Proyecto de tesis: DSSAIL

PROYECTO DE TESIS DOCTORAL

Desarrollo de un sistema de apoyo a la decisin para diseo y maniobra de la jarcia y arboladura de veleros

Doctorando: Inmaculada Ortigosa BarragnDirector: Julio Garca EspinosaDepartamento de Ciencia e Ingeniera NuticaFacultad de Nutica de Barcelona- UPCNDICE

1. Datos personales22. Ttulo provisional23. Resumen del proyecto3.1. Introduccin...23.2. Descripcin del proyecto.34. Objetivos del proyecto4.1. Objetivos cientficos.64.2. Objetivos ambientales.64.3. Objetivos socio-econmicos...74.4. Impacto en la seguridad de las personas95. Estado del arte..106. Plan de trabajo..187. Bibliografia.23

1. DATOS PERSONALES

Doctorando: Inmaculada Ortigosa Barragn

Director de tesis: Julio Garca Espinosa

2. TTULO PROVISIONAL

Desarrollo de un sistema de apoyo a la decisin para diseo y maniobra de la jarcia y arboladura de veleros.

3. RESUMEN DEL PROYECTO

3.1. Introduccin

Existe un creciente inters en Espaa y en todo el mundo, en el desarrollo de la industria nutica y en particular del uso de veleros. Este proyecto pretende contribuir a ese objetivo con el fin de poder llegar a disear velas ms eficientes desde un punto de vista estructural y propulsivo. Con este fin se pretende desarrollar e integrar un Sistema de Apoyo a la Decisin (SAD) para la asistencia en el diseo y maniobra de velas.

Los sistemas de apoyo a la Decisin

En el diseo de velas es indispensable el disponer de instrumentos de toma de decisiones. Este tipo de instrumentos son utilizados en otras ramas de la ciencia y la ingeniera. Algunos ejemplos de actualidad de simulacin numrica en el campo de ingeniera civil nos lleva a la utilizacin de sistemas expertos, provistos de mdulos de inteligencia artificial, para la solucin de problemas tradicionales como puede ser el diseo de instalaciones de infraestructuras urbanas de servicios, analizando la solucin ptima segn distintos criterios de estudio definidos previamente por el usuario en tiempos de anlisis muy inferiores a los tiempos demandados en estudios de simulacin convencionales, o bien los sistemas de prevencin y gestin del riesgo de inundacin en reas urbanas.

3.2. Descripcin del proyecto

El sistema de apoyo a la decisin que se pretende desarrollar en este proyecto, estar basado en la integracin de un sistema de sensores inalmbricos montados en la jarcia[footnoteRef:2], conectados continuamente a un sistema de clculo/simulacin que permita conocer en cada momento las condiciones estructurales de trabajo no slo de sta sino de cada uno de los elementos de la arboladura[footnoteRef:3], as como el rendimiento de las velas. Este sistema permitir predecir el comportamiento estructural y el rendimiento de las diferentes configuraciones de la jarcia de un velero, lo que permitir incrementar el nivel de seguridad de este tipo de embarcaciones, desde las etapas iniciales del diseo, hasta el da a da de la navegacin. Adems, permitir definir criterios fiables de optimizacin del diseo a la vez que incrementar el rendimiento de la embarcacin en competicin. [2: Jarcia: Nombre general con que se denomina al conjunto de cables y cabos que se emplean para asegurar la arboladura.] [3: Arboladura: Conjunto de mstiles de un velero.]

En este proyecto concretamente se desarrollar el sistema de clculo/simulacin que pueda alimentarse de la lectura en tiempo real de sensores dispuestos en el barco. Este sistema de clculo/simulacin estar basado en avanzadas herramientas numricas que van desde la aplicacin del mtodo de elementos finitos para el clculo de estructuras de materiales, hasta el anlisis fluidodinmico, incluyendo lgicamente los ltimos avances cientficos en la modelizacin y tratamiento matemtico de estos elementos, cmo la integracin fuerte fluido-estructura entre el modelo de membrana/cable de la vela y el aire. Para ello se partir de un modelo de clculo estructural existente, desarrollado por Aula FNB en colaboracin con CompassIS, y que est basado en un mtodo cuasi-esttico con una formulacin para grandes desplazamientos tpica del mtodo de los elementos finitos, e incluye modelos de membranas, cables y barras. El punto de partida de la herramienta de simulacin de la dinmica de fluidos es el mtodo de vrtices (elementos de contorno).

Durante este proyecto se avanzar tanto en el acoplamiento de estas herramientas, como en sus algoritmos de clculo de manera que sean capaces de dar respuestas precisas en tiempo real. Los algoritmos se adaptarn a las ltimas novedades tecnolgicas en las cuales se considera la viscosidad del fluido y se introducir en el software un algoritmo de simulacin de maniobra.

El software de simulacin se comunicar en tiempo real con la sensrica inalmbrica a travs de interfaces y filtros adecuados. Esta informacin se utilizar en los algoritmos de clculo numrico para determinar los esfuerzos que est sufriendo la estructura y evaluar el rendimiento global del velero. La comunicacin con los modelos de clculo numrico se har gracias a la adaptacin de una librera especializada desarrollada por la empresa Compass Ingeniera y Sistemas, que utiliza Tcl-sockets (protocolo TCPIP) para la comunicacin en memoria de informacin entre diferentes sistemas. La constante monitorizacin del aparejo y la capacidad predictiva del sistema de clculo posibilitan su uso como alarma. El resultado de esta integracin ser un sistema que permita analizar el comportamiento y las situaciones crticas de trabajo que pueden encontrarse en toda la estructura de soporte de las velas y en las propias velas. Por otro lado, la incorporacin de este mismo sistema de clculo predictivo de datos tomados en tiempo real mediante sensores posibilita la creacin de un sistema experto de ayuda a la maniobra de las velas. La adaptacin de herramientas existentes y el desarrollo de nuevas para la ayuda al diseo aerodinmico y estructural de las velas, se considera de gran valor cientfico tcnico y como un elemento que puede mejorar de manera muy significativa el rendimiento, la confortabilidad, la velocidad y la seguridad de este tipo de embarcaciones, pudiendo adems aplicarse en otros diseos en los que estos problemas se consideran crticos.

Pero, el desarrollo de herramientas numricas para la ayuda al diseo, no siempre es til por s slo. Esto es debido a que este tipo de herramientas requieren de un proceso de aprendizaje y asimilacin para ser incorporadas al ciclo de diseo del buque. En este proyecto se pretenden desarrollar metodologas de diseo de jarcia, arboladura y velas que permitan incorporar de manera sencilla y econmica las nuevas herramientas desarrolladas en el ciclo de diseo, hacindolas adecuadas para su utilizacin por pequeas y medianas oficinas de diseo y astilleros.

Los resultados tericos de la herramienta se evaluarn haciendo uso de las medidas experimentales y pruebas a escala real, realizadas sobre modelos a escala 1:1 y sobre una vela instalada en una embarcacin, mediante sensores inalmbricos.

Figura 1. Barco GP42 seleccionado como base para la implantacin y pruebas del sistema.

4. OBJETIVOS DEL PROYECTO

Se destacan a continuacin los principales objetivos cientficos, tecnolgicos, medioambientales y socio-econmicos derivados de la realizacin de este proyecto.

4.1. Objetivos cientficosEl objetivo cientfico principal es el desarrollo y validacin de mtodos innovadores, basados en tcnicas de ingeniera computacional, para desarrollar e integrar un Sistema de Apoyo a la Decisin (SAD) para la asistencia en el diseo y maniobra de velas.

4.2. Objetivos ambientalesEl uso de la vela cmo fuente de propulsin en un buque supone una alternativa ecolgica a la propulsin a motor, aprovechando una energa inagotable cmo es el viento. El mejor conocimiento de este instrumento propulsivo, puede permitir su adaptacin futura, como elemento auxiliar a embarcaciones comerciales.4.3. Objetivos socio-econmicosEl objetivo ltimo del proyecto es la implantacin de metodologas de diseo para velas. En una poca de crisis de la construccin naval en Espaa, hay una parte de su industria que se encuentra en una fase de verdadera expansin; la nutica deportiva y de recreo. Diferentes anlisis de este sector nos llevan a concluir que la coyuntura actual es idnea para su despegue definitivo. Por una parte la comparacin del mercado nacional con el de su entorno ms prximo, revela que el nmero de usuarios es muy superior al que la industria nacional puede satisfacer y que este nmero an tiene que crecer mucho para alcanzar la media de los pases de nuestro entorno. Slo para introducir unas cifras, el nmero de habitantes por embarcacin es del orden de 50 en Francia, 70 en Italia, 10 en Holanda, mientras que en Espaa es del orden de 300. Adems el volumen de facturacin de la industria nutica en Francia o Italia es varias veces superior al espaol.

Por otro lado, el nivel de divulgacin que tiene la nutica desde finales del ao 2003, va a ser difcil de superar. Dos acontecimientos hacen que Espaa se haya convertido en el escaparate de la vela en el mundo en los tiempos recientes, por un lado la disputa en aguas de Valencia de la XXXII edicin de la copa Amrica de vela y por otro, las ciudades de Alicante (2008) y Vigo (2005) como punto de partida de Volvo Ocean Race (la vuelta al mundo de vela).

Desde un punto de vista productivo de embarcaciones, las cifras muestran un crecimiento sostenido del sector, tanto en nmero de embarcaciones matriculadas (un crecimiento del orden del 5% anual), como de empresas constructoras y de exportaciones (del orden del 10% y 15% anual respectivamente). A pesar de este crecimiento y como ya hemos mencionado, la balanza exterior es muy deficitaria, siento el nmero de unidades importadas cuatro veces mayor que el de importadas.

En el caso de las matriculaciones, centrndonos en el litoral mediterrneo, en algunas Provincias Martimas se ha producido un incremento muy significativo de las matriculaciones, el caso de Tarragona es un buen ejemplo, con un incremento de matriculaciones del 25% en el perodo 2004-2005.

Los beneficios en la aplicacin de un sistema tan novedoso como el que se pretende desarrollar en este proyecto son numerosos. No cabe desdear el potencial de mejora que tiene esta industria si se facilita el acceso a ella por parte de un pblico ms numeroso. Se ha de tener en cuenta que a da de hoy la mayor parte en la venta de embarcaciones de recreo se debe a las embarcaciones exclusivamente de motor. Una de las causas de esta situacin es la inherente complejidad del manejo de las velas, ya que prcticamente todo el mundo est acostumbrado al concepto de volante y acelerador pero no a los que se requieren para el uso de la propulsin vlica. Un sistema experto que permita la tutorizacin del usuario en el uso de las velas tendra una gran repercusin en la difusin de la navegacin y por extensin en la industria, porque no hay que olvidar, que a tamao similar un barco a vela es del orden del 50% menos costoso que uno de motor. En conclusin, el acercamiento de ms gente al uso de la vela permitira una expansin del sector. Otro beneficio del sistema se da por partida doble como consecuencia de una mejora en el rendimiento de la embarcacin. El sistema de ayuda a la decisin puede, de forma sencilla, servir de indicacin a la correcta orientacin de las velas. A su vez, esto genera una mayor velocidad media en travesas lo que mejora por un lado el disfrute del usuario y por otro fomenta el ahorro de combustible. Desde el punto de vista puramente industrial, la oferta de este paquete es enormemente atractiva. Esta herramienta permitir, de forma automtica, disear y analizar nuevos modelos de velas, investigar la conveniencia y efectos de nuevos DSSAIL - Desarrollo de un sistema de apoyo a la decisin para diseo y maniobra de la jarcia y arboladura de veleros materiales y/o geometras, etc. Todo ello implicar una inmediata reduccin de costes econmicos respecto a los tradicionales mtodos de diseo, una mejora de la calidad y seguridad de los productos, junto a un mejor control de costes y calidad en la cadena de proceso

4.4. Impacto en la seguridad de las personasOtra implicacin del proyecto es la mejora de la seguridad a bordo. La constante monitorizacin del aparejo y la capacidad predictiva del sistema de clculo posibilitan su uso como alarma. De esta manera es posible codificar la informacin de cargas del aparejo y traducirla a mensajes concretos que los usuarios puedan entender con facilidad. Esto ayudara en la prevencin de accidentes como el ocurrido al barco espaol participante en la edicin de 1999 de la Copa Amrica, el Bravo Espaa. En este accidente perdi la vida Martn Wizner al salir despedido uno de los herrajes que sujetan el aparejo tras romperse su soporte.

Este accidente no es un caso aislado. Isabel Autissier en 1994 sufri una rotura del anclaje de un obenque, esto provoc que el mstil se viniera abajo con el resultado catastrfico de abrir un grave agujero en la cubierta. Esto oblig a un rescate en alta mar que cost a la marina australiana 5,8 millones de dlares.

El pasado ao, Brasil 1, un barco participante en la Volvo Ocean Race perdi su mstil de una forma similar. Una pieza tan simple como el pasador que sujeta uno de los cables cedi. Esto causo la rotura del aparejo con un coste estimado de 800.000. En este caso el barco sobrevivi al accidente pero no sin un importante desembolso econmico.

Estos son solamente algunos ejemplos de proyectos de alto perfil. Accidentes de este tipo ocurren tambin en el uso habitual de las embarcaciones de recreo con la salvedad de que en el mayor nmero de ocasiones la prensa no se hace eco de ello.

Por otra parte, los desarrollos que se llevarn a cabo en este proyecto son directamente extrapolables a estructuras de barras/cables/membranas que son habituales en obra civil (por ejemplo como cerramientos de pabellones). La aplicacin del SAD en estos campos, aumentar sin duda los beneficios derivados de la realizacin de este proyecto, y en particular los relativos a la seguridad en este tipo de estructuras.

5. ESTADO DEL ARTE

Se han producido diversos intentos de "modelizar" el comportamiento de las velas, tratando de resolver simultneamente los problemas dinmico y estructural que se plantean:

Dinmico (D): Comportamiento aerodinmico de la vela tratada como un perfil que da lugar a un campo de presiones y velocidades, en su espacio circundante, generando circulacin.Estructural (E): Comportamiento de la vela como una membrana elstica ( inelstica flexible) que se deforma bajo la accin del campo de presiones circundante.

Es necesario para abordar el problema establecer criterios restrictivos o simplificaciones que "alivien" el mismo, o plantear no la solucin de todos los parmetros en juego sino relaciones entre ellos cuya optimizacin sea significativa en la solucin del problema.

Todo ello contando, por supuesto, con las restricciones que pueden imponer criterios exteriores de seguridad o reglamentos de competicin.

El criterio inicialmente ms extendido era el de conseguir una relacin Sustentacin / Resistencia lo ms beneficiosa posible, lo que posee significado desde el punto de vista aerodinmico pues conduce a un coste mnimo durante el desplazamiento.Sin embargo el "ptimo" desde el punto de vista de la navegacin a vela, al no consumirse combustible, ser el de conseguir mximo empuje sin sobrepasar el mximo par escorante que es capaz de soportar el barco.El velero es un cuerpo movindose en el s de dos fluidos, el casco se mueve en la interfaz agua-aire, las velas y la arboladura se mueven a travs del aire. Un cuerpo movindose en el s de un fluido genera a su alrededor una fina capa lmite, en la que los efectos viscosos y rotacionales tienen una gran importancia. As el cuerpo acta como un generador de vrtices, creando vorticidad en la capa lmite y dejndola a su paso a travs de los bordes de salida, dando lugar a una estela de flujo detrs del cuerpo.Las velas son superficies finas sustentantes que operan a nmeros de Reynolds moderadamente altos en un flujo de velocidad pequea, por lo que es natural que se modelen como superficies finas cargadas de vorticidad en un fluido incompresible y no viscoso. Los modelos numricos para calcular la sustentacin y el arrastre de las velas, son predominantemente los mtodos de entramado de vrtices para fluidos considerando el fluido no viscoso. El primer modelo lo desarroll Milgram [1a,1b] a finales de los sesenta. Las velas se representaban como un entramado de vrtices y las estelas se representaban mediante planos. El procedimiento se utiliz a la inversa para problemas de diseo, a partir de un campo de presiones disear las formas necesarias de la vela. La siguiente publicacin de avances significativa fue el trabajo de Greeley et al.[2]. Ellos resolvieron el anlisis del problema iterando con los vrtices de la estela hasta que convergan con la direccin de la componente horizontal de las lneas de flujo en cada paso de tiempo. Otra novedad fue que, las velas y sus imgenes fueron escoradas con respecto al plano de imagen.Ramsey [3] hizo el siguiente paso en el desarrollo numrico de la hidrodinmica de velas, incluyendo la aerodinmica de la porcin que queda por encima del agua del casco. Las velas se representan mediante un entramado de vrtices y las estelas son superficies convectivas que se determinan por iteracin. El casco se representa con paneles de fuente. Si la vela est sellada a la cubierta del casco la conservacin de la circulacin se lleva a cabo como continuacin de la vela a travs de la cubierta, hacia el plano del agua. En las pruebas realizadas, propuso un perfil logartmico para la velocidad verdadera del viento

El modelado de velas por discretizacin mediante un entramado de vrtices fue un rea muy activa de investigacin durante los ochenta y los noventa (Jacksons y Fiddes [4]). Un rasgo comn en muchos mtodos de entramado de vrtices es considerar un sistema de lneas de vrtices como equivalencia de la distribucin contnua de doblicidad, incluyendo la equiparacin de las fuerzas que actan en la placa de dobletes a las fuerzas que actan en la lnea de vrticies que forman el entramado. Se asume que el flujo es estable, incompresible y no viscoso, aunque un requisito posterior ser introducir unos clculos de capa lmite.En 1996 Fiddes & Gaydon [5] propusieron un nuevo mtodo de entramado de vrtices. En este mtodo el flujo sobre la vela es considerado como una combinacin de flujo entrante no uniforme y un campo de velocidad perturbado. La velocidad de perturbacin es irrotacional y puede ser descrita por un potencial de velocidad que satisface la ecuacin de Laplace, aunque el flujo entrante puede contener vorticidad. La vorticidad est presente en las superficies final representando las velas y las estelas.La superficie de la vela, que contiene la distribucin continua de doblicidad se discretiza en un conjunto de paneles, cada uno contiene un valor local constante de doblicidad que es identificado como el actual valor de la doblicidad en algn punto del panel. Este punto interno es el punto de colocacin y es dnde se aplica la condicin de contorno de flujo tangencial. Algunos autores han adaptado una discretizacin simple, la superficie se discretiza uniformemente en paneles iguales de forma rectangular y el punto de colocacin colocado en el centro geomtrico del panel. Para flujos en dos dimensiones, hay estudios [6] que demuestran que si el vrtice est localizado en de la cuerda y el punto de colocacin a de la cuerda, el coeficiente de sustentacin para una placa plana es exacto. Otro mtodo de distribucin de vrtices y puntos de colocacin fue propuesto por Jackson y Fiddes [4], este mtodo en estudios de dos dimensiones di muy buenos resultados con pocos paneles. En estudios de tres dimensiones los valores calculados de la doblicidad se usaron para dar una superficie adecuada usando una dependencia funcional, sugerida por la teora de superficies sustentantes, consiguiendo resultados muy buenos. Otra de las diferencias de este mtodo con otros propuestos es que la estela generada tiene su punto de partida en el borde de salida del flujo y en el borde inferior de la vela. Una inspeccin de la estela de un modelo a escala 1/40 del IACC conducida por Locke et al. [7] demostr que el sistema de vrtices de la vela consta de unos fuertes vrtices en el borde inferior de la vela, por lo que la estela generada en el borde inferior debera ser considerada. El clculo de la relajacin de la estela es una parte importante del clculo. El procedimiento de relajacin adoptado aqu es iterativo, dnde una estela inicial con una forma prescrita se relaja por la alineacin de los filamentos de vrtice con la direccin del flujo local.El modelo tambin incluye la consideracin viscosa, usando un simple mtodo de integral de capa lmite, basado en lneas finas, para dar una estimacin del perfil de niveles de arrastre en las velas. El mtodo usado es el mtodo de capa lmite propuesto por Jackson & Fiddes [8].

En este mismo ao, 1996, Jackson [9] propuso un modelo que con la suma de la teora de lnea sustentadora al modelo de Kerwin [8] explicara los efectos de trimado de las velas. El trimado es difcil modelarlo ya que la vela es un ala con una infinitamente ajustable distribucin de curvatura y torsin a lo largo de su vano. Tambin se ha de considerar que la escora no est fijada, y puede variar considerablemente para una misma direccin del barco. Si el barco est escorado un determinado ngulo, el ngulo de viento aparente vara. Esto hace variar los coeficientes de sustentacin y arrastre, por lo que en el modelo se propone el mtodo de clculo para los coeficientes de sustentacin y arrastre del velero escorado.Muchos autores han hecho comparaciones entre medidas con flujos no uniformes y flujos uniformes, y han llegado al acuerdo general de que los efectos de no uniformidad en los coeficientes de fuerza se pueden considerar usando como velocidad de referencia el flujo incidente a la altura igual a la altura aparente dnde acta la sustentacin, o alternativamente, la altura a la cual la presin dinmica incidente toma su valor medio. La primera sugerencia la dio Kerwin [10], la altura apropiada era el 40% de la altura del mstil, idea que fue respaldada por resultados de ensayo. Ms tarde Flay [11] demostr que los coeficientes de sustentacin, arrastre y momento para una escora y un ngulo aparente particular, tenan los mismos valores para un flujo uniforme suave que para un flujo no uniforme.En este modelo el efecto del trimado se consider siguiendo los modelos propuestos por Kerwin [10] y Hazen [12], los cuales cuantifican el efecto del trimado en los coeficientes de fuerza incluyendo dos nuevas variables relacionadas con el trimado.

Otro modelo a destacar, de este mismo ao es el propuesto por Charvet et al. [13]. ste modelo numrico est basado en un cdigo de superficies sustentantes para las velas y mtodo de los vrtices para la estela. Esta descripcin del flujo se suplementa considerando el problema interaccin fluido estructura, la interaccin de la superficie del agua en el flujo, el efecto del flujo aparente no homogneo [1], el movimiento del casco y la interaccin de las velas.La interaccin fluido-estructura es importante por la alta flexibilidad de las velas, por lo que se desarrollaron teoras no-lineales para los clculos estructurales [14,15].El modelo bsico est basado en una distribucin de dobletes en las velas y la discretizacin de vorticidad en la estela por medio de partculas. Las partculas en las que se discretiza la estela se definen por su circulacin y por un punto que puede ser el centro geomtrico de la partcula, el centro de vorticidad o cualquier otro punto caracterstico de la partcula. Chorin [16] propuso una extensin del mtodo para considerar efectos viscosos y Rebbach [17] extendi el mtodo a flujos en tres dimensiones. No obstante, en este trabajo no se consideran los efectos viscosos.El flujo genera en la vela unas presiones que hacen variar su forma, el paso de una forma a otra de la vela es debido a su flexibilidad, ms que a su extensibilidad. Como resultado las velas pueden cambiar su forma sin variar la energa interna de su fabricacin. Este fenmeno se puede predecir con un modelo mecnico de largos desplazamientos, pero en este trabajo se consider que es un modelo demasiado difcil para una primera aproximacin de la interaccin fluido estructura. En el mtodo considerado se distinguen dos pasos, en la prediccin de la forma de equilibrio. En el primer paso se calcula el campo de presiones aerodinmico con la forma inicial y se evala la forma resultante. Las configuraciones admisibles son aquellas que mantienen constante la distancia entre vecinos, por lo que no hay variacin de la energa interna, y la solucin de la configuracin es la que maximiza el trabajo de las fuerzas aerodinmicas. Se usa un esquema iterativo hasta que converge la forma. En el segundo paso se considera la elasticidad, se hace un anlisis de pequeos desplazamientos para la configuracin precedente considerndolo un problema de elasticidad lineal clsica y se determina la nueva configuracin. El mtodo da buenos resultados para mdulos de Young grandes. Para calcular la tensin elstica se acopla un modelo clsico de elementos finitos al mtodo de vrtices, asumiendo que las velas son isotrpicas. Las formas resultantes del segundo paso son muy parecidas a las que resultan del primer paso, por lo que los desplazamientos calculados linealmente se pueden subestimar.La interaccin entre las dos velas es modelada mediante una deflexin de la estela de la gnova, por eso se justifica el uso de un mtodo de partculas de vrtice antes que una simple proyeccin de la estela en una superficie predeterminada.

En 1998, Le matre et al. [18] propusieron una aproximacin alternativa al modelo de interaccin fluido estructura propuesto por Charvet. En su modelo asumen que la vela puede ser correctamente considerada una estructura de red formada por cuerdas elsticas. Esta aproximacin es equivalente a considerar slo deformaciones elsticas en un nmero finito de direcciones, dadas por el material. La aproximacin de red de cuerdas es una forma aproximada del modelo no lineal de membranas y da lugar a una ecuacin variacional de mnimo de energa, que se resuelve funcionalmente con relajacin.

Para el anlisis aerodinmico la teora de superficies sustentantes, o mtodo de entramado de vrtices, es la ms usada, dando lugar a buenos resultados en el caso de velas que navegan a barlovento. Este mtodo supone el flujo potencial, por lo que para mejorar el anlisis se han de incluir efectos de viscosidad. Los efectos de viscosidad son importantes ya que hay partes de las velas en las que se produce separacin del flujo y la interaccin entre mltiples velas es en parte causa del movimiento del fluido causado por la viscosidad. Por ello, para la mejor realizacin del movimiento del fluido es necesario un anlisis completo de las ecuaciones de Navier-Stokes. Ejemplos de modelos que analizan el flujo turbulento alrededor de vehculos marinos y que han sido validados, son los propuestos por Kim & Van [19] y Kim et al. [20]. Los modelos basados en la resolucin de las ecuaciones de Navier-Stockes, son los denominados RANS (Reynolds Averages Navier-Stokes), los cuales son ms costosos computacionalmente. Estos mtodos son los ms utilizados en la resolucin de la aerodinmica de velas a sotavento, en las cuales la separacin de flujo es muy importante. En las velas a barlovento, el mtodo potencial de entramado de vrtices es un mtodo que da muy buenos soluciones por lo que es el ms extendido.

Krebber y Hochkirch [21] investigaron los cambios en las fuerzas de la vela al cambiar el trimado de las velas. La aproximacin est basada en una variacin sistemtica que cambia la curvatura y el giro de la vela en cuatro pasos equidistantes. Para los clculos alrededor de las velas se usa un cdigo basado en RANS.En los resultados del anlisis se comprueba que el giro de la vela influye en el coeficiente de sustentacin de manera que, al aumentar el giro el coeficiente de sustentacin disminuye y la curvatura no influye de manera muy notable en el coeficiente de sustentacin. Tambin se comprueba que el arrastre vara mucho al variar el giro y que la relacin con la curvatura es ms lineal y ms suave. La altura del centro de esfuerzos tambin depende del giro y de la curvatura, disminuye cuando aumenta el giro y la relacin con la curvatura es lineal y suave. En resumen, la relacin entre la sustentacin, el arrastre y el centro de esfuerzo con la curvatura parece ser prcticamente lineal y la variacin con la direccin de giro es de mayor orden.As pues es importante considerar el trimado de las velas en el modelo de clculo. Como ya se coment anteriormente, un modelo robusto que considera el trimado fue formulado por Hazed [12].

Otro paso importante en el anlisis de velas es el realizado en el trabajo de Spalatelu-Lazar et al. [22]. En este modelo, la vela se presenta como una estructura triangular hecha de material composite bien modelada como membrana orthotrpica. Bajo la presin del viento, la vela padece grandes desplazamientos y pequeas tensiones. Se requiere la pretensin inicial que asegura que la vela est razonablemente libre de arrugas y el parmetro de diseo es la orientacin de las velas. Se considera que la presin que acta en las velas es constante y el modelo est hecho para una mayor, la cual no es muy curvada. La solucin numrica se obtiene con un mtodo modificado de Newton-Raphson y el mtodo de optimizacin utiliza el algoritmo Nelder-Mead, eficiente para resolver problemas no lineales. Los resultados obtenidos con este mtodo son buenos, pero el precio a pagar por considerar la orthotropia de las velas es un gran aumento en el tiempo de computacin.

6. PLAN DE TRABAJO

En el estado del arte se han descrito todos los modelos existentes relativos a la modelizacin del flujo alrededor de las velas y de las propias velas. En este proyecto se parte de un modelo basado en un mtodo cuasi-esttico con una formulacin para grandes desplazamientos tpica del mtodo de los elementos finitos, e incluye modelos de membranas, cables y barras. El punto de partida de la herramienta de simulacin de la dinmica de fluidos es el mtodo de vrtices (elementos de contorno).Partiendo de este modelo bsico, la finalidad del proyecto es ajustar este modelo a las ltimas innovaciones cientficas y tecnolgicas. As los aspectos en los que se trabajar son

Implementar en el solver un mdulo para simular el trimado y la escora de las velas. Desarrollo de un sistema de redes neuronales para el procesamiento de la informacin de los sensores. Para sensorizar los cabos y los cables, se colocarn sensores en las poleas. Los sensores que se colocarn son galgas extensiomtricas por lo que los datos que se obtendrn sern las deformaciones en las diferentes poleas. A fin de poder relacionar la deformacin en la polea con la tensin en el cabo/cable, se realizarn ensayos en el laboratorio en los que se medir la tensin aplicada al cabo y la deformacin en la polea. Con estos datos se desarrollar un sistema de redes neuronales, este sistema se unir al solver. El sistema de redes neuronales recibir los datos de los sensores, la deformacin de las poleas, y dar la tensin correspondiente, dato que se utilizar en el solver fluidodinmico como condicin de contorno.

Figura 2. Prototipo de carcasa para las poleas sensorizadas.

Figura 3. Sensorizacin de las poleas

Implementar la interfaz entre el solver de fluido/estructura y la base de datos conectada a los sensores del barco. A fin de que el programa se pueda alimentar en tiempo real de los datos tomados por los sensores. En el modelo actual el flujo entrante se trata como homogneo, por lo que se ha de introducir la consideracin de que el viento que entra en la vela lo hace siguiendo un gradiente de velocidad a lo largo de la altura de la vela. Analizar la viabilidad del modelo utilizado en la simulacin de la estela. Hay modelos recientes que incluyen la estela que se genera por el borde inferior de la vela, factor no incluido en nuestro modelo, por lo que es necesario comprobar la necesidad de esta consideracin e incluirla, en caso de ser necesaria. Con respecto al tratamiento de la vela como elemento estructural (membrana), en el modelo bsico, sta se trata como istropa y recientes modelos han comenzado a considerar la ortotropa de la vela. Por ello es necesario analizar la necesidad de esta consideracin teniendo en cuenta el coste computacional que ello supondra. El paso final ser incluir en el modelo los efectos de viscosidad con una integracin de la capa lmite. Por ltimo, los resultados se compararn con los datos obtenidos en los ensayos realizados en la embarcacin seleccionada a fin de validar el modelo.

Proyecto de tesis: DSSAILInma Ortigosa Barragn

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Cronograma del proyecto123456789101112131415161718192021222324

Tarea1: Especificaciones. Definicin de los casos de estudio

Estudio detallado de los modelos ya existentes y de la formulacin msinnovadora y eficaz.

Anlisis de las necesidades del sistema experto

Estudio condiciones (meteorolgicas y condiciones de contorno a aplicar)

Tarea 2: Implementacin al solver de la capacidad de trimar las velas

Tarea 3: Herramientas de comunicacin

Desarrollo herramientas de comunicacin sensores-programa en tiempo real

Desarrollo del sistema de lectura de datos de los sensores y condiciones de contorno

Navegacin en pruebas y toma de datos

Tarea 6: Desarrollo de nuevos algoritmos acoplados de clculo de jarcia, arboladura y velas

Adaptacin del flujo siguiendo un gradiente de velocidad

Adaptacin de los algoritmos relacionados con la estela

Adaptacin de los algoritmos CFD para el anlisis de la vela

Adaptacin de algoritmos de CFD y acoplamiento fluido estructura (FSI)

Adaptacin de los algoritmos para la consideracin de la viscosidad

Tarea 4: Desarrollo del SAD

Integracin de las herramientas

Anlisis de datos y validacin del sistema experto

Tarea 5: Redaccin de la memoria

Tarea 6: Revisin de la tesis y preparacin para su depsito

7. BIBLIOGRAFIA

[1a] J. H. Milgram, The analytical design of yacht sails. Trans SNAME 76 (1968) 118-160.

[1b] J.H. Milgram, The aerodynamics of sails, Proc. Symp. Navel Hydrodyn., 7th Rome, pp. 1397-434.

[2] D.S. Greeley and J.H. Cross-Whiter, Design and performance of sailboat keels. Mar. Technol. 26(4): 260-81.

[3] W. Ramsey, Numerical methods for flows around lifting bodies with vortex wake rollup, 1996, PhD Thesis, MIT Cambridge, MA. 217pp

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