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Fecha publicación: Tue May 05 2026 19:08:34 GMT-0300 (Argentina Standard Time)

La dinámica de fluidos computacional (CFD) se utiliza para modelar la hidrodinámica y la resistencia de los submarinos. El flujo turbulento alrededor del casco incluye zonas de turbulencia que pueden ser difíciles de calcular. SIMULIA PowerFLOW utiliza el método de Boltzmann en la red (LBM) con un enfoque VLES para modelar de forma eficiente el flujo de fluidos alrededor de geometrías grandes, capturando al mismo tiempo los detalles del flujo turbulento.

Side view of the wake contour simulation.

¿Por qué simular submarinos?

Dinámica de fluidos computacional (CFD) modela el flujo de fluidos y la interacción fluido-estructura. La industria marítima y offshore utiliza ampliamente la simulación CFD para diseñar y analizar buques, submarinos y estructuras offshore.

La CFD se puede utilizar para modelar la hidrodinámica y la resistencia del buque. El flujo de agua alrededor del casco incluye áreas de flujo turbulento, especialmente alrededor de esquinas y bordes afilados. Además, la capa límite, que depende del número de Froude, es típicamente turbulenta. El flujo turbulento es caótico y difícil de calcular. Un enfoque potente para modelar la turbulencia es la simulación utilizando el método de Lattice Boltzmann (LBM). SIMULIA PowerFLOW utiliza LBM con un enfoque de simulación de remolinos muy grandes (VLES). Esto modela el flujo de fluidos alrededor de grandes geometrías de manera eficiente al tiempo que captura detalles del flujo turbulento.

La ingeniería de submarinos requiere consideraciones de diseño especiales. Los submarinos necesitan superficies de control: timones, aletas y planos de inmersión. Estas superficies permiten el movimiento tridimensional, similar al de una aeronave. Así como la aerodinámica es crucial para garantizar la maniobrabilidad de las aeronaves, la hidrodinámica es necesaria para garantizar un control seguro y eficiente de los submarinos. La simulación permite a los ingenieros optimizar el diseño de las superficies de control y aerodinámico del casco para reducir la resistencia.

Muchos submarinos se construyen para aplicaciones navales, donde el sigilo es un objetivo principal. El valor militar de un submarino proviene de su capacidad para moverse bajo el agua sin ser detectado. En las profundidades del agua, donde las ondas de radar no penetran, la detectabilidad de un submarino está determinada en gran medida por su interacción con el agua que lo rodea. Los efectos de cavitación de la hélice pueden generar un ruido considerable, así como su estela turbulenta. Este ruido puede propagarse durante muchos kilómetros en el agua. Los solucionadores acústicos en SIMULIA PowerFLOW pueden modelar la propagación del ruido en el agua sin necesidad de combinar diferentes herramientas de simulación.

Un submarino también deja una estela reveladora, un rastro de agua perturbada y turbulenta que puede detectarse detrás de él e incluso puede causar olas visibles desde la superficie. Los potentes y eficientes solucionadores basados ​​en LBM de SIMULIA PowerFLOW pueden modelar la propagación de la estela a una distancia extendida detrás del submarino, lo que ayuda a los ingenieros a encontrar soluciones para minimizar la turbulencia residual de la estela.

SIMULIA PowerFLOW forma parte de la cartera más amplia de Dassault Systèmes, que también incluye herramientas de diseño como CATIA en la plataforma 3DEXPERIENCE. El modelado y simulación unificados (MODSIM) rompen los silos entre diseñadores y analistas, lo que permite a los diseñadores evaluar cómo se desempeñarán sus diseños sin construir y probar prototipos físicos. Esto agiliza el desarrollo, reduce los costos y minimiza el riesgo.

Flujo de trabajo de hidrodinámica de submarinos

La resistencia del casco se puede analizar tanto en términos del casco desnudo como del buque completamente ensamblado con apéndices tales como planos de inmersión y aleta de vela. En el punto de referencia SUBOFF, el casco desnudo se etiqueta como AFF-1 y el casco con apéndices como AFF-8. El primer estudio fue para calcular la resistencia total. Como se muestra a continuación, se encontró una excelente concordancia entre los datos medidos y simulados para todas las velocidades del agua.

Hull resistance > Dassault Systèmes®
Comparación de la resistencia del casco simulada con PowerFLOW con los datos medidos de “Summary of DARPA Suboff Experimental Program Data” (1998) de Liu y Huang. Izquierda: AFF-1. Derecha: AFF-8.

Con la precisión verificada en todas las velocidades del agua, ahora podemos analizar la distribución de presión y la fricción superficial. a lo largo del casco. Esto capturará efectos localizados como la resistencia alrededor de la proa y el impacto de los planos de inmersión. La simulación muestra una excelente concordancia. Observamos esto particularmente alrededor de la proa del submarino, donde tanto el valor máximo como la pendiente se predicen con precisión. Esto indica que la simulación captura eficazmente las características clave de la capa límite, incluyendo su tamaño y ubicación de transición. Estos resultados refuerzan la fiabilidad de la simulación para reproducir fenómenos críticos de flujo local.

Comparing simulated pressure distribution (left) and skin friction (right) on AFF-1 to measured data from Huang
Comparación de la distribución de presión simulada (izquierda) y la fricción superficial (derecha) en AFF-1 con los datos medidos de Huang.

Rendimiento de la hélice en aguas abiertas

Además de validar la resistencia del casco, este estudio también examina el rendimiento de la hélice tanto de forma aislada como cuando está instalada. Para una descripción completa de el flujo de trabajo de simulación de hélice, utilizando el punto de referencia de hélice INSEAN E1619, consulte nuestra publicación de blog “Validating underwater propeller performance with SIMULIA PowerFLOW”.

En general, las curvas de rendimiento de la hélice muestran una estrecha concordancia entre la medición y la simulación.

Open water propeller performance > Dassault Systèmes®
Empuje (KT), par (10KQ) y eficiencia (ŋ), medidos en el punto de referencia INSEAN (naranja) y simulados en PowerFLOW (azul). Datos medidos de las pruebas de INSEAN del 16 de marzo de 2006 por Andrea Mancini, propiedad de CNR-INSEAN.

Analizar el casco y la hélice de forma aislada no es suficiente para comprender completamente el comportamiento del submarino como un buque completo. La estela del casco del submarino y sus apéndices causarán inestabilidades en el flujo alrededor de la hélice. Estas afectarán la resistencia total experimentada por el buque y la propagación de la estela. Por lo tanto, un análisis completo debe tener en cuenta la hélice instalada.

Analizar el perfil de la estela cercana proporciona una evaluación más cualitativa del rendimiento de la hélice instalada y también valida la precisión de la simulación. Las imágenes a continuación muestran la comparación de la simulación y la medición de velocimetría de imágenes de partículas (PIV).

Wake contour for appended configuration > Dassault Systèmes®
Contorno de estela para la configuración adjunta (AFF-8) en x/ LOA=0,978 para simulación (izquierda) y experimento (derecha). Datos experimentales de “Simulations of the DARPA Suboff submarine including self-propulsion with the E1619 propeller” (2012) por Chase.
Side view of the wake contour simulation.
Vista lateral de la simulación del contorno de la estela.

La simulación revela varias características de la estela del submarino. Primero, y lo más obvio, hay una velocidad de estela muy alta en las inmediaciones de la hélice. Segundo, hay cuatro proyecciones claras en la estela causadas por los cuatro apéndices en la cola. Tercero, hay una estela tenue de la vela en la parte superior del casco. Aunque menor, esto aún puede interactuar con la estela de la hélice y causar inestabilidades. Todo esto es visible tanto en la simulación como en la medición. Una cuarta característica es visible en los datos de la simulación: vórtices de las puntas de los apéndices. Estos no son visibles en los datos de medición debido a la resolución limitada del PIV. En este caso, la simulación revela un comportamiento que no fue detectado por la medición.


Animación de la estela de una hélice instalada totalmente sumergida.

También podemos analizar la estela lejana. La eficiencia de PowerFLOW para flujo turbulento nos permite simular una longitud de 10 longitudes de submarino detrás de él. Al comprender la estela lejana y su impacto tanto en la hidrodinámica como en la acústica, los ingenieros pueden optimizar los diseños para reducir la estela detrás del submarino y mejorar sus características de sigilo.

Simulation of the submarine far wake, in side view and 3D isosurface view.
Simulación de la estela lejana del submarino, en vista lateral y vista de isosuperficie 3D.

Conclusión

La simulación permite a los ingenieros navales diseñar submarinos más eficientes y sigilosos. SIMULIA PowerFLOW es muy adecuado para los desafíos de la simulación de submarinos, utilizando la simulación de Lattice Boltzmann para modelar el flujo de fluido alrededor del casco, incluyendo todos los apéndices y la hélice. La precisión de PowerFLOW se ha verificado con respecto a puntos de referencia establecidos, mostrando una estrecha concordancia con las mediciones. La simulación se puede implementar como parte del flujo de trabajo de diseño utilizando un flujo de trabajo de modelado y simulación unificado (MODSIM). SIMULIA PowerFLOW se integra con herramientas de diseño como CATIA y otras herramientas de simulación de SIMULIA en la 3DEXPERIENCE plataforma.

Lea más sobre este tema: /brands/simulia/validating-underwater-propeller-performance-simulia-powerflow/

Wouter Van Der Velden

es doctor en ingeniería aeroespacial y lleva más de 10 años trabajando en temas de modelado y simulación en Dassault Systèmes. Es un experto sénior del sector y actualmente es responsable de la cartera de simulación, así como del material y la estrategia de comercialización para la industria marítima y offshore.

Fuente:
Wouter Van Der Velden. (05:05:2026). simulation. . https://blog.3ds.com/brands/simulia/submarine-fluid-simulation-hydrodynamics-propeller-dynamics-wake-tracking/