Aplicación de un modelo numérico para la predicción de la maniobrabilidad de buques pesqueros de acero

Abstract

El comportamiento de buques en maniobras es una de las muchas áreas técnicas que contribuyen para la grande complejidad envuelta en el proyecto de buques. Las demandas para el proyectista pasan por establecer procedimientos y criterios tal que el buque sea capaz de operar eficiente y seguro en diferentes condiciones operacionales. Los modelos matemáticos envueltos en esos procedimientos derivan de la aplicación de la Segunda Ley de Newton a cuerpos rígidos. Donde las ecuaciones diferenciales lineales tienen un alcance de actuación limitada. Modelos de simuladores no lineales son comúnmente empleados, siendo en general considerados como eficientes herramientas en el desarrollo y evaluación de proyectos. El use de la simulación en el diseño de sistemas de control de gobierno de un buque, ha hecho necesario el desarrollo de modelos dinámicos que conservando las principales características de comportamiento, permitan una implementación lo más sencilla posible. Dinámicamente un buque se puede considerar como un sólido rígido con seis grados de libertad; tres coordenadas para describir los movimientos de traslación respecto a los tres ejes, y otras tres para los respectivos movimientos de rotación. El modelo de Abkowitz (1964), se propone tomar hasta el tercer orden del desarrollo en la serie de Taylor, los términos superiores al tercer orden no se consideran porque la experiencia ha demostrado que su inclusión no aumenta significativamente la exactitud. También se indica que se pueden despreciar varios términos debido a la simetría lateral de los buques, a que solo se tienen en consideración los términos con aceleración de primer orden y, el acoplamiento entre los términos de velocidad y aceleración es despreciable. La presente tesis es un estudio sobre la maniobrabilidad del buque pesquero en condiciones de aguas tranquilas, en el cual se simula numéricamente la trayectoria de la embarcación, mediante un modelo matemático no lineal de tercera orden, y se considera solo tres grados de libertad, avance (surge), desvío (sway) y guiñada (yaw), este modelo numérico está basado en el modelo matemático propuesto por Abkowitz. Este modelo pretende hacer una descripción comprensiva y robusta de las acciones fluidas relevantes para los movimientos simétricos y anti-simétricos del buque. Así también presentamos resultados de las simulaciones numéricas de la trayectoria de un buque en el dominio del tiempo, durante las maniobras estandarizadas de curva de giro, espiral y zig-zag. El presente informe se desarrolla en seis capítulos al cual pasamos a describir: En el Capítulo 1 se plantea la necesidad de los estudios sobre maniobrabilidad y se realiza una breve reseria histórica de la evolución de dichos estudios hasta la actualidad. Asimismo se definen los objetivos de la tesis. En el Capítulo 2 se delimitan las cualidades de maniobrabilidad, realizándose diversas disquisiciones sobre las mismas. Asimismo, se hace descripción de las ecuaciones de maniobras para los tres grados de libertad: avance (surge), desvío (sway) y guiñada (yaw), considerando los términos no lineales hasta tercera orden, basados en el modelo propuesto por Abkowitz (1964). Así también describimos las diferentes técnicas de análisis experimentales para la obtención de las derivadas hidrodinámicas, que van desde ensayos con modelos cautivos hasta ensayos con modelos libres. Detalles sobre la obtención de derivadas hidrodinámicas mediante formulaciones empíricas, la descripción de maniobras padronizadas, teoría de estabilidad direccional y criterios I.M.O. (International Maritime Organizaron) para maniobras también forman parte de este capítulo. En el Capítulo 3 se refiere a los resultados numéricos obtenidos de la maniobra de espiral, maniobra de giro y maniobra zig-zag, todas ellas en el dominio del tiempo. Todos estos resultados son sometidos a los requerimientos de las normas de maniobrabilidad de la I.M.O. (International Maritime Organization), detalladas en el fundamento teórico de este trabajo. Finalmente, en el Capítulo 4 presentamos las conclusiones y recomendaciones más relevantes obtenidas en el desarrollo de esta tesis. Deseo expresar mi más profundo reconocimiento a las siguientes personas e instituciones, sin cuyo apoyo y ayuda difícilmente hubiera sido posible la realización de la presente tesis: Al profesor Marcelo de Almeida Santos Neves, mi maestro ya muchos años, por el grande estimulo, la extrema paciencia y la dedicación demostrada. A todos los profesores del Programa de Ingeniería Oceánica de la COPPE-UFRJ en el Brasil, por las valiosas enseñanzas. De modo especial, al profesor Raad Yahya Qassim por el apoyo y consideración. A mis profesores de la Escuela Profesional de Ingeniería Naval de la FIM/UNI, por el apoyo recibido en los momentos necesarios. A mi hermano Jorge, por su disponibilidad permanente de ayuda e incentivo que, al mismo tiempo, nunca me faltaron. A mis amigos y colegas de trabajo de la ABS (American Bureau of Shipping) por el apoyo brindado.