Reducción de la resistencia aerodinámica en cilindros de sección semicircular a través del uso de mecanismos pasivos de control del flujo

Abstract

Durante la última década, la reducción de la fuerza de arrastre generada sobre cuerpos romos tras el paso de un flujo turbulento se ha situado a la cabeza de los estudios en centros de investigación, desarrollo e innovación de diversas industrias en todo el mundo. Existe una gran amplitud de estudios del flujo sobre cuerpos, véase, desde el estudio de la estabilidad de rascacielos o edificios que superan cierta altura y los efectos de la estela generada por el viento [5, 7]; hasta la mejora en la eficiencia aerodinámica de vehículos terrestres, aéreos o marítimos [1, 2, 3]. En este último caso, la mejora en la eficiencia dada a la aerodinámica ha crecido de manera constante desde 1979, cuando la segunda crisis del petróleo sufrida en Estados Unidos desembocó en un necesario ahorro de combustible pues todo gasto innecesario era fuertemente penalizado. Como consecuencia, se llevaron a cabo enormes avances en el campo de la aerodinámica debido a su impacto directo en el combustible consumido por el vehículo. Tal y como se explica en Hucho et al. [6], las fuerzas aerodinámicas de arrastre son responsables del ~14% del combustible total consumido en el caso de vehículos medianos circulados por carreteras urbanas, mientras que este protagonismo asciende al ~46% del consumo total de combustible en caso de que se circule en carreteras de alta velocidad (autopistas o autovías). La fuerza de arrastre puede disociarse en dos componentes, una primera componente debida a la fricción del flujo constituyente del medio sobre el cuerpo y una segunda componente relativa a la presión que dicho flujo ejerce sobre el cuerpo en cuestión. Es pues, esta segunda componente, aquella que afecta mayoritariamente a la fuerza de arrastre total sobre el cuerpo en vehículos terrestres. Dentro de los factores que afectan al valor de la fuerza de arrastre por presión en un cuerpo, el área frontal y su contorno son los principales aspectos a tener en cuenta. Teniendo en cuenta que los espejos laterales suponen cerca de un 0,5% de dicha superficie frontal, su efecto asciende hasta el 10% [4]. En esta investigación se aborda el problema con un enfoque esencialmente de dos dimensiones donde un cilindro de sección semicircular supondrá el objeto base utilizado a lo largo de esta tesis debido a su gran similitud y capacidad de extrapolación de los resultados obtenidos. Así, el estudio de los efectos de la estela generada por el fluido (en este caso aire) tras sumergir el objeto en una corriente continua, podrán ser analizados para más adelante comprobar los resultados de aplicar mecanismos de control pasivo del flujo que permitan mejorar la respuesta aerodinámica del objeto a través de una reducción en la fuerza de arrastre generada.

For the last decade, drag forces reduction has been on top of R&D studies for the last ten years as a part in the field of discrete bluff bodies' analysis when a turbulent flow past around. Several studies studies have been focused in this issue, i.e. the stability of tall buildings [5, 7] or or vehicle's aerodynamic efficiency [1, 2, 3]. The last one has been continuously improved since 1979, when the second oil crisis occurred in the United States and where any waste of fuel was strongly penalized. Therefore, great advances have been achieved in the aerodynamic area due to the direct large impact over the fuel consumption. As explained in Hucho, W. H. and Sovran [6], drag forces are responsible for 14% of the total vehicle fuel consumption for midsize car for urban schedule and 46% in highway schedule’s case. Drag forces can be also disaggregated in a friction component due to the friction between the flow and the body; and a pressure component caused by the relative pressure force that the body suffers when the flow past around it. Nevertheless, the pressure drag force the one who mainly affects the total drag effect in common bluff bodies whereas aircrafts and ships are mainly affected by the friction drag force. Due to the strong effect of the pressure drag component in bluff bodies, its front area and its outline are the principal responsible for the final value of this force. This is the reason why outside mirrors consequences affects considerably the aerodynamic coefficient of the whole vehicle. On account of their windowsill position, a non-negligible wake is produced whose derivate effects may rise up to 10% of the total vehicle drag [4]. Keeping in mind the fact that side mirrors surface represents around 0,5% of the whole surface, their influence is relatively worthy of consideration. Therefore, this investigation follows the tow-dimensional approach where a semicircular cylinder will be the base body due to the high-level of similarities and the obtained result’s extrapolation. Thus, the study of the flow’s wake effect around the bluff body will be analyzed and compared with the behavior obtained after the implementation of the different passive mechanisms, aiming to improve this behavior thus reducing the drag force.