Siempre que haya un movimiento relativo entre un fluido y una superficie sólida, ya sea externamente alrededor de un cuerpo o internamente en un pasaje cerrado, existe una capa límite con fuerzas viscosas presentes en la capa de fluido cercana a la superficie. Las capas límite pueden ser laminares o turbulentas . Se puede realizar una evaluación razonable de si la capa límite será laminar o turbulenta calculando el número de Reynolds de las condiciones de flujo local.
La separación de flujo o separación de la capa límite es el desprendimiento de una capa límite de una superficie en una estela . [1] La separación ocurre en un flujo que se está desacelerando, con un aumento de la presión, después de pasar la parte más gruesa de un cuerpo aerodinámico o pasar por un pasaje que se ensancha, por ejemplo.
Fluir contra una presión creciente se conoce como fluir en un gradiente de presión adverso . La capa límite se separa cuando ha viajado lo suficiente en un gradiente de presión adverso que la velocidad de la capa límite con respecto a la superficie se ha detenido e invertido la dirección. [2] [3] El flujo se desprende de la superficie y, en cambio, toma la forma de remolinos y vórtices . El fluido ejerce una presión constante sobre la superficie una vez que se ha separado en lugar de una presión que aumenta continuamente si todavía está adherido. [4] En aerodinámica , la separación del flujo da como resultado una elevación reducida y un arrastre de presión incrementado , causado por la diferencia de presión entre las superficies delantera y trasera del objeto. Provoca golpes en las estructuras de los aviones y las superficies de control. En los pasajes internos, la separación provoca atascos y vibraciones en las palas de la maquinaria y mayores pérdidas (menor eficiencia) en las entradas y compresores. Se ha dedicado mucho esfuerzo e investigación al diseño de contornos de superficie aerodinámicos e hidrodinámicos y características adicionales que retrasan la separación del flujo y mantienen el flujo unido durante el mayor tiempo posible. Los ejemplos incluyen el pelaje de una pelota de tenis, hoyuelos en una pelota de golf, turbuladores en un planeador, que inducen una transición temprana a un flujo turbulento; generadores de vórtice en aviones.
Gradiente de presión adverso
La inversión del flujo es causada principalmente por un gradiente de presión adverso impuesto sobre la capa límite por el flujo potencial externo . La ecuación de la cantidad de movimiento en sentido de la corriente dentro de la capa límite se establece aproximadamente como
dónde son coordenadas normales y en sentido de la corriente. Un gradiente de presión adverso es cuando, que luego se puede ver que causa la velocidad para disminuir a lo largo y posiblemente ir a cero si el gradiente de presión adverso es lo suficientemente fuerte. [5]
Influir en los parámetros
La tendencia de una capa límite a separarse depende principalmente de la distribución del gradiente de velocidad de borde negativo o adverso a lo largo de la superficie, que a su vez está directamente relacionada con la presión y su gradiente por la forma diferencial de la relación de Bernoulli , que es la misma que la ecuación del momento para el flujo no viscoso externo.
Pero las magnitudes generales de requeridos para la separación son mucho mayores para flujo turbulento que para flujo laminar , siendo el primero capaz de tolerar una desaceleración de flujo casi un orden de magnitud más fuerte. Una influencia secundaria es el número de Reynolds . Para un dato adversodistribución, la resistencia a la separación de una capa límite turbulenta aumenta ligeramente al aumentar el número de Reynolds. Por el contrario, la resistencia a la separación de una capa límite laminar es independiente del número de Reynolds, un hecho algo contrario a la intuición.
Separación interna
La separación de la capa límite puede ocurrir para los flujos internos. Puede ser el resultado de causas tales como un conducto de tubería que se expande rápidamente. La separación se produce debido a un gradiente de presión adverso que se encuentra a medida que el flujo se expande, lo que provoca una región extendida de flujo separado. La parte del flujo que separa el flujo de recirculación y el flujo a través de la región central del conducto se denomina línea de corriente divisoria. [6] El punto donde la línea divisoria se une a la pared nuevamente se llama punto de reinserción. A medida que el flujo avanza aguas abajo, eventualmente alcanza un estado de equilibrio y no tiene flujo inverso.
Efectos de la separación de la capa límite
Cuando la capa límite se separa, sus restos forman una capa de cizallamiento [7] y la presencia de una región de flujo separada entre la capa de cizallamiento y la superficie modifica el flujo potencial exterior y el campo de presión. En el caso de las aspas aerodinámicas, la modificación del campo de presión da como resultado un aumento de la resistencia a la presión y, si es lo suficientemente grave, también dará lugar a un bloqueo y pérdida de sustentación, todos los cuales son indeseables. Para los flujos internos, la separación del flujo produce un aumento en las pérdidas de flujo y fenómenos de tipo atasco como la sobretensión del compresor , ambos fenómenos indeseables. [8]
Otro efecto de la separación de la capa límite son los vórtices de desprendimiento regulares, conocidos como calle de vórtices de Kármán . Los vórtices se desprenden de la superficie del acantilado corriente abajo de una estructura a una frecuencia que depende de la velocidad del flujo. El desprendimiento de vórtices produce una fuerza alterna que puede provocar vibraciones en la estructura. Si la frecuencia de desprendimiento coincide con una frecuencia de resonancia de la estructura, puede provocar una falla estructural. Estas vibraciones podrían establecerse y reflejarse a diferentes frecuencias en función de su origen en cuerpos sólidos o fluidos adyacentes y podrían amortiguar o amplificar la resonancia.
Ver también
Notas al pie
- ^ White (2010), "Mecánica de fluidos", Sección 7.1 (7ª edición)
- ^ Anderson, John D. (2004), Introducción al vuelo , Sección 4.20 (5.a edición)
- ^ LJ Clancy (1975) Aerodinámica , Sección 4.14
- ^ Fundamentos de aerodinámica 5ta edición, John D. Anderson, Jr. 2011, ISBN 978 0 07 339810 5 , Figura 4.46
- ^ Balmer, David (2003) Separación de capas límite , de la Escuela de Ingeniería y Electrónica, Universidad de Edimburgo
- ^ Wilcox, David C. Mecánica de fluidos básica. 3ª ed. Mill Valley: DCW Industries, Inc., 2007. 664-668.
- ^ https://www.aps.org/units/dfd/resources/upload/prandtl_vol58no12p42_48.pdf , figura 3
- ^ Fielding, Suzanne. "Separación laminar de la capa límite". 27 de octubre de 2005. Universidad de Manchester. 12 de marzo de 2008 < https://community.dur.ac.uk/suzanne.fielding/teaching/BLT/sec4c.pdf >.
Referencias
- Anderson, John D. (2004), Introducción al vuelo , McGraw-Hill. ISBN 0-07-282569-3 .
- LJ Clancy (1975), Aerodinámica , Pitman Publishing Limited, Londres ISBN 0-273-01120-0 .
enlaces externos
- Aerospaceweb : hoyuelos y arrastre de bolas de golf
- Aerodinámica en Equipos Deportivos, Recreación y Máquinas - Golf - Instructor
- Red Marie Curie sobre avances en herramientas numéricas y analíticas para la predicción de flujo independiente