En dinámica de fluidos , chapoteo se refiere al movimiento de líquido dentro de otro objeto (que, por lo general, también está en movimiento).
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 significativamente la dinámica del sistema. [1] Ejemplos importantes incluyen el chapoteo del propulsor en tanques y cohetes de naves espaciales (especialmente en 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 del líquido en un tanque completamente lleno, es decir, sin una superficie libre, como "chapoteo de combustible". [ no verificado en el cuerpo ]
Este movimiento se caracteriza por " ondas inerciales " y puede ser un efecto importante en la dinámica de rotación de las naves espaciales. Se han derivado extensas relaciones matemáticas y empíricas para describir el chapoteo líquido. [2] [3] Estos tipos de análisis generalmente se llevan a cabo utilizando 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 adimensionales relevantes de la dinámica de fluidos incluyen el número de Bond , el número de Weber y el número de Reynolds .
El chapoteo es un efecto importante para las naves espaciales, [4] barcos, [3] algunos vehículos terrestres y algunos aviones . El chapoteo fue un factor en la anomalía del segundo vuelo de prueba del Falcon 1 y ha estado implicado en varias otras anomalías de la nave espacial, incluido un casi desastre [5] con el satélite Near Earth Asteroid Rendezvous ( NEAR Shoemaker ).
El chapoteo de líquido en microgravedad [6] [7] es relevante para las naves espaciales, más comúnmente los 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 de líquido. Por lo general, una gran fracción de la masa de un satélite es propulsor líquido en o 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 (apuntamiento) de la nave espacial, lo que a menudo se denomina jitter . Fenómenos similares pueden causar oscilaciones pogo y provocar fallas estructurales en un vehículo espacial.
Otro ejemplo es la interacción problemática con el Sistema de Control de Actitud (ACS) de la nave espacial, especialmente para los 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 chapoteo de líquido en los tanques de las naves espaciales, y en la década de 1990 la NASA llevó a cabo el Experimento de dinámica de gravedad 0 en la cubierta central [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] El Southwest Research Institute también ha realizado amplias contribuciones [16] , 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 propulsor en el espacio . En octubre de 2009, la Fuerza Aérea y United Launch Alliance (ULA) realizaron una demostración experimental en órbita en una etapa superior Centaur modificada 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) del propulsor LO 2 y LH 2 restante , el 28% de la capacidad del Centaur ", para las pruebas en órbita. La extensión de la misión posterior a la nave espacial se desarrolló 2,4 horas antes de que se ejecutara la quema de desorbitación planificada. [18]
El Programa de Servicios de Lanzamiento de la NASA está trabajando en dos experimentos continuos de dinámica de fluidos con socios: CRYOTE y SPHERES -Slosh. [19] La ULA tiene previstas demostraciones adicionales a pequeña escala de gestión de fluidos criogénicos con el proyecto CRYOTE en 2012-2014 [20] que conducirá a una prueba de depósito de propulsor crio-sat a gran escala de la 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 examinará cómo se mueven los líquidos dentro de contenedores en microgravedad con el banco de pruebas SPHERES en la Estación Espacial Internacional .
El chapoteo de líquidos 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 durante maniobras de dirección y/o frenado reducen el límite de estabilidad y la controlabilidad de los vehículos cisterna parcialmente llenos . [22] [23] [24] Los dispositivos anti-chapoteo, como los deflectores, se utilizan ampliamente para limitar el efecto adverso del chapoteo del líquido sobre el rendimiento direccional y la estabilidad de los vehículos cisterna . [25] Dado que la mayor parte del tiempo los camiones cisterna transportan contenidos 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 chapoteo en tanques de combustible como tanque elíptico, rectangular, ovalado modificado y de forma genérica en diferentes niveles de llenado mediante análisis numéricos, analíticos y analógicos. La mayoría de estos estudios se concentran en los efectos de los deflectores sobre el chapoteo, mientras que la influencia de la sección transversal se ignora por completo. [26]
El auto del proyecto Bloodhound LSR de 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 al tanque oxidante. [27]
El chapoteo o el desplazamiento de la carga , el agua de lastre u otros líquidos (por ejemplo, debido a fugas o extinción de incendios) pueden provocar vuelcos desastrosos en los buques 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 del rebote de una pelota [28], pero algunas cantidades de líquido parecen provocar un efecto de resonancia . Muchas de las pelotas de hockey sobre patines comúnmente disponibles contienen agua para reducir la altura de rebote.