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.
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 (Cl \cdot sen \alpha - Cd \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 ( Cl ). 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
Diseñar una vela de succión integra aerodinámica, mecánica y automatización. Priorizar un área sobre el resto genera problemas técnicos complejos. Todos los sistemas deben abordarse conjuntamente. Puedes consultar nuestro Servicio de Ingeniería de Diseño para entender este enfoque integral.
Construir una vela de succión demasiado pesada es un error. Su propio peso restaría fuerza al impulso del barco. La optimización exige fabricar la estructura en aluminio naval.
Este material requiere protección especial contra la salinidad. Además, usamos soldadura robotizada para garantizar la máxima integridad estructural de la pieza.
Cousteau planteó una sección elíptica muy particular. Incluyó un flap móvil trasero para estabilizar el flujo. El sistema requería un ángulo de ataque óptimo de 20º. Superar este ángulo exigía un caudal de aspiración desproporcionado. La geometría debe ajustarse para encontrar el equilibrio perfecto de presiones.
La forma original en el barco Alcyone permitía incluir un gran ventilador axial. Este ventilador podía dar un caudal máximo de 100.000 m3/h. Hoy, podemos iterar esta geometría usando software avanzado para obtener mejores coeficientes.
Existen dos formas de medir el comportamiento aerodinámico. Por un lado, tenemos los ensayos en túnel de viento. Por otro, las simulaciones por ordenador o CFD.
Ensayar una vela de succión a escala presenta problemas. Los orificios de aspiración se vuelven diminutos y se taponan fácilmente. Por ello, las simulaciones CFD son la herramienta más rápida y fiable actualmente.
El perfil debe ser simétrico ante el viento de babor o estribor. Cousteau proponía mover un flap para lograr esta simetría. Esto plantea un enorme reto mecánico en altamar. El principal problema es sellar correctamente la zona inactiva para no perder presión.
La ingeniería actual simplifica la vela de succión fijando este flap. Así, la estructura gana resistencia ante cargas inerciales. Aunque se pierde algo de sustentación, la fiabilidad general del equipo se multiplica de forma exponencial.
Para lograr la adherencia de la capa límite, hace falta presión negativa. Esta depresión interna se consigue mediante ventiladores industriales. El aire exterior entra por pequeños taladros perforados en la superficie cilíndrica.
La presión no es constante a lo largo de la vela de succión. El caudal varía dependiendo de la ubicación de los orificios. Es imprescindible calcular las pérdidas de carga en la rejilla. Si el taladro es muy pequeño, el ventilador podría no absorber el volumen de aire necesario.