La simulación avanzada ayuda a resolver el agua de lastre

Oct 21, 2023

Por Tobias Zorn, Jan Kaufmann, FutureShip y Milovan Peric, CD-adapco 13 de febrero de 2013

La gestión del agua de lastre plantea problemas en el diseño y operación de los barcos. La dinámica de fluidos computacional (CFD) ofrece soluciones con diseño, aprobación de tipo y resolución de problemas.

La dinámica de fluidos computacional (CFD) denota técnicas colectivas para resolver ecuaciones que describen la física del flujo de fluidos. CFD es ahora ampliamente conocido y aceptado en la industria marítima, pero se asocia principalmente con los flujos alrededor del casco y las hélices, por ejemplo, en el contexto del diseño de barcos más eficientes en combustible. Sin embargo, CFD es, en muchos sentidos, mucho más versátil que las pruebas de modelos clásicas. El mismo software se puede aplicar a una variedad de flujos, incluidos también los problemas de flujo interno. Una ventaja clave de CFD es la comprensión de los detalles del flujo. Como las cantidades de flujo se calculan (y almacenan) en muchas ubicaciones discretas en el espacio (celdas computacionales) y durante muchos pasos de tiempo, es fácil en el posprocesamiento observar secciones transversales arbitrarias y acercar y alejar a voluntad. Los sistemas de gestión del agua de lastre se han convertido en el centro de atención para los operadores de barcos con las recientes regulaciones de la OMI que impulsan la transición hacia la gestión del agua de lastre para frenar la propagación de especies invasoras. Pero aparte de las particularidades de las nuevas regulaciones, el manejo del agua de lastre puede plantear desafíos para los operadores de barcos donde entran en juego las ventajas de las simulaciones CFD. Los siguientes estudios de casos ilustran problemas y soluciones tomados de la experiencia de la industria.

Estudio de caso 1: Homologación de tipo basada en CFD El agua de lastre de los barcos transporta plantas y animales que con frecuencia se asientan en regiones marinas extranjeras, lo que representa un peligro para el medio acuático autóctono y puede causar grandes daños ecológicos, sanitarios y económicos. El creciente tráfico de barcos ha aumentado considerablemente esta amenaza. El "Convenio internacional para el control y la gestión del agua de lastre y los sedimentos de los buques" de la OMI exige un plan de gestión del agua de lastre. A partir del año 2016, todos los buques deberán basar su gestión del agua de lastre en el tratamiento del agua de lastre. Si este tratamiento se basa en enfoques químicos, la mezcla rápida y eficaz del componente químico con el agua de lastre es vital para lograr una concentración homogénea del biocida. Para la aprobación de tipo de nuevos sistemas, las simulaciones pueden ser una herramienta valiosa. En un caso, FutureShip simuló la mezcla de cloro y agua de lastre en las tuberías durante la operación de lastrado. Las simulaciones CFD se utilizaron para determinar la longitud de tubería necesaria de la zona de mezcla para garantizar una mezcla homogénea. Las simulaciones mostraron que la mezcla en el diseño inicial era ineficiente. Modificaciones muy simples y rentables de la geometría de entrada sirvieron para aumentar significativamente el nivel de turbulencia con una longitud de tubería resultante mucho más corta para una mezcla completa. La Figura 1 muestra las líneas de flujo de cálculo y la concentración de cloro en la tubería de mezcla como resultado de una de esas simulaciones. Las autoridades aceptaron las simulaciones como prueba de ingeniería para la aprobación de tipo.Estudio de caso 2: Sedimentos de agua de lastre Los sedimentos tienden a acumularse en los tanques de agua de lastre. Reducen el peso muerto (carga útil), restringen el flujo de agua, lo que retrasa el deslastrado y aumentan el calado, lo que genera un mayor consumo de combustible. Para un granelero Capesize, el propietario del barco quería reducir la acumulación de sedimentos y encargó a FutureShip análisis detallados y sugerencias de rediseño para minimizar la sedimentación de sedimentos en los tanques de lastre. En este caso, los sedimentos reales no fueron modelados. En cambio, el conocimiento de la ingeniería facilita la simulación. Los sedimentos se asientan en regiones de baja velocidad del agua, como las que se encuentran típicamente en áreas de recirculación y estancamiento del flujo; estos se conocen comúnmente como regiones de aguas muertas. La figura 2 muestra sedimentos en un tanque de agua de lastre real. Las simulaciones de flujo en dos fases (agua y aire) en los tanques de lastre primero identificaron áreas de agua muerta correspondientes a la acumulación de sedimentos observada en el diseño original. La Figura 3 muestra la distribución de velocidad calculada cerca de la pared inferior. Luego, varias alternativas de diseño para los tanques de agua de lastre exploraron las variaciones del espaciado y los cortes de los refuerzos. Las simulaciones identificaron el diseño alternativo con la menor sedimentación de sedimentos (es decir, las regiones de aguas muertas más pequeñas) para futuros pedidos de graneleros.Estudio de caso 3: Deslastre del agua de lastre Una concurrida terminal de carbón en América Latina había establecido límites de tiempo estrictos para deslastrar un granelero en el muelle. La bomba de lastre estaba tomando aire durante el deslastrado, lo que obligó a la tripulación a dejar de deslastrar de forma intermitente. Como consecuencia, el buque no pudo ser deslastrado en el tiempo dado por la terminal. El buque tuvo que partir con 3000 t de agua de lastre aún en los tanques. Como consecuencia, no se pudieron cargar 2600 t de carga, lo que generó reclamaciones por daños de 125 000 € y la inclusión del buque en la lista negra de la terminal. Un análisis detallado suele ser el primer paso en la resolución de problemas. Una vez que el problema se ha vuelto transparente, la solución es sencilla. En este caso, el primer paso fue simular el proceso de deslastrado, configurando un modelo tridimensional de los tanques de agua de lastre e imitando la bomba mediante un caudal prescrito en la salida de la tubería de succión. El flujo de salida se ajustó a la capacidad máxima de la bomba. La simulación del flujo de dos fases reveló que el nivel del agua en los campos vecinos era mucho más alto que en el campo con la toma de la bomba de lastre durante el deslastrado. La Figura 4 muestra los niveles de agua desiguales en varias secciones de tanques. El tamaño de las aberturas de flujo de agua en los marcos longitudinales era demasiado pequeño para la tasa de deslastrado de las bombas. La simulación proporciona información sobre el caudal dependiente del tiempo a través de cada abertura y predice el momento en que la bomba comienza a aspirar aire. La animación del movimiento de la superficie libre y la distribución de la velocidad en varias secciones transversales brinda a los ingenieros una visión directa de la física del flujo y permite una fácil evaluación del problema, lo que ayuda al diseño de las modificaciones geométricas necesarias. Con base en el análisis de los datos de simulación, se sugirieron más y más grandes aberturas de flujo de agua para los marcos en la vecindad de la bomba para sincronizar los flujos a través de las aberturas con el flujo de entrada de la bomba. El tamaño y la ubicación de las aberturas de flujo de agua podrían determinarse entonces de manera que el flujo de entrada hacia la bomba estuviera por encima del caudal de la bomba, evitando así el riesgo de que la bomba tomara aire.Conclusión Las simulaciones CFD han demostrado ser una herramienta versátil y poderosa para respaldar el diseño y la operación de los sistemas de gestión de agua de lastre. La combinación de software computacional avanzado y usuarios expertos produce información detallada y respuestas confiables.

AgradecimientosLos autores agradecen la ayuda y cooperación de sus colegas Volker Bertram y Jan Rüde.método CFD La simulación empleó el software CFD STAR-CCM+ de CD-adapco. Este software es capaz de simular el flujo turbulento con la formación de remolinos y la mezcla turbulenta resultantes, así como múltiples fluidos con interfaces líquido-gas resueltas. Por lo tanto, es capaz de capturar toda la física importante para el análisis de los flujos de agua de lastre como se presenta aquí. El método de solución se basa en ecuaciones de conservación en forma integral con condiciones iniciales y de contorno apropiadas. El dominio de la solución se subdivide en un número finito de volúmenes de control que pueden tener una forma poliédrica arbitraria y normalmente se refinan localmente en regiones de variación rápida de las variables de flujo. El intervalo de tiempo de interés también se subdivide en pasos de tiempo de tamaño apropiado. Las ecuaciones gobernantes contienen integrales de superficie y volumen, así como derivadas de tiempo y espacio. Estos se aproximan para cada volumen de control y nivel de tiempo utilizando aproximaciones finitas adecuadas, lo que conduce a un sistema de ecuaciones algebraicas que se puede resolver de manera eficiente en una computadora multiprocesador. Se supone que el flujo se rige por las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds. Los efectos de la turbulencia se pueden explicar mediante una variedad de modelos, desde los modelos de tipo de viscosidad de remolino más simples (normalmente se utilizan modelos k- o k-) hasta los modelos de tensión de Reynolds. Así, se resuelven la ecuación de continuidad, la ecuación de momento y entre dos y siete ecuaciones para las propiedades de turbulencia. También son posibles las simulaciones de remolinos grandes, que modelan solo la turbulencia a pequeña escala y resuelven los remolinos a gran escala. . La distribución espacial de las fases (líquido y gas) se obtiene resolviendo una ecuación de transporte adicional para la fracción de volumen de cada fase adicional. Para simular con precisión el transporte convectivo de fluidos inmiscibles, la discretización debe estar casi libre de difusión numérica. Para este propósito, se utiliza un esquema especial de captura de interfaz de alta resolución (HRIC), que proporciona una resolución nítida de superficies libres y permite la simulación de flujo con burbujas de gas atrapadas en líquido o gotas de líquido en gas.

Sobre los autores Dipl.-Ing. Jan Kaufmann y Dipl.-Ing. Tobías Zornambos trabajan como Ingenieros de Proyectos Senior en la Unidad de Ingeniería de Dinámica de Fluidos en FutureShip GmbH, una empresa de Germanischer Lloyd en Hamburgo, Alemania.Prof. Milovan Perices vicepresidente de tecnología en CD-adapco, un proveedor independiente de software de simulación de ingeniería centrado en CFD y con sede en Nuremberg, Alemania.

(Publicado en la edición de febrero de 2013 de Maritime Reporter & Engineering News - www.marinelink.com)