En dinámica de fluidos , el chapoteo se refiere al movimiento de un líquido dentro de otro objeto (que, típicamente, 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 la dinámica del sistema significativamente. [1] Ejemplos importantes incluyen el chapoteo del propulsor en los tanques de naves espaciales y cohetes (especialmente las etapas superiores), y el efecto de superficie libre (chapoteo de 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 las naves espaciales giratorias. Se han derivado extensas relaciones matemáticas y empíricas para describir el chapoteo del líquido. [2] [3] Este tipo de análisis se lleva a cabo típicamente 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 no dimensionales 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 algunas aeronaves . El chapoteo fue un factor en la anomalía del vuelo de prueba de segundo 1 del Falcon , 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 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 ) del líquido. 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 (apuntado) de la nave espacial, lo que a menudo se denomina fluctuación . Fenómenos similares pueden causar oscilación pogo y pueden resultar en una falla estructural 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 chapoteo y 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 ampliamente [9] el chapoteo de líquidos en los tanques de las naves espaciales, y en la década de 1990 la NASA emprendió el Experimento de Dinámica de Gravedad 0 de Middeck [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 ámbito académico y la industria.
Se sigue investigando sobre los efectos del chapoteo en los depósitos de combustible 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 modificada del Centaur en el lanzamiento del satélite DMSP-18 con el fin de mejorar la "comprensión del asentamiento y el chapoteo del combustible", "El peso ligero del DMSP-18 permitió 12.000 libras (5.400 kg) de combustible 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 duró 2,4 horas antes de que se ejecutara la quema de salida de órbita planificada. [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 demostraciones adicionales a pequeña escala de gestión de fluidos criogénicos planificadas con el proyecto CRYOTE en 2012-2014 [20] lo que conducirá a una prueba de depósito de propulsor crio-sat a gran escala de ULA bajo el programa de demostraciones de tecnología insignia de la NASA en 2015. [20] SPHERES-Slosh con el Instituto Tecnológico de Florida y el Instituto Tecnológico de Massachusetts examinará cómo se mueven los líquidos dentro de los 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 desempeño de seguridad de los vehículos cisterna de carretera de una manera altamente adversa. [21] Las fuerzas hidrodinámicas y los momentos que surgen de las oscilaciones de 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 cisterna parcialmente llenos . [22] [23] [24] Los dispositivos anti-chapoteo como los deflectores se utilizan ampliamente para limitar el efecto adverso del chapoteo de líquidos en el desempeño direccional y la estabilidad de los vehículos cisterna . [25] Dado que la mayoría de las veces, los camiones cisterna transportan contenidos líquidos peligrosos como amoníaco, gasolina y combustibles, 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 tanques elípticos, rectangulares, ovalados modificados y de forma genérica en diferentes niveles de llenado utilizando 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 movimiento o balanceo de carga , lastre de agua u otros líquidos (por ejemplo, debido a fugas o a la lucha contra incendios) pueden causar un vuelco desastroso en los barcos debido al efecto de superficie libre ; esto también puede afectar a camiones y aeronaves.
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 de hockey sobre patines que se encuentran comúnmente en el mercado contienen agua para reducir la altura de rebote.