¿Qué es un túnel de cavitación?
Un túnel de cavitación es una instalación utilizada para realizar pruebas de hélices y otros componentes marinos. Básicamente, bombea agua en un circuito cerrado (llamado canal o flume) y la dirige a través de una sección de medición donde se colocan los modelos de hélices. La presión atmosférica puede reducirse artificialmente mediante una bomba de vacío, lo que permite simular las condiciones de baja presión que ocurren en el agua. El agua se acelera al pasar por una sección de contracción antes de llegar a la hélice y luego se desacelera en una sección de difusión antes de regresar al fondo del circuito.
El fenómeno de la cavitación
La cavitación es un fenómeno que ocurre cuando la presión del agua desciende por debajo de su presión de vapor, provocando la formación de burbujas de vapor. Este fenómeno puede ocurrir en las hélices de los barcos, de manera similar a cómo el aire fluye sobre las alas de un avión. El fluido que pasa sobre una superficie con forma especial (como una pala de hélice) crea diferencias de presión, y estas pueden volverse tan severas que el agua "hierve" sin un aumento de temperatura.
Para entenderlo mejor, consideremos que el agua hierve a 100°C a nivel del mar. Sin embargo, en la cima del Everest, hierve a 71°C. Esto significa que si reducimos suficientemente la presión circundante, el agua puede hervir sin ningún cambio de temperatura. Cuando esto sucede bajo el agua, lo llamamos cavitação. Este fenómeno es especialmente importante en el diseño y operación de barcos, particularmente en lo que respecta a las hélices.
Historia y desarrollo de los túneles de cavitación
El concepto de los túneles de cavitación tiene sus raíces en los esfuerzos pioneros de Sir Charles Parsons. Parsons construyó el primer túnel de cavitación del mundo para probar y mejorar el rendimiento de las hélices de su barco prototipo, el Turbinia, que estaba equipado con un revolucionario motor de turbina de vapor. Fue durante estas pruebas que Parsons mejoró la velocidad de su barco y descubrió la existencia de la cavitación en las hélices. Tanto el Turbinia como el túnel de cavitación original se exhiben actualmente en el Discovery Museum de Newcastle-upon-Tyne.
Desde el túnel original de Parsons, se han construido muchos otros túneles de cavitación en todo el mundo, algunos de los cuales son gigantescos en comparación. Por ejemplo, la Universidad de Newcastle inauguró su propia instalación, el Emerson Cavitation Tunnel, a principios de la década de 1950. Este túnel es de "escala media", con una longitud de 11 metros y una altura de más de 8 metros (equivalente a 3 pisos de un edificio normal). Ha sido actualizado continuamente a lo largo de los años con dispositivos de alta tecnología, incluyendo escáneres láser y equipos de visualización 3D. Actualmente, el túnel se encuentra en una instalación construida a propósito en la costa de Blyth, al norte del centro de la ciudad de Newcastle.
Aplicaciones y capacidades de los túneles de cavitación modernos
Los túneles de cavitación modernos, como el RISE cavitation tunnel en el SSPA Maritime Center, ofrecen una gran versatilidad. Cuentan con tres secciones de medición intercambiables que permiten pruebas de alta velocidad de hélices de hasta 23 m/s, así como de modelos de barcos grandes de hasta 10 metros. Estas instalaciones son muy rentables y ofrecen numerosas posibilidades para resolver problemas que puedan surgir durante el diseño y las pruebas de componentes marinos.
Además de los estudios de cavitación y la predicción de erosión, los túneles se utilizan para medir pulsos de presión y ruido radiado. Las pruebas pueden realizarse para todo tipo de embarcaciones, incluyendo buques mercantes, buques de guerra de alta velocidad, submarinos y otros vehículos submarinos. El alcance de las pruebas no se limita solo a las hélices, sino que también puede incluir dispositivos de ahorro de energía, timones, aletas y propulsores azimutales (PODs).
Los túneles de cavitación, con sus secciones intercambiables, también son muy valiosos en diversos tipos de estudios de flujo. Los métodos tradicionales bien correlacionados se combinan con tecnologías avanzadas como video de alta velocidad, Particle Image Velocimetry (PIV) y otras técnicas para obtener una comprensión detallada del comportamiento del flujo.
Pruebas sistemáticas y estudios de caso
La investigación en túneles de cavitación aborda fenómenos hidrodinámicos complejos. Un ejemplo de ello son los estudios sobre el efecto de la inclinación del eje, que puede inducir importantes fenómenos hidrodinámicos inestables, especialmente en embarcaciones pequeñas y de alta velocidad. En un estudio sistemático realizado en el Emerson Cavitation Tunnel de la Universidad de Newcastle, se utilizaron pruebas con un modelo de hélice de 214 mm de diámetro de un buque de investigación catamarán. La hélice fue sometida a condiciones de flujo uniforme e inclinado para investigar su eficiencia, cavitación y características de ruido subacuático radiado.
Los experimentos se llevaron a cabo con la hélice de estribor de 5 palas y giro a derechas del buque de investigación "The Princess Royal". El objetivo fue presentar detalles de las pruebas y hallazgos significativos sobre el efecto de la inclinación del eje en la eficiencia de la hélice, la cavitación y las características de ruido subacuático radiado. Se buscó una mejor comprensión de las firmas de ruido de los diferentes tipos de cavitación. Estas pruebas sistemáticas forman parte de una campaña organizada de pruebas round robin que está siendo llevada a cabo por los miembros de la Comunidad de Práctica de Ruido Subacuático (CoP) del Hydro-Testing Forum (HTF).
Ejemplo de Cavitación
Técnicas de medición y visualización
Para obtener datos precisos, los túneles de cavitación están equipados con diversas técnicas de medición y visualización. Una técnica común es el uso de luces estroboscópicas. Estas luces iluminan la hélice de forma intermitente, haciendo que las palas de la hélice se vean siempre en la misma posición. Esto crea la ilusión de que la hélice y los patrones de cavitación en cada pala son estacionarios, lo que facilita su observación y análisis.
Los túneles de gran tamaño, construidos en Francia, Estados Unidos y Alemania, se diseñaron para minimizar las consecuencias de los efectos de escala, permitiendo así obtener resultados más representativos de las condiciones a escala real. El Emerson Cavitation Tunnel, por ejemplo, puede operar a velocidades de hasta 10 m/s y se ha actualizado con equipos de alta tecnología, incluyendo escáneres láser y equipos de visualización 3D, para una caracterización detallada de los fenómenos observados.
