Crisis del drag
Gráfico del coeficiente de arrastre en función del número de Reynolds para esferas rugosas o lisas. Se observa una caída pronunciada en torno a un valor de Reynolds de 100 000 a 1 000 000 para ambas.
El coeficiente de arrastre de una esfera disminuye cuando el número de Reynolds es alto (número 5 en el gráfico). El efecto se produce cuando el número de Reynolds es bajo cuando la pelota es áspera (como una pelota de golf con hoyuelos) que cuando es lisa (como una pelota de tenis de mesa ).

En dinámica de fluidos , la crisis de arrastre (también conocida como paradoja de Eiffel [1] ) es un fenómeno en el que el coeficiente de arrastre cae repentinamente a medida que aumenta el número de Reynolds . Esto ha sido bien estudiado para cuerpos redondos como esferas y cilindros . El coeficiente de arrastre de una esfera cambiará rápidamente de aproximadamente 0,5 a 0,2 en un número de Reynolds en el rango de 300000. Esto corresponde al punto donde el patrón de flujo cambia, dejando una estela turbulenta más estrecha . El comportamiento depende en gran medida de pequeñas diferencias en la condición de la superficie de la esfera.

Historia

La crisis de arrastre fue observada en 1905 [ cita requerida ] por Nikolay Zhukovsky , quien supuso que esta paradoja puede explicarse por el desprendimiento de líneas de corriente en diferentes puntos de la esfera a diferentes velocidades. [2]

Más tarde, la paradoja fue descubierta independientemente en experimentos realizados por Gustave Eiffel [3] y Charles Maurain [4] . Tras la jubilación de Eiffel, construyó el primer túnel de viento en un laboratorio situado en la base de la Torre Eiffel , para investigar las cargas de viento sobre las estructuras y los primeros aviones. En una serie de pruebas, descubrió que la carga de fuerza experimentaba una disminución abrupta en un número de Reynolds crítico.

La paradoja fue explicada a partir de la teoría de la capa límite por el dinamista de fluidos alemán Ludwig Prandtl . [5]

Explicación

La crisis de arrastre está asociada con una transición de flujo laminar a flujo turbulento en la capa límite adyacente al objeto. En el caso de las estructuras cilíndricas, esta transición está asociada con una transición de un desprendimiento de vórtices bien organizado a un comportamiento de desprendimiento aleatorio para números de Reynolds supercríticos, que finalmente regresa al desprendimiento bien organizado en un número de Reynolds más alto con un retorno a coeficientes de fuerza de arrastre elevados.

El comportamiento supercrítico se puede describir de forma semiempírica utilizando medios estadísticos o mediante un sofisticado software de dinámica de fluidos computacional (CFD) que tiene en cuenta la interacción fluido-estructura para las condiciones de fluido dadas utilizando una simulación de grandes remolinos (LES) que incluye los desplazamientos dinámicos de la estructura (DLES) [11]. Estos cálculos también demuestran la importancia de la relación de bloqueo presente en los accesorios intrusivos en las pruebas de flujo en tuberías y en túneles de viento.

El número crítico de Reynolds es una función de la intensidad de la turbulencia, el perfil de velocidad ascendente y los efectos de pared (gradientes de velocidad). Las descripciones semiempíricas de la crisis de arrastre se describen a menudo en términos de un ancho de banda de Strouhal y el desprendimiento de vórtices se describe mediante un contenido espectral de banda ancha.

Referencias

  1. ^ Birkhoff, Garrett (2015). Hidrodinámica: un estudio de lógica, hechos y similitudes. Princeton University Press. pág. 41. ISBN 9781400877775.
  2. ^ Zhukovsky, N.Ye. (1938). Obras completas de N.Ye.Zukovskii. pág. 72.
  3. ^ Eiffel G. Sur la résistance des sphères dans l'air en mouvement, 1912
  4. ^ Toussaint, A. (1923). Conferencia sobre aerodinámica (PDF) . Memorándum técnico de la NACA n.º 227. pág. 20.
  5. ^ Prandtl, Ludwig (1914). "Der Luftwiderstand von Kugeln". Nachrichten der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen : 177-190.Reimpreso en Tollmien, Walter; Schlichting, Hermann; Görtler, Henry; Riegels, FW (1961). Ludwig Prandtl Gesammelte Abhandlungen zur angewandten Mechanik, Hydro- und Aerodynamik . Springer Berlín Heidelberg. doi :10.1007/978-3-662-11836-8_45. ISBN 978-3-662-11836-8.

Lectura adicional

  1. Fung, YC (1960). "Fluctuación de la sustentación y la resistencia que actúan sobre un cilindro en un flujo con números de Reynolds supercríticos", J. Aerospace Sci., 27 (11), págs. 801–814.
  2. Roshko, A. (1961). "Experimentos sobre el flujo que pasa por un cilindro circular con un número de Reynolds muy alto", J. Fluid Mech., 10, págs. 345–356.
  3. Jones, GW (1968). "Fuerzas aerodinámicas en cilindros circulares estacionarios y oscilantes con números de Reynolds altos", Simposio ASME sobre flujo inestable, División de Ingeniería de Fluidos, págs. 1–30.
  4. Jones, GW, Cincotta, JJ, Walker, RW (1969). "Fuerzas aerodinámicas en cilindros circulares estacionarios y oscilantes con números de Reynolds elevados", Informe TAR-300 de la NASA, págs. 1–66.
  5. Achenbach, E. Heinecke, E. (1981). "Sobre el desprendimiento de vórtices de cilindros lisos y rugosos en el rango de números de Reynolds de 6x103 a 5x106", J. Fluid Mech. 109, págs. 239–251.
  6. Schewe, G. (1983). "Sobre las fluctuaciones de fuerza que actúan sobre un cilindro circular en flujo cruzado desde números de Raynolds subcríticos hasta transcríticos", J. Fluid Mech., 133, págs. 265–285.
  7. Kawamura, T., Nakao, T., Takahashi, M., Hayashi, T., Murayama, K., Gotoh, N., (2003). "Vibraciones sincronizadas de un cilindro circular en flujo cruzado con números de Reynolds supercríticos", ASME J. Press. Vessel Tech., 125, págs. 97–108, DOI:10.1115/1.1526855.
  8. Zdravkovich, MM (1997). Flujo alrededor de cilindros circulares, vol. I, Oxford Univ. Press. Reimpresión 2007, pág. 188.
  9. Zdravkovich, MM (2003). Flujo alrededor de cilindros circulares, vol. II, Oxford Univ. Press. Reimpresión 2009, pág. 761.
  10. Bartran, D. (2015). "Flexibilidad de soporte y frecuencias naturales de los termopozos montados en tuberías", ASME J. Press. Vess. Tech., 137, págs. 1–6, DOI:10.1115/1.4028863
  11. Botterill, N. (2010). "Modelado de la interacción fluido-estructural de cables utilizados en estructuras de ingeniería civil", tesis doctoral (http://etheses.nottingham.ac.uk/11657/), Universidad de Nottingham.
  12. Bartran, D. (2018). "La crisis de la resistencia y el diseño de termopozos", J. Press. Ves. Tech. 140(4), 044501, número de artículo: PVT-18-1002. DOI: 10.1115/1.4039882.
  • "Simulación de una crisis de fricción para una esfera utilizando condiciones de contorno de fricción superficial" . Consultado el 24 de octubre de 2008 .
  • "Flujo que pasa por un cilindro: inestabilidad de la capa de cizallamiento y crisis de arrastre" (PDF) . Consultado el 24 de octubre de 2008 .
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