Una cuenca de modelismo naval es una cuenca o tanque que se utiliza para realizar pruebas hidrodinámicas con modelos de barcos , con el fin de diseñar un barco nuevo (de tamaño real) o perfeccionar el diseño de un barco para mejorar su rendimiento en el mar. También puede referirse a la organización (a menudo una empresa) que posee y opera dicha instalación.
Una empresa de ingeniería actúa como contratista de los astilleros pertinentes y proporciona pruebas de modelos hidrodinámicos y cálculos numéricos para respaldar el diseño y desarrollo de barcos y estructuras marinas.
El eminente ingeniero inglés William Froude publicó una serie de artículos influyentes sobre diseños de barcos para maximizar la estabilidad en la década de 1860. La Institución de Arquitectos Navales finalmente le encargó que identificara la forma de casco más eficiente. Validó sus modelos teóricos con extensas pruebas empíricas, utilizando modelos a escala para las diferentes dimensiones del casco. Estableció una fórmula (ahora conocida como el número de Froude ) por la cual los resultados de las pruebas a pequeña escala podrían usarse para predecir el comportamiento de los cascos de tamaño real. Construyó una secuencia de modelos a escala de 3, 6 y (mostrado en la imagen) 12 pies y los usó en pruebas de remolque para establecer leyes de resistencia y escala. Sus experimentos fueron reivindicados más tarde en pruebas a escala real realizadas por el Almirantazgo y, como resultado, se construyó el primer dique de modelos de barcos, a expensas del público, en su casa de Torquay . Aquí pudo combinar la experiencia matemática con la experimentación práctica con tan buenos resultados que sus métodos todavía se siguen hoy en día. [1]
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Inspirada por el exitoso trabajo de Froude, la empresa de construcción naval William Denny and Brothers completó el primer ejemplo comercial del mundo de una dársena para maquetas de barcos en 1883. La instalación se utilizó para probar modelos de una variedad de embarcaciones y explorar varios métodos de propulsión, incluidas hélices, paletas y ruedas de paletas. Se llevaron a cabo experimentos en modelos de los estabilizadores Denny-Brown y el aerodeslizador Denny para evaluar su viabilidad. El personal de Tank también realizó investigaciones y experimentos para otras empresas: Harland & Wolff, con sede en Belfast, decidió colocar una proa bulbosa en el transatlántico Canberra después de las exitosas pruebas de modelos en el Denny Tank. [2]
Las instalaciones de pruebas hidrodinámicas presentes en un emplazamiento de dársena modelo incluyen al menos un tanque de remolque y un túnel de cavitación y talleres. Algunas dársenas de modelos de barcos cuentan con instalaciones adicionales, como una dársena de maniobras y navegación y un tanque de hielo .
Un tanque de remolque es una dársena de varios metros de ancho y cientos de metros de largo, equipada con un carro de remolque que se desplaza sobre dos raíles a cada lado. El carro de remolque puede remolcar el modelo o seguir al modelo autopropulsado, y está equipado con ordenadores y dispositivos para registrar o controlar, respectivamente, variables como la velocidad, el empuje y el par de la hélice, el ángulo del timón, etc. El tanque de remolque sirve para realizar pruebas de resistencia y propulsión con modelos de barcos remolcados y autopropulsados para determinar cuánta potencia deberá proporcionar el motor para alcanzar la velocidad establecida en el contrato entre el astillero y el armador. El tanque de remolque también sirve para determinar el comportamiento de maniobra a escala del modelo. Para ello, el modelo autopropulsado se expone a una serie de maniobras en zigzag con diferentes amplitudes de ángulo del timón. El posprocesamiento de los datos de prueba mediante la identificación del sistema da como resultado un modelo numérico para simular cualquier otra maniobra como la prueba de espiral de Dieudonné o los círculos de giro. Además, un tanque de remolque puede estar equipado con un PMM ( mecanismo de movimiento planar ) o un CPMC (carro de movimiento planar computarizado) para medir las fuerzas y momentos hidrodinámicos en barcos u objetos sumergidos bajo la influencia de la entrada oblicua y movimientos forzados. El tanque de remolque también puede estar equipado con un generador de olas para llevar a cabo pruebas de comportamiento en el mar, ya sea simulando olas naturales (irregulares) o exponiendo el modelo a un paquete de olas que produce un conjunto de estadísticas conocidas como operadores de amplitud de respuesta (acrónimo RAO ), que determinan el probable comportamiento en alta mar en la vida real del barco cuando opera en mares con amplitudes y frecuencias de olas variables (estos parámetros se conocen como estados del mar ). Las instalaciones de prueba de comportamiento en el mar modernas pueden determinar estas estadísticas RAO, con la ayuda de hardware y software informáticos adecuados, en una sola prueba.
Para el estudio de las hélices se utiliza un túnel de cavitación . Se trata de un circuito vertical de agua con tuberías de gran diámetro. En la parte superior se encuentran los equipos de medición. Se establece una entrada paralela. Con o sin modelo de barco, la hélice, unida a un dinamómetro , se introduce en la entrada y se mide su empuje y par en diferentes relaciones entre la velocidad de la hélice (número de revoluciones) y la velocidad de entrada. Un estroboscopio sincronizado con la velocidad de la hélice sirve para visualizar la cavitación como si la burbuja de cavitación no se moviera. De esta forma, se puede observar si la hélice se dañaría por cavitación. Para garantizar la similitud con la hélice a escala real, se reduce la presión y se controla el contenido de gas del agua.
Los talleres de modelismo naval fabrican sus modelos de barco en madera o parafina con una fresadora computerizada . Algunos de ellos también fabrican sus hélices. El equipamiento de los modelos de barco con todos los mecanismos y calibres y la fabricación de equipos para ensayos de modelos no estándar son las principales tareas de los talleres.
Se trata de una instalación de pruebas lo suficientemente amplia como para investigar ángulos arbitrarios entre las olas y el modelo del barco, y para realizar maniobras como círculos de giro, para los que el tanque de remolque es demasiado estrecho. Sin embargo, algunas maniobras importantes, como la prueba en espiral, aún requieren más espacio y aún deben simularse numéricamente después de la identificación del sistema.
En el desarrollo de buques rompehielos se utiliza un tanque de hielo , que cumple funciones similares a las del tanque de remolque para buques de aguas abiertas. La resistencia y la potencia del motor requerida, así como el comportamiento de maniobra, se determinan en función del espesor del hielo. También se pueden determinar las fuerzas del hielo sobre las estructuras marinas. Las capas de hielo se congelan con un procedimiento especial para reducir la escala de los cristales de hielo a escala de modelo.
Además, estas empresas o autoridades disponen de software CFD y experiencia para simular numéricamente el complicado flujo alrededor de los buques y sus timones y hélices. El estado actual de la técnica aún no permite que el software sustituya en su totalidad los ensayos de modelos por cálculos CFD. Una razón, pero no la única, es que la elementación sigue siendo cara. También el diseño de líneas de algunos de los buques lo llevan a cabo los especialistas de la cuenca de modelismo naval, ya sea desde el principio o optimizando el diseño inicial obtenido del astillero. Lo mismo se aplica al diseño de las hélices.
Las cuencas de modelos de barcos en todo el mundo están organizadas en la ITTC [3] (Conferencia Internacional de Tanques de Remolque) para estandarizar sus procedimientos de prueba de modelos.
Algunas de las cuencas de modelismo naval más significativas son: