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Dinámica de chapoteo

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

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 .

Agua chapoteando en un vaso de vidrio

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 ).

Efectos de la nave espacial

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 .

Chapoteo en vehículos cisterna

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]

Efectos prácticos

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.

Ver también

Referencias

  1. ^ Moiseyev, NN y VV Rumyantsev. "Estabilidad dinámica de cuerpos que contienen líquido". Springer-Verlag, 1968.
  2. ^ Ibrahim, Raouf A. (2005). Dinámica del chapoteo de líquidos: teoría y aplicaciones. Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0521838856.
  3. ^ ab 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 chapoteo de combustible no accionada" . Conferencia IEEE sobre aplicaciones de control. vol. 1. Estambul: IEEE. págs. 695–699. doi :10.1109/CCA.2003.1223522.
  5. ^ Veldman, AEP; Gerrits, J.; Luppes, R.; Helder, JA; Vreeburg, JPB (2007). "La simulación numérica del chapoteo de líquido a bordo de una nave espacial". Revista de Física Computacional . 224 (1): 82–99. Código Bib : 2007JCoPh.224...82V. doi :10.1016/j.jcp.2006.12.020.
  6. ^ Monti, R. "Física de fluidos en microgravedad". CDN, 2002.
  7. ^ Antar, BN y VS Nuotio-Antar. "Fundamentos de la dinámica de fluidos de baja gravedad y la transferencia de calor". CDN, 1994.
  8. ^ Hubert, C. "Comportamiento de vehículos espaciales giratorios con líquidos a bordo". Simposio GSFC de la NASA, 2003.
  9. ^ Abramson, HN "El comportamiento dinámico de los líquidos en contenedores en movimiento". NASA SP-106, 1966.
  10. ^ Crawley, EF, MC Van Schoor y EB Bokhour. "El experimento de dinámica de gravedad 0 en Middeck: informe resumido", NASA-CR-4500, marzo de 1993.
  11. ^ Vreeburg, JPB "Estados medidos de SLOSHSAT FLEVO", IAC-05-C1.2.09, octubre de 2005.
  12. ^ Prins, JJM "Proyecto SLOSHSAT FLEVO, vuelo y lecciones aprendidas", IAC-05-B5.3./B5.5.05, octubre de 2005.
  13. ^ Luppes, R., JA Helder y AEP Veldman. "Chapoteo de líquido en microgravedad", IAC-05-A2.2.07, octubre de 2005.
  14. ^ Vreeburg, JPB (2008). "Calibración de la nave espacial Sloshsat a velocidades de giro estacionarias". Revista de naves espaciales y cohetes . 45 (1): 65–75. Código Bib : 2008JSpRo..45...65V. doi : 10.2514/1.30975.
  15. ^ "Lista parcial de naves espaciales probadas por ADL". Laboratorios de Dinámica Aplicada . Consultado el 30 de abril de 2013 .
  16. ^ "Folleto 18 sobre dinámica de fluidos en vehículos espaciales". Swri.org . Consultado el 9 de marzo de 2012 .
  17. ^ "Central de chapoteo". Sloshcentral.bbbeard.org. Archivado desde el original el 15 de marzo de 2012 . Consultado el 9 de marzo de 2012 .
  18. ^ ulalaunch.com Archivado el 17 de julio de 2011 en Wayback Machine ; La demostración de vuelo exitosa realizada por la Fuerza Aérea y United Launch Alliance mejorará el transporte espacial: DMSP-18, United Launch Alliance , octubre de 2009, consultado el 10 de enero de 2011.
  19. ^ nasa.gov
  20. ^ ab Spirit.as.utexas.edu Archivado el 6 de febrero de 2011 en Wayback Machine ; Depósitos de propulsor simplificados , Bernard Kutter, United Launch Alliance , Coloquio FISO, 10 de noviembre de 2010, consultado el 10 de enero de 2011.
  21. ^ Kolaei, Amir; Rakheja, Subhash; Richard, Marc J. (25 de enero de 2016). "Una metodología eficiente para simular la dinámica de balanceo de un vehículo cisterna junto con un chapoteo transitorio de fluido". Revista de Vibración y Control . 23 (19): 3216–3232. doi :10.1177/1077546315627565. ISSN  1077-5463. S2CID  123621791.
  22. ^ Kolaei, Amir; Rakheja, Subhash; Richard, Marc J. (6 de enero de 2014). "Rango de aplicabilidad de la teoría del chapoteo lineal del fluido para predecir el chapoteo lateral transitorio y la estabilidad del balanceo de vehículos cisterna". Revista de Sonido y Vibración . 333 (1): 263–282. Código Bib : 2014JSV...333..263K. doi :10.1016/j.jsv.2013.09.002.
  23. ^ Kolaei, Amir; Rakheja, Subhash; Richard, Marc J. (1 de julio de 2014). "Efectos de la sección transversal del tanque sobre las cargas dinámicas de chapoteo de fluidos y la estabilidad de balanceo de un camión cisterna parcialmente lleno". Revista Europea de Mecánica B. 46 : 46–58. Código Bib : 2014EJMF...46...46K. doi :10.1016/j.euromechflu.2014.01.008.
  24. ^ Kolaei, Amir; Rakheja, Subhash; Richard, Marc J. (1 de septiembre de 2015). "Chapoteo de líquido dinámico tridimensional en tanques horizontales parcialmente llenos sujetos a excitaciones longitudinales y laterales simultáneas". Revista Europea de Mecánica B. 53 : 251–263. Código Bib : 2015EJMF...53..251K. doi :10.1016/j.euromechflu.2015.06.001.
  25. ^ Kolaei, Amir; Rakheja, Subhash; Richard, Marc J. (31 de enero de 2015). "Un método acoplado multimodal y de elementos límite para el análisis de la eficacia anti-salpicadura de deflectores parciales en un contenedor parcialmente lleno". Computadoras y fluidos . 107 : 43–58. doi :10.1016/j.compfluid.2014.10.013.
  26. ^ Talebitooti, ​​R.; shojaeefard, MH; Yarmohammadisatri, Sadegh (2015). "Optimización del diseño de forma de tanque cilíndrico mediante curvas b-spline". Computadora y Fluidos . 109 : 100-112. doi :10.1016/j.compfluid.2014.12.004.
  27. ^ "29, la importancia de Slosh y Slam". 29 de junio de 2012.
  28. ^ Balón deportivo para hockey sobre patines; Patente de EE.UU. 5516098; 14 de mayo de 1996; Jeffrey Aiello.

otras referencias