La Marina prueba modelos a escala en grandes instalaciones

El Gran Canal de Cavitación (LCC) William B Morgan es un gran túnel de agua de presión variable que ha sido operado por la Marina de los EE. UU. En Memphis desde 1991. Esta instalación está bien diseñada para una amplia variedad de pruebas hidrodinámicas e hidroacústicas. Su tamaño y capacidades generales permiten que los números Reynolds del modelo de prueba se acerquen, o incluso logren, los de los sistemas de transporte a gran escala basados ​​en aire o agua. (Foto: Marina de los EE. UU.)

El generador de punta única accionado por ondas de AquaHarmonics se demuestra durante un escaparate de innovación en la Cuenca de Maniobras y Marinería en Carderock, Maryland (foto de la Marina de EE. UU. Por Heath Zeigler)

Jessica McElman, ingeniera eléctrica en el Naval Surface Warfare Center, División Carderock, ajusta un sensor de campo magnético en la pista modelo ubicada en el Laboratorio de Campos Magnéticos en West Bethesda, Maryland (foto de la Marina de los EE. UU. Por Nicholas Malay)

Un rompehielos modelo demuestra su maniobrabilidad durante una prueba en las instalaciones del Consejo Nacional de Investigación de Canadá en St. Johns, Newfoundland. La prueba mostró el progreso realizado en la prueba y evaluación de modelos de diseño para el programa de adquisición de rompehielos de la Guardia Costera de los EE. UU., Que cuenta con el respaldo de un equipo internacional multiagencias que incluye ingenieros del Centro Naval de Guerra Superficial de la División Carderock. (Foto de la Marina de los EE. UU. Por Steven Ouimette)

Un modelo de casco de barco conectado a un trineo de alta velocidad se mueve a través de las olas en la Cuenca Modelo David Taylor en el Centro de Guerra de Superficie Naval, Carderock, durante la investigación patrocinada por ONR. (Foto de la Marina de los EE. UU. Por John F. Williams)

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Dentro de Naval Surface Warfare Center, División Carderock

Naval Surface Warfare Center, División Carderock en West Bethesda, Maryland, es uno de los principales centros mundiales de experiencia en hidrodinámica superficial y subacuática, investigación y diseño, que incluye instalaciones de primer nivel para experimentación, pruebas, evaluación y validación.

"Construimos modelos a escala de diseños de embarcaciones y podemos probar estas formas de casco en nuestras instalaciones para medir la carga hidrodinámica en la estructura o evaluar las capacidades marinas", dijo Mike Brown, jefe del Departamento de Ingeniería Naval e Ingeniería de Carderock. "Esto nos ayuda a caracterizar y predecir el rendimiento de nuestras plataformas".

El campus de Carderock junto al río Potomac alberga el tanque de remolque para probar modelos de barcos de superficie, submarinos y vehículos no tripulados, así como la cuenca de maniobra y marinería de más de 240 x 360 pies, que puede generar cualquier tipo de patrón de onda y ola ocurre en cualquier parte del mundo, así como en las ondas que no ocurren de forma natural, en un entorno controlable y repetible.

Se pueden usar modelos detallados de submarinos con báscula controlados por radio para medir con precisión las fuerzas de control sobre los apéndices y los diferentes ángulos del timón. "Podemos caracterizar el rendimiento del barco lo suficiente como para escribir algoritmos fly-by-wire en un submarino a gran escala", dijo Brown.

El brazo giratorio del centro pivota alrededor de un centro para evaluaciones de propulsores por turnos y experimentos de control y estabilidad del modelo cautivo. El centro también tiene acceso a un depósito en Maryland donde se prueban modelos a escala de barcos y submarinos.

Pero algunas de las capacidades más impresionantes de Carderock residen muy lejos, en instalaciones desde Alaska hasta las Bahamas, y desde Tennessee a Idaho.

La división de Combat Craft de Carderock en Little Creek, Virginia, gestiona una serie de pequeños proyectos artesanales que incluyen diseño, construcción, adquisición y mantenimiento.

La Lengua del sur del Ocean Acustic Measurement Facility (STAFAC) en las Bahamas y el sureste de Alaska Acoustic Measurement Facility (SEAFAC) cerca de Ketchikan, Alaska, cuentan con arreglos submarinos para realizar mediciones de firmas acústicas pasivas de alta fidelidad.

El Destacamento de Investigación Acústica de Carderock (ARD) está ubicado lejos del océano en Idaho. Gracias al profundo y silencioso Lake Pend Oreille, la Marina tiene un excelente entorno controlado para pruebas acústicas utilizando submarinos modelo a gran escala. El ARD mantiene vehículos de gran escala autopropulsados ​​(LSV), como el Kokanee de 90 pies de largo (LSV-1), un modelo a escala de un submarino de clase Seawolf y el modelo de 110 pies de altura. Modelo Cutthroat (LSV-2) de un barco clase Virginia, para la evaluación de cambios de diseño y nuevas tecnologías para garantizar que los barcos estén lo más silenciosos posible.

El Gran Canal de Cavitación (LCC) de William B. Morgan se encuentra a orillas del río Mississippi en Memphis, Tenn. El LCC es como un túnel de viento, pero se llena con 1,5 millones de galones de agua dulce. Así como un túnel de viento ayuda a comprender las propiedades aerodinámicas de varias formas, el LCC puede probar formas como maquetas de buques de superficie, submarinos o incluso torpedos de tamaño completo y vehículos submarinos, recopilando enormes cantidades de datos para medir perturbaciones extremadamente pequeñas en el rendimiento hidrodinámico.

"En el LCC, el modelo se mantiene en su lugar en la sección de prueba y controlamos el flujo de agua a su alrededor", dijo Dave Foster, gerente de operaciones de LCC. El flujo es creado por un motor eléctrico de 14,000 hp. "Al variar las RPM del motor grande que impulsa la hélice LCC de 18 pies de diámetro, la velocidad del flujo del agua a través de la sección de prueba se puede controlar con precisión para que coincida con los parámetros de prueba", dijo Foster.

Los objetos de prueba están suspendidos en una cámara de 10 x 10 por 43 pies de largo. La cámara se puede drenar y abrir para obtener acceso al objeto de prueba, que se puede cambiar para probar formas y configuraciones diferentes. "Podemos crear diferentes superficies de control a través de la impresión 3D", dijo Brown.

En este momento, el LCC se está utilizando para caracterizar el rendimiento del propulsor para el submarino de misiles balísticos clase Columbia, el reemplazo de los submarinos de la clase Ohio. "Creamos un modelo a escala de todo el submarino y el propulsor para medir todo, desde fuerzas inestables hasta alimentación y cavitación. Es el modelo más sofisticado que Carderock haya construido jamás ", dijo Brown. "Podemos variar las condiciones de prueba y medir perturbaciones muy pequeñas en el rendimiento".

Y a diferencia del océano, una gran ventaja del LCC es que el equipo puede cambiar el flujo y la presión del LCC y variar los parámetros del modelo, como la superficie de control y los ángulos del modelo. "Podemos mantener las condiciones de prueba durante horas bajo condiciones precisas que permitan la recopilación de grandes cantidades de datos en el transcurso de un día", dijo Foster.

"Recientemente realizamos pruebas del sistema remolcado de extracción de minas a gran escala. El LCC fue la única instalación donde pudimos obtener datos reales sin llevarlo al océano ", dijo Brown.

"Y a diferencia del océano, la sección de prueba de LCC tiene ventanas que permiten observar y registrar el objeto de prueba durante las carreras", agregó Foster.

Las pruebas se pueden ejecutar en muchas iteraciones para validar y mejorar la capacidad de modelado de computadora en Carderock.

Se realiza una cantidad significativa de pruebas antes de llegar al LCC. "Podemos hacer nuestro modelo informático de la dinámica de fluidos computacional, luego construir un modelo físico para probar en nuestro tanque de remolque. Entonces podemos probar ese modelo, o uno más grande, en el LCC. Eventualmente, nuestro departamento de firmas puede realizar pruebas acústicas en el ARD en Idaho.

Usando los datos obtenidos de los modelos de prueba en las instalaciones de Carderock, los modelos de computadora se mejoran para proporcionar mejores predicciones y luego estos modelos de computadora se pueden utilizar para ejecutar millones de variaciones para caracterizar completamente las propiedades y el comportamiento de diferentes diseños.

La Marina también ha utilizado el laboratorio CRREL (Research and Engineering Laboratory) del Centro de Investigación y Desarrollo del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. En Hanover, NH, que cuenta con instalaciones de clase mundial para realizar pruebas e investigaciones en entornos extremadamente fríos, como submarinos. operaciones en aguas árticas.

Las instituciones académicas y las compañías comerciales también usan las instalaciones de Carderock para respaldar las pruebas que involucran dinámica de fluidos computacional compleja, patrones de flujo y cavitación.

"Trabajamos juntos a través de CRADA, que son acuerdos mutuos que benefician a todas las partes", dijo Brown.

Los Acuerdos Cooperativos de Investigación y Desarrollo (CRADA) son acuerdos legales entre un laboratorio gubernamental de investigación y desarrollo y un socio no perteneciente a la Armada para llevar a cabo investigación y desarrollo cooperativamente en un área técnica determinada y compartir los resultados técnicos derivados del esfuerzo conjunto.


(Según publicado en la edición de mayo de 2018 de Marine Technology Reporter )