Trampa helicoidal

Una aleta helicoidal , también conocida como aleta Scruton , es una aleta en forma de hélice dispuesta a lo largo de una estructura para interrumpir el flujo de fluidos . Su función es mitigar la fatiga al interrumpir los vórtices que forman una calle de vórtices de Kármán , reduciendo así las vibraciones resultantes . Introducidas por Christopher Scruton y DEJ Walshe en 1957, las aletas helicoidales se han adoptado ampliamente como una solución de ingeniería para controlar las oscilaciones causadas por el flujo de aire y agua .

Las aletas helicoidales son aletas que siguen una hélice a lo largo de una estructura; ^{[ 1 ]} se utilizan comúnmente en cuerpos cilíndricos ^{[ 2 ]} como chimeneas y tuberías . Comenzando con cabezas de tornillo, las aletas continúan a lo largo de la estructura y perturban los vórtices que se forman como resultado del flujo de fluido ^{[ 3 ]} al asegurar que el flujo se desprenda a diferentes alturas y que no se puedan formar vórtices estructurados. ^{[ 4 ]} De esta manera, las aletas reducen las vibraciones y mitigan la fatiga ; ^{[ 5 ]} a menudo se utilizan múltiples aletas, ya que esto minimiza la posibilidad de que se formen vórtices alternos. ^{[ 6 ]} Se pueden utilizar solas o junto con otros dispositivos como carenados . ^{[ 3 ]}

Las tracas no necesitan cubrir toda la estructura. La supresión de vibraciones es más efectiva en las regiones donde la deflexión estructural es mayor, ya que estas son las áreas donde el desplazamiento modal es mayor, y estas regiones contribuyen más fuertemente a la respuesta dinámica general. ^{[ 7 ]} En consecuencia, muchas estructuras solo están cubiertas con tracas helicoidales donde las vibraciones son mayores; ^{[ 8 ]} muchas se limitan al tercio superior de la estructura. ^{[ 6 ]}

Las secciones de las aletas helicoidales generalmente se ensamblan a partir de longitudes más cortas. ^{[ 9 ]} Por lo tanto, las aletas suelen consistir en una serie de segmentos, cuyo número está determinado por la longitud de la estructura cubierta. Las aletas metálicas se cortan de placas más grandes con un radio de curvatura determinado por el número de revoluciones alrededor de la chimenea. ^{[ 10 ]} Convencionalmente, las aletas tienen un paso de 16 a 17,5 D , aunque se pueden usar otros pasos. ^{[ 11 ]}

Los deflectores helicoidales son menos sensibles a la dirección del flujo que otras alternativas como los carenados. ^{[ 2 ]} Sin embargo, presentan varias desventajas. Aumentan significativamente la resistencia media , ^{[ 12 ]} y, como resultado, se incrementa la carga . ^{[ 6 ]} Los deflectores son ineficaces cuando la estructura tiene una masa por unidad de longitud insuficiente o una amortiguación estructural insuficiente, lo que produce amplitudes de vibración que no pueden reducirse a niveles aceptables. La instalación de deflectores en una estructura existente es menos eficaz cuando el flujo de entrada ya es turbulento, ya que el flujo turbulento reduce la coherencia del desprendimiento de vórtices e introduce excitación de banda ancha, lo que limita la supresión adicional que pueden lograr los deflectores. Asimismo, los deflectores son menos eficaces cuando se ubican aguas abajo unos de otros; ^{[ 12 ]} la estela detrás del primer deflector es inestable, y por lo tanto, la eficacia de los deflectores aguas abajo varía significativamente. Los deflectores helicoidales escalonados también son menos eficaces. ^{[ 13 ]} La presencia de estructuras perpendiculares al cilindro también reduce la eficacia de los deflectores. ^{[ 14 ]}

Los deflectores helicoidales suelen considerarse una solución económica para mitigar las vibraciones inducidas por el flujo. Sin embargo, no pueden considerarse universalmente efectivos. Su rendimiento depende en gran medida de parámetros estructurales y aerodinámicos, y solo se considera fiable cuando existe suficiente masa estructural y amortiguación, y el desprendimiento coherente de vórtices sigue siendo el mecanismo de excitación dominante. En los casos en que no se cumplen estas condiciones, las amplitudes de vibración pueden seguir siendo excesivas a pesar de la presencia de los deflectores. En tales circunstancias, pueden ser necesarias medidas de mitigación alternativas que aumenten la amortiguación modal efectiva, como los amortiguadores de masa sintonizados , para lograr niveles de vibración aceptables. ^{[ 15 ]}

Las estructuras esbeltas son propensas a sufrir daños por fatiga debido a vibraciones inducidas por vórtices , ^{[ 16 ]} resultado del flujo de fluido externo que crea una calle de vórtices de Kármán —una serie de vórtices alternos— detrás de ellas. ^{[ 17 ]} En consecuencia, se han realizado investigaciones exhaustivas para comprender y suprimir estas vibraciones, mitigando así los daños a las estructuras expuestas al flujo de aire y agua . Se han propuesto numerosas formas geométricas como medio pasivo de mitigación de vibraciones, ^{[ 16 ]} incluyendo cables de disparo y placas divisorias. ^{[ 18 ]} Otros enfoques, como métodos eléctricos, oscilaciones rotatorias y control de retroalimentación, se han utilizado como métodos activos. ^{[ 19 ]}  

En 1957, Christopher Scruton y DEJ Walshe del Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido exploraron el uso de aletas helicoidales con secciones transversales rectangulares como medio para suprimir la vibración inducida por vórtices al interrumpir el proceso de desprendimiento de vórtices . ^{[ 20 ]} Tras el éxito de este experimento, que llevó a que las aletas helicoidales se conocieran a veces como aletas Scruton, ^{[ 1 ]} investigadores posteriores buscaron mejorar el rendimiento de las aletas y explorar la efectividad del diseño en el agua. ^{[ 21 ]} Las aletas comenzaron a adoptarse ampliamente en la década de 1960 como un elemento de la ingeniería eólica ; las versiones oceánicas se introdujeron en la década de 1970. ^{[ 22 ]} Las aletas se convirtieron en "uno de los medios más exitosos y ampliamente utilizados para suprimir el desprendimiento de vórtices". ^{[ 23 ]}

La investigación sobre los deflectores ha estudiado el efecto de varios elementos en la eficacia del diseño, incluyendo no solo el paso, la altura, la densidad y la forma de las aletas, sino también el número de cabezas de tornillo de arranque. En general, se ha encontrado que los deflectores más altos y los diseños de triple arranque son más efectivos tanto en entornos aéreos como acuáticos. ^{[ 5 ]} Varios estudios han investigado el potencial de nuevas geometrías destinadas a reducir el efecto de los deflectores en la resistencia. Los nuevos diseños propuestos han incluido deflectores dentados, ^{[ 24 ]} así como deflectores helicoidales invertidos en los que el flujo se interrumpe no por aletas sino por ranuras internas que sobresalen. ^{[ 25 ]}