Dinámica de chapoteo

En dinámica de fluidos , el chapoteo se refiere al movimiento de un líquido dentro de otro objeto (que, por lo general, también está en movimiento).

Estrictamente hablando, el líquido debe tener una superficie libre para constituir un problema de dinámica de chapoteo , donde la dinámica del líquido puede interactuar con el recipiente para alterar significativamente la dinámica del sistema. ^{[ 1 ]} Ejemplos importantes incluyen el chapoteo del propulsor en tanques de naves espaciales y cohetes (especialmente etapas superiores), y el efecto de superficie libre (chapoteo de carga) en barcos y camiones que transportan líquidos (por ejemplo, petróleo y gasolina). Sin embargo, se ha vuelto común referirse al movimiento del líquido en un tanque completamente lleno, es decir, sin una superficie libre, como "chapoteo de combustible".

Dicho movimiento se caracteriza por " ondas inerciales " y puede ser un efecto importante en la dinámica de naves espaciales giratorias. Se han derivado extensas relaciones matemáticas y empíricas para describir el chapoteo de líquidos. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Este tipo de análisis se realizan típicamente utilizando dinámica de fluidos computacional y métodos de elementos finitos para resolver el problema de interacción fluido-estructura , especialmente si el contenedor sólido es flexible. Los parámetros adimensionales relevantes de la dinámica de fluidos incluyen el número de Bond , el número de Weber y el número de Reynolds .

El chapoteo es un efecto importante para las naves espaciales, ^{[ 4 ]} los barcos, ^{[ 3 ]} algunos vehículos terrestres y algunas aeronaves . El chapoteo fue un factor en la anomalía del segundo vuelo de prueba del Falcon 1 y se ha visto implicado en varias otras anomalías de naves espaciales, incluido un casi desastre ^{[ 5 ]} con el satélite Near Earth Asteroid Rendezvous ( NEAR Shoemaker ).

El chapoteo de líquidos en microgravedad ^{[ 6 ] [ 7 ]} es relevante para las naves espaciales, más comúnmente para los satélites en órbita terrestre , y debe tenerse en cuenta la tensión superficial del líquido que puede alterar la forma (y por lo tanto los valores propios ) del tapón de líquido. Típicamente, una gran fracción de la masa de un satélite es propulsor líquido en o cerca del comienzo de su vida útil (BOL), y el chapoteo puede afectar negativamente el rendimiento del satélite de varias maneras. Por ejemplo, el chapoteo del propulsor puede introducir incertidumbre en la actitud (apuntado) de la nave espacial que a menudo se denomina vibración . Fenómenos similares pueden causar oscilación de pogo y pueden resultar en fallas estructurales de un vehículo espacial.

Otro ejemplo es la interacción problemática con el Sistema de Control de Actitud (ACS) de la nave espacial, especialmente para satélites giratorios ^{[ 8 ]} que pueden sufrir resonancia entre chapoteo y nutación , o cambios adversos en la inercia rotacional . Debido a este tipo de riesgo , en la década de 1960 la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) estudió extensamente ^{[ 9 ]} el chapoteo de líquidos en los tanques de las naves espaciales, y en la década de 1990 la NASA emprendió el Experimento de Dinámica de Gravedad Cero de la Cubierta Media ^{[ 10 ]} en el Transbordador Espacial . La Agencia Espacial Europea ha avanzado en estas investigaciones ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} con el lanzamiento de SLOSHSAT . La mayoría de las naves espaciales giratorias desde 1980 se han probado en la torre de caída de los Laboratorios de Dinámica Aplicada utilizando modelos a subescala. ^{[ 15 ]} También se han realizado importantes contribuciones ^{[ 16 ]} por parte del Instituto de Investigación del Suroeste , pero la investigación está muy extendida ^{[ 17 ]} en el ámbito académico y en la industria.

Continúan las investigaciones sobre los efectos del chapoteo en los depósitos de propulsor en el espacio . En octubre de 2009, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos y United Launch Alliance (ULA) realizaron una demostración experimental en órbita con una etapa superior Centaur modificada en el lanzamiento del satélite DMSP-18 para mejorar la comprensión del asentamiento y el chapoteo del propulsor. El bajo peso del DMSP-18 permitió disponer de 5400 kg (12 000 libras) de propulsor _LO2 y LH2 _restante , el 28 % de la capacidad del Centaur, para las pruebas en órbita. La extensión de la misión posterior al lanzamiento del satélite duró 2,4 horas antes de que se ejecutara la maniobra de desorbitación prevista . ^{[ 18 ]}  

El Programa de Servicios de Lanzamiento de la NASA está trabajando en dos experimentos en curso de dinámica de fluidos de chapoteo con socios: CRYOTE y SPHERES -Slosh. ^{[ 19 ]} ULA tiene planeadas demostraciones adicionales a pequeña escala de gestión de fluidos criogénicos con el proyecto CRYOTE en 2012-2014 ^{[ 20 ]} que conducen a una prueba a gran escala de depósito de propulsor crio-satélite de ULA bajo el programa insignia de demostraciones de tecnología de la NASA en 2015. ^{[ 20 ]} SPHERES-Slosh con el Instituto Tecnológico de Florida y el Instituto Tecnológico de Massachusetts examinará cómo se mueven los líquidos dentro de contenedores en microgravedad con el banco de pruebas SPHERES en la Estación Espacial Internacional .

El chapoteo del líquido influye fuertemente en la dinámica direccional y el rendimiento de seguridad de los vehículos cisterna de carretera de manera altamente adversa. ^{[ 21 ]} Las fuerzas y momentos hidrodinámicos que surgen de las oscilaciones de la carga líquida en el tanque durante las maniobras de dirección y/o frenado reducen el límite de estabilidad y la controlabilidad de los vehículos cisterna parcialmente llenos. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} Los dispositivos anti-chapoteo, como los deflectores, se utilizan ampliamente para limitar el efecto adverso del chapoteo del líquido en el rendimiento direccional y la estabilidad de los vehículos cisterna para evitar que el movimiento de la carga desestabilice el vehículo, conocido como "efecto de onda". ^{[ 25 ]} Dado que la mayoría de las veces, los camiones cisterna transportan contenidos líquidos peligrosos como amoníaco, gasolina y combustibles, la estabilidad de los vehículos de carga líquida parcialmente llenos es muy importante. Se han realizado optimizaciones y técnicas de reducción del chapoteo en tanques de combustible como tanques elípticos, rectangulares, ovalados modificados y de forma genérica en diferentes niveles de llenado utilizando análisis numéricos, analíticos y analógicos. La mayoría de estos estudios se centran en los efectos de los deflectores sobre el chapoteo, mientras que la influencia de la sección transversal se ignora por completo. ^{[ 26 ]}

El prototipo Bloodhound LSR de 1000 mph utiliza un cohete de combustible líquido que requiere un tanque de oxidante con deflectores especiales para evitar la inestabilidad direccional, las variaciones en el empuje del cohete e incluso daños en el tanque de oxidante. ^{[ 27 ]} 

El movimiento o desplazamiento de la carga , el lastre de agua u otros líquidos (por ejemplo, procedentes de fugas o de la extinción de incendios) pueden provocar vuelcos desastrosos en los barcos debido al efecto de superficie libre ; esto también puede afectar a camiones y aeronaves.

El efecto del chapoteo se utiliza para limitar el rebote de una pelota de hockey sobre patines . El chapoteo del agua puede reducir significativamente la altura de rebote de una pelota ^{[ 28 ]} , pero ciertas cantidades de líquido parecen generar un efecto de resonancia . Muchas de las pelotas de hockey sobre patines disponibles en el mercado contienen agua para reducir la altura de rebote.

• Seiche , un fenómeno que afecta a lagos y otras masas de agua confinadas.
• Salpicadura (mecánica de fluidos) , otros fenómenos de superficie libre
• Salpicadura de succión , señal médica audible