Dispositivos de Control de Capa Limite 1

Dispositivos de control de capa limite Presentado por: Jaime Restrepo

Introducción

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El concepto de capa límite es importe para entender cómo se comporta el aire cuando es atravesado por un cuerpo. Los aviones están llenos de inventos para que la capa límite sea de la forma más conveniente.

TEMARIO 1.

Definición de Capa Límite. 1.1 Capa Límite Laminar y Turbulenta Turbulenta 1.2 Transic Transición ión 1.3 Desprendimiento de la capa límite 1.4 Resumen

2. Control de Capa Límite: consideraciones generales. 3. Dispositivos de control de capa límite.

1. Definición de Capa Límite. Supongamos un cuerpo que viaja a través de un fluido. Lejos del cuerpo el fluido se moverá a la velocidad V, en cambio el fluido que esta en contacto inmediato con el cuerpo se queda pegado a él (debido a los efectos de la viscosidad), por lo que su velocidad respecto al mismo será nula. En la zona intermedia se produce una transición gradual entre ambos comportamientos, y el aire pasa de tener velocidad cero a tener velocidad V.

1. Definición de Capa Límite. La capa límite se suele definir como la zona en la que el flujo del aire tiene una velocidad de entre el 0 y el 99% de V. Fuera de la capa límite, se puede considerar que la viscosidad es despreciable. Y dentro de ella, el efecto de la viscosidad no se puede despreciar. Ludwing Prandt fue el primero que hablo de la capa límite (1904).

1. Definición de Capa Límite.

1. Definición de Capa Límite

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La existencia de la capa límite es la razón por la cual las gotas que caen en un parabrisas de un coche en movimiento no salen expulsadas rápidamente hacia el techo.

1. Definición de Capa Límite.

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La capa límite es bastante delgada: apenas 1 cm de espesor para el ala de un 747, en aviones mas pequeños es menor.

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Dentro de la capa límite no se cumple el principio de Bernoulli, porque debido a los rozamientos tiene lugar una perdida de energía que no se computa en dicho teorema.

1. Definición de Capa Límite. •

La naturaleza de la capa límite tiene gran importancia en algunas características de vuelo, como son:

Resistencia de fricción. Valor del coeficiente de sustentación máximo.

Forma de entrada en perdida. Resistencia de forma.

1. Definición de Capa Límite.

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Existen dos tipos de capa límite:

 La capa límite laminar, y

La capa Límite turbulenta.

1.1 Capa Límite Laminar y Turbulenta. •

Cuando el movimiento del aire dentro de la capa límite es en forma de capas paralelas, se le denomina laminar.

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 El flujo laminar es bonito sencillo y simple de entender: el flujo se comporta de forma ordenada, moviéndose suavemente y siguiendo los contornos del cuerpo.

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La fuerza de rozamiento entre las diferentes capas, debido al deslizamiento a que están sometidas al tener distintas velocidades se denomina resistencia de fricción.

1.1 Capa Límite Laminar y Turbulenta. •

En los puntos próximos al borde de ataque (b.a), la capa límite es laminar.

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Conforme nos alejamos del b.a, las fuerzas de rozamiento disipan cada vez mas energía haciendo que el espesor de la capa limite aumente paulatinamente y se presente perturbaciones que destruyen el flujo laminar pasando a ser turbulento.

1.1 Capa Límite Laminar y Turbulenta. •

En la capa limite turbulenta las partículas ya no se mueven en forma de láminas paralelas. El fluido se mueve en todas las direcciones, disipa mayor energía, por lo que la fuerza de fricción es mayor.

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La capa limite turbulenta presenta un mayor espesor que la laminar.

1.1 Capa Límite Laminar y Turbulenta.

1.1 Capa Límite Laminar y Turbulenta.

1.2 Transición.

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El fenómeno de paso de capa límite laminar a turbulenta se conoce con el nombre de transición y ocurre en una zona denominada punto de transición.

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La transición puede adelantarse por motivos tales como rugosidad de la superficie, turbulencia de la corriente libre de aire o un gradiente adverso de presiones

1.2 Transición.

1.3 Desprendimiento de la Capa Límite. •

Debido a la existencia de la viscosidad siempre habrá desprendimiento de la capa límite. El desprendimiento de la capa límite se produce cuando ésta tiene poca velocidad y existen partículas con velocidades prácticamente nulas en la zona donde el gradiente de presión es desfavorable.

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El desprendimiento ocurre en un punto denominado punto de separación.

1.3 Desprendimiento de la Capa Límite.

1.3 Desprendimiento de la Capa Límite. •

Una capa limite laminar se desprende mas fácilmente y el flujo ya no sigue la forma de la superficie. Este efecto es especialmente perjudicial en el ala del avión, ya que la sustentación depende de que el flujo siga la forma del perfil del ala.

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Una capa limite turbulenta provoca el desprendimiento después del punto en que lo provocaría una laminar.

1.3 Desprendimiento de la Capa Límite.

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La capa límite turbulenta hace que parte de la energía cinética de la zona exterior se transmita al interior, estimulando el avance de las zonas de menor velocidad, por lo que el desprendimiento tarda mucho mas en ocurrir, y el avión es mucho menos propenso a entrar en pérdida.

1.4 Resumen

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CAPA LIMITE LAMINAR

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1. de2.

1.

Produce menos resistencia fricción.

2.

Se desprende mas fácilmente, con lo cual entra en perdida mas fácilmente.

CAPA LIMITE TURBULENTA Produce mas resistencia por fricción. Le cuesta mas desprenderse al tener partículas con mas movilidad.

2. Control de Capa Límite: consideraciones generales. •

La presencia de una capa límite ha producido muchos problemas de diseño. Las investigaciones mas intensas han sido dirigidos sobre su efecto sobre la sustentación y resistencia de las alas. Las técnicas que se han desarrollado para manipular la capa límite tienen como objetivo:

Incrementar la sustentación Disminuir la resistencia.

2. Control de Capa Límite: consideraciones generales.

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Estas técnicas son clasificadas bajo el título general de Control de Capa Límite (Boundary Layer Control).

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Dos fenómenos han sido estudiados:

A. La transición de un flujo laminar a uno turbulento. B. El desprendimiento del flujo de la superficie

2.1 Controlando la transición a través de la forma del perfil. •

La resistencia de fricción es uno de los mayores componentes de la resistencia total en los aviones modernos de alta velocidad. Esta resistencia será tanto menor cuanto mas se retrase la transición de capa limite de laminar a turbulenta.

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Para que la resistencia de fricción sea baja interesa que el ala y el cuerpo en general sea lo mas esbelto posible (poca relación espesor/cuerda)

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Desde el punto de vista de resistencia de fricción es importante que los perfiles no tengan protuberancias o rugosidades cerca del b.a. , como remaches, suciedad, etc.

2.1 Controlando la transición a través de la forma del perfil. •

La extensión de la capa limite laminar depende de la forma del perfil para un determinado ángulo de ataque.

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Cambios en la forma aerodinámica provee un método de ajustar los gradientes de presión a favor de la existencia de flujos laminares.

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No obstante, zonas de gradientes adversos nunca pueden ser totalmente evitadas: cambios en la geometría mejoran algunos ángulos de ataque pero empeoran la situación en otros ángulos.

2.1 Controlando la transición a través de la forma del perfil. •

Por ejemplo, para mantener la capa laminar fluyendo sobre la superficie del ala tanto como sea posible, se ha desarrollado el tipo de ala de flujo laminar. Este diseño está relacionado con el punto de transición.

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El ala de flujo laminar es más fina que una convencional, el borde de ataque es más puntiagudo y la sección más cercana al mismo simétrica, pero lo más importante de todo, el punto de transición está mucho más atrás que en un ala convencional La distribución de presiones es mucho más uniforme y el flujo de aire es acelerado muy gradualmente desde el borde de ataque al punto de máximo espesor.

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Sin embargo, en este tipo de perfil en las cercanías de la pérdida el punto de transición a turbulencia se desplaza hacia el borde de ataque más rápidamente que en un ala convencional.

2.1 Controlando la transición a través de la forma del perfil.

2.2 Controlando la transición por succión •

Un medio diferente de estabilizar la capa límite es el uso de succión.

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La succión puede ser aplicada o a través de superficies porosas o a través de una serie de orificios finitos (aspiradores). Cuando se aplica de esta manera la succión reduce el espesor de la capa límite por remover el fluido próximo a la superficie.

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El resultado es una capa límite laminar mas estable y con transición mas retrasada.

2.1 Controlando la transición por succión.

2.2 Controlando la transición por succión

Se debe determinar: o El número de orificios. o Su localización y o Cantidad de succión a través de cada uno.

2.3 Controlando el desprendimiento por succión •

Controlar el desprendimiento es importante y la succión puede ser usada para este propósito. La succión genera una zona de baja presión mediante la extracción del aire que circula pegada a la pared del ala, haciendo que este quede adherido a la superficie alar.

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Por ejemplo si un perfil equipado con orificios de succión es colocado en un alto ángulo de ataque, la succión no permite mantener el flujo en estado laminar pero el flujo turbulento permanece pegado a la superficie.

2.3 Controlando el desprendimiento por succión

2.3 Controlando desprendimiento por sopladores y generadores de torbellinos. •

Una forma de controlar el desprendimiento es el uso de sopladores. Son estos orificios por donde se envían chorros de aire, el cual aumenta la velocidad del fluido laminar.

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Los generadores de torbellinos son pequeñas salientes que tienen las aeronaves en algunos sitios de las alas o el fuselaje, y que producen un pequeño torbellino que energiza la capa límite para evitar el desprendimiento.

2.3 Controlando desprendimiento por sopladores y generadores de torbellinos

2.4 Controlando el desprendimiento por modificación de la geometría •

El desprendimiento puede ser evitado mediante una serie de elementos que modifiquen la geometría del ala aumentando la curvatura o superficie alar o bien, generando huecos para controlar el flujo del aire.

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Dentro de este grupo encontramos dos tipos de dispositivos, instalados en prácticamente la totalidad de las aeronaves: flaps y slats.

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Las posiciones de los flaps y slats están fijadas para cada tipo de aeronave y varían según las especificaciones de cada modelo, siendo accionados a criterio del piloto para cada fase de la operación.

2.4 Controlando el desprendimiento por modificación de la geometría •

Los flaps son dispositivos que se despliegan en el borde de salida y a aumenta la superficie alar y modifican la curvatura del ala.

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Los flaps pueden contar con ranuras que tienen como finalidad permitir que parte del flujo de aire que corre por el intradós pase al extradós del ala, inyectando cantidad de movimiento en la capa limite del extradós y evitando por tanto su desprendimiento.

2.4 Controlando el desprendimiento por modificación de la geometría

2.4 Controlando el desprendimiento por modificación de la geometría •

Los Slats son dispositivos móviles que crean una ranura entre el borde de ataque del ala y el resto del plano.

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A medida que el ángulo de ataque aumenta, el aire de alta presión situado en la zona inferior del ala trata de llegar a la parte superior del ala, dando energía de esta manera al aire en la parte superior. Es un mecanismo de soplado que aporta cantidad de movimiento a la capa límite ayudando a vencer el gradiente adverso de presiones; así se retrasa el desprendimiento de la corriente con respecto al aumento del ángulo de ataque.

2.4 Controlando el desprendimiento por modificación de la geometría

Borde de ataque dentados •

Debido a que el control de capa limite en tan importante existen numerosos estudios de elementos y formas de conseguirlo, unos mas utilizados que otros, en cuanto a los dispositivos que se sitúan en los bordes de ataque de las alas , los tres mas utilizados son

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Bordes de ataque dentados

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Bordes de ataque de dientes de perro (dogtooth)

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Separador de capa limite

Bordes de ataque dentados

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Son unas hendiduras que se practican con un ancho de varias pulgadas, con el fondo de la hendidura redondeado con forma aerodinámica.

Borde de ataque en diente de perro

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Es un retranqueo hacia delante del borde de ataque de la parte mas hacia el extremo del ala, produciendo una discontinuidad de la uniformidad de la misma, este resaltante produce un torbellino que actúa sobre la capa limite del extradós oponiéndose al resbalamiento de la capa

Separador de capa limite

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Es un elemento vertical que se sitúa desde comienzo del borde de ataque en el intradós hasta la parte del extradós, es de escaso grosor, en muchos casos es solo una chapa cuando los aviones son de baja velocidad.