Control de la capa límite

En ingeniería, el control de la capa límite se refiere a los métodos para controlar el comportamiento de las capas límite del flujo de fluidos .

En vehículos de alta velocidad, puede ser conveniente reducir la separación del flujo para disminuir el tamaño de la estela (eficiencia aerodinámica), lo que a su vez puede reducir la resistencia. La separación de la capa límite suele ser indeseable en sistemas de alto coeficiente de sustentación de aeronaves y en las tomas de aire de los 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 la capa límite para mantenerla adherida a su superficie. Se puede introducir aire fresco a través de ranuras o mezclarlo desde arriba. La capa de baja inercia en la superficie se puede extraer mediante una superficie perforada o purgar cuando se encuentra en un conducto de alta presión. Se puede eliminar por completo mediante un desviador o un conducto de purga interno. Su energía se puede incrementar por encima de la del flujo 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 habían demostrado mecanismos para mantener una capa límite laminar que redujera la fricción de la piel en los delfines. Esto se conoció como la paradoja de Gray . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Las alas de las aves tienen una característica en el borde de ataque llamada álula que retrasa la entrada en pérdida a bajas velocidades de manera similar al slat del borde de ataque en el 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 a los números de Reynolds involucrados, lo que permite a estas criaturas volar mejor de lo que sería el caso de otro modo. ^{[ 4 ]}

Las pelotas pueden tener características que aumentan la rugosidad de su superficie y amplían la distancia de impacto o lanzamiento. Esta rugosidad provoca que la capa límite se vuelva turbulenta y permanezca adherida a la parte posterior antes de separarse dejando una estela menor de la que dejaría de otro modo. Las pelotas pueden golpearse de diferentes maneras para imprimirles efecto, lo que hace que describan una trayectoria curva. Este efecto provoca que la separación de la capa límite se desplace hacia un lado, generando una fuerza lateral.

El control de la capa límite (rugosidad) se aplicó a las pelotas de golf en el siglo XIX. Las costuras en las pelotas de críquet y béisbol actúan como una estructura de control de la capa límite. ^{[ 5 ]}

En el caso de un flujo libre alrededor de un cilindro, se pueden emplear tres métodos para controlar la separación de la capa límite que ocurre 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 el flujo libre. El lado que se mueve contra el flujo también presenta 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 las partículas de fluido que se han ralentizado en la capa límite. Alternativamente, se puede soplar fluido desde una ranura aerodinámica 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 mediante su conformación para mantener un gradiente de presión favorable y evitar así la turbulencia. Sus resultados en túneles de viento con baja resistencia llevaron a su uso en aeronaves como el P-51 y el B-24, pero mantener el flujo laminar requería bajos niveles de rugosidad y ondulación superficial, características que no se encuentran habitualmente en servicio. ^{[ 7 ]} Krag ^{[ 8 ]} afirma que las pruebas realizadas en el perfil aerodinámico del P-51 en el túnel de viento de alta velocidad DVL en Berlín demostraron que el efecto de flujo laminar desaparecía por completo a números de Reynolds de vuelo reales . La implementación del flujo laminar en aplicaciones con números de Reynolds elevados generalmente requiere superficies muy lisas y sin ondulaciones, lo que puede ser difícil de producir y mantener. ^{[ 7 ]}

Mantener el flujo laminar controlando la distribución de presión en un perfil aerodinámico se denomina flujo laminar natural (NLF) ^{[ 7 ]} y ha sido logrado con gran éxito por los diseñadores de planeadores. ^{[ 9 ]}

En alas en flecha, un gradiente de presión favorable se vuelve desestabilizador debido al flujo transversal, y la succión es necesaria para controlar dicho flujo. ^{[ 10 ]} Complementar el efecto de la forma 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 ángulo de flecha del borde de ataque del ala. ^{[ 11 ]} El control de flujo laminar híbrido (HLFC) ^{[ 7 ]} se refiere a la tecnología de alas 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 esa. ^{[ 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 puede utilizarse para reducir la resistencia parásita y aumentar el ángulo de ataque útil . Las tomas de aire del motor montadas en el fuselaje a veces están equipadas con una placa divisora .

En las décadas de 1920 y 1930, se llevaron a cabo numerosas investigaciones para estudiar la mejora del rendimiento de sustentación debida a la succión en los perfiles aerodinámicos en el Aerodynamische Versuchsanstalt de Göttingen .

Un ejemplo de aeronave con control activo de la capa límite es el hidroavión japonés ShinMaywa US-1 . ^{[ 14 ]} Esta gran aeronave de cuatro motores se utilizaba para la guerra antisubmarina (ASW) y la búsqueda y rescate (SAR). Era capaz de realizar operaciones STOL y alcanzar velocidades aéreas muy bajas. Su sucesor en la función 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 Boeing 787-9 Dreamliner.

• Solapa reventada
• Efecto Coandă
• Dispositivo de elevación alta
• Ala de control de circulación
• Ranura del borde delantero
• Succión de la capa límite
• Generador de vórtices
• Aerodinámica
• Turbulador