Dispositivos de control de capa limite

Dispositivos de control de capa limitePresentado por:Jaime RestrepoIntroduccinEl concepto de capa lmite es importe para entender cmo se comporta el aire cuando es atravesado por un cuerpo. Los aviones estn llenos de inventos para que la capa lmite sea de la forma ms conveniente.TEMARIODefinicin de Capa Lmite.1.1 Capa Lmite Laminar y Turbulenta1.2 Transicin1.3 Desprendimiento de la capa lmite1.4 Resumen2. Control de Capa Lmite: consideraciones generales.3. Dispositivos de control de capa lmite.

1. Definicin de Capa Lmite.Supongamos un cuerpo que viaja a travs de un fluido. Lejos del cuerpo el fluido se mover a la velocidad V, en cambio el fluido que esta en contacto inmediato con el cuerpo se queda pegado a l (debido a los efectos de la viscosidad), por lo que su velocidad respecto al mismo ser nula. En la zona intermedia se produce una transicin gradual entre ambos comportamientos, y el aire pasa de tener velocidad cero a tener velocidad V. 1. Definicin de Capa Lmite.La capa lmite 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 lmite, 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 lmite (1904). 1. Definicin de Capa Lmite.

1. Definicin de Capa LmiteLa existencia de la capa lmite es la razn por la cual las gotas que caen en un parabrisas de un coche en movimiento no salen expulsadas rpidamente hacia el techo.

1. Definicin de Capa Lmite.La capa lmite es bastante delgada: apenas 1 cm de espesor para el ala de un 747, en aviones mas pequeos es menor.Dentro de la capa lmite no se cumple el principio de Bernoulli, porque debido a los rozamientos tiene lugar una perdida de energa que no se computa en dicho teorema.1. Definicin de Capa Lmite.La naturaleza de la capa lmite tiene gran importancia en algunas caractersticas de vuelo, como son:Resistencia de friccin.Valor del coeficiente de sustentacin mximo.Forma de entrada en perdida.Resistencia de forma.

1. Definicin de Capa Lmite.Existen dos tipos de capa lmite: La capa lmite laminar, yLa capa Lmite turbulenta.

1.1 Capa Lmite Laminar y Turbulenta.Cuando el movimiento del aire dentro de la capa lmite es en forma de capas paralelas, se le denomina laminar. El flujo laminar es bonito sencillo y simple de entender: el flujo se comporta de forma ordenada, movindose suavemente y siguiendo los contornos del cuerpo. La fuerza de rozamiento entre las diferentes capas, debido al deslizamiento a que estn sometidas al tener distintas velocidades se denomina resistencia de friccin. 1.1 Capa Lmite Laminar y Turbulenta.En los puntos prximos al borde de ataque (b.a), la capa lmite es laminar.Conforme nos alejamos del b.a, las fuerzas de rozamiento disipan cada vez mas energa 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 Lmite Laminar y Turbulenta.En la capa limite turbulenta las partculas ya no se mueven en forma de lminas paralelas. El fluido se mueve en todas las direcciones, disipa mayor energa, por lo que la fuerza de friccin es mayor.La capa limite turbulenta presenta un mayor espesor que la laminar.1.1 Capa Lmite Laminar y Turbulenta.

1.1 Capa Lmite Laminar y Turbulenta.

1.2 Transicin.El fenmeno de paso de capa lmite laminar a turbulenta se conoce con el nombre de transicin y ocurre en una zona denominada punto de transicin.La transicin puede adelantarse por motivos tales como rugosidad de la superficie, turbulencia de la corriente libre de aire o un gradiente adverso de presiones1.2 Transicin.

1.3 Desprendimiento de la Capa Lmite.Debido a la existencia de la viscosidad siempre habr desprendimiento de la capa lmite. El desprendimiento de la capa lmite se produce cuando sta tiene poca velocidad y existen partculas con velocidades prcticamente nulas en la zona donde el gradiente de presin es desfavorable. El desprendimiento ocurre en un punto denominado punto de separacin.1.3 Desprendimiento de la Capa Lmite.

1.3 Desprendimiento de la Capa Lmite.Una capa limite laminar se desprende mas fcilmente y el flujo ya no sigue la forma de la superficie. Este efecto es especialmente perjudicial en el ala del avin, ya que la sustentacin depende de que el flujo siga la forma del perfil del ala. Una capa limite turbulenta provoca el desprendimiento despus del punto en que lo provocara una laminar. 1.3 Desprendimiento de la Capa Lmite.La capa lmite turbulenta hace que parte de la energa cintica 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 avin es mucho menos propenso a entrar en prdida.1.4 ResumenCAPA LIMITE LAMINAR

Produce menos resistencia de friccin.Se desprende mas fcilmente, con lo cual entra en perdida mas fcilmente.CAPA LIMITE TURBULENTAProduce mas resistencia por friccin.Le cuesta mas desprenderse al tener partculas con mas movilidad.2. Control de Capa Lmite: consideraciones generales.La presencia de una capa lmite ha producido muchos problemas de diseo. Las investigaciones mas intensas han sido dirigidos sobre su efecto sobre la sustentacin y resistencia de las alas. Las tcnicas que se han desarrollado para manipular la capa lmite tienen como objetivo:Incrementar la sustentacinDisminuir la resistencia.

2. Control de Capa Lmite: consideraciones generales.Estas tcnicas son clasificadas bajo el ttulo general de Control de Capa Lmite (Boundary Layer Control).Dos fenmenos han sido estudiados:La transicin de un flujo laminar a uno turbulento.El desprendimiento del flujo de la superficie2.1 Controlando la transicin a travs de la forma del perfil.La resistencia de friccin es uno de los mayores componentes de la resistencia total en los aviones modernos de alta velocidad. Esta resistencia ser tanto menor cuanto mas se retrase la transicin de capa limite de laminar a turbulenta. Para que la resistencia de friccin sea baja interesa que el ala y el cuerpo en general sea lo mas esbelto posible (poca relacin espesor/cuerda)Desde el punto de vista de resistencia de friccin es importante que los perfiles no tengan protuberancias o rugosidades cerca del b.a. , como remaches, suciedad, etc.2.1 Controlando la transicin a travs de la forma del perfil.La extensin de la capa limite laminar depende de la forma del perfil para un determinado ngulo de ataque. Cambios en la forma aerodinmica provee un mtodo de ajustar los gradientes de presin a favor de la existencia de flujos laminares.No obstante, zonas de gradientes adversos nunca pueden ser totalmente evitadas: cambios en la geometra mejoran algunos ngulos de ataque pero empeoran la situacin en otros ngulos. 2.1 Controlando la transicin a travs 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 diseo est relacionado con el punto de transicin.El ala de flujo laminar es ms fina que una convencional, el borde de ataque es ms puntiagudo y la seccin ms cercana al mismo simtrica, pero lo ms importante de todo, el punto de transicin est mucho ms atrs que en un ala convencional La distribucin de presiones es mucho ms uniforme y el flujo de aire es acelerado muy gradualmente desde el borde de ataque al punto de mximo espesor. Sin embargo, en este tipo de perfil en las cercanas de la prdida el punto de transicin a turbulencia se desplaza hacia el borde de ataque ms rpidamente que en un ala convencional.2.1 Controlando la transicin a travs de la forma del perfil.

2.2 Controlando la transicin por succinUn medio diferente de estabilizar la capa lmite es el uso de succin.La succin puede ser aplicada o a travs de superficies porosas o a travs de una serie de orificios finitos (aspiradores). Cuando se aplica de esta manera la succin reduce el espesor de la capa lmite por remover el fluido prximo a la superficie. El resultado es una capa lmite laminar mas estable y con transicin mas retrasada.2.1 Controlando la transicin por succin.

2.2 Controlando la transicin por succinSe debe determinar: El nmero de orificios.Su localizacin yCantidad de succin a travs de cada uno.2.3 Controlando el desprendimiento por succinControlar el desprendimiento es importante y la succin puede ser usada para este propsito. La succin genera una zona de baja presin mediante la extraccin del aire que circula pegada a la pared del ala, haciendo que este quede adherido a la superficie alar.Por ejemplo si un perfil equipado con orificios de succin es colocado en un alto ngulo de ataque, la succin no permite mantener el flujo en estado laminar pero el flujo turbulento permanece pegado a la superficie.2.3 Controlando el desprendimiento por succin

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 envan chorros de aire, el cual aumenta la velocidad del fluido laminar. Los generadores de torbellinos son pequeas salientes que tienen las aeronaves en algunos sitios de las alas o el fuselaje, y que producen un pequeo torbellino que energiza la capa lmite para evitar el desprendimiento.2.3 Controlando desprendimiento por sopladores y generadores de torbellinos

2.4 Controlando el desprendimiento por modificacin de la geometraEl desprendimiento puede ser evitado mediante una serie de elementos que modifiquen la geometra del ala aumentando la curvatura o superficie alar o bien, generando huecos para controlar el flujo del aire. Dentro de este grupo encontramos dos tipos de dispositivos, instalados en prcticamente la totalidad de las aeronaves:flapsyslats.Las posiciones de los flaps y slats estn fijadas para cada tipo de aeronave y varan segn las especificaciones de cada modelo, siendo accionados a criterio del piloto para cada fase de la operacin.2.4 Controlando el desprendimiento por modificacin de la geometraLos flaps son dispositivos que se despliegan en el borde de salida y a aumenta la superficie alar y modifican la curvatura del ala.

Los flaps pueden contar con ranuras que tienen como finalidad permitir que parte del flujo de aire que corre por el intrads pase al extrads del ala, inyectando cantidad de movimiento en la capa limite del extrads y evitando por tanto su desprendimiento.2.4 Controlando el desprendimiento por modificacin de la geometra

2.4 Controlando el desprendimiento por modificacin de la geometraLos Slats son dispositivos mviles que crean una ranura entre el borde de ataque del ala y el resto del plano. A medida que el ngulo de ataque aumenta, el aire de alta presin situado en la zona inferior del ala trata de llegar a la parte superior del ala, dando energa de esta manera al aire en la parte superior. Es un mecanismo de soplado que aporta cantidad de movimiento a la capa lmite ayudando a vencer el gradiente adverso de presiones; as se retrasa el desprendimiento de la corriente con respecto al aumento del ngulo de ataque.2.4 Controlando el desprendimiento por modificacin de la geometra

Borde de ataque dentadosDebido 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 sitan en los bordes de ataque de las alas , los tres mas utilizados sonBordes de ataque dentadosBordes de ataque de dientes de perro (dogtooth)Separador de capa limiteBordes de ataque dentadosSon unas hendiduras que se practican con un ancho de varias pulgadas, con el fondo de la hendidura redondeado con forma aerodinmica.Borde de ataque en diente de perroEs 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 acta sobre la capa limite del extrads oponindose al resbalamiento de la capa

Separador de capa limiteEs un elemento vertical que se sita desde comienzo del borde de ataque en el intrads hasta la parte del extrads, es de escaso grosor, en muchos casos es solo una chapa cuando los aviones son de baja velocidad.

ConclusionesRespecto a la capa lmite del ala es crucial ubicar la transicin de laminar a turbulenta en el punto ptimo. Se busca mantener el flujo laminar todo lo posible y que se transforme en turbulenta en el momento en que tienda a desprenderse.Si se logra lo anterior se consigue una resistencia de friccin mnima, se evitaran problemas con la sustentacin y buen comportamiento en velocidades prximas a la velocidad de prdida.