Diseño de un generador de olas para la realización de pruebas de modelos marítimos a escala reducida en un canal de oleaje

Abstract

El presente trabajo tiene como objetivo presentar el diseño de un canal de oleaje bidimensional de bajo costo destinado a la realización de ensayos experimentales de olas. Este sistema permite verificar el funcionamiento adecuado de modelos físicos a escala reducida, como parte de una etapa posterior en el desarrollo del prototipo general. El proyecto se compone de un tanque modular de pequeñas dimensiones, diseñado para facilitar su instalación rápida en un entorno de laboratorio convencional. Asimismo, integra un generador de olas basado en un mecanismo manivela–balancín, el cual produce un movimiento oscilante tipo flap mediante una placa que desplaza la masa de agua contenida en el tanque. Para evitar errores y la superposición indeseada de las olas generadas, se diseñó un absorbedor pasivo con pendiente regulable, lo que permitió identificar experimentalmente la configuración óptima de la pendiente para distintos tipos de olas. Además, con el fin de garantizar la validez del diseño, se efectuaron análisis cinemáticos y dinámicos del mecanismo del generador de olas, así como análisis estáticos para la placa flap y para la estructura del canal, empleando los entornos de software Matlab y SolidWorks. A partir de los fundamentos de la teoría lineal de oleaje, fue posible determinar los límites de altura de onda que puede generar el sistema. Para el control y la automatización del generador de olas, se utilizó un PLC Siemens S7-1200 encargado de la gestión de un motor paso a paso de 20 Nm de torque y de los sensores que conforman el sistema. Mediante la herramienta PID Tuner de Matlab, se diseñó un controlador PI para obtener las alturas de ola deseadas. La efectividad del controlador se evaluó analizando el sobreimpulso, el tiempo de establecimiento y el tiempo de subida de la planta para tres valores de referencia de altura de ola: 6, 10 y 16 cm. Los sobreimpulsos obtenidos fueron 5.85 % para 6 cm, 4.74 % para 10 cm y 0.505 % para 16 cm, los cuales se consideraron aceptables para esta aplicación. Los tiempos de establecimiento fueron de 13 s para los dos primeros casos y de 18 s para el tercero, los cuales se consideraron rápidos para el sistema. Por último, los tiempos de subida fueron 2.62 s, 2.558 s y 3.877 s para los respectivos casos, resultados que se calificaron como aceptables y contribuyen a la velocidad del sistema. En consecuencia, el controlador diseñado se consideró efectivo. Finalmente, las simulaciones estructurales confirmaron que los componentes del canal de oleaje alcanzan factores de seguridad superiores a los valores recomendados, garantizando así un funcionamiento confiable del sistema.

The purpose of this work is to present the design of a low-cost, two-dimensional wave flume intended for experimental wave testing. This system enables the verification of the proper functioning of reduced-scale physical models as part of a subsequent stage in the development of the overall prototype. The project consists of a small modular tank designed to allow rapid installation in a standard laboratory environment. It also integrates a wave generator based on a crank–rocker mechanism, which produces a flap-type oscillatory motion through a plate that displaces the water mass inside the tank. To prevent errors and undesired superposition of the generated waves, a passive absorber with adjustable slope was designed, allowing for the experimental identification of the optimal slope configuration for different wave types. Furthermore, in order to ensure the validity of the design, kinematic and dynamic analyses of the wave-maker mechanism were performed, along with static analyses of both the flap plate and the flume structure, using Matlab and SolidWorks. Based on the principles of linear wave theory, the operational limits of the wave heights that the system can generate were determined. For the control and automation of the wave generator, a Siemens S7-1200 PLC was used to manage a 20 Nm stepper motor and the sensors integrated into the system. Using the Matlab PID Tuner tool, a PI controller was designed to achieve the desired wave heights. The controller’s effectiveness was evaluated by analyzing the overshoot, settling time, and rise time of the plant for three target wave heights: 6, 10, and 16 cm. The overshoots obtained were 5.85% for 6 cm, 4.74% for 10 cm, and 0.505% for 16 cm, all of which were considered acceptable for this application. Settling times were 13 s for the first two cases and 18 s for the third, values regarded as fast for the system. Lastly, rise times of 2.62 s, 2.558 s, and 3.877 s were obtained for the respective tests, results that were considered satisfactory and indicative of adequate system responsiveness. Consequently, the designed controller was deemed effective. Finally, structural simulations confirmed that the components of the wave flume achieve safety factors exceeding recommended values, thus ensuring reliable system performance.