Efecto tubérculo - Tubercle effect
El efecto tubérculo es un fenómeno en el que los tubérculos o grandes "protuberancias" en el borde de ataque de un perfil aerodinámico pueden mejorar su aerodinámica . El efecto, aunque ya descubierto, fue analizado ampliamente por Frank E. Fish et al a principios del 2000 en adelante. El efecto tubérculo actúa canalizando el flujo sobre el perfil aerodinámico en corrientes más estrechas , creando velocidades más altas. Otro efecto secundario de estos canales es la reducción del flujo que se mueve sobre la punta del ala y resulta en una menor resistencia parásita debido a los vórtices de la punta del ala . Utilizando modelos computacionales , se determinó que la presencia de tubérculos produce un retraso en el ángulo de ataque hasta la pérdida, aumentando así la sustentación máxima y disminuyendo la resistencia . Los peces descubrieron este efecto por primera vez al observar las aletas de las ballenas jorobadas . Estas ballenas son los únicos organismos conocidos que aprovechan el efecto del tubérculo. Se cree que este efecto les permite ser mucho más maniobrables en el agua, lo que facilita la captura de presas. Los tubérculos de sus aletas les permiten realizar maniobras acuáticas para atrapar a sus presas.
Los diminutos anzuelos en el borde delantero del ala de un búho tienen un efecto similar que contribuye a su maniobrabilidad aerodinámica y sigilo.
La ciencia detrás del efecto
El efecto tubérculo es un fenómeno en el que los tubérculos , o grandes protuberancias en el borde de ataque de un ala, pala o vela aumentan su rendimiento aerodinámico o hidrodinámico. La investigación sobre este tema se inspiró en el trabajo de biólogos marinos sobre el comportamiento de las ballenas jorobadas. A pesar de su gran tamaño, estas ballenas son ágiles y pueden realizar giros y vueltas bajo el agua. La investigación sobre ballenas jorobadas indicó que la presencia de estos tubérculos en el borde de ataque de las aletas de ballena redujo la pérdida y aumentó la sustentación , al tiempo que reduce el ruido en el régimen posterior a la pérdida . Los investigadores se sintieron motivados por estos resultados positivos para aplicar estos conceptos a las alas de los aviones, así como a las turbinas industriales y eólicas.
Watts & Fish realizó las primeras investigaciones sobre este tema, seguidas de más experimentos en túneles de agua y de viento. Watts & Fish determinó que la presencia de tubérculos en el borde de ataque del perfil aerodinámico aumentó la sustentación en un 4.8%. Otros cálculos numéricos confirmaron este resultado e indicaron que la presencia de tubérculos puede disminuir los efectos del arrastre en un 40%. Se ha descubierto que los tubérculos del borde de ataque reducen el punto de elevación máxima y aumentan la región de elevación posterior a la pérdida. En el régimen posterior a la pérdida, las láminas con tubérculos experimentaron una pérdida gradual de sustentación en comparación con las láminas sin tubérculos, que experimentaron una pérdida repentina de sustentación. Se muestra un ejemplo de un ala sin protuberancias en comparación con un ala con protuberancias.
También debe tenerse en cuenta la geometría de los tubérculos, ya que la amplitud y la longitud de onda de los tubérculos influyen en el control del flujo. Se puede pensar en los tubérculos como pequeñas alas delta con un ápice curvo, ya que crean un vórtice en el borde superior del tubérculo. Estas estructuras vorticales imponen una desviación hacia abajo del flujo de aire (flujo descendente) sobre las crestas de los tubérculos. Esta deflexión hacia abajo retrasa la pérdida en el perfil aerodinámico. Por el contrario, en los canales de estas estructuras, hay una deflexión neta hacia arriba del flujo de aire (upwash). El lavado ascendente localizado se asocia con ángulos de ataque más altos, lo que se relaciona con un aumento de la sustentación, ya que la separación del flujo se produce en los canales y permanece allí. El vórtice creado por el tubérculo retrasa la separación del flujo hacia el borde de fuga del ala, reduciendo así los efectos del arrastre. Sin embargo, en el agua, debido a la estructura de cresta / canal, la cavitación es posible y no es deseable. La cavitación se produce en áreas de alta velocidad de flujo y baja presión, como la depresión de una estructura tuberculosa. En el agua, se forman burbujas de aire o bolsas en la parte superior del tubérculo. Estas burbujas reducen la sustentación y aumentan la resistencia, mientras aumentan el ruido en el flujo cuando las burbujas colapsan. Sin embargo, los tubérculos se pueden modificar para manipular la ubicación de la cavitación.
El efecto de la amplitud de los tubérculos tiene un impacto más significativo en el rendimiento posterior a la pérdida que la longitud de onda. La mayor amplitud de los tubérculos se ha relacionado con una pérdida más gradual y una mayor elevación posterior a la pérdida, así como una menor pendiente de elevación antes de la pérdida. La longitud de onda y la amplitud se pueden optimizar para aumentar el rendimiento posterior a la parada.
Los experimentos sobre los efectos de los tubérculos de punta se han centrado principalmente en cuerpos rígidos, y se necesita más investigación para aplicar el conocimiento del efecto del tubérculo a aplicaciones industriales, aeronáuticas o energéticas.
Ocurrencias biológicas de tubérculos
Los tubérculos son un fenómeno material que ocurre en múltiples organismos. Estos organismos incluyen la ballena jorobada, los tiburones martillo , las vieiras y los condrictios , un organismo acuático extinto.
Un organismo en el que se destacan los tubérculos es la ballena jorobada. Los tubérculos de las ballenas jorobadas se encuentran en el borde de ataque de las aletas. Los tubérculos permiten a las ballenas muy grandes realizar giros cerrados bajo el agua y nadar de manera eficiente; una tarea imperativa para la alimentación de las ballenas jorobadas. Los tubérculos de las aletas ayudan a mantener la sustentación, evitando el bloqueo y disminuyendo el coeficiente de arrastre durante las maniobras de giro. Los tubérculos de la ballena jorobada se consideran control de flujo pasivo porque son estructurales.
Los tubérculos se desarrollan en el feto de la ballena jorobada. Normalmente hay 9-11 tubérculos en cada aleta y disminuyen de tamaño a medida que se acercan a la punta de la aleta. Los tubérculos más grandes son el primero y el cuarto tubérculos del hombro de la ballena. Esta estructura anatómica es común entre las especies de peces grandes, principalmente especies depredadoras en sus aletas pectorales.
Aplicaciones modernas en la industria
Los tubérculos de vanguardia están surgiendo en el área de fabricación. El rendimiento de las turbinas eólicas se basa en la aerodinámica de las palas donde se observan características de flujo similares (fuente n. ° 9). Las turbinas modernas tienen palas torcidas para tener en cuenta el ángulo de ataque en condiciones de diseño específicas. Sin embargo, en la aplicación práctica, las turbinas a menudo operan en condiciones fuera de diseño donde ocurre el bloqueo, lo que provoca una disminución en el rendimiento y la eficiencia. Para buscar una posible mejora de la eficiencia energética de la turbina, la influencia de los tubérculos del borde de ataque debe investigarse con más profundidad.
Los tubérculos proporcionan un diseño de inspiración biológica que ofrece viabilidad comercial en el diseño de embarcaciones, aeronaves, ventiladores y molinos de viento. El control del flujo pasivo a través de los diseños de tubérculos tiene la ventaja de eliminar mecanismos de control pesados complejos, costosos y de alto mantenimiento, al tiempo que mejora las propiedades de rendimiento para levantar cuerpos en el aire y el agua. Un problema que permanece hoy es la diferencia en la escala de estructura y operación que utiliza cada una de estas tecnologías bioinspiradas. Se están implementando nuevas técnicas para desarrollar métodos de retrasar la pérdida en aplicaciones de flujo. Por ejemplo, los aviones a reacción con defectos en el borde de ataque pueden transportar mayores cargas útiles a velocidades más rápidas y mayores altitudes, lo que permite una mayor eficiencia económica en el campo aeronáutico. Si bien estos efectos se encuentran en muchos animales acuáticos y aves, la ampliación de estos diseños a la aplicación industrial presenta otro conjunto de problemas relacionados con las altas tensiones asociadas a la maquinaria. En los aviones, por ejemplo, los diseños son mucho más limitados que las complejas cinemáticas y estructuras de las articulaciones en las alas de las aves, lo que produce ágiles maniobras de giro. Este problema se puede rectificar investigando más a fondo la superposición entre tamaño y rendimiento entre la estructura biológica y la aplicación de ingeniería. También se observó en el diseño de turbinas que los efectos de vanguardia tienen la capacidad de mejorar la generación de energía en un factor de hasta un 20%.
En el campo de la ingeniería aeronáutica, los tubérculos de punta colocados en las palas de las turbinas pueden aumentar la generación de energía. También se encontró que las palas con tubérculos eran efectivas en la generación de energía a velocidades de viento altas y bajas, lo que significa que al comparar las palas con bordes de ataque lisos con aquellas con tubérculos de borde de ataque, las palas con tubérculos de borde de ataque demostraron un rendimiento mejorado. La utilidad del tubérculo en la mejora del rendimiento de los sistemas de ingeniería proviene directamente del examen de las estructuras biológicas. Es importante darse cuenta de la versatilidad que ofrece la posibilidad de crear diseños con propiedades mejoradas biológicamente en muchas aplicaciones de diseño de flujo. A medida que estos diseños se vuelven cada vez más avanzados, la aplicación de tecnologías biomimétricas se vuelve crucial para el próximo desarrollo de maquinaria y equipo de alto rendimiento a medida que se desarrollan diferentes métodos de eficiencia a través de estos métodos.