Potential of CFD for the analysis of marine propellers

1. ANÁLISIS CFD DE HÉLICES
Desde su creación, Vicus Desarrollos Tecnológicos ha prestado especial atención al análisis y
diseño de hélices tanto de paso variable como de paso fijo. Continuando con este afán, iniciado
desde su fundación, en VICUSdt ha llevado a cabo una investigación con el objetivo de emplear
nuevos modelos matemáticos para el cálculo de hélices. Se trata de validar y verificar la
aplicabilidad de modelos tipo RANSE (Reynolds Averaged Navier Stokes Equations) a los
fenómenos físicos asociados al funcionamiento de la hélice. Las ventajas de los métodos RANSE
radican en que permiten evaluar el comportamiento de las hélices en tobera, CLT, Kappel así
como analizar fenómenos hidrodinámicos como vórtices de punta de pala y evaluar de forma
acoplada la hélice con la estela y el timón. Podemos adelantar que los resultados obtenidos son
más que satisfactorios incluso en casos, como el del presente informe, en el que se trata de una
pala con una geometría de gran complejidad (skew, rake). En la Figura 1 podemos ver un plano de
disposición general de nuestra hélice de estudio en la que podemos comprobar que efectivamente
se trata de una hélice de geometría compleja.
Figura 1. Geometría de la pala.

2. En la Figura 2 podemos ver la geometría 3D de la misma y la posición relativa con respecto a un
timón convencional. Se trata de una hélice KaMeWa 94XF5 4 D-B de 4,4 m de diámetro diseñada
para una potencia de 4500 kW.
Figura 2. Disposición 3D.
Para llevar a cabo el proceso de validación y verificación de nuestros cálculos hemos partido,
además de la geometría, de los ensayos de propulsor aislado de la hélice (Figura 3).
Coeficientes PropulsorAislado
0,7
0,6
0,5
η
10KQM
0,4 KTM (experimental)
10KQM (experimental)
0,3 η (experimental)
KTM
0,2
0,1
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
J

3. Figura 3. Resultados del ensayo de propulsor aislado.
Para llevar a cabo este tipo de cálculo hemos empleado mallas de tipo poliédrico por adaptarse
muy bien a geometrías tan complejas como la presente; en la Figura 4 podemos ver una de las
mallas empleadas para el cálculo.
Figura 4. Malla poliédrica superficial.
Acto seguido se han llevado a cabo los cálculos para varios grados de avance de la hélice; en las
figuras 5 y 6 podemos ver la distribución de presiones sobre la pala, así como la localización de
los desprendimientos que tienen lugar en la misma a J=0,7.
Figura 5.Distribución de presiones a J= 0,7.

4. Figura 6. Localización de los desprendimientos.
En la Figura 7 podemos comparar los valores del ensayo de propulsor aislado para los valores 0.4,
0.5, 0.6, 0.7 y 0.8 del grado de avance (J). Los valores obtenidos se ajustan con un error inferior
al 3% en la zona de trabajo del propulsor entre J = 0,5 y J =0,7. (inferior al 2% en rendimiento en
J=0,6 a J=0,7)
Coeficientes PropulsorAislado
0,7
0,6
0,5
η
KTM (experimental)
10KQM (experimental)
10KQM
0,4
η (experimental)
KTM (Calculado)
0,3
10KQM (Calculado)
KTM
η (Calculado)
0,2
0,1
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
J

5. Figura 7. Comparativa: Experimentos VS Cálculo.
VICUSdt tiene amplia experiencia y resultados contrastados en el análisis de la hélice operando
en condición “behind”, incluyendo el cálculo de estela y el análisis de esfuerzos sobre las palas por
medio del análisis de elementos finitos e incluso cálculos acoplados de interacción fluido-
estructura.
Estos resultados garantizan la fiabilidad de los estudios realizados por VICUSdt, realizando este
tipo de análisis de forma rápida y flexible ofreciendo unos tiempos de cálculo inferiores a una
semana.
Este esfuerzo investigador posiciona a VICUSdt como uno de los líderes en la investigación
hidrodinámica en el sector naval, colaborando estrechamente con astilleros y oficinas técnicas en
el desarrollo de los proyectos de todo tipo de propulsores, timones y embarcaciones tanto
convencionales como de alta velocidad, garantizando un cálculo preciso de la potencia necesaria
y un comportamiento óptimo.
Para más información:
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