El control de la capa límite se refiere a los métodos para controlar el comportamiento de las capas límite del flujo de fluido .
Puede ser conveniente 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 generalmente no es deseable en sistemas de aeronaves con coeficientes de sustentación elevados y en entradas 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.
Puede ser necesario aumentar la energía de una capa límite para mantenerla adherida a su superficie. Se puede introducir aire fresco a través de ranuras o mezclarlo desde arriba. La capa de bajo momento de la superficie se puede succionar a través de una superficie perforada o purgarse cuando se encuentra en un conducto de alta presión. Se puede extraer por completo 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 mecanismos para mantener una capa límite laminar para reducir la fricción de la piel en los delfines. Esto se conoció como la paradoja de Gray . [1] [2]
Las alas de los pájaros tienen una característica en el borde de ataque llamada Alula que retrasa el estancamiento del ala a bajas velocidades de manera similar al slat del borde de ataque del ala de un avión. [3]
Las alas de membrana delgada que se encuentran en los murciélagos y los 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 podrían hacerlo de otra manera. [4]
Las pelotas pueden tener características que hagan áspera la superficie y extiendan la distancia de impacto o lanzamiento. La rugosidad hace que la capa límite se vuelva turbulenta y permanezca adherida más atrás antes de separarse con una estela más pequeña de lo que sería de otra manera. Las pelotas pueden ser golpeadas 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 de la rugosidad (BL) se aplicó a las pelotas de golf en el siglo XIX. Las costuras de las pelotas de cricket y de béisbol actúan como una estructura de control de la capa límite. [5]
En el caso de un flujo de corriente 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 del flujo también exhibe solo una separación parcial de la capa límite. La succión aplicada a través de una ranura en el cilindro cerca de un punto de separación también puede retrasar el inicio de la separación al eliminar partículas de fluido que se han ralentizado en la capa límite. Alternativamente, se puede soplar fluido desde una ranura con carenado de manera que el fluido ralentizado se acelere y, por lo 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. Los resultados de su túnel de viento de baja resistencia hicieron que se utilizaran en aviones como el P-51 y el B-24, pero mantener el flujo laminar requería niveles bajos de rugosidad y ondulación de la superficie que no se encuentran rutinariamente 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 del flujo laminar desapareció por completo en los números de Reynolds de vuelo real . La implementación del flujo laminar en aplicaciones de alto número de Reynolds generalmente requiere superficies muy lisas y sin ondas, que pueden ser difíciles de producir y mantener. [7]
Mantener el flujo laminar controlando la distribución de la presión en un perfil aerodinámico se denomina flujo laminar natural (NLF) [7] y los diseñadores de planeadores lo han logrado con gran éxito. [9]
En 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 la 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 el LFC se aplica solo a la región del borde de ataque de un ala en flecha y el NLF detrás de esta. [12] Las actividades patrocinadas por la NASA incluyen el NLF en las góndolas del motor y el HLFC en las superficies superiores del ala 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 entradas de aire del motor montadas en el fuselaje a veces están equipadas con una placa divisora .
En los años 1920 y 1930 se llevaron a cabo muchas investigaciones para estudiar la mejora del rendimiento de sustentación debido a la succión de los perfiles aerodinámicos en el Aerodynamische Versuchsanstalt de Göttingen . [ cita requerida ]
Un ejemplo de una aeronave con control activo de la capa límite es el hidroavión japonés ShinMaywa US-1 . [14] Este gran avión de cuatro motores se utilizó para la guerra antisubmarina (ASW) y la búsqueda y rescate (SAR). Era capaz de operar STOL y velocidades aéreas muy bajas. Su sustituto en el papel SAR, el ShinMaywa US-2 , utiliza un sistema similar para 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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