Capa límite
La capa límite se entiende como aquella en la que la velocidad del fluido respecto al sólido en movimiento varía desde cero hasta el 99% de la velocidad de la corriente no perturbada.
La ecuación de Bernoulli no puede predecir el arrastre aun cuando explica la sustentación, al ser una derivación sobre un fluido inviscido (no viscoso: por lo que no puede explicar el arrastre) e incompresible (densidad o volumen constante frente al cambio de presión: lo cual es necesario para producir sustentación) y de este problema surgió la teoría de capa límite para considerar la viscosidad conocida desde los tiempos del fluido newtoniano.
Todas estas características varían en función de la forma del objeto (menor espesor de capa límite cuanta menor resistencia aerodinámica presente la superficie: ej.
Flujo de capa límite turbulento A cierta distancia del borde de ataque, el flujo laminar suave se rompe y pasa a ser turbulento.
Sin embargo, el flujo laminar de baja energía tiende a romperse más repentinamente que la capa turbulenta.
La relación entre los dos espesores se rige por el número de Prandtl.
Si el número de Prandtl es inferior a 1, que es el caso del aire en condiciones estándar, la capa límite térmica es más gruesa que la capa límite de velocidad.
En los diseños de alto rendimiento, como los planeadores y los aviones comerciales, se presta mucha atención al control del comportamiento de la capa límite para minimizar la resistencia.
En primer lugar, la capa límite aumenta el espesor efectivo del cuerpo, a través del espesor de desplazamiento, incrementando así la resistencia a la presión.
En segundo lugar, las fuerzas de cizalladura en la superficie del ala crean resistencia por fricción superficial.
Esto da lugar a una menor fricción superficial debido al perfil de velocidad característico del flujo laminar.
Esto puede reducir la resistencia, pero suele ser poco práctico debido a su complejidad mecánica y a la energía necesaria para mover el aire y eliminarlo.
Las técnicas de flujo laminar natural (NLF) empujan la transición de la capa límite hacia la popa remodelando el perfil aerodinámico o el fuselaje para que su punto más grueso esté más a popa y sea menos grueso.
Sin embargo, el mismo perfil de velocidad que da a la capa límite laminar su baja fricción superficial también hace que se vea muy afectada por gradientes de presión adversos.
Cuando se utilizan semimodelos en túneles de viento, a veces se utiliza un peniche para reducir o eliminar el efecto de la capa límite.
Al hacer la aproximación de la capa límite, el flujo se divide en una parte no viscosa (que es fácil de resolver por varios métodos) y la capa límite, que se rige por una EDP más fácil de resolver.
La aproximación establece que, para un número de Reynolds suficientemente alto, el flujo sobre una superficie puede dividirse en una región exterior de flujo no viscoso no afectado por la viscosidad (la mayor parte del flujo), y una región cercana a la superficie donde la viscosidad es importante (la capa límite).
que satisface las ecuaciones de la capa límite, se puede construir otra solución
Como hizo Prandtl para sus ecuaciones de la capa límite, debe utilizarse una nueva escala de longitud más pequeña para permitir que el término viscoso se convierta en orden principal en la ecuación del momento.
Para encontrar una solución de similitud que abarque ambas regiones del flujo, es necesario igualar asintóticamente las soluciones de ambas regiones del flujo.
También se han aplicado enfoques similares al análisis anterior para las capas límite térmicas, utilizando la ecuación de la energía en flujos compresibles.
En la región próxima a la pared existe una capa de tensión constante.
En 1928, el ingeniero francés André Lévêque observó que la transferencia de calor por convección en un fluido en movimiento sólo se ve afectada por los valores de velocidad muy próximos a la superficie.
Por lo tanto, las velocidades del fluido más importantes son las que se encuentran dentro de esta región muy fina en la que el cambio de velocidad puede considerarse lineal con la distancia normal desde la superficie.
La solución de esta ecuación, la temperatura en cualquier punto del fluido, puede expresarse como una función gamma incompleta.
Heinrich Blasius derivó una solución exacta para las ecuaciones anteriores de capa límite laminar.
En el balance de energía se sustituye por la difusividad térmica
, estas ecuaciones se hacen equivalentes al balance de momento.
[18] Dado que el número de Prandtl de un fluido concreto no suele ser la unidad, el ingeniero alemán E. Polhausen, que trabajó con Ludwig Prandtl, intentó ampliar empíricamente estas ecuaciones para aplicarlas para
En la atmósfera terrestre, la capa límite es la capa de aire cercana al suelo y que se ve afectada por la convección debida al intercambio diurno de calor, humedad y momento con el suelo.
