque. Fondation Cousteau. 30/11/1981”
Aspectos clave del sistema
El diseño de una vela de succión integra la aerodinámica, la mecánica y el control automático. Priorizar unas áreas sobre otras genera problemas difícilmente salvables. En casos extremos, hace que el diseño sea imposible de resolver técnicamente.
Todos los sistemas deben abordarse paralelamente trabajando conjuntamente. Así logramos resolver los estrictos requisitos de alcance, tiempo y coste. En nuestro Servicio de Ingeniería de Diseño y Simulación aplicamos esta metodología integral.
Una vela de succión pesada carece de sentido práctico. Su propio peso restaría fuerza al impulso producido por el viento. La optimización pasa por fabricar la estructura íntegramente en aluminio. Este aluminio debe ser protegido contra la salinidad del mar. Usamos pintura especializada de acuerdo a los estándares marinos vigentes.
La construcción de la estructura requiere la soldadura de este material. Soldar aluminio es un proceso más complicado que soldar acero. Por ello, el uso de bancadas y soldadura robotizada garantizará la calidad. El poco peso del aluminio reducirá las fuerzas inerciales del sistema. Esto favorece directamente la propia estabilidad y resistencia del equipo.
Cousteau planteó un diseño elíptico para la sección de la vela de succión. Posicionó un flap móvil trasero para estabilizar el flujo a la salida. Este flap cambiaba a una posición simétrica según soplara el viento. Estableció un ángulo de ataque óptimo de 20º respecto al viento. En este punto, el perfil alcanzaba su máximo coeficiente de sustentación.
Aumentar este ángulo obliga a incrementar el caudal de aspiración. Llega un momento en que no se puede adherir el flujo. O bien, el caudal necesario es tan grande que resulta inviable. Este caudal requerido es mayor cuanto más fuerte es el viento incidente. Por eso, Cousteau limitó su diseño a vientos máximos de 10 m/s.
La forma elíptica en el barco Alcyone tiene medidas exactas. Cuenta con un eje primario de 2,05 m y un secundario de 1,35 m. Su excentricidad calculada es de 0,66. Esta geometría permite instalar un gran ventilador axial en el interior.
Dicho ventilador usa una hélice de 1250 mm de diámetro. Puede dar un caudal de aspiración máximo de 100.000 m3/h. Esto equivale a un gasto máximo de 34 kg/s para 10 metros de altura. Hoy, esta geometría se optimiza rápidamente mediante análisis CFD avanzados.
Actualmente hay dos formas de caracterizar el comportamiento aerodinámico de un cuerpo. Podemos usar ensayos de túnel de viento o simulaciones digitales CFD. Al analizar una vela de succión, hay que ajustar el número de Reynolds. El flujo interior del perfil debe cuadrar milimétricamente con el flujo exterior.
Al ensayar modelos a escala física, surge un gran problema práctico. Los orificios de aspiración ya son pequeños a escala real. En el modelo, se reducen al orden de unos pocos milímetros. Son dificilísimos de manipular y se taponan con facilidad, distorsionando los resultados. Este método resulta demasiado lento para optimizar geometrías.
Las simulaciones CFD constituyen una herramienta mucho más rápida y precisa. Permiten crear geometrías alternativas y probar diferentes opciones de diseño. Los resultados se obtienen rápidamente comparados con el túnel de viento. Debido a la complicación real del flujo de aspiración, es la metodología más indicada.
El perfil aerodinámico debe mostrar la misma geometría en ambos lados. Cuando el viento cambia, las posiciones del flap y la superficie deben intercambiarse. Cousteau propuso una vela de succión con dos zonas de aspiración independientes. Una de ellas es sellada por el flap según el ataque del viento.
Esto plantea resolver dos problemas mecánicos fuertemente acoplados. El primero es que el flap tiene que girar para adaptarse al viento. El segundo, y más importante, es sellar la zona inactiva. Si parte del flujo se pierde, la capa límite no se adhiere. Requeriríamos más caudal, pero la capacidad de los ventiladores es limitada.
Además, el flap debe moverse con componentes externos conectados a la estructura. Al estar a la intemperie, soportará cargas inerciales y de viento. Introducirá cargas adicionales sobre los propios mecanismos de guiado. También debe garantizar el sellado perfecto mediante juntas marinas anticorrosión.
Las soluciones actuales proponen dejar el flap completamente fijo a la estructura. Así, el montaje se simplifica enormemente para soportar mejor las cargas inerciales. Esto también facilita el delicado sistema de control automático. El ahorro económico en mecanismos y motores de giro es muy considerable.
A cambio, debemos modificar la geometría para optimizar el coeficiente de sustentación. Este coeficiente decrece del orden de un 10% respecto al diseño de Cousteau. También implica un aumento del caudal absorbido requerido. Esto se traducirá en aumentar el diámetro del ventilador, algo totalmente asumible.
En las simulaciones CFD usamos una condición de contorno para la adherencia. Se define como un gasto másico de aire entrando por la superficie. En la realidad, esto exige una verdadera diferencia de presión interna y externa. Esta depresión se consigue instalando un ventilador que mueve el aire.
Cousteau colocó este ventilador en la parte superior del perfil. El aire entra a través de pequeños taladros circulares perforados. Sin embargo, la distribución de presiones no es constante a lo largo de la vela de succión. Por tanto, el caudal absorbido a través de cada taladro será diferente. El aire pasará más donde encuentre mayor presión exterior.
Viendo las gráficas de presiones estáticas, el comportamiento es claro. El caudal será menor en los taladros alejados del flap. Por el contrario, aumentará en los taladros cercanos al mismo. Lo único que permanece constante en el sistema es la potencia del ventilador.
Necesitamos caudales altos para absorber la estela a presiones medias altas. Los ventiladores axiales son la mejor opción frente a los radiales. Estos últimos proporcionan depresiones altísimas pero a caudales demasiado bajos. Los ventiladores axiales rotan para conseguir gran depresión aguas abajo.
El caudal movido depende fuertemente del radio de las palas. La depresión conseguida depende del número y ángulo de dichas palas. Hay que tener muy en cuenta las pérdidas de carga del sistema. Si tenemos el ventilador arriba, las pérdidas serán mayores en el fondo.
La pérdida de carga a través de la rejilla perforada es crítica. Será mayor cuanto menor sea el diámetro del orificio diseñado. Si el taladro es muy pequeño, el ventilador no proporcionará la depresión necesaria. Habrá que operar a menor velocidad de viento para compensar. Otra solución es ensayar a escala real representativa para determinar estas pérdidas exactas.
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