Optimización en el estudio de las turbulencias

Optimización en el estudio de las turbulencias

Los ingenieros siempre están buscando nuevas fórmulas para mejorar el flujo de aire sobre un avión, especialmente en la superficie alar.

Los fabricantes como Airbus y Boeing están a la vanguardia en el desarrollo de tecnologías en aerodinámica avanzada, con énfasis añadido en la implementación de materiales compuestos para reducir el peso de las aeronaves.

Sin embargo sigue existiendo un viejo problema para los ingenieros; conocer más a fondo el comportamiento de los flujos de aire y de líquidos sobre los objetos para superar el arrastre en el proceso.

Esto no es sólo un problema en los aviones, sino también en los barcos y vehículos de carretera.

Por lo tanto, para contrarrestar estas fuerzas de arrastre se necesita generar una energía adicional, lo que supone un mayor coste en combustible para abastecer las necesidades de los motores.

La física de los flujos de aire pueden ser explicados en cada caso mediante complejos cálculos a través de las ecuaciones de Navier-Stokes.

Estas a menudo se utilizan para modelar el clima, las corrientes oceánicas, los líquidos que atraviesan una tubería (especialmente las tuberías de gas) y el aire que fluye sobre un ala, entre otro tipo de aplicaciones.

La dificultad surge cuando la ecuación está relacionada con la estructura de los flujos turbulentos, ya que la gran variedad de escalas involucradas y el movimiento aparentemente caótico de la turbulencia contribuye a esto.

Por lo tanto, para entender mejor la estructura, científicos, ingenieros e investigadores generalmente ejecutan simulaciones en caros túneles de viento o en supercomputadoras.

Sin embargo, un reciente estudio realizado por dos expertos en aerodinámica podrían poner fin a esto, permitiendo ahorrar tiempo y dinero a los equipos de investigación a la hora de examinar el impacto de las turbulencias.

Concretamente, el Dr. Ati Sharma, profesor en la Universidad de Southampton y, Beverley McKeon, profesora de aeronáutica en el Instituto de Tecnología de California, han deconstruido la ecuación de Navier-Stokes para formar los componentes básicos de la turbulencia.

Su trabajo proporciona una manera de analizar los flujos a gran escala por desglose en pequeñas sub-ecuaciones más simples que se pueden añadir en conjunto para introducir mayor complejidad.

Esto se traduce en una imagen “esqueleto” del aire turbulento y según comentan los investigadores, el resultado se parece mucho al obtenido en las caras simulaciones de flujo real o experimentos completos de laboratorio.

El Dr. Sharma admite que el propósito principal de la investigación es científica, pero la aplicación prevista a largo plazo está centrada en la capacidad de controlar las turbulencias.

También se espera que la investigación permita que sea mucho más fácil trabajar con los problemas asociados de las turbulencias, dando la posibilidad de analizar enfoques diferentes desde un ordenador personal o desde un portátil, en vez de obligatoriamente en una supercomputadora en el laboratorio.

Como resultado, esto podría ofrecer a los ingenieros la capacidad de dar forma a las características de la turbulencia en los flujos de aire, abriendo las puertas a toda una amplia gama de avances en el rendimiento de aeronaves, vehículos, barcos, etc… permitiendo reducir el consumo de combustible en estos.

La investigación, “On coherent structure in wall turbulence” se encuentra disponible en la edición de agosto del Journal of Fluid Mechanics, la cual ha sido parcialmente financiada por la Air Force Office of Scientific Research.

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