Tema de hidrodinámica - bordes de fuga

[Mariano Grumete]

Para chanque o los que saben de hidrodinámica.
Hasta donde yo se, el borde de fuga de los perfiles sumergidos (quillote, timón) se trata de hacer lo más simétrico y afilado posible. Me han comentado profesionales de diseño que parece que hay una nueva (para mí) tendencia a cortar los bordes de fuga en un ángulo de 45°manteniendo plana una cara y la otra con el chanfle a 45° con una curva suave que una el chanfle con la cara del perfil sin saltos. No tendría entidad apreciable la falta de simetría al navegar en uno u otro borde y con eso se logra eliminar un gran vórtice que genera arrastre y muchas veces vibraciones en el timón y que sigue al barco varios metros. Con el borde de fuga terminado de esta forma, se induciría la creación de pequéños vórtices que enseguida se disuelven y no acompañan al perfil generando menos turbulencia y arrastre. ¿Alguno sabe de ésto, lo vio, lo probó o lo pudo comprobar?

Saludos cordiales

[el rumor]

Hola Mariano, donde se puede leer algo de esa idea?

[Yumpa 5]

como las proas de los pontones de los catamaranes? un lado recto y el otro con curva

[Mariano Grumete]

Hola Mariano, donde se puede leer algo de esa idea?

No se, estuve buscando y no encontré nada. Por eso acudo al foro

[Mariano Grumete]

como las proas de los pontones de los catamaranes? un lado recto y el otro con curva

No me acuerdo como son las proas de los catamaranes. Yo me estoy refiriendo al borde de fuga, no al de ataque.

[Fernandon]

Por otro lado, con los catas tienen 2 pontones, no hay efecto de asimetría. Lo que hubiera en un pontón lo compensaría el otro. Me parece.

[Pablo F.]

Hola Mariano, en el mío es así, la pala del timón tiene un pequeño filet asimétrico en el borde de fuga; estaba en los planos y así lo hicimos. Intento subir imagen:

[Mariano Grumete]

Muy bueno Pablo. Parece que si se logra un ángulo simétrico de <=30° es aún mejor ¿o entendí mal? Saludos

[Chanquete]

https://youtu.be/M43YvDpKQCc?si=2gQWHvElIBu9k9C4

[Chanquete]

Se trata de los conocidos Flaps de Gurney. Muy utilizados en automovilismo para aumentar la sustentacion ( fuerza) que aprieta los neumaticos tractores contra el piso evitando resbalamientos
Hubo y hay experimentos en aeronautica para su uso en estados particulares ( aterrizajes) y debido a su infimo tamaño que permite un veloz despliegue y repliegue si fuese posible, su uso en vuelo a traves de turbulencia extrema.

[Chanquete]

Este articulo seria un ejemplo del problema. Googleenlo.
"The wake asymmetry of an airfoil with a Gurney flap and their connection with the observed lift increase"

[Mariano Grumete]

Buscando información que confirme la hipótesis del corte en chanfle de 45° del borde de fuga de los apéndices del barco, me encontré con este interesante artículo sobre la optimización de los timones.-

https://www.practical-sailor.com/boat-m ... ter-rudder

Disculpen la traducción:

CONSTRUYENDO UN TIMÓN MÁS RÁPIDO
Aumente el rendimiento con un poco de carenado y un timón mejor equilibrado.

Somos cruceristas, no regateros. Nos gusta navegar de forma eficiente, pero nos preocupa más la seguridad y el buen manejo que exprimir la última fracción de nudo. ¡Vamos! tenemos un velero con pescantes, manteles individuales debajo de nuestros platos y una biblioteca impresa en el estante. Entonces, ¿por qué preocuparse por la perfección debajo de la línea de flotación?
La razón es la llevada. Un barco con velas mal recortadas y un timón toscamente acabado perderá bordadas y se balanceará como un borracho a favor del viento cuando las olas estén altas. Por otro lado, un timón correctamente afinado hará virar ágilmente el barco a través de bordadas incluso en condiciones climáticas adversas y proporcionará una dirección segura que ayuda a evitar zozobras cuando las cosas se ponen turbulentas. La diferencia en la fuerza de giro máxima disponible entre un timón liso y correctamente ajustado y el mismo timón con un acabado rugoso y mal ajuste puede ser de hasta el 50 % en algunas circunstancias, y esas son las circunstancias en las que más la necesita. No se trata de velocidad, se trata de control.

Debe ser liso (smooth)

Liso es rápido. Eso es obvio. Pero la diferencia es aún mayor cuando maniobramos. Al igual que las velas, sólo la mitad de la fuerza del timón proviene del agua desviada por la parte de "barlovento" de la pala. El resto resulta de que el agua sea arrastrada por la parte de "sotavento" como flujo adjunto. Qué tan bien ese flujo permanece unido está relacionado con la forma de la pala, que no podemos cambiar fácilmente, y con el acabado de la superficie de la pala, que sí podemos.
¿Recuerdas el experimento escolar en el que colocabas una cuchara en un chorro de agua y observabas cómo el agua se adhería a la parte posterior de la cuchara? Ahora, vuelve a intentar el experimento como adulto, pero con un conjunto diferente de materiales.
Pruebe ésto con un trozo de madera que sea liso y otro que sea muy áspero; el agua se adherirá a la superficie lisa en un ángulo mayor que a la superficie áspera. Pruebe con un trozo de fibra de vidrio lisa o gelcoat; el agua se adherirá aún mejor porque la superficie es más lisa. Pruebe con una espátula de goma de silicona de la cocina. Curiosamente, aunque la superficie es bastante lisa, el agua no se adhiere bien en absoluto. Volveremos a eso.
Los investigadores han explorado esto de forma práctica, arrastrando timones a través del agua en tanques de prueba largos (Marina de los EE. UU.) y detrás de lanchas a motor.

Conoce tu timón para mejorar tu rendimiento

Sustentación y ángulo del timón a 8 nudos

sustentacion y angulo de timon.jpg (62.47 KiB) Visto 1839 veces

Si estamos tratando de ganar barlovento, es bueno obtener la mayor sustentación posible del timón, antes de que la resistencia se vuelva demasiado grande o antes de que comience a entrar en pérdida con los ajustes de timoneo normales. Si el barco tiene una quilla eficiente y el ángulo de abatimiento es de solo unos pocos grados, el timón puede funcionar de forma beneficiosa en un ángulo de 4 a 6 grados. El ángulo total de ataque del timón será inferior a 10 grados, la resistencia será baja y la capacidad de orzar se beneficiará de la sustentación adicional. Si el barco tiene un diseño con mucho abatimiento (las quillas de poco calado y los catamaranes de crucero vienen a la mente), entonces el ángulo del timón debe permanecer relativamente bajo para evitar que el ángulo total (abatimiento + ángulo del timón) del timón supere los 10 grados. Dicho esto, los barcos con quillas realmente ineficientes pero con timones grandes (los catamaranes tienen dos; ambos cuentan si no es un diseño que foilea) a veces pueden beneficiarse de ángulos totales ligeramente superiores a 10 grados; necesitan sustentación en cualquier lugar donde puedan obtenerla.

¿Cómo se puede controlar el ángulo del timón? Si el barco se gobierna con caña, ésta se desviará aproximadamente 1,5 cm del centro por cada grado de ángulo del timón, por cada 3 pies de longitud de la caña. En otras palabras, la caña de 90 cm no debe estar a más de 5 cm de la línea central. Si el barco se gobierna con rueda, la próxima vez que el barco esté fuera del agua, mida el ángulo del timón con la rueda completamente hacia una banda. Cuente la cantidad de vueltas que la rueda necesita para mover el timón desde el centro hasta el timón completamente hacia la banda y mida el diámetro de la rueda. Marque la parte superior del borde de la rueda cuando el barco se desplace en línea recta, preferiblemente en punto muerto sin corriente y sin velas ni motor para crear deriva.

El borde de la rueda se moverá (diámetro x 3,146 x cantidad de vueltas)/(grados de ángulo del timón completamente hacia la banda) por cada grado de ángulo del timón. Mantenga este valor en el rango de 2 a 6 grados cuando se encuentre ciñendo en forma cerrada, según corresponda a su barco. Por lo general, estará entre 10 y 25 cms en la rueda. Un cinta adhesiva a 6 grados puede resultar de ayuda.

¿Cómo podemos minimizar el ángulo del timón manteniendo un rumbo recto? Ajustar un poco más el foque o dejar un poco más suelta la escota mayor o el traveler reducirá la presión sobre el timón y el ángulo. Algunos barcos navegan hacia barlovento más rápido y más alto, y con mejores ángulos de timón, bajando el traveler unos centímetros por debajo de crujía.

Por otro lado, tensar la escota mayor y subir el traveler, incluso ligeramente por encima de crujía en algunos barcos, aumentará la presión y la sustentación.

Mucho depende del rumbo, las velas colocadas, el aparejo, la posición de la quilla, el viento y el estado del mar. En última instancia, una combinación de pequeños ajustes debería llevar el ángulo del timón al rango adecuado. Si el ángulo del timón es demasiado alto, simplemente estarás luchando contra ti mismo.

Timón ineficiente 1

timon con diseño ineficiente.jpg (97.25 KiB) Visto 1839 veces

Gire este timón solo 10 grados y se perderá presión por la parte superior, lo que reducirá la cantidad de sustentación generada.

Timón ineficiente 2

timon deficiente 2.jpg (35.28 KiB) Visto 1839 veces

Este timón bien podría colgarse del espejo de popa, ya que deja la parte superior abierta

(Ver gráfico en siguiente post)
Los timones suspendidos de popa y los timones de pala con grandes espacios entre el casco y la parte superior del timón perderán su sustentación en la “punta” de la pala cerca de la superficie.

Pulido de la superficie
La rugosidad de la superficie afecta la sustentación del timón de dos maneras. Una superficie más rugosa tiene una sustentación ligeramente menor en todo el rango de ángulos, el resultado de una capa límite turbulenta en lugar de un flujo suave en toda la superficie. Más dramáticamente, las palas más rugosas entran en pérdida en ángulos más bajos y entran en pérdida más completamente. La diferencia entre un timón carenado con un acabado pulido y un timón que lleva una acumulación de pintura antiincrustante aplicada durante 10 años puede ser de hasta un 35 por ciento (consulte "Conoce tu timón para mejorar tu rendimiento", más arriba).

¿Qué podemos hacer? Si su timón es del tipo elevable (calado variable), no use pintura para la parte inferior. Alise la pala hasta 2,5 cm de su final y coloque una pintura brillante en la parte superior lo más suave posible, lijando entre capas. Si usa un pincel, páselo en paralelo a la línea de flotación, no a lo largo de la pala.

¿Qué es más rápido, un acabado brillante o uno que se haya matizado con papel de lija de grano 1000? Las opiniones están divididas y creemos que puede depender de la naturaleza exacta de la pintura, lo que nos lleva a la pregunta: "¿Deberíamos encerar la pala?" La respuesta es un rotundo no.

La cera es hidrófoba (repele fácilmente al agua), como la espátula de goma de silicona que probaste, y como resultado, el agua no siempre se adhiere tan bien. Por lo tanto, si se debe deslustrar la pintura o no depende de la química de la pintura, pero en todos los casos el lijado final debe ser de grano 1000 o más fino.

Si el timón permanece en el agua, se requiere pintura antiincrustante. Lije la capa anterior hasta que quede perfectamente lisa. No debe haber evidencia de descascaramientos, manchas ni ninguna irregularidad. Con un rodillo de lana, aplique la pintura fina y varias capas para soportar el fregado que le dará al timón de vez en cuando.

Incluso si usa pintura blanda en el resto del barco (antifouling autopulimentante), considere la posibilidad de usar pintura dura para el timón (epoxi). Por supuesto, se acumularán algas e incrustaciones y tendrás que lijarlo periódicamente, pero el timón es pequeño y ninguna parte de tu embarcación es más importante para una buena llevada. Tómate el tiempo necesario para mantenerlo como un perfil aerodinámico perfecto.

Cerrar la brecha

¿Alguna vez has notado las pequeñas aletas en las puntas de algunos aviones? Como sabemos, están pensadas para reducir las pérdidas en la punta del ala. Las alternativas son alas ligeramente más largas o una eficiencia ligeramente inferior. En el extremo del ala que da al fuselaje, por supuesto, no hay tal pérdida porque el fuselaje sirve como placa terminal. Lo mismo sucede con el timón.

No hay mucho que puedas hacer con las pérdidas en la punta inferior; hacer el timón más largo aumentará la posibilidad de encallamiento y aumentará la tensión en el timón, el eje del timón y los bujes. Los diseñadores han experimentado con las aletas, pero atrapan las algas y el movimiento hacia arriba y hacia abajo del espejo de popa las hace ineficientes. Sin embargo, podemos mejorar el efecto de placa terminal del casco minimizando el espacio entre el casco y el timón.

En principio, debería quedar ajustado, pero en la práctica, la brecha suele ser lo suficientemente amplia como para atrapar un cabo. ¿Cuánta eficiencia se pierde con una brecha de unos pocos centímetros? La respuesta es bastante. Un espacio de tan solo 2,54 cm puede reducir la sustentación hasta en un 10-20 por ciento, dependiendo del tamaño y la forma del timón y de la velocidad. Un espacio de 1-2 mm es bastante eficiente, pero la flexión normal del eje del timón puede provocar rozamientos.

Si la holgura es pequeña, la más mínima curvatura por el impacto con un tronco sumergido puede provocar un atasco y la pérdida de dirección, aunque en mi experiencia, una vez que el impacto es suficiente para doblar el eje, es poco probable que una pequeña diferencia en la holgura haga mucha diferencia; el eje se doblará hasta que el timón golpee el casco. El grado de ajuste práctico depende del tipo de construcción, la precisión del ajuste y lo conservador que haya sido el diseñador en su ingeniería.

Los ejes de carbono, los ejes tubulares y los timones con skegs se flexionan menos, mientras que los ejes sólidos generalmente se flexionan más, en igualdad de condiciones. Normalmente, un espacio libre de aproximadamente 0.6 cm por cada 30 cm de cuerda del timón es práctico, y los barcos orientados al rendimiento a menudo apuntan a mucho menos. Si puedes alcanzar a pasar los dedos a través del espacio entre el timón y el casco, es demasiado. Con suerte, el casco está relativamente plano por encima del timón para que la separación no aumente demasiado con el ángulo del timón.

El editor técnico de Practical Sailor, Drew Frye, es el autor de los libros Keeping
a Cruising Book for Peanuts y Rigging Modern Anchors. Tiene un blog en su sitio web, sail delmarva.blogspot.com.

[Mariano Grumete]

Este gráfico no lo pude subir al post anterior porque hay un límite

distribución de la fuerza de sustentación segun el tipo de timón

distribucion de la fuerza de sustentacion.jpg (29.77 KiB) Visto 1838 veces

Saludos y espero verlos en los varaderos lija 1000 en mano puliendo los timones y agarrándose los dedos por subirlos hasta que estén bien pegados al casco

[Mariano Grumete]

https://youtu.be/M43YvDpKQCc?si=2gQWHvElIBu9k9C4

Chanque, el video que referiste me parece que trata de los flaps de Gurney en combinación con unos "tubérculos". Lo que yo digo es más simple, es el gráfico que subió Pablo. Es chanflear el borde de fuga en 45° sin agregar ningún aditamento como son los flaps de Gurney (una chapita a 90° de la dirección de avance según entendí) o unos aditamentos triangulares en el borde de fuga del ala (tubérculos).
Recuerdo haber visto un timón con "tubérculos" en un barco diseñado por Juan Kouyoumdjian pero eran en el borde de ataque.
Acá el link al barco con timón con protuberancias

http://nauta360.expansion.com/2016/04/1 ... 54992.html

[Chanquete]

Mariano.
Ese enfoque de terminacion del borde de fuga, tambien por lo simple se ve de vez en cuando, pero no es serio, sin sustento fisico.

[Mariano Grumete]

Hola Pablo. Por lo que pude averiguar con las palabras claves "hum" (zumbido) y
"shedding" (desprendimiento), lo que se pretende evitar con ese chanfle es la "calle de vórtices de Von Karman" que en algunos timones principalmente de vela ligera como Hobbie cats o Lasers produce un "zumbido" a cierta velocidad producto de los vórtices que se generan en el borde de fuga de los timones principalmente cuando están alineados con el sentido del avance (es decir con la caña a la vía o cerca). Esos zumbidos también pueden traer vibraciones. Al cortar con el chanfle el borde de fuga, los vórtices se generan de un solo lado y no se produce la vibración producto de vortices sucesivos de una y otra cara del borde de fuga. En el link que copio hay un gif bastante gráfico de lo que es la calle de vórtices de Von Karman.

https://www.hobie.com/forums/viewtopic.php?t=34000

[Mariano Grumete]

Mariano.
Ese enfoque de terminacion del borde de fuga, tambien por lo simple se ve de vez en cuando, pero no es serio, sin sustento fisico.

Chanque, fijate mi anterior post. Es para evitar el zumbido producto de la "calle de vórtices de Von Karman" según afirman.

[Chanquete]

En un perfil aerodinamico bien dseñado funcionando normalmente con flujo adherido NO hay calle de vortices de Von Karman
Este ultimo fenomeno solo se produce por desprendimientos de flujo.
Otro tema que SI da por pensar son los "serrated trailing edges" (bordes de fuga aserrados).
Pero....como diria Kipling...eso es otra historia.
Saludos

[Mariano Grumete]

Gracias Chanque. En definitiva, como conclusión, el corte en chanfle a 45% del borde de fuga es una solución para un problema puntual y no una mejora que se pueda aplicar en forma general a todos los apéndices de los barcos. Habrá que ver cada caso en particular. Y un buen perfil debe tener un borde de fuga bien agudo (<=030°) según también pude concluir. ¿Estamos de acuerdo?
Saludos

[Chanquete]

Si Mariano.
En realidad el borde de fuga puede variar en funcion de la "salud" de las dos capas limite que vienen de proa.
Si una o las dos capas limite vienen mal, estan a punto de separarse, entonces la agudeza del borde de fuga no es tan importante, puede variar bastante sin producir mas resistencia. Pero si las capas limite vienen bien, entonces la agudeza es importante.
Como durante una navegacion las incidencias instantaneas varian y las demoras en iniciar un proceso de separacion y readherencia de capa limite tambien varia conviene adaptarse a cada caso.

[Pablo F.]

Hola Pablo. Por lo que pude averiguar con las palabras claves "hum" (zumbido) y
"shedding" (desprendimiento), lo que se pretende evitar con ese chanfle....

Exactamente Mariano. En los foros se quejan mucho del zumbido a partir de cierta velocidad, parece que es algo común, aunque a algunos no les molesta, hasta les agrada. En el mío se ve que salió bien porque jamás lo hizo.
Lo de los 30º debe ser, pero cómo medirlo, estamos hablando de un filet que tendrá unos 3mm... fácil de hacerlo en un solo borde si tener que medir demasiado el ángulo, pero muy difícil en los dos a 30º. Si no sabés que está ahí el filet ni te das cuenta.

[Albo]

Los bordes de fuga tienen que ser gotas de agua. A excepción j70 y j24. Que la fuga es rectangular. Incomprensible pero funciona ...

[Albo]

En los catamaranes ahora ví se les está poniendo un flotante en crujía pero que no llega a tocar el agua...solo evita que las olas que chocan entre ambos pontones sean menos agresivas. Pues se achica el túnel algo que quiere ser un trimaran pero no lo es capichi

[Mariano Grumete]

Hola Pablo. Por lo que pude averiguar con las palabras claves "hum" (zumbido) y
"shedding" (desprendimiento), lo que se pretende evitar con ese chanfle....

Exactamente Mariano. En los foros se quejan mucho del zumbido a partir de cierta velocidad, parece que es algo común, aunque a algunos no les molesta, hasta les agrada. En el mío se ve que salió bien porque jamás lo hizo.
Lo de los 30º debe ser, pero cómo medirlo, estamos hablando de un filet que tendrá unos 3mm... fácil de hacerlo en un solo borde si tener que medir demasiado el ángulo, pero muy difícil en los dos a 30º. Si no sabés que está ahí el filet ni te das cuenta.

Salvo que estés en una clase te hacés una plantilla con los 30° en mdf, masillas y lijas. Si tengo tiempo, probablemente lo haga

[Chanquete]

Me hacen recordar a la " colita rutera" para autos...

[Chanquete]

Hola Pablo. Por lo que pude averiguar con las palabras claves "hum" (zumbido) y
"shedding" (desprendimiento), lo que se pretende evitar con ese chanfle....

Exactamente Mariano. En los foros se quejan mucho del zumbido a partir de cierta velocidad, parece que es algo común, aunque a algunos no les molesta, hasta les agrada. En el mío se ve que salió bien porque jamás lo hizo.
Lo de los 30º debe ser, pero cómo medirlo, estamos hablando de un filet que tendrá unos 3mm... fácil de hacerlo en un solo borde si tener que medir demasiado el ángulo, pero muy difícil en los dos a 30º. Si no sabés que está ahí el filet ni te das cuenta.

Salvo que estés en una clase te hacés una plantilla con los 30° en mdf, masillas y lijas. Si tengo tiempo, probablemente lo haga

Absurdo.

[Mariano Grumete]

Le voy a poner una al mío. Estoy podrido de que me de un chispazo cada vez que cierro la puerta ...

[Mariano Grumete]

Absurdo.

¿Qué es lo absurdo chanque?

[Chanquete]

Imagina un perfil (por ejamplo un timon) embestido por una corriente
Imagina las 2 capas limite que se forman sobre las 2 superficies del perfil.
Sigamos ambas capas limite.
Mientras el timon a aumentando de espesor el fluido de las capas limites se acelera y la presion va bajando. Hablamos de un gradiente de presiones favorable porque chupa la corriente en la misma direccion.
Una vez exedido el maximo espesor el fluido de ambas capas limite se va frenando y el gradiente de presiones se vuelve adverso, tiende a frenar. Y suele ocurrir que se frene del todo.
A partir de ahi la capa limite se desprende y al fluido le importa un carajo el angulo que tenga el borde de fuga porque ya no lo lame en forma ordenada. Se convierte en un flujo generalmente turbulento de estela con sus pintorescos vortices que a veces son los de Von Karman. Y a veces zumban.
El enfasis se pone en evitar el desprendimiento de capa limite lo mas posible.
Un remedio clasicofueron los perfiles laminares.
Y para simplificar deje fuera el vital fenomeno de transicion laminar turbulento que suele iniciarse en el punto de desprendimiento.

[Mariano Grumete]

¿O sea que sería lo mismo mantener el borde de fuga del quillote y principalmente del timón así como está (terminación de digamos 4 o 5 milímetros de espesor, roma), que perfilarlo en un ángulo de 30°?