ES2298040B1 - Superficie aerodinamica y fluidodinamica. - Google Patents
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Abstract
Superficie aerodinámica y fluidodinámica. Comprende una pluralidad de huecos alveolares (1) dispuestos regular o irregularmente en dicha superficie, determinándose en dichos alvéolos una dimensión superficial, profundidad, ángulos de incidencia y salida respecto a la superficie nominal, separación. De aplicación en la elaboración de superficies de contacto de medios móviles o estáticos.
Description
Superficie aerodinámica y fluidodinámica.
Superficie aerodinámica y fluidodinámica
aplicable a cascos de embarcaciones, fuselajes de aeronaves y otros
medios desplazables.
El sector de la técnica de esta invención es el
de realización de superficies destinadas a constituir el contacto
entre un cuerpo que se mueve en el seno de una masa fluida, líquida
o gaseosa, con objeto de optimizar el efecto de su aerodinámica,
siendo dichas superficies comúnmente metálicas o de materias
plásticas.
Es un hecho que tanto las embarcaciones, como
las aeronaves, los trenes, y en menor medida los vehículos a motor,
tienden cada vez más a la optimización de su forma, facilitando con
ello un mejor deslizamiento que supone consecuentemente una mejora
en sus características. Esta mejora supone ventajas en el
rendimiento del combustible empleado, en la velocidad máxima,
etc.
Las embarcaciones, y como ejemplo más sensible,
las embarcaciones propulsadas a vela, requieren una compensación
esencial entre su superficie vélica y correspondiente plano vélico,
de una parte, y la superficie mojada con su plano antideriva -orza,
timón-, de otra parte, de modo que no siempre una mayor superficie
vélica aumenta la velocidad, ni una reducción o ampliación de sus
apéndices sumergidos obtienen una mayor velocidad. Por ello, en
embarcaciones en las que el diseño es determinante de su
rendimiento en regata, se requiere un tratamiento especial para la
superficie mojada.
La práctica actual para la preparación de
embarcaciones de regata de las que no tienen un tratamiento
antialgas porque se sacan diariamente del agua, suele ser el
siguiente:
Con la embarcación en seco, el casco suele ser
inicialmente brillante, pintado en el mismo color que el resto del
casco en su obra muerta. La superficie correspondiente a la obra
viva, o sea, desde la línea de flotación hacia la parte sumergida,
se raya con grafito. Suele hacerse con barras gruesas, aunque
también con lápices de mina blanda. No es relevante que esté todo
rayado, pero las líneas trazadas deben ser próximas.
El trabajo para el tratamiento de esta
superficie consiste en lijar mediante lija fina toda la superficie
rayada, hasta que desaparezcan las líneas trazadas a lápiz. Esto es
un indicador que responde a que el operario -habitualmente los
propios regatistas- que llevan a cabo la operación, puede verificar
que desaparecida una línea, esta zona está ya lijada.
Curiosamente es sabido por los expertos
regatistas, que un casco cuya obra viva esté brillante -según se
presenta un vehículo automóvil nuevo a la venta- es menos
deslizante que una superficie lijada. Es decir, lisa pero no
brillante.
En otros vehículos, las diferencias son menos
críticas. Los denominados "fórmula 1" tienen en sus
componentes aerodinámicos una pequeña parte de su rendimiento a
alta velocidad. Ello supone que el motor, los neumáticos, la forma
de los alerones, y la habilidad del piloto pueden llevar a ignorar
los efectos de una superficie aerodinámica. De hecho, no conoce el
inventor que se lleve a cabo en los vehículos de competiciones de
velocidad un lijado como el aplicado en embarcaciones a vela.
Además, los coeficientes cx en vehículos de competición distan
mucho de estar optimizados. Un fórmula 1 puede tener un coeficiente
cx de 0,7 a 1, en tanto que un turismo rara vez lo tiene más
elevado que 0,4, ello debido a que se condiciona el esfuerzo
aerodinámico a la adherencia.
Los aviones, suelen ser también brillantes,
dotados de una capa de pintura que evidencia una superficie lisa
compacta reflectante.
Los trenes, especialmente los de alta velocidad,
tienen una gran preocupación en el diseño del frente, pero sus
laterales son menos aerodinámicos. La unión entre los vagones
tampoco dispone superficies que impidan la turbulencia.
En definitiva, la energía necesaria para llevar
a un avión, a un tren o incluso a un automóvil a una velocidad, y
mantenerlo en esta, pasa por la necesidad de dispone de potencia
para su aceleración hasta esa velocidad, y de potencia para mantener
esa velocidad hasta llegar a su destino. Es especialmente en esta
segunda fase donde puede optimizarse el deslizamiento, y por tanto
el rendimiento del vehículo.
Según se ha dicho, es una práctica usual la
preparación de cascos de embarcaciones de regata. La preparación
mediante lijado optimiza las condiciones de deslizamiento para un
casco de desplazamiento.
La presente invención tiene por objeto la
configuración de superficies aerodinámicas y fluidodinámicas para
ser incorporadas en vehículos, aparatos, artilugios, naves,
aeronaves o proyectiles para los que una optimización de su
cualidad aerodinámica obtenga beneficios de velocidad, rendimiento,
ahorro, precisión, entre otras ventajas.
Con objeto de hacer mas clara la explicación que
va a seguir, se acompañan dos hojas de dibujos que en siete figuras
representan la esencia de la presente invención.
La figura 1 muestra una porción de superficie
frontal de un proyectil, avión, misil o similar, destinada a
alcanzar una gran velocidad en un gas ligero como el aire, o a
alcanzar una velocidad media en un líquido denso como el agua.
La figura 2 muestra un detalle del transcurso de
una molécula de fluido por una de las hendiduras de la
superficie.
La figura 3 muestra una molécula que transcurre
por una de las hendiduras.
La figura 4 muestra dos moléculas, una primera
saliente de la superficie y otra que se desliza paralela a
ella.
La figura 5 muestra una configuración de una
parte anterior de un cuerpo, proa de embarcación o de una aeronave,
o superficie frontal de un aeronave, en la que esquemáticamente se
indica la separación del flujo de moléculas como consecuencia de la
forma aplicada a esta parte.
La figura 6 muestra una loseta de las que
recubre una aeronave o transbordador destinada a soportar altas
velocidades, con una configuración de los orificios en una parte de
la loseta.
La figura 7 muestra un esquema de uno de los
deflectores de recuperación de flujo antiturbulencia.
En dichas figuras se representa indicado
por:
- 1
- muestra una superficie aerodinámica que forma un hendido
- 2
- muestra una partícula de gas, o de fluido que se desliza a lo largo de esa superficie
- 3
- muestra la trayectoria inicialmente alineada de la partícula a lo largo de la entrada de la hendidura
- 4
- muestra la curva de salida de la hendidura
- 5
- el codo de la hendidura
- 6
- una la partícula que ha resbalado por el codo de la hendidura y discurre hacia el exterior
- 7
- la partícula que ha recorrido la hendidura y que ha sido proyectada hacia el exterior
- 8
- la partícula que está siendo separada por el flujo de partículas 7 que salen aceleradas de las hendiduras
- 9
- una sección superficial del casco de una embarcación provista de huecos alveolares, que produce una separación entre la capa de partículas más próxima al casco y las más alejadas del mismo.
Cualquier medio gaseoso tiende a ocupar la
totalidad del espacio en el que está confinado. Por ello la
proximidad de sus moléculas deriva de la densidad de dicho gas. La
atmósfera gaseosa que envuelve la tierra se halla confinada por la
gravedad, y su densidad es conocida, de una atmósfera, y el peso de
un metro cúbico de aire es de 1,225 kg a nivel 0. La apariencia de
dicha densidad varía cuando movemos un objeto que debe desplazarse
con respecto a dicha atmósfera. En ese momento se produce una
retención o una resistencia por el gas atmosférico, que tiene como
todo cuerpo tendencia a permanecer quieto, y en contra, un
desplazamiento de las moléculas que posteriormente se agruparán. La
retención del medio gaseoso, o la presión que ejerce el medio
gaseoso sobre el cuerpo en movimiento es proporcional al cuadrado
de la velocidad de dicho cuerpo. La forma de los objetos determina
su adaptabilidad al medio. Un avión de papel vuela porque se abre
paso entre una fractura horizontal del medio gaseoso, la cual se
abre en su avance y se cierra cuando ha pasado. La cualidad de
aerodinámica de un cuerpo está derivada de su capacidad para moverse
muy rápidamente ofreciendo poca resistencia para lo que debe
modificar en muy poca medida el medio en el que se desplaza.
Consecuentemente, la mayor masa de un objeto
produce un mayor desplazamiento del gas, que luego debe retornar a
ocupar el espacio del que ha sido desplazado.
Así, el volumen de un objeto, o su superficie
frontal más específicamente, es la determinante de la distancia a
la que van a desplazarse las moléculas de gas. Cuanto mayor sea el
desplazamiento, mayor consumo de energía se va a producir en el
artilugio que se desplaza. También por ejemplo en las alas de los
aviones, el desplazamiento puede hacerse sólo hacia un sentido, lo
que origina la sustentación. Y de otra parte, si se optimiza ese
desplazamiento de gas, menor energía será necesaria para alcanzar
el mismo movimiento a la misma velocidad.
Los extremos afilados que se aplican en ciertos
proyectiles, son indeseables para vehículos, donde se prefieren las
formas redondeadas, dada su similar penetración en el medio
gaseoso, a la vez que presentan una superficie roma de mayor
amplitud que una punta y por tanto menos agresiva en caso de
impacto.
El desplazamiento de un cuerpo a través de una
atmósfera gaseosa genera, como hemos dicho, una presión hacia los
lados de dicho cuerpo del gas. Cuando el cuerpo avanza, las
moléculas de dicho gas se disponen en capas.
Según la teoría de la "capa límite"
enunciada por Prandtl en 1.904, la capa más próxima al cuerpo tiene
una velocidad inferior al 1%, en tanto que el extremo más alejado
de la capa tiene una velocidad del 99%, siendo fluida o turbulenta
en función de que se sobrepase el número de Reynolds, que determina
el punto a partir del cual el movimiento de la capa es turbulento.
Dicho de otro modo, entre la parte de la capa quieta y la parte
externa de la capa veloz, existe un campo caótico cuya velocidad de
partículas es laminar o no laminar, en capas y cada una distinta de
la velocidad del cuerpo en movimiento.
En estas condiciones, si se modifica la
superficie de un cuerpo dotado de movimiento, y con ello se
establece un medio para obtener un número de Reynolds mayor que
para otra superficie lisa de un cuerpo similar, se obtendrá
necesariamente un régimen de capa límite fluida, y por lo tanto el
deslizamiento del cuerpo sobre el gas será más eficaz, requiriendo,
por tanto, menor consumo energético al disminuir el índice de
fricción.
En las naves espaciales, cuando se produce la
entrada en la atmósfera, se inicia un descenso violento en el que
la frotación de las capas externas de la nave friccionan de tal
modo con la atmósfera que se produce la ignición de la capa
externa, o al menos una elevación de la temperatura que puede llegar
a desintegrar la aeronave salvo porque las losetas cerámicas de
protección externa soportan dicho calor sin deteriorarse.
Evidentemente la capa límite en ese caso no impide la violenta
fricción, pero el aumento de grosor de la capa límite determinaría
un menor rozamiento, y consecuentemente una elevación del número de
Reynolds, y además un fluir menos turbulento del gas atmósfera sobre
la superficie externa de la nave, lo que podría producir un menor
rozamiento y por ende un menor calentamiento de la aeronave.
En una embarcación, el flujo líquido se comporta
de similar modo, con otros datos añadidos:
Una embarcación se desplaza moviéndose sobre una
capa de agua que limita con una capa de aire. En este caso, el aire
se considera que no tiene una fuerza con influencia a efectos del
cálculo. Un casco de desplazamiento tiene como freno al avance, el
desplazamiento del agua que es divergente en la proa, convergente en
la popa, así como la generación de olas que produce su movimiento.
Ello lleva a que según la eslora y en menor medida según la forma
de un casco, se producirá una aproximación o se superará la
denominada velocidad máxima teórica. Esta velocidad teórica es
aquella que precisa para superarla un aumento de la potencia
propulsora mucho mayor que el resultado del incremento de velocidad.
Sin embargo, especialmente en barcos destinados a regatas, se han
obtenido recientemente diseños de los denominados "cascos de
planeo" que simultanean las características de los cascos de
desplazamiento, pero en este caso evitando la generación de la ola
que limita la velocidad máxima teórica. Aquí interviene la capa
límite como único factor que posibilita el aumento de velocidad para
una misma potencia aplicada, y el aumento de grosor de dicha capa
límite supone que a una velocidad mayor se evitan turbulencias por
aumento también del número de Reynolds. En ese caso el
deslizamiento es superior.
Se ha visto antes que en la preparación de
cascos de embarcaciones de regata se lija y deja lisa pero no
brillante su superficie. Ello favorece que el número de Reynolds
sea mayor, y por tanto se crece el grosor de la capa límite, lo que
favorece el deslizamiento.
La presente invención divulga una estructura o
forma de la superficie de modo que favorece el deslizamiento y por
ello el aumento del valor del número de Reynolds para un cuerpo que
se mueve en un gas o líquido, de modo que el flujo en la capa
límite es laminar y no turbulento.
Las superficies así tratadas, deben disponer a
la salida del flujo un dispositivo que llamaremos aquí como peine
molecular. Este dispositivo de peine molecular, que forma un
deflector, un faldón, unas aletas o un dispositivo similar que tiene
como función la de reorganizar las moléculas de salida del flujo
laminar para evitar su turbulencia a la salida, de modo que no se
produzca una turbulencia generalizada por influencia de la
turbulencia de salida y que entorpezca el flujo laminar.
Esta superficie es apta también para superficies
estáticas, como fachadas de edificios, postes, mástiles, farolas, y
para facilitar el deslizamiento de fluidos. Incorporando esta
superficie en el interior de tuberías se beneficia de un menor
rozamiento y convenientemente un mejor flujo del líquido,
especialmente agua transportado.
La presente invención consiste, pues, en una
superficie sobre la que tiene lugar un movimiento relativo del
medio respecto a dicha superficie, siendo dicha superficie la
superficie exterior de un cuerpo móvil, tal como del casco de una
embarcación el fuselaje de una aeronave o la carrocería de un
vehículo, incluso un ferrocarril, que presenta como forma general
la del cuerpo que la sustenta, y que está dotada de pequeños
hendidos alveolares. Del mismo modo, dicha superficie puede ser
estática, siendo móvil el medio con el que está en contacto, tal
como el interior de un conducto o tubería.
Los hendidos alveolares están distribuidos en la
superficie de una forma regular o irregular, pudiendo determinarse
la distribución específica de un cuerpo en función de los análisis
aerodinámicos del
mismo.
mismo.
Los hendidos alveolares pueden adoptar forma
circular u otras, y están determinados además por su anchura y
longitud, y perfil interior, y están dotados de una cierta
superficie y una cierta profundidad. La profundidad dependerá del
tamaño de la superficie alveolar y la velocidad óptima de
desplazamiento.
Los alvéolos tienen un perfil de entrada, un
perfil de salida, y una curvatura interior.
El cuerpo que conforma la superficie presenta
una zona de incidencia, una zona media, y una zona de salida, y los
alvéolos tienen una distribución que puede ser distinta en una zona
u otra, o ser progresiva la variación en dicha distribución.
Los hendidos alveolares se distribuyen en
la
superficie del siguiente modo:
superficie del siguiente modo:
- -
- La sección plana del hendido tiene una dimensión máxima en el rango de 0,5 mm a 20 cm;
- -
- La separación entre alvéolos es de entre 0,05 y 10 veces la dimensión máxima antedicha;
- -
- La profundidad máxima de los alvéolos es entre 0,05 y 1 veces la dimensión máxima;
- -
- Los alvéolos tienen una forma simétrica o asimétrica;
- -
- Los rangos de tamaño, profundidad y distribución son dependientes del medio y la velocidad relativa del cuerpo con respecto a dicho medio, siendo mayor el tamaño a mayor velocidad relativa y menor viscosidad del medio.
- -
- La proximidad entre alvéolos es mayor en la zona frontal que en las laterales y las de salida;
- -
- Los alvéolos son preferentemente asimétricos respecto a un plano transversal a la dirección del flujo;
- -
- La profundidad es preferentemente máxima en zona más próxima a la de salida que a la de incidencia;
- -
- El ángulo de incidencia de la superficie alveolar en su eje central longitudinal respecto al plano tangente a la superficie nominal está en un rango de 1º a 60º;
- -
- El ángulo de salida de la superficie alveolar en su eje central longitudinal respecto al plano tangente a la superficie nominal está en un rango de 30º a 90º.
A título de ejemplo, en embarcaciones, en la
zona de incidencia los alvéolos están juntos, el diámetro es
pequeño y los hendidos están próximos y la profundidad de éstos es
grande, el ángulo de incidencia será pequeño y el de salida grande,
siempre dentro de los valores antedichos. En vehículos, coches,
trenes, alerones de coches de fórmula 1, y pequeñas avionetas, los
hendidos son de tamaño medio, tienen una profundidad media,
separación media, y los ángulos de incidencia y salida son menores
que los empleados para embarcaciones. En todos los casos, la
separación entre alvéolos será mayor en las zonas medias o
laterales, tendiendo también a ser menor la profundidad de los
huecos alveolares.
Se ha previsto que las zonas próximas a la
salida dispongan unos peines moleculares u ordenadores de flujo, de
modo que favorezcan la orientación del flujo de salida haciéndolo
lo más laminar posible, minimizando los requerimientos energéticos
para la nueva unión del medio fluido.
De aplicación en la elaboración de superficies
de contacto de medios móviles o estáticos.
Claims (12)
1. Superficie aerodinámica y fluidodinámica,
destinada a ser dispuesta en la zona de contacto entre un cuerpo y
un medio fluido, habiendo entre dicho cuerpo y dicho medio una
velocidad relativa media, siendo dicho medio normalmente un medio
aéreo, gaseoso, líquido o en flotación por el que discurren dichos
cuerpos, o siendo dicho medio un medio que discurre por el interior
de dichos cuerpos, disponiendo los cuerpos móviles una parte
anterior una parte central y una parte posterior respecto a la
dirección determinada del movimiento, caracterizada por
estar dicha superficie constituida por una pluralidad de huecos
alveolares (1) dispuestos regular o irregularmente en dicha
superficie.
2. Superficie aerodinámica y fluidodinámica,
según la reivindicación 1, caracterizada porque la sección
plana del hendido tiene una dimensión máxima en el rango de 0,5 mm
a 20 cm.
3. Superficie aerodinámica y fluidodinámica,
según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2,
caracterizada porque la separación entre alvéolos es de
entre 0,05 y 10 veces la dimensión máxima de la sección plana de los
alvéolos.
4. Superficie aerodinámica y fluidodinámica,
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizada porque la profundidad máxima de cada alvéolo
es entre 0,05 y 1 veces la dimensión máxima de la sección plana del
mismo.
5. Superficie aerodinámica y fluidodinámica,
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizada porque los alvéolos tienen una forma simétrica
respecto a un plano transversal a la dirección del flujo.
6. Superficie aerodinámica y fluidodinámica,
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizada porque los alvéolos tienen una forma
asimétrica respecto a un plano transversal a la dirección del
flujo.
7. Superficie aerodinámica y fluidodinámica,
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6,
caracterizada porque la proximidad entre alvéolos es mayor
en la zona frontal que en las laterales y las de salida.
8. Superficie aerodinámica y fluidodinámica,
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, 6 y 7,
caracterizada porque la profundidad de los alvéolos es
preferentemente máxima en zona más próxima a la de salida, siendo
decreciente hacia la zona de incidencia.
9. Superficie aerodinámica y fluidodinámica,
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8,
caracterizada porque el ángulo de incidencia de la
superficie alveolar en su eje central longitudinal respecto al plano
tangente a la superficie nominal está en un rango de 1º a 60º.
10. Superficie aerodinámica y fluidodinámica,
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9,
caracterizada porque el ángulo de salida de la superficie
alveolar en su eje central longitudinal respecto al plano tangente a
la superficie nominal está en un rango de 30º a 90º.
11. Superficie aerodinámica y fluidodinámica,
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10,
caracterizada porque los rangos de tamaño, profundidad y
distribución son dependientes del medio y la velocidad relativa del
cuerpo con respecto a dicho medio, siendo mayor el tamaño a mayor
velocidad relativa y menor viscosidad del medio.
12. Superficie aerodinámica y fluidodinámica,
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11,
caracterizada porque el cuerpo que conforma la superficie
presenta una zona de incidencia, una zona media, y una zona de
salida, y los alvéolos tienen una distribución que puede ser
distinta en una zona u otra, o ser progresiva la variación en dicha
distribución.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| ES200601546A ES2298040B1 (es) | 2006-06-08 | 2006-06-08 | Superficie aerodinamica y fluidodinamica. |
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|---|---|---|---|
| ES200601546A ES2298040B1 (es) | 2006-06-08 | 2006-06-08 | Superficie aerodinamica y fluidodinamica. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2298040A1 ES2298040A1 (es) | 2008-05-01 |
| ES2298040B1 true ES2298040B1 (es) | 2009-04-01 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| ES200601546A Expired - Fee Related ES2298040B1 (es) | 2006-06-08 | 2006-06-08 | Superficie aerodinamica y fluidodinamica. |
Country Status (1)
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| US4173930A (en) * | 1977-10-25 | 1979-11-13 | Faires C Dickson Jr | Dimpled shotgun pellets |
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- 2006-06-08 ES ES200601546A patent/ES2298040B1/es not_active Expired - Fee Related
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