Subiendo el volumen del ruido radiado bajo el agua

La cuestión del ruido radiado bajo el agua (URN, por sus siglas en inglés) procedente de los buques y su impacto en la vida marina lleva años en la agenda del sector marítimo, aunque rara vez ha alcanzado gran visibilidad.

El URN no es solo un problema limitado a la comunicación entre mamíferos y peces. Tiene impactos potencialmente negativos en todo tipo de vida marina, incluidas las comunidades costeras que dependen de unos océanos saludables para su subsistencia y medios de vida.

Si bien los puertos pueden imponer límites de velocidad para mitigar el problema, la reducción de potencia por sí sola puede no ser suficiente para lograr los mares más silenciosos que se necesitan en zonas remotas y sensibles.

Para comprender mejor este fenómeno —y poder predecirlo con mayor precisión— el ABS Harsh Environment Technology Center (HETC), ubicado en St. John’s (Terranova y Labrador), se asoció con la Memorial University of Newfoundland (Memorial) y eSonar para investigar y desarrollar modelos predictivos del URN generado por el rompehielos CCGS Terry Fox.

Los principales responsables del URN en los buques son la cavitación causada por las hélices, la maquinaria de gran tamaño que genera vibraciones a través de sus apoyos o bancadas, el ruido producido por el desplazamiento del buque en el agua y otros ruidos estructurales derivados de la carga.

Numerosos estudios han demostrado la relación entre el URN y alteraciones en todo el entorno marino, siendo especialmente perjudicial para los mamíferos marinos y la fauna.

En el caso de los mamíferos marinos, la frecuencia del ruido de los buques se encuentra dentro del rango de sus comunicaciones y, cuando alcanza niveles elevados, puede causar daños permanentes tanto en estos animales como en otras especies. Las actividades sísmicas y el sonar resultan especialmente dañinos.

La mejor manera de abordar el problema es mejorar la comprensión de las distintas fuentes de URN, desarrollar modelos para evaluarlo y crear soluciones que reduzcan el ruido de los buques con un impacto comercial mínimo.

La iniciativa Quiet Vessel Initiative de Transport Canada se desarrolló y lanzó en 2019 para investigar y probar los diseños, modernizaciones y prácticas operativas más prometedoras, seguras y eficientes para buques silenciosos. ABS y Memorial establecieron en 2009 una colaboración —el HETC— centrada en la investigación de múltiples áreas, especialmente en operaciones en hielo y climas fríos.

Este proyecto se dividió en tres fases: una primera de simulación intensiva, una segunda de ensayos en campo y una tercera de desarrollo inicial y prototipado de un sistema comercial de medición de URN.

Una fuente importante de URN es la vibración estructural derivada de la operación del buque. Para este proyecto, la Guardia Costera Canadiense (CCG) aportó el rompehielos pesado CCGS Terry Fox. Las importantes vibraciones y el ruido del buque se generan por sus dos hélices de paso variable, los impactos del hielo contra el casco o los golpes en condiciones de mar adversa.

ABS había realizado previamente múltiples evaluaciones y simulaciones del CCGS Terry Fox, lo que permitió utilizar modelos 3D y de elementos finitos altamente precisos.

La realización de mediciones de URN y evaluaciones de estado antes de la entrada en dique seco permitió establecer una línea base previa a la modernización. A través de otros proyectos de investigación, el objetivo es realizar nuevas campañas de medición completas para cuantificar el efecto de la maquinaria de propulsión moderna frente a tecnologías más antiguas.

El proyecto buscaba validar métodos de ensayo empíricos para afinarlos y utilizarlos en todas las fases del diseño con el fin de reducir el URN. Para ello, ABS llevó a cabo tres niveles distintos de simulación/cálculo, desde herramientas empíricas (baja fidelidad) hasta dinámica de fluidos computacional (CFD) completamente acoplada (alta fidelidad).

Para los ensayos de baja fidelidad se utilizó ABS PropNoise, una herramienta interna basada en fórmulas semiempíricas para predecir el URN generado por el buque, incluyendo la influencia de la cavitación de la hélice mediante cuatro modelos de predicción de ruido.

En el nivel de fidelidad media se emplearon dos herramientas. ABS utilizó su pertenencia al grupo Cooperative Research Ships (CRS) para aplicar la herramienta Empirical Cavitating Tip Vortex (ETV), destinada a determinar el URN debido a la cavitación en la punta de la hélice.

Figura 1: Modelo de alta fidelidad – velocidad del fluido alrededor de las hélices..

También utilizó la herramienta CRS Dynamic Bubbles para analizar el ruido de cavitación de banda ancha generado por la cavitación en lámina en las palas. Además, se empleó PROCAL para predecir la cavitación no estacionaria en las palas en condiciones de estela del buque, que puede generar fluctuaciones de presión en el casco.

Aunque existen varios métodos CFD/acústicos para determinar la firma hidroacústica de un buque, todos requieren una elevada capacidad de cálculo.

Para lograr un método de alta fidelidad, el equipo optó por un enfoque híbrido, en el que la CFD se utilizó para generar los datos de entrada del modelo hidroacústico y se realizó una simulación independiente para determinar el URN.

A partir de las simulaciones CFD, el equipo pudo analizar el flujo alrededor del casco y la hélice, observar la aceleración del fluido a través del plano de la hélice e identificar las cavidades en las palas.

El patrón de cavitación fue muy similar al obtenido en el análisis de fidelidad media, capturando tanto la cavitación en la punta como la cavidad cercana a la raíz de la pala, lo que validó el modelo intermedio y reforzó la confianza en los resultados CFD de alta fidelidad.

El equipo realizó mediciones en campo utilizando una boya de superficie estabilizada con GPS y tres hidrófonos conectados en serie a distancias conocidas. También se utilizó un instrumento CTD (conductividad, temperatura y profundidad) para calibrar mejor los datos.

A bordo, se instalaron acelerómetros en la base del motor diésel número cuatro y en la bancada del grupo electrógeno número uno para medir el ruido transmitido por la estructura. Asimismo, se colocaron acelerómetros en el doble fondo, cerca de las hélices, para aislar el ruido generado por estas.

Las pruebas se realizaron en la bahía de Conception, durante un inusual periodo de calma frente a la costa de Terranova. Se llevaron a cabo ensayos a distintas velocidades, midiendo el URN mediante hidrófonos en la columna de agua y datos de acelerómetros en las bancadas de motores y generadores. Todo ello conforme a la guía de ABS sobre ruido submarino y ruido aéreo externo.

El equipo comparó las mediciones reales con las predicciones de los tres niveles de simulación. En general, hubo una muy buena concordancia, especialmente en los niveles medio y alto, mientras que el método semiempírico de baja fidelidad resultó útil como herramienta de “techo” en fases iniciales de diseño.

La finalización de un sistema de medición de URN listo para el mercado hará que estas soluciones sean más accesibles. A través de nuevos proyectos, permitirá su instalación en buques comerciales, proporcionando a los capitanes información operativa para reducir el ruido emitido.

Cuantos más sistemas se instalen, mayor será la cantidad de datos disponibles, lo que permitirá perfeccionar los modelos matemáticos y los procesos de predicción.

Además de ofrecer una evaluación precisa del URN generado por el CCGS Terry Fox, el proyecto ha demostrado que en el futuro será posible predecir con precisión el URN a partir de planos o modelos digitales 3D de un buque.

La capacidad de predecir con exactitud el URN en diseños más complejos contribuirá a una reducción más amplia de esta forma de contaminación marina.

Una mejor comprensión del comportamiento del URN permitirá anticiparlo y prevenirlo, contribuyendo de forma significativa y duradera a una industria marítima más sostenible.