Desarrollo de una quilla de surf con ranuras laterales para un mejor rendimiento hidrodinámico

Abstract

Muchas formas de aletas de tablas de surf se han derivado de las características de las aletas de los mamíferos acuáticos y los peces (Sakamoto y Yanamoto, 2007). La emulación de características biológicas puede mejorar el diseño y el rendimiento de una aleta de tabla de surf (Fish, et al., 2011). En un estudio de la Universidad de Michigan (MacNeill, 2015) se produjeron aletas inspiradas en animales para realizar comparaciones con el fin de obtener una aleta óptima que generara elevadas fuerzas de sustentación y bajas fuerzas de arrastre. Se definió una aleta óptima para mediciones de alta velocidad y análisis de flujo. La aleta óptima era aquella inspirada en el calderón tropical o de aleta corta (Globicephala macrorhynchus), una especie de ballena.

Inspirado en estos estudios, Randy Richenberg ha desarrollado una quilla con ranuras laterales que, en la práctica, parece tener buenos resultados (Scheinbaum, 2017). Sin embargo, no existe ningún estudio que demuestre que realmente tenga ventajas hidrodinámicas. Por lo tanto, el objetivo principal de este proyecto es comprobar analíticamente si la adicción de ranuras a una quilla de surf estándar (FCS k-3) mejoraría maniobrabilidad y velocidad de la tabla.

Para cumplir este objetivo se ha seguido la siguiente metodología. En primer lugar, se han modelado las dos quillas en 3D utilizando CATIA v5 y Solid Edge 2019. La quilla estándar, representada en la figura 1, se diseñó con los parámetros de la FCS K-3, la quilla en la que Richenberg añade sus ranuras. Una vez diseñada esta, se le añadieron ranuras horizontales. Una vez modeladas las quillas en 3D, se resuelve el problema de hidrodinámica mediante el análisis en mecánica de fluidos computacional (CFD) en Ansys Fluent. Para ello, las quillas tienen que pasar por dos etapas de modelado muy importantes. La primera es la definición de la geometría, en la que se definirá el volumen de control. Esta es la única parte del modelado en la que habrá una diferencia según el ángulo de ataque. Esto se debe a que el volumen de control en cada caso estará orientado de tal manera que la corriente de flujo incida con la quilla con el ángulo deseado. Debido a esto se han modelado diez casos en ANSYS, cinco ángulos para la quilla estándar y otros cinco para la quilla modificada.

Una vez modelado el volumen de control, se debe proceder a modelar la malla, una parte esencial del CFD. Con el fin de obtener una malla fina que de lugar a resultados precisos se han utilizado principalmente las herramientas de tamaño en las caras e inflación. Por último, se han definido en ANSYS las propiedades del fluido, las condiciones de control, el modelo de turbulencia y de resolución y la configuración de las simulaciones. Dado que se trabaja con una quilla se surf, se ha empleado como fluido de trabajo el agua de mar a una velocidad constante de 5 m/s. Debido a la posición que adopta la quilla respecto al flujo cuando gira, provocando turbulencia en la parte trasera, y la obtención de un número de Reynolds de 6 〖.10〗^5, se ha elegido un modelo viscoso de turbulencia de 2 ecuaciones; el k-épsilon. Este método conlleva un buen compromiso entre precisión y uso de recursos informáticos.

Tras el modelado y simulación de las dos quillas con cinco ángulos de incidencia distintos, se ha concluido que la adicción de ranuras a la quilla FCS k-3 trae ventajas hidrodinámicas ya que reduce el arrastre, permitiendo una mayor velocidad y facilidad para coger olas, y aumenta la sustentación, permitiendo un mayor control y maniobrabilidad de la tabla.

Una vez demostrado que las ranuras son beneficiosas, sería interesante entrar más en profundidad en el diseño concreto de las ranuras, es decir, tamaño, radio, curvatura, espacio entre ellas, etc. para conseguir un rendimiento óptimo de las quillas de surf.

Many forms of surfboard fins have been derived from the characteristics of the fins of aquatic mammals and fish (Sakamoto and Yanamoto, 2007). The emulation of biological characteristics can improve the design and performance of a surfboard fin (Fish, et al., 2011). In a study by the University of Michigan (MacNeill, 2015), fins inspired by animals were used to make comparisons in order to obtain an optimum fin that generated high lift forces and low drag forces. An optimal fin was defined for high speed measurements and flow analysis. The optimum fin was one inspired by the tropical pilot whale or shortfin (Globicephala macrorhynchus), a species of whale.

Inspired by these studies, Randy Richenberg has developed a keel with lateral grooves that, in practice, seems to have good results (Scheinbaum, 2017). However, there is no study that shows that it really has hydrodynamic advantages. Therefore, the main objective of this project is to analytically check whether the addition of slots to a standard surf keel (FCS k-3) would improve maneuverability and speed of the board.

To fulfill this objective, the following methodology has been followed. First, the two keels were modeled in 3D using CATIA v5 and Solid Edge 2019. The standard keel, shown in Figure 1, was designed with the parameters of the FCS K-3, the keel in which Richenberg adds his Slots Once this was designed, horizontal slots were added. Once the keels are modeled in 3D, the hydrodynamics problem is solved by the Computational Fluid Mechanics (CFD) analysis in Ansys Fluent. For this, the keels have to go through two very important modeling stages. The first is the definition of the geometry, in which the control volume will be defined. This is the only part of the modeling where there will be a difference according to the angle of attack. This is due to the fact that the control volume in each case will be oriented in such a way that the flow current impinges with the keel with the desired angle. Due to this, ten cases have been modeled in ANSYS, five angles for the standard keel and another five for the modified keel.

Once the control volume is modeled, the mesh must be modeled, an essential part of the CFD. In order to obtain a fine mesh that gives rise to precise results, the tools of size on the faces and inflation have been used mainly. Finally, the properties of the fluid, the control conditions, the turbulence and resolution model and the configuration of the simulations have been defined in ANSYS. Since one works with a keel to surf, the seawater has been used as a working fluid at a constant speed of 5 m / s. Due to the position that the keel takes with respect to the flow when it rotates, causing turbulence in the rear part, and the obtaining of a Reynolds number of 6 〖.10〗 ^ 5, a viscous turbulence model of 2 equations has been chosen; the k-epsilon. This method entails a good compromise between precision and use of computer resources.

After the modeling and simulation of the two keels with five different angles of incidence, it has been concluded that the addition of grooves to the keel FCS k-3 brings hydrodynamic advantages since it reduces drag, allowing greater speed and ease to catch waves, and increases the lift, allowing greater control and maneuverability of the board.

Once proven that slots are beneficial, it would be interesting to go deeper into the specific design of the slots, ie, size, radius, curvature, space between them, etc. to achieve optimal performance of the surf keels.