El control de la capa límite se refiere a métodos para controlar el comportamiento de las capas límite del flujo de fluido .
Puede ser deseable reducir la separación del flujo en vehículos rápidos para reducir el tamaño de la estela (racionalización), lo que puede reducir la resistencia. La separación de la capa límite es generalmente indeseable en los sistemas de alto coeficiente de sustentación de las aeronaves y en las tomas de los motores a reacción.
El flujo laminar produce menos fricción cutánea que el turbulento, pero una capa límite turbulenta transfiere mejor el calor. Las capas límite turbulentas son más resistentes a la separación.
Es posible que sea necesario aumentar la energía en una capa límite para mantenerla adherida a su superficie. Se puede introducir aire fresco a través de las ranuras o mezclarse desde arriba. La capa de bajo impulso en la superficie se puede succionar a través de una superficie perforada o sangrar cuando se encuentra en un conducto de alta presión. Puede extraerse completamente mediante un desviador o un conducto de purga interno. Su energía se puede incrementar por encima de la de la corriente libre introduciendo aire a alta velocidad.
Naturaleza
Frank E. Fish afirma que los delfines parecen tener una capa límite turbulenta para reducir la probabilidad de separación y minimizar el arrastre, y que los mecanismos para mantener una capa límite laminar para reducir la fricción de la piel no se han demostrado para los delfines. [1]
Las alas de las aves tienen una característica de borde de ataque llamada Alula que retrasa el bloqueo del ala a bajas velocidades de manera similar a la tablilla del borde de ataque en el ala de un avión. [2]
Las delgadas alas de membrana que se encuentran en los murciélagos y los insectos tienen características que parecen causar una rugosidad favorable en los números de Reynolds involucrados, lo que permite que estas criaturas vuelen mejor de lo que serían de otra manera. [3]
Deportes
A las bolas se les pueden dar características que hagan áspera la superficie y extiendan la distancia de golpe o lanzamiento. La rugosidad hace que la capa límite se vuelva turbulenta y permanezca unida más alrededor de la espalda antes de desprenderse con una estela más pequeña de lo que sería el caso. Las bolas se pueden golpear de diferentes formas para darles un giro que las haga seguir una trayectoria curva. El giro hace que la separación de la capa límite se desvíe hacia un lado, lo que produce una fuerza lateral.
El control BL (rugosidad) se aplicó a las pelotas de golf en el siglo XIX. Las costuras en pelotas de cricket y pelotas de béisbol actúan como una estructura de control de capa límite. [4]
En un cilindro
En el caso de un flujo de corriente libre que pasa por un cilindro, se pueden emplear tres métodos para controlar la separación de la capa límite que se produce debido al gradiente de presión adverso. [5] La rotación del cilindro puede reducir o eliminar la capa límite que se forma en el lado que se mueve en la misma dirección que la corriente libre. El lado que se mueve contra el flujo también exhibe solo una separación parcial de la capa límite. La succión aplicada a través de una hendidura en el cilindro cerca de un punto de separación también puede retrasar el inicio de la separación al eliminar las partículas de fluido que se han ralentizado en la capa límite. Alternativamente, se puede soplar fluido desde una ranura nivelada de modo que el fluido ralentizado se acelere y, por tanto, se retrase el punto de separación.
Mantener una capa límite laminar en aviones
Las aspas aerodinámicas de flujo laminar se desarrollaron en la década de 1930 dándoles forma para mantener un gradiente de presión favorable para evitar que se volvieran turbulentas. Los resultados de su túnel de viento de baja resistencia los llevaron a ser utilizados en aviones como el P-51 y el B-24, pero mantener el flujo laminar requería bajos niveles de rugosidad y ondulación de la superficie que no se encuentran habitualmente en el servicio. [6] Krag [7] afirma que las pruebas en el perfil aerodinámico P-51 realizadas en el túnel de viento DVL de alta velocidad en Berlín mostraron que el efecto de flujo laminar desapareció por completo en los números de Reynolds de vuelo real . La implementación del flujo laminar en aplicaciones de alto número de Reynolds generalmente requiere superficies muy lisas y sin ondas, que pueden ser difíciles de producir y mantener. [6]
Mantener el flujo laminar controlando la distribución de la presión en un perfil aerodinámico se denomina flujo laminar natural (NLF) [6] y ha sido logrado por los diseñadores de planeadores con gran éxito. [8]
En las alas en flecha, un gradiente de presión favorable se vuelve desestabilizador debido al flujo cruzado y es necesaria la succión para controlar el flujo cruzado. [9] Complementar el efecto de la configuración del perfil aerodinámico con la succión de la capa límite se conoce como control de flujo laminar (LFC) [6]
El método de control particular requerido para el control laminar depende del número de Reynolds y del barrido del borde de ataque del ala. [10] El control de flujo laminar híbrido (HLFC) [6] se refiere a la tecnología de ala en flecha en la que la LFC se aplica solo a la región del borde de ataque de una ala en flecha y NLF detrás de ella. Las actividades patrocinadas por la NASA incluyen NLF en las góndolas del motor y HLFC en las superficies superiores de las alas y las superficies horizontales y verticales de la cola. [11]
Diseño de aeronaves
En ingeniería aeronáutica, el control de la capa límite se puede utilizar para reducir la resistencia parásita y aumentar el ángulo de ataque utilizable . Las tomas del motor montadas en el fuselaje a veces están equipadas con una placa divisora .
Se llevaron a cabo muchas investigaciones para estudiar la mejora del rendimiento de elevación debido a la succión de perfiles aerodinámicos en las décadas de 1920 y 1930 en el Aerodynamische Versuchsanstalt en Göttingen . [ cita requerida ]
Un ejemplo de una aeronave con control activo de la capa límite es el hidroavión japonés ShinMaywa US-1 . [12] Este gran avión de cuatro motores se utilizó para la guerra antisubmarina (ASW) y la búsqueda y rescate (SAR). Era capaz de funcionar con STOL y velocidades de aire muy bajas. Su reemplazo en el rol de SAR, el ShinMaywa US-2 , usa un sistema similar por su capacidad de volar a 50 nudos. [13]
Ver también
Referencias
- ^ El mito y la realidad de la paradoja de Gray: implicación de la reducción del arrastre de los delfines para la tecnología https://web.archive.org/web/20160305153746/http://darwin.wcupa.edu/~biology/fish/pubs/pdf/2006B % 26BGray% 27sParadox.pdf
- ^ http://www.ardeola.org/files/1295.pdf
- ^ "El diseño del avión" Stinton Darrol, BSP Professional Books, Oxford 1989, ISBN 0-632-01877-1 , p.97
- ^ "Vuelo giratorio" Lorenz Ralph D. Springer Science + Business Media, LLC 2006, ISBN 0-387-30779-6 , p. 33
- ^ "Teoría de la capa límite" Schlichting Klaus, Gersten, E. Krause, H. Jr. Oertel, C. Mayes 8ª edición Springer 2004 ISBN 3-540-66270-7
- ^ a b c d e "Comprensión de la aerodinámica a partir de la física real" McLean Doug, John Wiley & Sons Ltd. Chichester, ISBN 978-1-119-96751-4 , p. 339
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 4 de marzo de 2016 . Consultado el 13 de enero de 2016 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 16 de septiembre de 2012 . Consultado el 13 de enero de 2016 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19790025267.pdf
- ^ http://goldfinger.utias.utoronto.ca/IWACC2/IWACC2/Program_files/Collier_2.pdf diapositiva 12
- ^ http://goldfinger.utias.utoronto.ca/IWACC2/IWACC2/Program_files/Collier_2.pdf diapositiva 5
- ^ Video promocional de ShinMaywa, ca. 1980
- ^ Explicación y datos en el sitio web de ShinMaywa, consultado el 12 de diciembre de 2020