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| HYDROFOILS | ||
| Preguntas o comentarios | ||
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AUTOR: | Tina Rosado |
| E-MAIL: | [email protected] | |
| COURSE: | 2 | |
| CLASE/AÑO: | 2 | |
REQUISITO FUNCIONAL PRINCIPAL: Elevar el casco de las embarcaciones fuera del agua.
PARÁMETRO DE DISEÑO: Hidroplano (Es una lámina o ala bajo el agua utilizada para elevar el casco de las embarcaciones hasta que esté totalmente fuera del agua.)
GEOMETRÍA/ESTRUCTURA:
Detalle de la geometría del hidrodeslizador
EXPLICACIÓN DE CÓMO FUNCIONA/SE UTILIZA:
1. A bajas velocidades, el casco (cuerpo del barco) se encuentra en el agua y los hidroplanos están totalmente sumergidos en el agua.
2. A medida que la velocidad del barco aumenta, los hidroplanos crean sustentación.
3. A cierta velocidad, la sustentación producida por los hidroplanos es igual a la suma de los pesos del barco y de la carga. Por lo tanto, el casco sale del agua.
4. En lugar de tener un aumento de la resistencia al aumentar la velocidad porque el casco se eleva fuera del agua (al contrario de lo que ocurre en los barcos tradicionales debido a la resistencia a la presión), los hidroplanos proporcionan una forma más eficiente de navegar. La disminución de la resistencia contribuye a un mejor aprovechamiento de la potencia necesaria para el movimiento de la embarcación.
Física dominante:
Cómo se produce la sustentación – Dinámica de fluidos.
Para el propósito de este proyecto se presentarán dos explicaciones de forma general y básica. Estas teorías son la aplicación de la ecuación de Bernoullis y la ecuación deEulers para el efecto de curvatura de la línea de corriente.
Ecuación de Bernoullis: Po = P1 + ½
rv1² + rgy1 = P2 + ½rv2² + rgy2
| Variables | Unidades |
| Po Presión de estancamiento | o |
| P Presión | o |
| r Densidad | o |
| V Velocidad | o |
| g Constante gravitacional | o |
| y Altura | o |
Detalle del hidrodeslizador: a) Perfil de presión b) Transferencia de momento c) Circulación d) Líneas de corriente
Esta ecuación se aplica a los flujos a lo largo de una línea de corrienteque pueden modelarse como: invisibles, incompresibles, estables, irrotacionales y para los que las fuerzas del cuerpo son conservadoras. Además, la diferencia en la altura de la lámina (la distancia de la sección inferior a la superior) es lo suficientemente pequeña como para que la diferencia rgy2 – rgy1 sea despreciable en comparación con la diferencia del resto de los términos. Lo que queda es que la presión más la mitad de la densidad por la velocidad al cuadrado es igual a una constante (la presión de estancamiento).
A medida que aumenta la velocidad a lo largo de estas líneas de corriente, la presión disminuye (esto será importante en breve). El fluido que se mueve sobre la superficie superior de la lámina se mueve más rápido que el fluido de la parte inferior. Para conservar el momento angular causado por la rotación en sentido contrario a las agujas del reloj de los vórtices, tiene que haber un intercambio de momento igual pero opuesto al vórtice en el borde de salida de la lámina. Esto conduce a la circulación del fluido alrededor de la lámina. La suma vectorial de las velocidades da como resultado una mayor velocidad en la superficie superior y una menor velocidad en la superficie inferior. Como se presenta en el diagrama, la fuerza resultante o neta (fuerza= (presión)(área)) es hacia arriba. Esta explicación se puede enriquecer con el Principio de Conservación del Momento (Momento = (masa)(velocidad)) Si la velocidad de una partícula con un momento inicial se incrementa, entonces hay un momento reactivo igual en magnitud y opuesto en dirección a la diferencia de los momentos. (Ver diagrama).(Mi = Mf + DM)
Ecuación de Eulers: d(p+rgy)/dn = rv²/R
| Variables | Unidades |
| P Presión | o |
| r Densidad | o |
| V Velocidad | o |
| g Constante Gravitacional | o |
| y Altura | o |
| n Vector en Dirección Radial | — |
| R Radio de Curvatura de la Línea de Corriente | o |
Detalle de la Presión en Puntos sobre un Perfil Aéreo
Aquí de nuevo, el término que se refiere a la altura se supone despreciable en comparación con los otros términos de la ecuación. Esta ecuación dice que a medida que se aleja del centro del radio de curvatura de una línea de corriente, la presión sobre las líneas de corriente aumenta. La superficie superior de la lámina está más cerca del centro de curvatura de las líneas de corriente, por lo que habrá una presión menor que la presión ambiental por encima de la lámina. La diferencia entre la presión en la superficie superior y la presión ambiental en la superficie inferior producirá una presión neta que causará la elevación.(Seediagrama.)
Ángulo de ataque:
Ángulo de ataque
Como se ha presentado, la sustentación proviene de la dinámica del fluido en las zonas que rodean la lámina. Pero la sustentación puede optimizarse colocando el hidrodeslizador en un ángulo (relativo al flujo de fluido entrante) llamado ángulo de ataque (véase el diagrama). El objetivo es optimizar la relación entre sustentación y resistencia. Esta relación depende de la forma de la lámina, que en este caso se considera una lámina fina. Con un ángulo de ataque pequeño, la sustentación aumenta rápidamente mientras que la resistencia se incrementa a un ritmo pequeño. Después de un ángulo de ~10°, la sustentación aumenta lentamente hasta ~15°, donde alcanza un máximo. Después de ~15° puede producirse la entrada en pérdida. Cuando el ángulo de ataque es de 3° a 4° la relación sustentación:resistencia es máxima.Así que el foil es más eficiente en esos ángulos (3° y 4°) con relaciones de sustentación:arrastre de ~ 20 a 25:1
FÍSICA DE LIMITACIÓN:
Detalle de la geometría del hidrofoil
Al principio, la gente puede pensar que la entrada en pérdida puede ser un problema en los hidrofoils como lo es en los airfoils, pero sorprendentemente no lo es. Un ángulo de ataque pronunciado no es necesario en el diseño del hidroplano. Por el contrario, en los hidroplanos se utilizan ángulos de ataque pequeños para optimizar la relación entre la sustentación y la resistencia, como se ha explicado anteriormente.
Lo más importante es el diseño de la hoja, los puntales/soportes y su posición. Todas estas características deben tenerse en cuenta. Así que las características están diseñadas para producir una velocidad mínima que levante el barco de cierto peso y lo mantenga en el foil.
Un problema que puede experimentar una embarcación hidrodeslizante es que la altura de las olas sea mayor que los puntales. Además, si la embarcación viaja más rápido que las olas, las láminas pueden salir a la superficie y fuera del agua, lo que provoca una pérdida de sustentación y un ángulo de ataque negativo cuando la lámina se sumerge en la siguiente ola, haciendo que la embarcación se estrelle contra el mar. Los ingenieros han diseñado hidroplanos para minimizar estas limitaciones y mejorar el rendimiento de los barcos.
PUNTOS/GRÁFICOS/TABLAJES:
No se ha presentado
Algunos hidroplanos y su uso:
Los hidroplanos se han hecho muy populares. Se utilizan en varios tipos de viajes por mar, desde el uso militar hasta los deportes acuáticos. La alta velocidad, la suavidad de crucero y los mejores giros que ofrecen los hidroplanos se han utilizado en los buques militares. La vela también ha adoptado los hidroplanos para ganar más velocidad. Permiten nuevos inventos que pueden satisfacer el deseo de la gente de desafiar el peligro, como el sky ski. Se trata de un esquí acuático con un hidrodeslizador que permite volar por encima de la superficie del agua. Cada día se utilizan más hidroplanos y, en el futuro, puede que sean el método dominante para viajar por mar.
REFERENCIAS/MÁS INFORMACIÓN:
Vea también en este sitio: Airfoil, Sailboats
Alexander, Alan, James Grogono, y Donald Nigg; Hydrofoil Sailing. JuanitaKalerghi: Londres, 1972.
Bertin, John y Michael Smith; Aerodynamics for Engineers, Third Ediotion.Prentice Hall: New Jersey, 1998.
Hook, Cristopher y A.C. Kermode; Hydrofoils. Pitman Paperbags: London, 1967.
Página web de la International Hydrofoil Societys:http://www.erols.com/foiler/index.html