Efecto tuberculoso

El efecto tubérculo es un fenómeno en el que los tubérculos o grandes protuberancias en el borde de ataque de un perfil aerodinámico pueden mejorar su aerodinámica . El efecto tubérculo funciona canalizando el flujo sobre el perfil aerodinámico en corrientes más estrechas , creando velocidades más altas. Otro efecto secundario de estos canales es la reducción del flujo que se mueve sobre la punta del ala y resulta en una menor resistencia inducida debido a los vórtices de la punta del ala . Mediante modelado computacional , se determinó que la presencia de tubérculos produce un retraso en el ángulo de ataque hasta la entrada en pérdida, aumentando así la sustentación máxima y disminuyendo la resistencia . ^{[ 1 ]} Las ballenas jorobadas son los únicos organismos conocidos que se benefician del efecto tubérculo. Se cree que este efecto les permite ser mucho más maniobrables en el agua, facilitando la captura de presas. Los tubérculos en sus aletas les permiten realizar maniobras acuáticas para capturar a sus presas. ^{[ 1 ]}

Los diminutos ganchos en el borde anterior del ala de un búho tienen un efecto similar que contribuye a su maniobrabilidad aerodinámica y sigilo. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

El efecto tubérculo es un fenómeno en el que los tubérculos , o grandes protuberancias elevadas en el borde de ataque de un ala, pala o vela, aumentan su rendimiento aerodinámico o hidrodinámico. La investigación sobre este tema se inspiró en el trabajo de biólogos marinos sobre el comportamiento de las ballenas jorobadas. A pesar de su gran tamaño, estas ballenas son ágiles y pueden realizar giros y bucles bajo el agua. ^{[ 4 ]} La investigación sobre las ballenas jorobadas indicó que la presencia de estos tubérculos en el borde de ataque de las aletas de las ballenas redujo la entrada en pérdida y aumentó la sustentación , al tiempo que redujo el ruido en el régimen posterior a la entrada en pérdida . ^{[ 4 ]} Los investigadores se motivaron por estos resultados positivos para aplicar estos conceptos a las alas de las aeronaves, así como a las turbinas industriales y eólicas.

Las primeras investigaciones sobre este tema fueron realizadas por Watts y Fish ^{[ 4 ]} , seguidas de experimentos adicionales tanto en túneles de agua como de viento. Watts y Fish determinaron que la presencia de tubérculos en el borde de ataque del perfil aerodinámico aumentaba la sustentación en un 4,8 %. Cálculos numéricos posteriores confirmaron este resultado e indicaron que la presencia de tubérculos puede disminuir los efectos de la resistencia en un 40 %. ^{[ 4 ]} Se ha descubierto que los tubérculos del borde de ataque reducen el punto de sustentación máxima y aumentan la región de sustentación posterior a la pérdida. ^{[ 5 ]} En el régimen posterior a la pérdida, los perfiles con tubérculos experimentaron una pérdida gradual de sustentación en comparación con los perfiles sin tubérculos, que experimentaron una pérdida repentina de sustentación. ^{[ 6 ]}

También debe considerarse la geometría de los tubérculos, ya que su amplitud y longitud de onda afectan el control del flujo. Los tubérculos pueden imaginarse como pequeñas alas delta con un ápice curvo, puesto que crean un vórtice en el borde superior. Estas estructuras vorticiales imponen una desviación descendente del flujo de aire (flujo descendente) sobre las crestas de los tubérculos. Esta desviación descendente retrasa la entrada en pérdida en el perfil aerodinámico. Por el contrario, en los valles de estas estructuras, se produce una desviación neta ascendente del flujo de aire (flujo ascendente). El flujo ascendente localizado se asocia con mayores ángulos de ataque, lo que se relaciona con una mayor sustentación, ya que la separación del flujo ocurre en los valles y permanece allí. ^{[ 6 ]} El vórtice creado por el tubérculo retrasa la separación del flujo hacia el borde de salida del ala, reduciendo así los efectos de la resistencia. Sin embargo, en el agua, debido a la estructura de crestas y valles, es posible la cavitación, lo cual es indeseable. La cavitación se produce en zonas de alta velocidad de flujo y baja presión, como el valle de una estructura tubérculo. En el agua, se forman burbujas o bolsas de aire en la parte superior del tubérculo. Estas burbujas reducen la sustentación y aumentan la resistencia, a la vez que incrementan el ruido en el flujo cuando colapsan. ^{[ 6 ]} Sin embargo, los tubérculos pueden modificarse para manipular la ubicación de la cavitación. ^{[ 6 ]}

El efecto de la amplitud de los tubérculos tiene un impacto más significativo en el rendimiento posterior a la pérdida que la longitud de onda. ^{[ 4 ]} Una mayor amplitud de los tubérculos se ha relacionado con una pérdida más gradual y una mayor sustentación posterior a la pérdida, así como una menor pendiente de sustentación previa a la pérdida. ^{[ 4 ]} Tanto la longitud de onda como la amplitud pueden optimizarse para aumentar el rendimiento posterior a la pérdida. ^{[ 4 ]}

Los experimentos sobre los efectos de los tubérculos del borde de ataque se han centrado principalmente en cuerpos rígidos, y se necesita más investigación para aplicar el conocimiento del efecto de los tubérculos a aplicaciones industriales, aeronáuticas o energéticas. ^{[ 4 ]}

Los tubérculos son un fenómeno material que se presenta en múltiples organismos. Estos organismos incluyen la ballena jorobada, los tiburones martillo , las vieiras y los condrictios , un organismo acuático extinto. ^{[ 7 ]}

Un organismo en el que los tubérculos son notables es la ballena jorobada. ^{[ 7 ] [ 4 ] [ 1 ]} Los tubérculos en las ballenas jorobadas se encuentran en el borde anterior de las aletas. ^{[ 7 ] [ 4 ]} Los tubérculos permiten a las ballenas muy grandes realizar giros cerrados bajo el agua y nadar eficientemente; ^{[ 4 ]} una tarea imperativa para la alimentación de las ballenas jorobadas. ^{[ 7 ]} Los tubérculos en las aletas ayudan a mantener la sustentación, evitando la entrada en pérdida y disminuyendo el coeficiente de arrastre durante las maniobras de giro. ^{[ 7 ]} Los tubérculos en la ballena jorobada se consideran un control de flujo pasivo porque son estructurales. ^{[ 7 ]}

Los tubérculos se desarrollan en el feto de la ballena jorobada. ^{[ 1 ]} Normalmente, hay entre 9 y 11 tubérculos en cada aleta, cuyo tamaño disminuye a medida que se acercan a la punta de la misma. ^{[ 1 ]} Los tubérculos más grandes son el primero y el cuarto desde el hombro de la ballena. ^{[ 1 ]} Esta estructura anatómica es común entre las especies de peces grandes, principalmente las especies depredadoras en sus aletas pectorales. ^{[ 1 ]}

Los tubérculos del borde de ataque están ganando terreno en el sector manufacturero. El rendimiento de las turbinas eólicas depende de la aerodinámica de las palas, donde se observan características de flujo similares (fuente n.º 9). Las turbinas modernas tienen palas retorcidas para tener en cuenta el ángulo de ataque en condiciones de diseño específicas. Sin embargo, en la práctica, las turbinas suelen operar en condiciones fuera de diseño, donde se produce la entrada en pérdida, lo que provoca una disminución del rendimiento y la eficiencia. ^{[ 1 ] [ 4 ]} Para buscar una posible mejora de la eficiencia energética de la turbina, es necesario investigar con mayor profundidad la influencia de los tubérculos del borde de ataque.

Los tubérculos proporcionan un diseño bioinspirado que ofrece viabilidad comercial en el diseño de embarcaciones, aeronaves, ventiladores y molinos de viento. El control del flujo pasivo a través de diseños de tubérculos tiene la ventaja de eliminar mecanismos de control pesados, complejos, costosos y de alto mantenimiento, al tiempo que mejora las propiedades de rendimiento para cuerpos sustentadores en el aire y el agua. ^{[ 1 ]} Un problema que persiste hoy en día es la diferencia en la escala de estructura y operación que utiliza cada una de estas tecnologías bioinspiradas. Se están implementando nuevas técnicas para desarrollar métodos de retraso de la entrada en pérdida en aplicaciones de flujo. Por ejemplo, los aviones a reacción con defectos en el borde de ataque pueden transportar mayores cargas útiles a velocidades más rápidas y altitudes más elevadas, ^{[ 1 ]} lo que permite una mayor eficiencia económica en el campo aeronáutico. Si bien estos efectos se encuentran en muchos animales acuáticos y aves, la ampliación de estos diseños a la aplicación industrial plantea otro conjunto de problemas relacionados con las altas tensiones asociadas a la maquinaria. En los aviones, por ejemplo, los diseños son mucho más limitados que la compleja cinemática y las estructuras de las articulaciones en las alas de las aves que producen maniobras de giro ágiles. ^{[ 1 ]} Este problema puede rectificarse mediante una investigación más profunda sobre la superposición entre tamaño y rendimiento entre la estructura biológica y la aplicación de ingeniería. También se observó en el diseño de turbinas que los efectos del borde de ataque tienen la capacidad de mejorar la generación de energía hasta en un factor del 20 %. ^{[ 1 ]}

En el campo de la ingeniería aeronáutica, los tubérculos en el borde de ataque de las palas de las turbinas pueden aumentar la generación de energía. ^{[ 3 ] [ 1 ]} También se ha comprobado que las palas con tubérculos son eficaces en la generación de energía tanto a velocidades de viento altas como bajas, lo que significa que, al comparar las palas con bordes de ataque lisos con aquellas con tubérculos en el borde de ataque, las palas con tubérculos en el borde de ataque demostraron un rendimiento mejorado. La utilidad de los tubérculos en la mejora del rendimiento de los sistemas de ingeniería proviene directamente del estudio de las estructuras biológicas. ^{[ 4 ] [ 1 ]} Es importante comprender la versatilidad que ofrece la creación de diseños con propiedades bio-mejoradas para numerosas aplicaciones de diseño de flujo. A medida que estos diseños se vuelven más avanzados, la aplicación de tecnologías biomiméticas se vuelve crucial para el desarrollo futuro de maquinaria y equipos de alto rendimiento, ya que se desarrollan diferentes métodos de eficiencia a través de estos métodos.

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