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| CFD - Mecánica de Fluidos Computacional en aplicaciones navales | ||||||||||||||||||||
El término CFD proviene de las siglas del inglés “Computational Fluid Dynamics”, lo cual se traduce al castellano como “Mecánica de Fluidos Computacional”. Es una rama de mecánica de fluidos que utiliza procedimientos numéricos por ordenador para resolver las ecuaciones gobernantes de los flujos. En el mercado existen numerosos softwares de CFD tales como Fluent, FIDAP, Star-CD, FLOW3D, OpenFOAM, etc.
Básicamente,
la metodología de CFD se basa en subdividir el dominio de cálculo en elementos
discretos formando una malla en la cual las ecuaciones diferenciales
gobernantes son resueltas.
Entre
los temas de aplicación Navales para la simulación CFD podríamos
enumerar las siguientes:
1-
Diseño
de Propulsores Navales:
2-
Diseño
de modelos de cascos de barcos:
3-
Diseño
de velas:
4-
Diseño
de maquinas rotativas: Bombas, turbinas, turbocompresores:
5-
Diseño
de maquinas alternativas: Motores diesel, Otto, compresores, etc
6-
Combustión
en calderas, en motores alternativos, etc y obtención de los productos de
combustión, especies de gases.
7-
Diseño
de dispositivos para eliminación de los gases contaminantes producidos en la
combustión: Catalizadores SCR, SCNR, lavado de gases, etc.
La
idea de calcular soluciones aproximadas de ecuaciones diferenciales que
describen flujos de fluidos y transferencia de calor es relativamente antigua,
incluso más antigua que la aparición de los ordenadores. Sin embargo, el
desarrollo de las técnicas numéricas no ha podido ser posible sin el desarrollo
de la computación, que hace posible el desarrollo de millones de operaciones en
un tiempo del orden de segundos, propiciando una rápida expansión de los
métodos numéricos. Las primeras aplicaciones del CFD se remontan a aplicaciones
militares. En los años 60 se realizaban estudios CFD para analizar casos como
ondas de choque producidas por una explosión o flujo que circula alrededor de
un avión, y más tarde se aplicó a la industria aeroespacial y de automoción.
Sin embargo, no es hasta la década de 1980 cuando comenzaron a hacerse estudios
tridimensionales. En esta misma década de 1980 es cuando aparecieron los
primeros softwares comerciales. En los últimos años, el CFD se ha implementado
en el campo de la ingeniería de diseño. Las simulaciones ahorran tiempo y
dinero en cuanto a la elaboración de prototipos y otras pruebas experimentales.
Esto ha provocado que el CFD se aplique a disciplinas como meteorología,
biomédica, química, y, por supuesto, aplicaciones marítimas.
La utilidad de las herramientas modernas de modelado y
simulación con programas informáticos de simulación CFD son
actualmente indiscutibles, permitiendo ensayar de manera virtual diferentes
modelos o diseños antes de acometer la fabricación del prototipo industrial,
proporcionando con esta metodología de trabajo, enormes ventajas y beneficios por
ahorro de costes de fabricación de prototipos y acortamiento de los tiempos en
el desarrollo del producto, dando lugar como consecuencia que la compañía sea
más competitiva en la creación y desarrollo de nuevos productos.
REFERENCIAS:
[1] Abramowski, T; Żelazny, K.; Szelangiewicz, T. Numerical analysis of influence of ship hull
form modification on ship resistance and propulsión characteristics. Part III
Influence of hull form modification on screw propeller efficiency. Polish
Maritime Research, vol. 1(63), pp. 10-13, 2010.
[2] Jones, D.A.; Clarke, D.B. Fluent code simulation
of flow around a naval hull: the DTMB 5415. Maritime Platforms
Division DSTO Defence Science and
Technology Organization. 2010.
[5] Fuel Tech Inc [6] TECNOLOGÍA MARITIMA [7] Grupo de Innovaciones Mariñas de la Universidad de La Coruña |
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| Publicado el 2014-03-24 01:45:49 por Isabel Lamas | Abrir | ||||||||||||||||||||
| ANALISIS CFD DEL PROCESO DE BARRIDO DEL MOTOR MARINO MAN 7S50MC | ||||||||||||||||||||||
Los motores de
dos tiempos diesel MAN B&W de la serie MC fueron introducidos a principios
de la década de los años 80 del siglo pasado. Su principal aplicación es la
propulsión de todo tipo de buques buques, de tamaños medios y grandes. Éstos
motores también han sido empleados en aplicaciones terrestres, principalmente
en plantas de producción de potencia eléctrica. |
Parámetro
|
Valor
|
Tipo de motor
|
Diesel, dos tiempos
|
Sistema de barrido
|
Uniflujo
|
Sobrealimentación
|
Turbocompresor
|
Cilindrada (cm3)
|
375.028
|
Diámetro (cm)
|
500
|
Carrera
(cm)
|
1910
|
Presión media efectiva (bar)
|
19
|
Velocidad (rpm)
|
127
|
Número de cilindros
|
7
|
Potencia
(kW)
|
9988
|
| Análisis CFD del periodo de barrido durante el solape de válvulas del motor diesel Wärtsilä 46 |
El motor Wärtsilä 46 es un motor diesel de cuatro tiempos diseñado para aplicaciones marinas, bien como motor principal o como generador eléctrico. Cuenta con cilindros de 460mm de diámetro, 580mm de carrera, totalizando una cilindrada unitaria de 96,4 litros, la renovación de la carga se consigue por medio de cuatro válvulas por cilindro, cuenta con un sistema de inyección directa de alta presión, enfriador de aire de barrido por intercambiador aire-agua, sistema Spex para el conducto de gases de escape y además cuenta con un turbocompresor de alta eficiencia. La gama de motores Wärtsilä 46, abarca desde motores de 6 cilindros en línea, hasta los más potentes de 16 cilindros en V.
Figura 1: Corte transversal del motor marino Wärtsilä 46.
El motor marino de cuatro tiempos Wärtsilä
46 ha sido empleado en múltiples buques tales como los atuneros “Albatún 2” y “Panama
Tuna”, buque tanque “Sten Idun”, crucero “Oasis of the Seas”, entre otros.
 Figura 2: Sala de máquinas del Oasis of the Seas, con Wartsilla 46 como generadores eléctricos. El periodo de solape de válvulas es durante el cual
permanecen abiertas las válvulas de admisión y de escape al mismo tiempo,
quedando en comunicación el colector de admisión y el colector de escape y
permitiendo que el flujo de gases frescos que impulsa el compresor pase a la
turbina. Para comprender mejor en lo que consiste el solape, la Figura 4
muestra el diagrama de distribución del motor marino de cuatro tiempos Wärtsilä
46. Tal y como
se puede apreciar en la Figura, existe un solape durante el cual las válvulas
de admisión y escape están abiertas al mismo tiempo, en este caso de 94º de
ángulo de cigüeñal.  Figura 4: Diagrama de distribución del motor marino Wärtsilä 46. El solape de válvulas es de crucial importancia en los
grandes motores diesel de cuatro tiempos con elevada tasa de sobrealimentación
actuales debido a los siguientes motivos:
- Permite mejorar la eliminación de los gases
quemados expulsándolos hacia el escape, empleando para ello el flujo de aire
entrante a elevada presión que es impulsado por el compresor.
-
El flujo de aire entrante por las válvulas de
admisión a una temperatura relativamente baja representa una importante
contribución en la refrigeración de las paredes de la cámara de combustión,
cabeza de pistón y enfriamiento de las válvulas de escape.
-
Los gases frescos que se mezclan con los
quemados y salen por los conductos de escape permiten reducir la temperatura de
los gases de escape que llegan a la turbina del turbocompresor, evitando que la
temperatura en las paletas de la turbina se aproxime a los límites compatibles
con la resistencia mecánica.
Es por ello que en este tipo de motores se requiere que el
periodo de barrido sea mayor que en otros motores, y para conseguir esto, el
tiempo de solape de válvulas de ser particularmente amplio. El valor adecuado
para el solape de válvulas es determinado para cada motor concreto en
consonancia con los demás parámetros de diseño de ese motor. Como valores de
referencia podemos indicar que el motor MAN 40-54 tenía un periodo de solape de
101,62º (54,62º+47º), el MAN 32-40 tiene valores un poco menores 89º
(45º+44º),), el MACK 32 tiene un periodo de solape de 90º (45º+45º). Motores
antiguos semirrapidos como el MTU 16V
956 TB91 tiene un periodo de solape menor ya que solo tiene 61º (32º+29º), sin
embargo mas moderno MAN 20-27 tiene valores de 100º (50º+50º), el motor rápido
MAN D2840 LE tiene un periodo de solape de 51º (24º+27º). En motores de
automóvil el periodo de solape tiende a reducirse e incluso a desaparecer con
objeto de rebajar los consumos.
A pesar de las ventajas que proporciona un largo periodo de
solape, alargarlo demasiado tiene como inconveniente que el barrido resulta
defectuoso. Por tanto, es muy importante determinar el tiempo óptimo de solape
en motores. Para demostrar una vez más en este blog las ventajas del CFD
(Mecánica de Fluidos Computacional), se ha analizado el barrido de gases dentro
del motor Wartsila 46, especialmente durante el solape de válvulas. La Figura 5
indica la malla utilizada para simular un cilindro de este motor. En la figura
se ve el cilindro, conductos de admisión y escape y válvulas de admisión y
escape. Se ha empleado una malla móvil para simular el movimiento del pistón
desde 90º hasta 630º de ángulo de cigüeñal. La Figura 2 se refiere a la
posición correspondiente a 180º.
 Figura 5: Malla computacional del cilindro del Wartsilla 46. En la Figura 6 se muestran los resultados obtenidos mediante
CFD. Para ver con claridad lo que ocurre en el interior del cilindro. Se indica
en color azul el aire fresco y en color rojo los gases de escape. Asimismo, las
flechas indican la velocidad del flujo. Como se puede observar, la válvula de
admisión se abre antes de que los gases de escape abandonen completamente el
cilindro, y su considerable velocidad asiste en aspirar carga fresca.
 Figura 6: Resultados obtenidos mediante análisis de CFD.
Con este breve artículo, recalcamos la importancia
del CFD en aplicaciones navales, para estudios tan simples como la resistencia
aerodinámica de un casco de un barco hasta simulaciones de cavitación en
hélices o flujo en el interior de motores.
CURSOS RECOMENDADOS: FUENTES: Wärtsilä, Grupo de innovaciones Marinas, OpenFOAM |
| Publicado el 2014-04-09 11:58:46 por Carlos Rodriguez & Isabel Lamas | Abrir |
| Métodos de control de emisiones en motores marinos |
La nueva regulación IMO Tier III, cuya entrada en vigor se producirá en 2016, restringirá aún más los límites de emisión en las ECAs (Emisión Control Areas o Áreas de Control de Emisiones). En este caso se quiere establecer una reducción del 80% de las emisiones de NOx en comparación con la regulación IMO Tier I en las ECAs, con lo que el contenido en azufre en estas zonas será del 0,1% a partir de 2015.
Simulación de la inyección y combustión (campo de temperaturas) en un motor MAN D2840LE. Fuente: Grupo de Innovaciones Mariñas
Actualmente, más del 90% de los buques son movidos por
motores. La mayoría de los combustibles de motores marinos son fuelóleos
pesados, los cuales son más baratos que otros combustibles más refinados, pero
presentan el inconveniente de que contienen una cantidad importante de
sustancias contaminantes tales como azufre, cenizas, asfaltenos, etc, lo cual
provoca que los buques emitan cantidades importantes de óxidos de azufre (SOx)
y partículas. Además, los buques también emiten cantidades importantes de óxidos
de nitrógeno (NOx) y dióxido de carbono (CO2).
Es muy importante reducir los óxidos de azufre de los
gases de escape porque son los principales gases causantes de la lluvia ácida.
Los óxidos de nitrógeno también contribuyen a la lluvia ácida y, además,
destruyen la capa de ozono. Respecto a las partículas, son muy dañinas en los
vegetales y en los animales y humanos pueden provocar serios problemas
pulmonares e incluso llegar a causar cáncer. El dióxido de carbono no se
considera un gas tóxico, pero también es muy importante reducirlo puesto que
repercute en el calentamiento global del planeta.
Debido a la importancia de las emisiones contaminantes de
los buques, principalmente óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, partículas y
dióxido de carbono, a lo largo de los últimos años se han ido desarrollando
diversas tecnologías. Destacan principalmente las medidas de reducción de
óxidos de nitrógeno debido a la normativa IMO Tier, que limita los niveles de
emisión de NOx a los siguientes valores, aplicados a motores construidos
después del año 2000 (IMO Tier I), 2011 (IMO Tier II) y 2016 (IMO Tier III para
áreas especiales).
De manera general, las medidas de reducción de emisiones se
pueden agrupar en medidas primarias y secundarias. Las medidas primarias
consisten en la modificación de algún parámetro relacionado con el
funcionamiento del motor, por ejemplo inyección de combustible, diagrama de
distribución, presión y temperatura de trabajo, etc. Por otro lado, las medidas
secundarias reducen las emisiones en los gases de escape una vez que éstos ya
han sido emitidos. Las principales medidas primarias y secundarias aplicadas en
los motores de buques se resumen a continuación:
MEDIDAS
PRIMARIAS
-
Modificación de
los tiempos y el mapa de inyección de combustible:
Con el fin de conseguir una combustión más perfecta y con
ello reducir las emisiones, en los motores actuales es frecuente jugar con el
instante de comienzo de la inyección, presión de inyección, geometría de los
inyectores o incluso realizar la inyección por tramos. En este sentido, destaca
el sistema “common rail” basado en hacer pre-inyecciones o post-inyecciones
antes y después de la inyección principal. De este modo se reduce la formación de
NOx ya que esta depende tanto de la temperatura como del tiempo que dura el
pico de alta temperatura. Con los modernos sistemas de inyección secuencial se
puede conseguir alrededor de un 20% de reducción
de NOx con muy poco aumento en el consumo específico de combustible.
  
-
Enfriamiento del
aire de admisión:
El aire que pasa por el turbo es aconsejable enfriarlo
antes de entrar al motor. Con esta medida se reducen notablemente las emisiones
de óxidos de nitrógeno puesto que éstos se originan cuanto más elevadas sean
las temperaturas de combustión.
 
-
Inyección de
agua:
Ésta es también una medida para reducir los óxidos de
nitrógeno. Inyectando una pequeña cantidad de agua con el combustible, o bien
en forma de humedad en el aire de barrido, lo que se consigue es reducir las
temperaturas de combustión y con ello las emisiones de óxidos de nitrógeno.
-
Recirculación de
gases de escape (EGR, exhaust gas recirculation):
Otra medida para reducir los óxidos de nitrógeno. Recirculando una
pequeña parte de los gases de escape y mezclándolos con el aire de barrido
también permiten una reducción de las temperaturas de combustión y con ello los
óxidos de nitrógeno.
  
-
Ciclo Miller:
El ciclo Miller fue introducido
en los motores diesel en primer lugar para reducir la emisiones de NOx, que
como se sabe es una de sus principales desventajas. La idea es bajar la
temperatura de combustión. El avance en el diseño de turbocompresores con mayores
relaciones de compresión cada vez, permitió disminuir el trabajo de compresión
mecánico para la misma presión final, de esta manera aumentando la capacidad de
refrigeración después del turbocompresor, se puede mantener la temperatura de
inicio de la compresión en los mismos valores, y por lo tanto la temperatura
final de compresión disminuye.
  Transformando un motor diese al ciclo Miller, se puede llegar a un 20% de reducción de Nox sin incrementar nada el consumo de combustible. El motor de media velocidad Sulzer ZA40S ha sido adaptado con éxito para operar con ciclo Millar, al igual que algunos motores del fabricante MAK. 
MEDIDAS SECUNDARIAS:
Aunque es posible a un coste razonable
reducir gran parte de los óxidos de nitrógeno con medidas primarias, también se
utilizan medidas secuntarias. Las medid secundaria más
utilizada para reducir los óxidos de nitrógeno es SCR
(Reducción Catalítica Selectiva). El sistema se basa en la inyección de amoníaco o
urea (que normalmente se comercializa mediante un compuesto llamado AdBlue) a
los gases de escape. Este compuesto reacciona con los óxidos de nitrógeno produciendo
nitrógeno y vapor de agua, los cuales no son contaminantes para el medio
ambiente. Se llaman catalíticos (a diferencia de los SNCR, reducción no
catalítica selectiva) porque emplean catalizadores con el fin de acelerar la
velocidad de la reacción química.
Para reducir los óxidos de azufre, existen
unos equipos llamados desulfuradores. Al igual que los SCR, el funcionamiento
se basa en inyectar una sustancia que reaccione químicamente con el gas
contaminante y el compuesto químico formado sea un gas nocivo o un sólido que
precipita en un recipiente habilitado para ello. Esta medida es muy utilizada
ya que es muy complicado y costoso reducir las emisiones de los óxidos de
azufre utilizando medias primarias, al contrario de lo que se hace con los óxidos
de nitrógeno.
  
CONCLUSIÓN
A nivel investigación, es posible analizar las emisiones
de los motores utilizando CFD (Mecánica de Fluidos Computacional),
pudiendo realizar simulaciones de diferentes patrones de inyección,
humidificación del aire de carga, cambio de diagramas de distribución,
ciclo Miller, recirculacion de gases de escape, y en general cualquier
párametro de funcionamiento del motor puede ser simulado y probado de
forma virtual por ordenador, con el correspondiente ahorro de tiempo y
dinero antes de llevar a cabo las modificaciones y sucesivas pruebas
reales en el motor.
En
anteriores ocasiones se han mostrado en este blog análisis del proceso de
barrido de motores. De la misma manera, se puede analizar el proceso de
combustión y emisiones contaminantes y con ello analizar el efecto que tiene
cada una de las medidas descritas. Tecnología Marítima ha hecho diversos
trabajos de este tipo en colaboración con el grupo de investigación
Innovaciones Marinas, de la Universidade da Coruña. En este momento la línea de
trabajo es análisis de los gases de escape utilizando medidas primarias, así
como catalizadores. Todo ello mediante CFD.
 
La utilidad de las herramientas modernas de modelado y
simulación con programas informáticos de simulación CFD son
actualmente indiscutibles, permitiendo ensayar de manera virtual diferentes
modelos o diseños antes de acometer la fabricación del prototipo industrial,
proporcionando con esta metodología de trabajo, enormes ventajas y beneficios por
ahorro de costes de fabricación de prototipos y acortamiento de los tiempos en
el desarrollo del producto.
LINKS:
- Revista Journal Of Maritime Research; Emissions from Marine Engines and Nox Reduction Methods - MAN Diesel & Turbo - HOMEPAGE
- Grupo de Innovaciones Mariñas de la Universidad de La Coruña.
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| Publicado el 2014-04-11 12:04:42 por Isabel Lamas | Abrir |
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