El control de la capa límite se refiere a métodos para controlar el comportamiento de las capas límite del flujo de fluidos .
Puede ser deseable reducir la separación del flujo en vehículos rápidos para reducir el tamaño de la estela (aerodinámica), lo que puede reducir la resistencia. La separación de la capa límite es generalmente indeseable en sistemas de alto coeficiente de sustentación de aeronaves y en tomas de motores a reacción.
El flujo laminar produce menos fricción superficial que el turbulento, pero una capa límite turbulenta transfiere mejor el calor. Las capas límite turbulentas son más resistentes a la separación.
Es posible que sea necesario aumentar la energía en una capa límite para mantenerla adherida a su superficie. El aire fresco puede introducirse a través de ranuras o mezclarse desde arriba. La capa de bajo impulso en la superficie puede ser succionada a través de una superficie perforada o purgada cuando está en un conducto de alta presión. Se puede extraer completamente mediante un desviador o un conducto de purga interno. Su energía se puede aumentar por encima de la de la corriente libre introduciendo aire a alta velocidad.
El zoólogo británico Sir James Gray afirmó que los delfines parecían tener una capa límite turbulenta para reducir la probabilidad de separación y minimizar la resistencia, y que no se han demostrado en los delfines mecanismos para mantener una capa límite laminar para reducir la fricción de la piel. Esto se conoció como la paradoja de Gray . [1] [2]
Las alas de las aves tienen una característica en el borde de ataque llamada Alula que retrasa la entrada en pérdida del ala a bajas velocidades de manera similar al listón del borde de ataque del ala de un avión. [3]
Las alas de membrana delgada que se encuentran en murciélagos e insectos tienen características que parecen causar una rugosidad favorable en los números de Reynolds involucrados, lo que permite a estas criaturas volar mejor de lo que lo harían de otra manera. [4]
A las pelotas se les pueden dar características que hagan áspera la superficie y extiendan la distancia de golpe o lanzamiento. La rugosidad hace que la capa límite se vuelva turbulenta y permanezca adherida más alrededor de la parte posterior antes de romperse con una estela más pequeña de lo que sería el caso de otra manera. Las bolas se pueden golpear de diferentes maneras para darles un giro que las haga seguir una trayectoria curva. El giro hace que la separación de la capa límite se desvíe hacia un lado, lo que produce una fuerza lateral.
El control BL (desbastado) se aplicó a las pelotas de golf en el siglo XIX. Las costuras de las pelotas de críquet y de béisbol actúan como una estructura de control de la capa límite. [5]
En el caso de un flujo libre que pasa por un cilindro, se pueden emplear tres métodos para controlar la separación de la capa límite que se produce debido al gradiente de presión adverso. [6] La rotación del cilindro puede reducir o eliminar la capa límite que se forma en el lado que se mueve en la misma dirección que la corriente libre. El lado que se mueve en contra de la corriente también presenta sólo una separación parcial de la capa límite. La succión aplicada a través de una hendidura en el cilindro cerca de un punto de separación también puede retrasar el inicio de la separación al eliminar las partículas de fluido que se han ralentizado en la capa límite. Alternativamente, se puede soplar fluido desde una hendidura carenada de modo que el fluido ralentizado se acelere y, por tanto, se retrase el punto de separación.
Los perfiles aerodinámicos de flujo laminar se desarrollaron en la década de 1930 dándoles forma para mantener un gradiente de presión favorable para evitar que se volvieran turbulentos. Sus resultados en el túnel de viento de baja resistencia llevaron a su uso en aviones como el P-51 y el B-24, pero mantener el flujo laminar requería bajos niveles de rugosidad y ondulación de la superficie que no se encuentran habitualmente en servicio. [7] Krag [8] afirma que las pruebas en el perfil aerodinámico del P-51 realizadas en el túnel de viento de alta velocidad DVL en Berlín mostraron que el efecto de flujo laminar desaparecía por completo en números de Reynolds de vuelo reales . La implementación de flujo laminar en aplicaciones con un número de Reynolds alto generalmente requiere superficies muy lisas y sin ondas, que pueden ser difíciles de producir y mantener. [7]
Mantener el flujo laminar mediante el control de la distribución de presión en un perfil aerodinámico se denomina flujo laminar natural (NLF) [7] y lo han logrado los diseñadores de planeadores con gran éxito. [9]
En las alas en flecha, un gradiente de presión favorable se vuelve desestabilizador debido al flujo cruzado y la succión es necesaria para controlar el flujo cruzado. [10] Complementar el efecto de la conformación del perfil aerodinámico con succión de la capa límite se conoce como control de flujo laminar (LFC) [7]
El método de control particular requerido para el control laminar depende del número de Reynolds y del barrido del borde de ataque del ala. [11] El control de flujo laminar híbrido (HLFC) [7] se refiere a la tecnología de ala en flecha en la que LFC se aplica solo a la región del borde de ataque de un ala en flecha y NLF detrás de ella. [12] Las actividades patrocinadas por la NASA incluyen NLF en las góndolas de los motores y HLFC en las superficies superiores de las alas y las superficies horizontales y verticales de la cola. [13]
En ingeniería aeronáutica, el control de la capa límite se puede utilizar para reducir la resistencia parásita y aumentar el ángulo de ataque utilizable . Las tomas de aire del motor montadas en el fuselaje a veces están equipadas con una placa divisoria .
Se llevaron a cabo muchas investigaciones para estudiar la mejora del rendimiento de sustentación debido a la succión de perfiles aerodinámicos en las décadas de 1920 y 1930 en Aerodynamische Versuchsanstalt en Göttingen . [ cita necesaria ]
Un ejemplo de avión con control activo de la capa límite es el hidroavión japonés ShinMaywa US-1 . [14] Este gran avión cuatrimotor se utilizó para la guerra antisubmarina (ASW) y la búsqueda y rescate (SAR). Era capaz de operar STOL y velocidades de aire muy bajas. Su sustituto en la función SAR, el ShinMaywa US-2 , utiliza un sistema similar por su capacidad de volar a 50 nudos. [15] Esta característica también se utiliza en el avión 787-9 Dreamliner de Boeing.
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