Distribucion de presiones en fluidos

DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES

Introducción

En la práctica se estudiará el flujo alrededor de cuerpos sumergidos en una corriente fluida, o "flujo externo", ya que el fluido es exterior a la superficie del cuerpo. En definitiva, se incidirá en el estudio de las fuerzas que resultan del movimiento relativo entre un cuerpo y un fluido y que básicamente son llamadas fuerzas de arrastre y desustentación, de gran aplicación en aerodinámico.

Fuerzas de arrastre y sustentación

El arrastre y la sustentación se definen como las componentes paralela y normal, respectivamente, a la velocidad relativa de aproximación, de la fuerza ejercida sobre un cuerpo por el fluido en movimiento a su alrededor. La acción dinámica del fluido en movimiento es la que desarrolla arrastre y sustentación; otrasfuerzas como la gravitacional y flotación no se incluyen ni en el arrastre ni en la sustentación.

Si consideramos un perfil de ala (figura 1) la velocidad de flujo sobre la parte superior es mayor que la de la corriente libre y al contrario sucede con la presión. En el caso de un flujo bidimensional, como el de la figura 1, la fuerza de arrastre (D en la fig.) vendrá dada por la expresión:(1)

Si se integra sobre el área superficial siendo positiva la presión bajo el perfil y negativa arriba, se tendrá:

(2)
Del mismo modo la fuerza elemental de sustentación (L en la fig.) será:
(3)

(4)
En la práctica las expresiones (1) a (4) son poco útiles, utilizándose para el cálculo de las fuerzas unos coeficientes empíricos de arrastre y sustentación (apartado 1.3)Figura- 1. Fuerzas de arrastre y sustentación sobre un perfil aerodinámico

El arrastre tiene una componente que se origina en las diferencias de presión (arrastre de presión o forma) y otra que resulta de las tensiones cortantes (arrastre viscoso).

En el caso de movimientos de un fluido de baja viscosidad se produce un gradiente de velocidad entre la frontera y el flujo (el fluido enlas fronteras tiene velocidad cero relativa a las fronteras), llamándose "capa límite" a la lámina de fluido que ve afectada su velocidad por las tensiones cortantes en la frontera o contorno. La capa límite (ver guión práctico correspondiente) es muy delgada en el extremo situado corriente arriba de un cuerpo aerodinámico, y progresivamente adquiere características que la convierten en una capalímite laminar, intermedia y turbulenta, con un progresivo incremento de su espesor.

Los cálculos del crecimiento de una capa límite son complejos y laboriosos, siendo únicamente resolubles de un modo fácil los casos de flujo paralelo, laminar o turbulento sobre una placa plana.

Estelas

Cuando la presión a lo largo de una placa o de un perfil de ala va creciendo progresivamente la capalímite se ensancha progresivamente (gradientes de presión adversa, en la parte posterior del cuerpo); si al mismo tiempo el contorno es finito, por ejemplo un ala de avión, la variación de presión se resuelve mediante un movimiento del fluido de la parte inferior del ala hacia la parte superior y que dan lugar a torbellinos libres o de escape, también conocidos como estelas.

Así pues las estelas sonproducto de la separación de la capa límite del contorno (figura 2); tanto las estelas como la separación tienen gran importancia en la presión de arrastre sobre los cuerpos.

Si se consigue evitar la separación en el flujo sobre un cuerpo, la capa límite permanece delgada, disminuyendo la presión de arrastre. Por otro lado, la naturaleza laminar comparada con la turbulencia de la capa límite esimportante para modificar la situación del punto de separación. Así una gran transferencia de cantidad de movimiento dentro de la capa límite turbulenta requiere un gradiente de presión adversa más grande para causar la separación, que el flujo laminar más ordenado.

Figura 2 - Flujo alrededor de una esfera

Arrastre en condiciones de flujo laminar

El movimiento de un cuerpo en el...