Evaluación numérica de la influencia del modelo de turbulencia en la caracterización hidrodinámica de una hélice marina usando OpenFOAM

Abstract

La caracterización hidrodinámica de una hélice marina permite a diseñadores navales, estimar la potencia requerida por una embarcación para alcanzar la velocidad de diseño. Al no contar en el país con tanques de remolque hidrodinámicos donde realizar pruebas experimentales, una alternativa viable es el modelado numérico usando la metodología de Dinámica de Fluidos Computacional, donde se incluye un modelo de turbulencia que capture la física del fluido acelerado por la hélice. En este proyecto, se propone evaluar la sensibilidad de la predicción del rendimiento de un propulsor marino, respecto al modelo de turbulencia, implementando OpenFOAM.

Se revisó el tutorial “Propeller”, usando el solucionador pimpleFoam para simular flujo turbulento e incompresible con malla dinámica. Luego, se adoptó este tutorial para modelar la hélice E779A y evaluarla en aguas abiertas, con los modelos de turbulencia k-ε y SST k-ω. Finalmente, se estimó la potencia de una turbina Capricorn de 1 [m] de diámetro, para una embarcación ecológica.

Los resultados numéricos de la hélice E779A, tienen buena concordancia comparados con los experimentales del laboratorio INSEAN, donde errores de los casos evaluados fueron menores al 15%. Además, la mayor incertidumbre de los resultados fue Uv%D=2.74 usando el modelo de turbulencia k- ε, mientras que Uv%D=2.65 con SST kω. Por esta razón, se concluye que el modelo de turbulencia SST k-ω captura mejor la hidrodinámica de un propulsor marino. Finalmente, el modelamiento de la turbina Capricorn operando a 7.7 [rev/s], la potencia numérica fue de 39.9 [kW] y la estimación experimental de 20.1 [kW].