Optimización de generadores de olas para ensayos de comportamiento en la mar

Resumen

Existen muchos tipo de generadores de olas usados de forma habitual para ensayos de comportamiento en la mar de buques y estructuras offshore. Todos ellos, en mayor o menor medida, tienen limitaciones en cuanto a su capacidad de generar las olas deseadas en una zona lo suficientemente amplia como para ser de utilidad en los ensayos. Ello hace que su uso tenga ciertas limitaciones que esta tesis trata de reducir. El problema es mayor cuando se trata de ensayar buques que, a diferencia, de las plataformas tienen velocidades de avance importantes. Las limitaciones vienen dadas por el hecho de que las dimensiones reducidas del canal introducen condiciones de contorno que impiden reproducir las olas de extensión infinita que consideramos en los modelos teóricos y numéricos. Estas condiciones de contorno incluyen paredes rígidas que reflejan las olas hacia donde no se desean y absorbedores de olas que las distorsionan en sus proximidades. Este estudio pretende aumentar el área útil de ensayo aprovechándose precisamente de una de las limitaciones que es la reflexión en las paredes. Para ello se ha estudiado el movimiento óptimo de las paletas de un generador 3D para generar olas que se dirigen directamente a la zona de ensayo pero al mismo tiempo olas que reflejadas en las paredes que, combinadas con las anteriores, nos mejoran la calidad del oleaje en la zona de ensayo. El trabajo comienza con una descripción del estado del arte. Sigue con un desarrollo de las ecuaciones fundamentales para una solución lineal del problema general. Se hace un estudio del diseño óptimo de un generador de olas desde el punto de vista mecánico y de dimensionamiento de las paletas. Y finalmente se centra en el estudio de la optimización del movimiento de las paletas para un generador segmentado. La optimización se aplica a distintos tipos de combinaciones de generadores y tanques pero con especial atención a generadores con paredes laterales. Se incluyen los casos de generadores con absorbedores en todas las paredes opuestas, generadores con playas/reflectores laterales configurables, tanques con generadores en L y, en el que más me he centrado, un generador en un canal rectangular, situado en su lado más corto, con paredes sólidas en sus dos laterales y una playa en el lado opuesto. El trabajo incluye datos de validación a partir de ensayos en canal que demuestran que la teoría en que se basan los desarrollos es correcta. Una de las conclusiones más importantes de la tesis es que el control del movimiento de las paletas por un método distinto de los tradicionales puede aumentar la capacidad de realizar ensayos y su calidad de una forma considerable. Esto es especialmente cierto en el caso de generadores de olas con paredes laterales diseñados para ensayos de modelos en movimiento como es el caso de buques con velocidad de avance. La información dada en la tesis es suficientemente exhaustiva para permitir la implementación de nuevos algoritmos de control en generadores existentes. Abstract There are many types of wave makers used in a routinely basis for testing the seakeeping behaviour of chips and offshore structures. All of them have limitations regarding their capacities of generating the desired waves in a given area of the tank large enough to be useful for the tests. This implies that they have limitations on their use that this thesis tries to reduce. This problem is more important when testing ships because, as opposed to platforms, they have large sailing speeds. The limitations come from the fact that the reduced dimensions of the tank introduce boundary conditions that make impossible to generate the infinite length waves that we consider in the theoretical and numerical models. These boundary conditions include rigid walls that reflect the waves to positions where they are not desired as well as wave absorbers that distort the waves in their vicinity. The intention of this study is to increase the useful testing area by taking advantage of one of these perturbations, namely, the reflections on rigid walls. To this purpose the optimal motion of the wave maker flaps has been studied in order to generate not only waves travelling directly to the area of interest but also waves reflected on the wall that combined with the previous ones increase the quality of the wave field in the testing area. The work starts with a description of the state of the art. Then the fundamental equations for the general linear solution of the wave problem are developed. Next an study of the wave maker optimization is made from the point of view of the mechanics and dimensioning of the flaps. And finally it centres on the study of the optimization of the flap motion for a segmented wave maker. The optimization is applied to different kinds of combinations of wave makers and tanks but with a special emphasis in wave makers with side walls. The following cases are included: one sided wave makers with wave absorbers in the other three sides, wave makers with lateral adaptable absorbers/reflectors, L shaped wave makers and, more in deep, a wave maker located in one of the shorter sides of a long rectangular tank, two rigid vertical walls on the longer sides and a beach in the remaining side. The thesis includes validation data obtained from tank tests and demonstrating that the theory, in which the developments are based, is correct. One of the mosts important conclusions is that the controlling of the flap motion by a method different from the traditional ones can increase the testing capacity and quality in an appreciable amount. This is especially true in the case of wave makers with lateral walls that are designed for testing ships with forward speed. The information given in the thesis is ample enough as to allow the implementation of new control algorithms in existing tanks.