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Supercavitación; velocidad salvaje

 

 

¿Es posible ir 500 nudos bajo el agua?   La cavitación ocurre cuando algo se mueve a muy altas velocidades en el agua creando depresiones en la parte posterior del objeto.

La baja presión hace que el agua hierva instantáneamente a temperatura ambiente creando burbujas que colapsan un instante después. Si se consigue crear una gran burbuja que envuelva al objeto entero, entramos en el dominio de la "Supercavitación".

Los fenómenos de cavitación son muy comunes y ocurren por ejemplo en toda las hélices cuando giran a mucha velocidad, culpables de un alto nivel de ruido y corrosión debido a la fuerte implosión de las micro-burbujas que previamente se han originado por la baja presión en la parte posterior de las palas.

 

Si un objeto se desplaza a muy alta velocidad debajo del agua, también se forma una gran zona de baja presión que generará una burbuja de vapor de agua. Y si se consigue mantener la integridad de esta burbuja de gas, el objeto en movimiento se vería sometido a un rozamiento que pasa de ser hidrodinámico a “aerodinámico”.

 

Torpedos de supercavitación: ¿Velocidades submarinas superiores a los 1.000 Km/hora?

Para conseguir la supercavitación hay que romper una barrera a partir de la cual se pueda mantener el fenómeno, y para ello se deben emplear formas hidrodinámicas que parten de un morro generador del fenómeno. La velocidad se encuentra en torno a los 200 kilómetros por hora, consiguiendo la formación de una gran burbuja que envuelve todo el objeto que a su vez se desplazará sin apenas rozamiento hidrodinámico. La alta velocidad de avance evita que la burbuja colapse sobre el objeto, permaneciendo este dentro de la masa de gas de vapor de agua.

 

Las continuas implosiones debidas a la cavitación en la hélice de esta turbina llegan a perforar el acero inoxidable de forma notable tanto en la unión de la pala con el buje central como en sus bordes.

 

 

 

La ventilación

Si en un motor fueraborda llevamos el trim demasiado elevado y aceleramos más de la cuenta, la hélice absorbe aire y se produce un fenómeno conocido como “ventilación”, en la que toda la hélice se ve envuelta en una masa de aire evitando la entrada de agua hacia las palas y haciendo que la hélice trabaje sin esfuerzo.

Es inútil decir que en estos casos no llega agua a las palas y no hay empuje, pero observaremos que desaparece el rozamiento lo cual hace que el motor se acelere alocadamente. Algo tan inconveniente podría ser sin embargo muy beneficioso para conseguir carenas de altísimos rendimientos. Quizás haya observado lo mismo al hacer la mayonesa o la crema de verduras en el robot de cocina. A veces el cono de absorción creado por el movimiento de las palas trituradora coge aire produciendo el mismo fenómeno descrito para el fueraborda; ventilación, falta de rozamiento y revoluciones del motor descontroladas al carecer de rozamiento.

Si pudiéramos inyectar aire debajo de la carena de un barco para forzar un fenómeno de ventilación, podríamos alcanzar altos rendimientos al disminuir la resistencia de superficies mojadas y sin necesidad de alcanzar las altísimas velocidades en las que de forma natural ocurre en la supercavitación y su burbuja de gas.

 

 

¿Qué es la Supercavitación?

No se trata de pura teoría, ni mucho menos. Ya en la Segunda Guerra Mundial los alemanes andaban probando torpedos que aprovechaban las ventajas de la supercavitación, aunque afortunadamente se quedaron en fase experimental. Durante la guerra fría, los rusos, lograron con éxito crear torpedos que funcionaban en régimen de supercavitación, como el torpedo Shkval que alcanzaba velocidades de 200 nudos bajo el agua.

Para lograrlo, el torpedo va equipado con un motor a reacción, parte de cuyos gases salen expelidos desde la parte frontal del torpedo para ayudar a crear el fenómeno de ventilación y burbuja en la que se envuelve el torpedo para lograr desplazarse a casi ¡400 kilómetros por hora!

La Navy de Estados Unidos contrató en 2006 a la empresa Northrop Grumman y GE Electric Boat para el desarrollo de un vehículo subacuático capaz de viajar en supercavitación. También crearon de forma exitosa proyectiles supercavitantes para limpieza de zonas de minas submarinas.

 

 

 

 

La Resistencia hidrodinámica

Desplazarse debajo del agua o en su superficie conlleva un importante gasto de energía que es proporcional a la tercera potencia de la velocidad. La resistencia del agua es 1.000 veces mayor a la resistencia del aire y por ello cualquier yate necesita poderosos motores si quiere navegar a 40 ó 50 nudos, para lo cual necesariamente ha de ir en planeo, durante el cual la superficie mojada de la carena se ha reducido de forma drástica.

Quizás el fenómeno de la supercavitación tendría mucho que decir en el próximo futuro de la náutica, para disminuir la tediosa resistencia hidrodinámica que nos limita a velocidades tan lentas. La idea consisten en reducir la superficie mojada de la carena envolviéndola en una burbuja de gas.

Cuando un fluido se mueve rápidamente alrededor de un objeto debajo del agua disminuye la presión en el flujo, y especialmente en los bordes de salida del objeto. Al aumentar la velocidad del objeto, llega un momento en el que la presión del fluido alrededor del objeto alcanza la presión de vapor del agua, o lo que es lo mismo, baja tanto la presión que el agua se evapora instantáneamente a temperatura ambiente. El agua cambia de fase y se convierte en vapor de agua de forma casi instantánea al no existir presión que contenga el estado líquido de las moléculas de agua que saltan al estado de vapor.

 

 

Velocidad de supercavitación

En una hélice o en carena de alta velocidad y en sus zonas más afiladas, el flujo de agua contendrá cavidades de presión llenas de vapor de agua y aire generando un fenómeno conocido como cavitación natural. Los ingenieros navales intentan evitar esta forma de cavitación a toda costa, pues distorsiona el flujo laminar del agua que alimenta los túneles de las hélices o de las turbinas. La cavitación también puede producir ondas de choque muy violentas o implosiones de las burbujas que alcanzan de nuevo una zona de alta presión colapsándose en una explosión hacia dentro que erosiona la superficie de las palas de las hélices y también la superficie de la carena.

A partir de los 50 metros por segundo tendremos que lidiar con fenómenos de cavitación. En las cercanías de los vértices de las hélices se forman supercavidades que son bolsas de gas a baja presión. Los objetos alargados generan elipsoides alargados que envuelven al objeto desde su punta hasta la estela, en donde colapsan de nuevo en un flujo complejo, aleatorio, impredecible e inestable.

En torpedos de última generación desarrollados por los científicos en las bases navales de Newport en Rhode Island, se consiguió alcanzar los 1.549 metros por segundo, logrando romper la barrera del sonido debajo del agua.

También se han logrado desarrollar balas que pueden avanzar bajo el agua en supercavitación. Al contrario de las balas normales que pierden el impulso o su cantidad de movimiento así como su rumbo al cabo de un solo metro de salir disparadas. Para ello se las imprime un movimiento giratorio que produce una estabilización giroscópica y una forma específica que consigue generar la burbuja de gas en la que se envuelven para conseguir avanzar en supercavitación.

Una bala normal pierde impulso al cabo de pocos centímetros y viaja en un rumbo impreciso.

 

 

Leyes que rigen la cavitación

Es muy difícil teorizar sobre comportamientos en los que se ven implicados fenómenos relacionados con la teoría del caos. El diseño de hélices, de carenas, redanes, bulbos, apéndices y en general todo lo relacionado con la mecánica de fluidos, en muchos casos necesita experimentación, mucha dosis de inspiración y numerosas pruebas en canales hidrodinámicos.

A pesar de ello, el alemán Hans Reichardt en el año 1943 construyó un túnel de agua en el que poder estudiar los fenómenos de cavitación midiendo presiones, depresiones, densidades, velocidades y diferentes formas de torpedos. Escribió; “respecto al movimiento rápido de objetos en el agua, la cuestión radica en dar con la forma que consiga crear igual presión en toda la superficie del objeto. Pero también es importante conocer la forma de la burbuja formada por cavitación y encontrar un contorno que minimice la hipervelocidad en su superficie”.

 

Reichardt 1943: En su túnel hidrodinámico pudo estudiar y deducir las ecuaciones de la supercavitación.

Fruto de su trabajo, Reichardt consiguió describir en lo que actualmente es el Instituto Max Plank, una serie de ecuaciones conocidas como las leyes de la cavitación.

Si consideramos un torpedo de forma cónica con altura h, y diámetro que se desplaza bajo el agua a velocidad v, el coeficiente de rozamiento es Cw, entonces la cavidad elipsoidal formada por la alta velocidad, también llamada burbuja de cavitación, queda expresada por la relación (1) donde D y L son el diámetro y la longitud de esta burbuja elipsoidal y con un ratio expresado por (2) que describe el contorno de misma presión, en donde σ se expresa como (3) en términos:

         po     presión del entorno debido a la profundidad.
         pbl   
presión dentro de la burbuja

         q      Presión dinámica = ρ/2*v²
         ρ      Densidad del agua.

Y el diámetro "D" del elipsoide y la fuerza W necesaria para mover el objeto cónico a través del agua quedarían expresadas como el producto del coeficiente de rozamiento del cono, F la sección del cono, ρ la densidad del agua y la velocidad de desplazamiento v.

 

 

 

 

 

Para un objeto de 25 centímetros de diámetro desplazándose a 5 metros de profundidad y a 100 metros por segundo (360 km/hora) y simplificando la presión de la burbuja a cero bares, la burbuja elipsoidal creada sería de 15 metros de longitud con un diámetro máximo de 1,3 metros y necesitaríamos una fuerza de 2*105 Newton (unas 20 toneladas de empuje).

Pero los experimentos demuestran que a partir de 78 m/s el elipsoide ya es capaz de envolver el objeto, y que parte de la energía invertida en lograr la velocidad de desplazamiento se puede recuperar como impulso positivo debido al colapso de la burbuja que se cierra detrás del cono. En los experimentos con pequeños objetos la resistencia disminuyó en una tercera parte, pudiéndose inferir que para grandes objetos, como por ejemplo un submarino, la resistencia inicialmente prevista se podría reducir en torno a un 80% a 90%.

 

 

 

Torpedos  de Cavitación

El Shkval Ruso: Se trata de un objeto cilíndrico de 8,2 metros de eslora con un diámetro de 53 centímetros y un peso de 2,7 toneladas. Su velocidad es de 370 km/hora. El torpedo controla el rumbo gracias a 4 aletas que se proyectan hasta el borde del elipsoide de cavitación, en donde rozan la superficie del agua para girar y cambiar su rumbo con total libertad. El plato de proa puede modificarse para alterar la forma del elipsoide y lograr giros más radicales o ajustar el tamaño de la burbuja a justo el tamaño del misil, minimizando el gasto de propulsión y logrando que las aletas de control estén en la frontera de la burbuja.

El torpedo necesita un empuje de 130 kN para lo cual es posible que el Shkval inyecte agua en la tobera de combustión. En principio es posible que este torpedo pueda ser utilizado desde cualquier tubo lanzatorpedos con una velocidad de salida de 25 m/s momento en el que arrancaría su motor de propulsión formado por 8 pequeños motores ya alejado del submarino.

En la actualidad, DARPA está desarrollando un minisubmarino, que aprovechando este efecto, podrá alcanzar teóricamente los 100 nudos, un gran avance en velocidad submarina, en comparación con los 25/30 nudos actuales.

 

El torpedo Shkval alcanza cerca de 400 km/hora bajo el agua inmerso en su elipsoide de supercavitación

 

 

 

Aire debajo de la carena

Está sobretodo relacionado con el efecto de ventilación. Si consiguiéramos crear un colchón de aire debajo de la carena… ¿Podría reducirse parte del rozamiento y aumentar rendimiento y velocidad? Naturalmente nos referimos a barcos de planeo y no a veleros o yates con carenas de desplazamiento.  Algunos argumentan que no, y piensan que lo importante durante el planeo es el empuje por presión dinámica que mantiene el barco casi fuera del agua apoyado sobre la superficie del mar.

Otros opinan que es posible reducir la resistencia y para ello construyen dispositivos que permiten crear un colchón de aire debajo de la carena, como por ejemplo las lanchas FastTrak del fabricante norteamericano Regal entre otros, con carenas con “Steps” diseñadas para que el aire entre por absorción desde las amuras diseñadas a tal efecto y se forme por ventilación un “colchón” sobre el que se apoya parte de la carena.

Al moverse el casco a gran velocidad el flujo de la lámina de agua bajo la carena forma una depresión por efecto venturi que será mayor cuanto más rápido se navegue. Esta absorción es la que introduce el aire por los laterales y genera el efecto de ventilación bajo la carena.

 

Regal FastTrack: Se aprecia como el aire es absorbido y crea un colchón de apoyo.

 

 

Beneteau facilita el acceso del aire instalando dos agujeros justo en el eje de crujía del casco y tras el escalón de la carena, para que el aire pueda entrar libremente debido a la depresión formada debajo de esta, canalizado por dos tubos con accesos libres a unas tomas situadas en la cubierta. El sistema bautizado como “AirStep” va montado en motoras como las Flyer 750, la Barracuda 9 o las Monte Carlo.

 

Según los tests publicitarios que aparecen en YouTube sobre el AirStep, el sistema consigue aparentemente mejores rendimientos y maniobrabilidad. En el video parece que el sistema es efectivo y compara dos cascos de Flyer con misma motorización, uno con AirStep y otro sin él.

 

Sería muy interesante que Beneteau hiciera estudios comparativos en los que en el mismo barco se registraran rendimientos tapando o destapando los accesos al aire de las conducciones que llevan el aire a la carena. Aún más aclaratorio sería instalar caudalímetros para medir realmente el volumen de aire absorbido hacia el Step.

Y es que quizás, el aire absorbido por efecto venturi pueda ser totalmente insuficiente para mantener un colchón de aire sobre el que deslice la carena. Con el peso del barco y la superficie de apoyo en planeo se puede calcular la presión que ha de soportar esta capa de aire. Y conociendo esta presión multiplicada por un espesor y superficie de apoyo aproximada, y por una velocidad media de planeo se puede calcular el volumen de aire que es necesario "inyectar" para mantener el casco “flotando” sobre este “colchón”.

Pero mientras inventamos o no un nuevo modelo de “overcraft” con aspecto de motora, no debiera pasarnos desapercibido que algún invento de este estilo ya ha sido probado, con poco éxito, en un prototipo con una Delta Conic en la cual se practicaron unas salidas de aire justo en el Step, alimentadas por tres compresores de aire movidos por tres motores diesel. ¿Demasiado peso añadido por los compresores, mal cálculo volumétrico? Poca información al respecto y el hecho de no haber transcendido son indicadores de un posible fracaso.

Diferentes patentes no probadas inyectan aire debajo de la carena para reducir la resistencia.

 

Sin embargo es muy posible que sea totalmente viable llegar a un nuevo concepto de barco por “deslizamiento” en el que, para no perder estabilidad o maniobrabilidad, el casco tuviera unas finas orzar o aletas laterales de poca resistencia hidrodinámica, que permitieran contener el colchón de aire y globalmente redujese muy significativamente la resistencia hidrodinámica. No hay ecuaciones al respecto que permitan modelar un sistema que aún está por inventar. El futuro está aún por venir como lo demuestra el gran número de patentes que supuestamente podrían marcar el avance de los barcos planeadores.

En las imágenes conseguidas de estas patentes podemos ver conceptos ingeniosos de dudosa viabilidad técnica. La manera en que trabaja una carena de una lancha es muy complicada y debe ofrecer flotabilidad por presión hidrostática en modo desplazamiento, debe aportar un apoyo seguro en planeo, no perder estabilidad en altas velocidades y asegurar una buena maniobrabilidad en giros con diferentes tipos de olas. Para ello se diseñan diferentes formas, diferentes redanes, distintos ángulos de sprays, posiblemente se diseñe uno o más Steps con diferentes volúmenes y tamaños….  Y después, si todo va bien, lucharemos por reducir el rozamiento mediante fenómenos de ventilación para mejorar rendimientos y velocidades.

 

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