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Controlador Aéreo: Aerodinámica - Capa Límite - Flujos Subsónicos y Desprendimiento

Escrito por Administrator el . Publicado en Controlador Aéreo

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Aerodinámica

Capa Límite  Flujos Subsónicos y Desprendimiento.

 
atmosferis capa limite


El desprendimiento de la capa límite de un fluido, debemos recordar que la teoría se aplica en cualquier tipo de perfil fluidodinámico, ocasiona una pérdida de la efectividad del perfil, quedando fuera de control la interacción entre fluido y superficie.
 

El desprendimiento, en inglés llamado “stall”, se produce en el momento disminuye en exceso el gradiente de velocidades del flujo sometido a interacción, y con él el valor de los esfuerzos cortantes. Ocurrido esto ya no se sostiene el flujo laminar que atraviesa el perfil, tornándose turbulento e interfiriendo en todo el flujo contiguo a esta zona.

La aparición de un desprendimiento de la capa límite ocasiona efectos indeseables, de entre los que se podrían dar como ejemplos fácilmente plausibles:

 

 

  • La pérdida de sustentación aerodinámica en un ala de avión, ocasionando, en un caso extremo, su pérdida de control.
  • La interacción de las caras de alta y baja presión que recorren una vela, comunicándose tras la baluma y ocasionando su pérdida de rendimiento.
  • La pérdida del perfil de presiones y aparición de fuerzas contrarias al avance del casco de un buque (en formas de desplazamiento).
  • La aparición de vórtices y zonas de presiones negativas en la parte trasera de un vehículo, lo que también ayudan a evitar los deflectores traseros.

 

Para comprender la mecánica del desprendimiento de la capa límite se puede realizar una introducción sobre su desarrollo a lo largo de geometrías clásicas a estos particulares. Pero en primer lugar cabe realizar un breve inciso sobre la concepción de un flujo subsónico y el porqué de su especificación en este artículo.

 

 

 

 

 

Un flujo subsónico es aquel que se desplaza a una velocidad inferior a la de propagación del sonido en el fluido involucrado. Los particulares sobre flujos supersónicos y número de Match vendrán a tratarse en otro artículo.

Brevemente por tanto, en velocidades subsónicas, las perturbaciones originadas por un cuerpo que se mueve en el seno de un fluido, se propagan a la velocidad del sonido dentro éste. De esta forma, la propagación de dichas perturbaciones “avisa” al fluido que precede al paso del cuerpo, causando deformaciones previas que facilitan la penetración del cuerpo en dicho medio. De otro lado, a velocidades supersónicas, el cuerpo sobrepasa a la velocidad de propagación de las deformaciones, creando, entre otros, frentes de presión y compresiones del fluido que varían las condiciones de la capa límite que aquí vienen a tratarse.

Por tanto, desprendimiento de la capa límite en velocidades subsónicas, cuyo desarrollo puede determinarse conceptualmente en:

Superficie plana: 

A estos efectos se entiende que la entrada en esa “chapa” infinitamente plana e infinitamente fina o, mejor dicho, el borde de ataque no causa perturbaciones iniciales al fluido. A partir de ahí ocurre lo siguiente; inicialmente el grosor de la capa límite es mínimo, por lo que el gradiente de velocidad y con él los esfuerzos cortantes son muy elevados, manteniendo al fluido fuertemente adherido a la superficie, teniendo así una capa límite laminar.

 

 

A lo largo del recorrido del fluido a través de la superficie, va incrementándose progresivamente el número de intersticios moleculares que son afectados por sus precedentes, aumentando así el grosor de la capa límite, disminuyendo el gradiente de velocidad y, una vez más, disminuyendo los esfuerzos cortantes.

Siguiendo esta tendencia y sobrepasada la longitud crítica, los esfuerzos cortantes, recordemos (τ), se han visto tan reducidos que no son capaces de sostener el flujo laminar, apareciendo turbulencias incontroladas que causan variaciones de velocidades en las zonas contiguas, aumentando bruscamente y en sobremanera el espesor de la capa límite.

 

Perfil convergente:

Un perfil convergente se cruza frontalmente con la dirección de las líneas de flujo, lo que debido a la inercia que portan sus moléculas resulta en un cambio de dirección del flujo y por tanto una variación de sus componentes. Así un flujo subsónico convergente resulta acelerado, lo que viene a contrarrestar la deceleración producida en la capa límite, aumentando más lentamente el grosor de la misma, recordemos (δ), pudiendo incluso llegar a reducirse en función de la geometría de paso. Al grado de evolución de la capa límite con respecto a la superficie libre se le conoce en el lenguaje técnico inglés como “thickness” , lo cual puede significar indistintamente “grosor” o “espesor” . Por otro lado también nos podemos referir a éste como “altura”. También aquí se habla de “déficit de impulso”, habiéndose empleado en algún artículo propio, como referencia al mecanismo de reducción de la velocidad relativa del fluido, denominábamos gradiente de velocidades al inicio del artículo, en pos de un incremento de la presión y una reducción de los esfuerzos cortantes intersticiales, lo cual nos lleva al siguiente punto.  

 

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Perfil divergente:

Un perfil divergente se aparta de la dirección de las líneas de flujo,  por lo que, debido a la inercia de las moléculas que componen el fluido, no presenta ningún impedimento a su paso, no variando su dirección salvo en un punto inicial.

 

 

Este flujo resulta por tanto decelerado, lo cual se suma a la deceleración ocasionada por la capa límite. Una vez más, debido a este efecto, disminuye la velocidad del flujo, lo que provoca una disminución de los esfuerzos τ y por tanto un aumento del grosor δ de la capa límite. Esta disminución de la velocidad del flujo crea un aumento de presión. Es en este momento cuando ocurre la separación, ocasionándose aguas debajo de ésta un flujo inverso, que no forma parte del flujo principal, y que viene a llamarse estela.

Concluido ésto, si echamos un vistazo a los conceptos de convergencia-divergencia y los procesos asociados de aumento/disminución de presión y velocidad, podremos observar que responden a la mecánica de fluidos clásica, como son también un ejemplo de ello las toberas y difusores, extrapolados en éste caso a los mecanismos de capa límite.
  

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