Download la capa límite

FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE UN CUERPO
QUE SE MUEVE EN UN FLUIDO
AERODINÁMICA
(GR. AERIOS Y DYNAMICS)
EL ESTUDIO DE LAS FUERZAS Y EL EFECTO RESULTANTE
CUANDO UN CUERPO SE MUEVE EN EL AIRE
SUSTENTACIÓN
AVANCE
ARRASTRE
PESO
Las mismos principios aerodinámicos rigen para fenómenos tran
dispares como:
Pérdida de carga por rozamiento en conductos y tubos (Flujo
Interno)
Flujo en conducciones abiertas o canales
Resistencia del aire en alas de aviones, rotores de helicópteros y
autos
o del agua en barcos o en navegación submarina (Flujo Externo)
Diseño de compresores, turbinas
Biomedicina (flujo sanguíneo en arterias)
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
1
LA PARADOJA DE D’ALEMBERT
“ UN CILINDRO SE MUEVE EN UN FLUIDO IDEAL
SIN EXPERIMENTAR RESISTENCIA ALGUNA.”
Perfil de
Velocidad
τ =0
µ=0
FLUIDO IDEAL
CONCLUSIÓN INTUITIVA
Cuando el mismo cilindro extremadamente pulido se mueva en un
GRAN
fluido real de muy baja viscosidad deberá experimentar una baja
O
resistencia.
BAJA
A mayor velocidad,
MAYOR
O
mayor
MENOR
resistencia.
A mayor rugosidad, mayor
MAYOR resistencia.
O
VERIFICACIÓN MENOR
EXPERIMENTAL
Un cilindro extremadamente pulido moviéndose en agua o en el aire
(fluidos de muy baja viscosidad) experimenta una GRAN resistencia.
Si la velocidad es lo suficientemente elevada, la resistencia DISMINUYE
Bajo ciertas condiciones, la rugosidad puede REDUCIR la resistencia
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
2
RESISTENCIA DE SUPERFICIE
Cuando viajamos en auto somos conscientes
del flujo del aire sobre la superficie metálica
de la carrocería...
Miremos con mayor detalle el contacto
entre el fluido y la superficie sólida y
analicemos la capa de fluido que se
desarrolla por este contacto:
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
3
¿Qué podemos esperar que suceda
cuando las moléculas del fluido tomen
contacto con una superficie sólida como
es el techo del auto?
INTERFASE
SOLIDO/FLUIDO
DIRECCION DE FLUJO
CORTE A TRAVES DEL TECHO DEL AUTO
1) Que reboten
2) Que sean absorbidas por la superficie sólida
3) Que se deslicen por la superficie sólida, sin ser
afectadas por ella
4) Que queden adheridas a la superficie sólida,
sin poder deslizar por ella.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
4
El fluido se adherirá a esta
superficie sólida y tomará su
misma velocidad. Se cumple la
Condición de no deslizamiento.
CORTE A TRAVES DEL TECHO DEL AUTO
¿Cómo las afecta esta condición de no
deslizamiento a las siguientes capas de
fluido?
1) Las capas vecinas tambien se frenan
2) Las capas sucesivas se frenan de a
poco por vez
3) Las capas vecinas no se afectan
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
5
REGIMEN
LAMINAR
REGIMEN
TURBULENTO
CORRIENTE LIBRE
FLUJO POTENCIAL
CAPA LÍMITE
PLACA PLANA
La respuesta correcta es:
Las capas sucesivas del fluido irán disminuyendo su velocidad.
El fluido junto a la placa no tiene velocidad (Principio de no
deslizamiento).
En la siguiente capa de fluido, inmediatamente encima de la que
está detenido en la superficie, hay menos fricción, y por lo tanto,
esta capa de fluido logra cierto movimiento.
Sucesivamente se forman nuevas capas, cada una con menos
fricción.
A una cierta distancia de la superficie original ya no habrá más
efecto de retardo por la fricción y el resto de las capas de fluido
viajan a la velocidad de la corriente libre.
La zona en la que se produce el 99 % del cambio en la velocidad
se denomina la capa lí
límite.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
6
PRIMERAS CONCLUSIONES
Un fluido puede moverse rápidamente a través de un cuerpo.
El fluido se adherirá a las superficies sólidas.
La velocidad en la región próxima a la placa es menor que la de la
corriente libre. La región en la que se produce el 99 % del cambio
de la velocidad se denomina Capa Límite.
El concepto de capa límite fue introducido por primera vez en 1904
por Prandtl y puede observarse en la siguiente figura para una
placa plana.
V
V
V
V
Particula
de
Fluido
Capa Límite Laminar
Los fluidos deben tener
ciertas propiedades que
hacen que se forme una
capa límite.
Capa Límite Turbulenta
¿Cuál puede ser el causante?
1) Temperatura
2) Viscosidad
3) Velocidad de flujo
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
7
La respuesta correcta es:
La formación de la capa límite ...se debe a la Viscosidad.
ite
m
í
l
a
p
ca
velocidad de corriente libre
el fluido se desacelera por transferencia de
cantidad de moviento entre las partículas
arrastre por fricción
}
v
0 a 99%
PLACA
•Alta variación
de velocidad
•Distancia pequeña
Baja
τ elevado
µ ! bajo τ
La diferencia entre el flujo ideal y el real ocurre en una delgada
región denominada la
capa límite, ubicada entre el cuerpo y
el flujo principal.
La viscosidad solamente podrá ser ignorada fuera de esta zona.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
8
FLUJO EXTERNO
DESARROLLO DE LA CAPA LÍMITE
Una placa plana pulida fija sumergida en una corriente con
velocidad uniforme paralela a ella permite estudiar el
desarrollo de la capa límite por efecto del rozamiento viscoso
únicamente.
A causa de la viscosidad la velocidad del fluido sobre todos
los puntos de la placa será nula.
El espesor de esta capa crece constantemente a medida que el
fluido avanza sobre la placa. Al aumentar su espesor el flujo
se hace más inestable y pasa de laminar a turbulento.
Dentro de la capa límite turbulenta y en la proximidad de la
placa existe una subcapa laminar.
Frontera de la
Capa límite
v = 99% v00
zona de
transición
v00
Turbulento
v00
δ
Laminar
Punto
de ataque
2012
subcapa laminar
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
Perfil de
distribución de v
a una distancia x
del punto de ataque
9
La capa límite en
una placa plana:
La velocidad del fluido en la
proximidad de la placa ... en la
capa límite … es menor que la de
la corriente libre.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
10
placa
plana
a) Flujo de un Fluido Ideal en una Placa Plana
espesor
de la
capa
límite
capa límite
laminar
espesor
de la
capa
límite
espesor
de la
capa
límite
placa
plana
condición
de no
deslizamiento
en la
superficie
capa límite
turbulenta
b) Flujo de un Fluido Real en una Placa Plana
espesor
de la
capa
límite
capa límite
laminar
espesor
de la
capa
límite
Perfil más ancho y
con mayor intercambio
de energía
capa límite
turbulenta
c) Comparación entre Flujo Laminar y Turbulento
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
11
La capa límite en
un perfil alar
La velocidad del fluido en la
proximidad del cuerpo... en la capa
límite... es menor que la de la
corriente libre.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
12
La capa límite en
un conducto cerrado
En ...la capa límite … la
velocidad del fluido es mayor en
el centro de la conducción que
en la proximidad de las paredes
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
13
FLUJO INTERNO
DESARROLLO DE LA CAPA LÍMITE
A partir de la entrada al tubo comienza a formarse la capa
límite aumentando su espesor hasta juntarse en su centro.
Esta distancia se conoce como Longitud de Entrada .
A partir de este punto de unión comienza el Flujo
Totalmente Desarrollado. Según la capa límite permanezca
laminar o turbulenta en la longitud de entrada el flujo en el
resto del tubo será laminar o turbulento.
Cálculo de la Longitud de entrada:
Régimen Laminar:
Le = 0,0575.D.Re
Régimen Turbulento:
Le = 0,623.D.Re0,25
capa límite
v
v
flujo totalmente desarrollado
laminar
distribución parabólica
Longitud de entrada
zona de
flujo
libre
capa límite laminar
capa límite turbulenta
v
v
flujo totalmente desarrollado
turbulento
v
Longitud de entrada
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
14
RESISTENCIA DE FORMA
¿Cuál de los siguientes cuerpos ofrecerá mayor
resistencia aerodinámica?
1.Disco circular
2.Cilindro perpendicular al flujo
3.Esfera
4.Cilindro paralelo al flujo
5.Cilindro con nariz y cola redondeada
6.Cuerpo aerodinámico
La respuesta correcta es:
los seis cuerpos tienen igual
resistencia
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
15
RESISTENCIA DE FORMA
¿Cuál de los siguientes cuerpos con la misma
área frontal A ofrecerá mayor resistencia?
Dirección
de Flujo
Placa Plana
CD = 1,28
Prisma
CD = 1,14
Esfera
CD = 0,7 a 0,5
Bala
CD = 0,295
Perfil alar
CD = 0,045
" La placa plana tiene casi 30 veces más arrastre que el perfil
alar
" El arrastre en la esfera depende mucho del rango del Re
" Comparando la placa plana y el prisma se observa que que
se puede disminuir el arrastre modificando la forma del
perfil aguas abajo
" Lo mismo ocurre comparando la esfera, la bala y el perfil
alar
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
16
Fluido Ideal
Cuando un fluido ideal, de viscosidad cero, fluye alrededor
de un perfil simétrico, el fluido resbala y se desliza sobre el
perfil.
5
En 1 la velocidad y la presión son las de la corriente libre.
En 2 la velocidad se hace cero y la presión es máxima: Punto
de estancamiento
En 3 la velocidad se hace máxima y la presión mínima
En 4 la velocidad se hace cero y la presión es máxima: Punto
de estancamiento
En 5 la velocidad vuelve a ser la de la corriente libre
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
17
Fluido Real
Cuando un fluido REAL fluye alrededor de un perfil simétrico;
En la nariz .la velocidad es cero y la presión es máxima. Punto de
estancamiento
Pm
Vm
1
2
3
4
Entre 2 y 3 una partícula de la capa límite es empujada corriente
abajo por la presión decreciente.
En 3 la presión es mínima pero el impulso de esta partícula es
menor que en un fluido ideal debido a las fuerzas viscosas.
El desplazamiento de 3 a 4 comienza con un impulso reducido y
deberá aun vencer fuerzas viscosas y un gradiente de presión
adverso. El fluido continua disminuyendo su velocidad y si la
longitud del cuerpo en que tiene que remontar este aumento de
presión es corta se detiene por completo antes de llegar a la cola.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
18
Separación de la capa límite
Este fenómeno se llama estancamiento de la capa límite.
La capa límite así atascada se separa de la pared y aparece un flujo adverso
por la diferencia de presión entre este punto de separación y la cola del
cuerpo.
Esta inversión del flujo de la
capa límite produce una
ruptura del flujo alrededor del
cuerpo y la formación de una
zona turbulenta denominada
estela.
Separación
de la
capa límite
Placa Plana
Re ~ 105
Separación
de la
capa límite
Re ~ 105
Perpendicula al flujo
Longitud D
CD = 2,0
Cilindro
CD = 1,2
Cuerpo
Aerodinámico
CD = 0,12
Diámetro D
Separación de la
capa límite
Re ~ 105
Espesor D
Separación de la
capa límite
Re ~ 104
Cilindro
CD = 1,2
Cilindro
CD = 0,6
Diámetro d=D/10
Separación de la
capa límite
Re ~ 107
2012
Diámetro D
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
19
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
20
RESISTENCIA DE FORMA PARA
DISTINTOS VALORES DE Re
(A) Reynolds < 0,5 El fluido contornea al cuerpo similar a un flujo potencial. Toda la
resistencia es de superficie.
(B) 2<Re<30 Con el aumento del Re la
resistencia de superficie disminuye.
Aparecen los primeros remolinos
(C) Los remolinos se alargan con el
aumento del Re
(D) 40<Re<70 Los remolinos son más inestables y la estela es oscilante
(E) Re ~ 90 los remolinos se desprenden formando dos líneas, llamado camino de torbellino
de Karman. El 90% de la resistencia es resistencia de forma. El valor mínimo de Cd=0,9 se
alcanza para Re ~ 2000.
(F) Para Re 104-105 la capa límite
se separa en un ángulo de 80°,
formando una estela muy grande
corriente abajo.
2012
(G) Para Re = 2x105 la capa límite se hace
turbulenta y retarda su separación, ahora con un
ángulo de 130°. Se reduce considerablemente la
estela y en consecuencia el Cd se reduce a
aproximadamente Cd=0,3
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
RESISTENCIA DE FORMA EN CILINDROS
PARA DISTINTOS VALORES DEL Re
Re = 9,6
EL FLUJO ESTÁ
SEPARADO
FORMANDO DOS
REMOLINOS.
LA SEPARACIÓN
OCURRE
APROXIMADAMENTE
A Re = 5
Re =13,1
LA LONGITUD DE
LOS REMOLINOS
CRECE
LINEALMENTE
CON EL Re HASTA
QUE EL FLUJO SE
HACE INESTABLE
A Re = 40
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
22
Re =26
LA DISTANCIA AGUAS
ABAJO AL CENTRO DE
LOS REMOLINOS CRECE
LINEALMENTE CON EL
Re. SU ESPESOR ES
PROPORCIONAL AL Re2
Re = 2.000
LA CAPA LÍMITE ES
LAMINAR EN EL
HEMISFERIO FRONTAL, SE
SEPARA Y FORMA UN
REMOLINO TURBULENTO.
EL PUNTO DE SEPARACIÓN,
QUE SE ESTABA MOVIENDO
HACIA ADELANTE CON EL
INCREMENTO DEL Re,
ALCANZA SU PUNTO
LÍMITE.
Re = 10.000
CON UN Re 5 VECES
MAYOR, EL PATRÓN
DE FLUJO CASI NO SE
MODIFICA.
CD PERMANECE
CONSTANTE EN ESTE
RANGO. RECIÉN
CAERÁCUANDO LA
CAPA LÍMITE SE
HAGA TURBULENTA
EN LA SEPARACIÓN.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
23
EL COEFICIENTE DE ARRASTRE CD
CD = CDS + CDF
CDS
Arrastre de superficie o de fricción o viscoso
Se debe a la viscosidad del fluido y causa el desarrollo de la
capa límite.
CDF
Arrastre de forma o de presión
Se debe a la posibilidad de que esta capa límite pueda
separarse de la superficie del cuerpo a causa de su
forma.
# EL COEFICIENTE DE ARRASTRE: DEPENDE DE LA FORMA DEL CUERPO
CD =
FARRASTRE
1/2 ρ A v2
# LA FUERZA DE ARRASTRE: DEPENDE DE LA FORMA Y TAMAÑO DEL
CUERPO
# LA RESISTENCIA AERODINÁMICA O ÁREA FRONTAL EFECTIVA:
~ AP x CD
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
24
Valores característicos de CD
CUERPO
CD
CUERPO
CD basado en area frontal
CONO
CUBO
CILINDRO L/D
SUP. CÓNCAVA
PLATO PARABÓLICO
SUP. CONVEXA
DISCO
PARACAÍDAS
2012
PERSONA
ÁRBOL
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
25
COEFICIENTES DE ARRASTRE PARA
DISTINTAS FORMAS GEOMÉTRICAS
CD =
FARRASTRE
1/2 ρ AP v2
10 5
ESFERA
DISCO
10 3
AP = πDP2/4
Área proyectada
en dirección de
flujo.
ρ , µ densidad y
viscosidad del
fluido.
2012
CILINDRO
10
10 -1
10 -4
Re
10 -2
1
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
10 2
10 4
10 6
26
AERODINAMIZAR UN CUERPO
Placa
Plana
Cubo
Prisma
Prisma
Dirección
de Flujo
Rombo
Esfera
Bala
Cuerpo
aerodinámico
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
Efecto de la aerodinamización sobre la
resistencia de superficie y de forma
Fuerza de arrastre
punto de
separación
Re =
relativa
105
PLACA
PLANA
Longitud D
punto de
separación
Re = 105
CILINDRO
Diámetro D
Re = 105
punto de
separación
CUERPO
AERODINÁMICO
Longitud D
Re = 104
punto de separación
igual
arrastre
total
CILINDRO
Diámetro 0,1D
Re = 107
punto de separación
CILINDRO
Diámetro D
arrastre de superficie
arrastre de forma
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
28
VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA TOTAL
AL AERODINAMIZAR
UN PERFIL ALAR
RESISTENCIA DE SUPERFICIE
+
RESISTENCIA DE PRESIÓN
RESISTENCIA TOTAL
CD =
FARRASTRE
1/2 ρ AP v2
v
Resistencia Total
Resistencia de Superficie
Resistencia de Presión
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
29
¿POR QUÉ ES IMPORTANTE CONOCER EL
COMPORTAMIENTO DE LA CAPA LÍMITE?
Porque es la responsable de la resistencia que las
superficies sólidas ofrecen al movimiento de los fluidos
ya que determina las características del arrastre y de la
transferencia de calor para el flujo alrededor de un
cuerpo.
La existencia de la capa límite hace que:
$ Un avión, un barco o un auto consuman
más o menos combustible.
$ La distancia recorrida por una pelota de golf
se vea reducida.
Para optimizar su diseño debemos minimizar la
"RESISTENCIA TOTAL
" Resistencia de Superficie
" Resistencia de Forma o de Presión
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
30
PARA ESTO DEBEMOS ENTENDER:
" ¿A qué se debe la resistencia de superficie?
" ¿ A qué se debe la resistencia de forma o de presión?
" ¿Cómo afecta la aerodinamización al arrastre?
" ¿Por qué a bajos valores de Re la aerodinamización
aumenta el arrastre total?
" ¿Cómo influye la rugosidad superficial en el
desarrollo de la capa límite?
" ¿Por qué un aumento de rugosidad puede aumentar
el arrastre a baja velocidad?
" ¿Por qué un aumento de rugosidad puede reducir el
arrastre a alta velocidad?
" ¿Puede un aumento de la velocidad disminuir el
arrastre en un cuerpo no aerodinámico?
" ¿Puede un aumento de la velocidad aumentar el
arrastre en un cuerpo aerodinámico?
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
31
¿Puede la aerodinamización aumentar el
arrastre?
Si, pero solo para Re muy bajos, donde la capa
límite es muy ancha y ocupa casi toda la región de
flujo y prácticamente no hay separación de la capa
límite. Sin embargo la distribución de presión es
totalmente distinta al caso de flujo ideal:
4
5
En un flujo altamente viscoso, la presión
disminuye no sólo de 2 a 3, sino que continúa
decreciendo de 3 a 4. En consecuencia no hay
flujo inverso, no hay separación de capa límite.
La aerodinamización, aunque no afecta mucho al
arrastre de forma, sí afectará al arrastre viscoso,
aumentándolo debido a la mayor superficie sobre
la que actúan las fuerzas de fricción.
En consecuencia el arrastre total aumentará.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
32
¿Puede un aumento de rugosidad reducir
el arrastre de un cuerpo no
aerodinámico?
Dependerá exclusivamente del rango de velocidad.
Si comparamos el arrastre a baja velocidad de una
esfera lisa y otra rugosa, la lisa tendrá menos
arrastre.
A alta velocidad, la rugosa tendrá menos arrastre.
La explicación es que a baja velocidad la capa límite
es laminar para ambas y el punto de separación
también parecido. Luego la resistencia de forma es
prácticamente igual, pero el arrastre total será mayor
para la rugosa por tener una mayor resistencia de
superficie.
Al aumentar la velocidad la capa límite pasa de
laminar a turbulenta antes para la esfera rugosa que
para la lisa. Esto hace que el arrastre total para la
esfera rugosa sea menor que para la lisa.
Son ejemplos del aumento de rugosidad para
disminuir el arrastre los hoyuelos de una pelota de
golf, la felpa de una de tenis o las costuras en una de
baseball.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
33
Efecto de la rugosidad sobre el
desarrollo de la capa límite
laminar
transició
n
turbu
lento
perfil liso
transición
laminar
turbule
n to
perfil levemente rugoso
n
sició
tran
lento
turbu
inar
m
a
l
perfil muy rugoso
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
34
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
35
¿Puede un aumento de velocidad reducir
el arrastre en un cuerpo no
aerodinámico?
Sí, al retardar la separación de la capa límite:
Para una esfera a velocidad baja, la capa límite es
laminar y la separación ocurre cerca del hombro,
produciendo una estela muy ancha y un arrastre
de forma elevado.
Para la misma esfera, al aumentar la velocidad la
capa límite se hace turbulenta y a consecuencia de
su mayor grado de mezcla aumenta el intercambio
de impulso y puede permanecer adherida al
cuerpo por más tiempo. Pero al forzar una capa
límite turbulenta se producen otro efecto,contrario
pero de menor importancia: aumenta el arrastre
de superficie junto a la pared debido al menor
espesor de la misma.
Comparando
el arrastre total:
F
LAMINAR
2012
S
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
F
S
TURBULENTO
36
¿Puede un aumento de velocidad reducir
el arrastre en un cuerpo aerodinámico?
En los cuerpos aerodinámicos no hay arrastre de
forma, solo el arrastre de superficie aporta al
arrastre total.
Por lo tanto para minimizar el arrastre en un
cuerpo aerodinámico es preciso tener una capa
límite laminar. Un aumento de velocidad
produciría, en este caso, un cambio de la capa
límite de laminar a turbulento aumentando el
arrastre total.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
37
Resistencia de forma en los automóviles.
Pick-up Ford 1938
Cd= 1,4
Frontal VW
Cd= 0,42
CD = 0,42
Cd = 1,4
Cd = 0,42
De la comparación surge que con la misma potencia de motor = 25 kW
es posible conseguir 80 km/h (VW) en lugar de 60 km/h (pickup).
O conseguir los mismos 60 km/h con solo 14,5 kW de potencia de motor.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
EVOLUCIÓN DE Cd EN LOS AUTOS
1,0
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
Mínimo teórico = 0,15
1900
1910
1920
1930
1940 1950
1960
1970
1980
1990
2000
Cd = 0.117
Summers Brothers Goldenrod Bonneville race car, 1965
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
2010
Ford Falcon
Cd= 0,31
Ford Sierra
Cd = 0,34
Citroën 2CV
Cd = 0,51
Volkswagen Beetle
Renault Twingo
Cd = 0,37
Audi A2 1.2 TDI
Cd = 0,25
Cd= 0,38(nuevo)
Cd=0,48 (viejo)
Honda Civic 2001
Cd = 0,36
Honda Civic Hybrid, 2006
Cd = 0,27
Porsche 997 GT3 RS, 2007
Cd= 0,3
2012
Ferrari Testarossa
Cd= 0,36
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
Toyota Land Cruiser
Cd= 0,3
Dodge RAM
Cd= 0,42
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
41
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
42
Modelo
2012
Área Frontal (m )
Cd
Cdde autos
2
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
Cd x A (m2)
43
¿CÓMO INFLUYE LA AERODINÁMICA EN
LOS AUTOS DE CARRERA?
• La forma del auto hace que el aire tenga más velocidad en
la parte superior, originándose una zona de baja presión.
• La mayor presión debajo del auto produce un empuje
ascensional, que le hace perder estabilidad, principalmente
en las curvas.
• Para lograr una mejor tenida se le agrega un alerón trasero
y en algunos casos otro delantero, de forma opuesta a la del
auto.
• Al encontrar una elevación en la parte posterior, el aire
empuja el alerón hacia abajo.
• Se aumenta así la fricción en las ruedas traseras, dandole
al auto más tenida en las curvas.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
44
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
45
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
46
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
47
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
48
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
49
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
50
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
51
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
52
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
53
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
54
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
55
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
56
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
57
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
58
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
59
REGÍMENES DE VUELO DE AVIONES
S
SUSTENTACIÓN
T
A
AVANCE
ARRASTRE
PESO
P
DESPEGUE
S>P
T>A
SUBIDA
S>P
T=A
CRUCERO
S=P
T=A
APROXIMACIÓN
S<P
T=A
ATERRIZAJE
S<P
T<A
ALTA RELACIÓN S/A
=
=
=
=
ALTA EFICIENCIA
MAYOR AUTONOMIA
ALTA CAPACIDAD DE CARGA
BAJO CONSUMO
PARÁMETROS DE SIMILITUD DINÁMICA
Re = ρ D V/µ
µ
Ma = V/a
(RELACIONA FUERZAS INERCIALES Y VISCOSAS)
(VELOCIDAD DE FLUJO / VELOCIDAD DEL SONIDO)
El Ma es relevante a velocidades próximas a las del sonido (330 m/s)
porque el fluido ya no puede considerarse incompresible y se
producen ondas de choque que afectan la sustentación y el arrastre.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
60
SUSTENTACIÓN
Basada en el Principio de Bernoulli
Cuando el perfil alar es asimétrico, la velocidad y presión en el
fluido también es asimétrica.
Las velocidades y presiones en la parte superior son las mismas que
para un perfil simétrico pero las de la mitad inferior son las de un
flujo potencial.
Por lo tanto, la presión en la parte superior es menor que en la parte
inferior.
Esta diferencia de presión estática origina una fuerza normal a la
dirección de flujo que es la sustentación.
Los factores que afectan la sustentación son:
1. Forma y área superficial del cuerpo
2. Velocidad e inclinación del cuerpo en el aire
3. Del flujo másico de aire y de su viscosidad y compresibilidad
El Coeficiente de sustentación
CL =
2012
S
ρ 1/2 v2 A
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
61
SUSTENTACIÓN
Basada en las 3 Leyes de Newton
Primera ley de Newton: Un cuerpo en reposo tratará de mantenerse
en reposo, un cuerpo en movimiento se mantendrá sin cambiar su
condición, hasta que se le aplique una fuerza externa sobre él.
! !"#!$#%&'$#$'#(&)"("$'*&#+',#(,!,#-$#,".$#&."/"',0($'*$#$'#
.$%&!&1#2+"$.$#-$3".#2+$#4,5#+',#6+$.7,#,3*+,'-&#!&8.$#$00,.
Tercera ley de Newton: Para toda acción existe una reacción igual y
opuesta.
!9&#2+$#$0#,0,#4,3$#,#0,#(,!,#-$#,".$#$!#0,#,33"ó'#("$'*.,!#2+$#
0,#!+!*$'*,3"ó'#$!#0,#.$,33"ó':#
Segunda ley de Newton: Momento de una fuerza = masa x velocidad
!;,.,#/$'$.,.#!+!*$'*,3"ó'#$0#,0,#-$8$#-$!)",.#+',#/.,'#3,'*"-,-#
-$#,".$#4,3",#,8,<&
La sustentación de un ala es igual al cambio de momento
del aire dirigiéndolo hacia abajo y es proporcional a la
cantidad de aire desviado hacia abajo por la velocidad
de descenso del aire.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
62
FACTORES QUE AFECTAN LA SUSTENTACIÓN
VELOCIDAD
FORMA Y SUPERFICIE ALAR
EMPUJE ASCENCIONAL
VELOCIDAD
LA SUSTENTACIÓN AUMENTA
CON LA CURVATURA Y CON
LA SUPERFICIE ALAR.
EL ARRASTRE TAMBIÉN
AUMENTA CON LA
SUPERFICIE ALAR
LA SUSTENTACIÓN AUMENTA
CON LA VELOCIDAD
ÁNGULO DE ATAQUE
CUERDA
LINEA DE VUELO
DESPRENDIMIENTO
DE LA CAPA LÍMITE
ENTRADA
EN PÉRDIDA
EA
CAPA LÍMITE ADHERIDA
A LA SUPERFICIE
ÁNGULO DE ATAQUE
A MAYOR ANGULO DE ATAQUE (+/- 100), MAYOR SUSTENTACIÓN.
UN EXCESIVO ÁNGULO DE ATAQUE CAUSA EL DESPRENDIMIENTO DE
LA CAPA LÍMITE, EL ARRASTRE SUPERA LA SUSTENTACIÓN Y EL AVIÓN
ENTRA EN PÉRDIDA.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
63
PARTES DEL AVIÓN
ESTABILIZADOR VERTICAL
CONTROLA BALANCEO
ESTABILIZADOR HORIZONTAL
CONTROLA EL CABECEO
TIMÓN
GIRO LATERAL
ELEVADORES
SUBEN/BAJAN COLA
ALAS
GENERAN SUSTENTACIÓN
FLAPS
MODIFICAN S Y A
MOTORES
IMPULSAN AVIÓN
ALERONES
MODIFICAN BALANCEO
CABINA
COMANDO Y CONTROL
SPOILER
MODIFICAN S Y A
MODIFICAN BALANCEO
FUSELAJE
CUERPO DE UNIÓN Y CARGA
SLATS
MODIFICAN S
EL TIMÓN MUEVE LA COLA HACIA DERECHA E IZQUIERDA.
LOS ELEVADORES MUEVEN LA COLA HACIA ARRIBA Y ABAJO.
LOS ALERONES PRODUCEN UN BALANCEO DE LAS ALAS DE LADO A
LADO, MOVIDOS HACIA ABAJO AUMENTAN LA SUSTENTACIÓN Y
HACIA ARRIBA LA DISMINUYEN.
EL MISMO EFECTO DE BALANCEO SE LOGRA MÁS RAPIDAMENTE
ACCIONANDO UN SPOILER, EN EL LADO ACCIONADO AUMENTA EL
ARRASTRE Y DISMINUYE LA SUSTENTACIÓN.
LOS FLAPS Y SLATS SE UTILIZAN DURANTE EL DESPEGUE Y
ATERRIZAJE PARA AUMENTAR LA SUPERFICIE ALAR.
AMBOS SPOILERS SE USAN EN EL ATERRIZAJE PARA FRENAR EL
AVIÓN Y CONTRARRESTAR LA SUSTENTACIÓN AUMENTADA POR
EFECTO DE LOS FLAPS.
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
64
MOVIMIENTOS RESULTANTES DEL AVIÓN
ELEVADORES CABECEO
FUERZA VERTICAL
ALERONES BALANCEO
DISMINUYE FUERZA
AUMENTA FUERZA
MOVIMIENTO RESULTANTE
MOVIMIENTO RESULTANTE
TIMÓN GIRO LATERAL
MOVIMIENTO RESULTANTE
FLAPS Y SLATS L Y D
FUERZA LATERAL
AUMENTA SUSTENTACIÓN
AUMENTA ARRASTRE
SPOILERS
DISMINUYE
SUSTENTACIÓN
SPOILERS BALANCEO
DISMINUYE FUERZA
AUMENTA ARRASTRE
SUSTENTACIÓN
MOVIMIENTO RESULTANTE
2012
L.Colombo-FT-Flujo Viscoso
65