Dinámica de chapoteo

En dinámica de fluidos , chapoteo se refiere al movimiento de líquido dentro de otro objeto (que, por lo general, también está en movimiento).

Agua chapoteando en la piscina de un crucero en movimiento de cabeceo

Estrictamente hablando, el líquido debe tener una superficie libre para constituir un problema de dinámica de chapoteo , donde la dinámica del líquido puede interactuar con el recipiente para alterar la dinámica del sistema de manera significativa. [1] Ejemplos importantes incluyen el chapoteo del propulsor en los tanques y cohetes de naves espaciales (especialmente las etapas superiores), y el efecto de superficie libre (chapoteo de la carga) en barcos y camiones que transportan líquidos (por ejemplo, petróleo y gasolina). Sin embargo, se ha vuelto común referirse al movimiento de un líquido en un tanque completamente lleno, es decir, sin una superficie libre, como "derrame de combustible". [ no verificado en el cuerpo ]

Dicho movimiento se caracteriza por " ondas inerciales " y puede tener un efecto importante en la dinámica de las naves espaciales giratorias. Se han derivado amplias relaciones matemáticas y empíricas para describir el chapoteo del líquido. [2] [3] Estos tipos de análisis se realizan típicamente usando dinámica de fluidos computacional y métodos de elementos finitos para resolver el problema de interacción fluido-estructura , especialmente si el contenedor sólido es flexible. Los parámetros no dimensionales relevantes de la dinámica de fluidos incluyen el número de Bond , el número de Weber y el número de Reynolds .

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Agua chapoteando en una taza de vidrio

El chapoteo es un efecto importante para las naves espaciales, [4] naves, [3] y algunas aeronaves . Slosh fue un factor en la anomalía del vuelo de prueba Falcon 1 segundo, y ha estado implicado en varias otras anomalías de naves espaciales, incluido un casi desastre [5] con el satélite Near Earth Asteroid Rendezvous ( NEAR Shoemaker ).

El chapoteo del líquido en microgravedad [6] [7] es relevante para las naves espaciales, más comúnmente satélites en órbita terrestre , y debe tener en cuenta la tensión superficial del líquido que puede alterar la forma (y por lo tanto los valores propios ) de la babosa líquida. Por lo general, una gran fracción de la masa de un satélite es propulsor líquido en / cerca del comienzo de la vida (BOL), y el chapoteo puede afectar negativamente el rendimiento del satélite de varias maneras. Por ejemplo, el chapoteo del propulsor puede introducir incertidumbre en la actitud (apuntando) de la nave espacial, lo que a menudo se denomina fluctuación . Fenómenos similares pueden causar oscilación de pogo y pueden resultar en fallas estructurales de un vehículo espacial.

Otro ejemplo es la interacción problemática con el Sistema de Control de Actitud (ACS) de la nave espacial, especialmente para satélites giratorios [8] que pueden sufrir resonancia entre el chapoteo y la nutación , o cambios adversos en la inercia rotacional . Debido a estos tipos de riesgo , en la década de 1960, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) estudió exhaustivamente [9] el derrame de líquido en los tanques de las naves espaciales, y en la década de 1990 la NASA llevó a cabo el Experimento Middeck de dinámica de gravedad 0 [10] en el transbordador espacial . La Agencia Espacial Europea ha avanzado en estas investigaciones [11] [12] [13] [14] con el lanzamiento de SLOSHSAT . La mayoría de las naves espaciales giratorias desde 1980 se han probado en la torre de caída de Applied Dynamics Laboratories utilizando modelos a subescala. [15] También se han hecho contribuciones extensas [16] por el Instituto de Investigación del Suroeste , pero la investigación está muy extendida [17] en el mundo académico y la industria.

Continúan las investigaciones sobre los efectos del chapoteo en los depósitos de propulsantes en el espacio . En octubre de 2009, la Fuerza Aérea y United Launch Alliance (ULA) realizaron una demostración experimental en órbita en un escenario superior Centaur modificado en el lanzamiento del satélite DMSP-18 para mejorar "la comprensión de la sedimentación y el chapoteo del propulsor ", "La luz El peso del DMSP-18 permitió 12.000 libras (5.400 kg) de propelente LO 2 y LH 2 restante , el 28% de la capacidad de Centaur ", para las pruebas en órbita. La extensión de la misión posterior a la nave espacial se ejecutó 2.4 horas antes de que se ejecutara la quema de desorbita planeada . [18]

El Programa de Servicios de Lanzamiento de la NASA está trabajando en dos experimentos de dinámica de fluidos de chapoteo en curso con socios: CRYOTE y SPHERES -Slosh. [19] ULA tiene planificadas demostraciones adicionales a pequeña escala de gestión de fluidos criogénicos con el proyecto CRYOTE en 2012-2014 [20] que conducen a una prueba de depósito de propulsante crio-sat a gran escala de ULA en el marco del programa emblemático de demostraciones de tecnología de la NASA en 2015. [ 20] SPHERES-Slosh con el Instituto de Tecnología de Florida y el Instituto de Tecnología de Massachusetts examinarán cómo se mueven los líquidos dentro de los contenedores en microgravedad con el banco de pruebas SPHERES en la Estación Espacial Internacional .

El chapoteo del líquido influye fuertemente en la dinámica direccional y el rendimiento de seguridad de los vehículos cisterna de carretera de una manera muy adversa. [21] Las fuerzas y momentos hidrodinámicos que surgen de las oscilaciones de la carga líquida en el tanque bajo maniobras de dirección y / o frenado reducen el límite de estabilidad y la capacidad de control de los vehículos tanque parcialmente llenos . [22] [23] [24] Los dispositivos anti-salpicaduras, como los deflectores, se utilizan ampliamente para limitar el efecto adverso de salpicaduras de líquido sobre el rendimiento direccional y la estabilidad de los vehículos cisterna . [25] Dado que la mayor parte del tiempo los camiones cisterna transportan líquidos peligrosos como amoníaco, gasolina y fueloil, la estabilidad de los vehículos de carga líquida parcialmente llenos es muy importante. Se han realizado optimizaciones y técnicas de reducción de salpicaduras en tanques de combustible como tanque elíptico, rectangular, ovalado modificado y forma genérica del tanque en diferentes niveles de llenado mediante análisis numéricos, analíticos y analógicos. La mayoría de estos estudios se concentran en los efectos de los deflectores en el chapoteo, mientras que la influencia de la sección transversal se ignora por completo. [26]

El auto del proyecto Bloodhound LSR a 1,000 mph utiliza un cohete de combustible líquido que requiere un tanque oxidante con deflectores especiales para evitar la inestabilidad direccional, variaciones de empuje del cohete e incluso daños en el tanque oxidante. [27]

El movimiento de la carga , el agua de lastre u otro líquido (por ejemplo, de fugas o extinción de incendios) puede causar un vuelco desastroso en los barcos debido al efecto de superficie libre ; esto también puede afectar a camiones y aviones.

El efecto de chapoteo se utiliza para limitar el rebote de una pelota de hockey sobre patines . El chapoteo del agua puede reducir significativamente la altura de rebote de una pelota [28], pero algunas cantidades de líquido parecen provocar un efecto de resonancia . Muchas de las pelotas para hockey sobre patines comúnmente disponibles contienen agua para reducir la altura de rebote.

  • Seiche , un fenómeno que afecta a los lagos y otras masas de agua restringidas
  • Salpicaduras (mecánica de fluidos) , otros fenómenos de superficie libre
  • Salpicaduras de sucusión , signo médico audible

  1. ^ Moiseyev, NN y VV Rumyantsev. "Estabilidad dinámica de cuerpos que contienen líquido". Springer-Verlag, 1968.
  2. ^ Ibrahim, Raouf A. (2005). Dinámica de salpicaduras de líquidos: teoría y aplicaciones . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0521838856.
  3. ^ a b Faltinsen, Odd M .; Timokha, Alexander N. (2009). Chapoteando . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0521881111.
  4. ^ Reyhanoglu, M. (23 a 25 de junio de 2003). Problemas de control de maniobras para una nave espacial con dinámica de salpicaduras de combustible no activada . Conferencia IEEE sobre aplicaciones de control. 1 . Estambul: IEEE. págs. 695–699. doi : 10.1109 / CCA.2003.1223522 .
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  7. ^ Antar, BN y VS Nuotio-Antar. "Fundamentos de la dinámica de fluidos de baja gravedad y la transferencia de calor". CRC, 1994.
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  13. ^ Luppes, R. y JA Helder y AEP Veldman. "Liquid Sloshing in Microgravity", IAC-05-A2.2.07, octubre de 2005.
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  27. ^ "29, la importancia de Slosh y Slam" . 2012-06-29.
  28. ^ Balón deportivo para hockey sobre patines; Patente de Estados Unidos 5516098; 14 de mayo de 1996; Jeffrey Aiello.

otras referencias

  • Meserole, JS; Fortini, A. (diciembre de 1987). "Dinámica de chapoteo en un tanque toroidal". Diario de naves espaciales y cohetes . 24 (6): 523–531. doi : 10,2514 / 3,25948 .
  • (en inglés) NASA (1969), Slosh suppression , mayo de 1969, PDF, 36p
  • (en inglés) NASA (1966), Comportamiento dinámico de líquidos en contenedores en movimiento con aplicaciones a propulsores en tanques de combustible de vehículos espaciales , 1 de enero de 1966, PDF, 464 p.