Conceptos Clave en Aerodinámica y Dinámica de Fluidos: Capa Límite, Paradoja de D'Alembert y Curva Polar

Paradoja de D'Alembert

En un flujo ideal, la distribución de presiones es simétrica; por lo tanto, la resistencia de presión sería nula. Esta discrepancia con los datos experimentales señala que existe una resistencia de presión importante. Esto se debe a que, aunque la capa límite ocupa una zona muy pequeña del campo fluido alrededor del cilindro, los esfuerzos viscosos que se producen en ella y la diferencia de presiones generada por el desprendimiento de la capa límite sí son considerables. (Esta discrepancia es lo que se conoce como la Paradoja de D'Alembert).

La Capa Límite en Dinámica de Fluidos

Frontera de la Capa Límite

Cuando un flujo incide sobre una placa plana con borde afilado y ángulo de ataque o incidencia nulo, se desarrolla una capa límite. En esta, las partículas fluidas en contacto con la placa adoptan la velocidad y temperatura de esta por la condición de no-deslizamiento, mientras que para las partículas situadas en la frontera, el valor de las magnitudes corresponde al valor de estas en el flujo principal.

Desarrollo y Transición de la Capa Límite

Debido a los efectos viscosos, la capa límite de velocidades (o viscosa) crece transversalmente a medida que se avanza en la dirección del flujo. Aunque inicialmente se tiene una capa límite muy delgada de estructura laminar, si la placa tiene la suficiente longitud, se alcanzará un valor crítico del número de Reynolds. Para este valor, comienza a cambiar la forma del perfil de velocidades, desarrollándose inestabilidades transversales en dirección descendente, en lo que se conoce como la "zona de transición". Se produce entonces un mayor intercambio energético de cantidad de movimiento entre las partículas fluidas de capas transversales adyacentes, lo que trae como consecuencia la uniformización de los perfiles de velocidad y temperatura, y del resto de magnitudes fluidas, evolucionando el flujo hasta formar una "capa límite turbulenta".

Desprendimiento de la Capa Límite

El gradiente de presiones longitudinal influye en la adhesión o desprendimiento de la capa límite, dependiendo, tanto en flujo interno como externo, fundamentalmente de la geometría del contorno o del cuerpo. Así, cuando se produce una disminución en la sección de paso del flujo (por ejemplo, debido al flujo alrededor de un cuerpo tridimensional), se produce un incremento de la velocidad y, en consecuencia, un descenso de la presión estática, según la ecuación de conservación de la energía mecánica. Este incremento de velocidad y descenso de la presión produce un "gradiente de presiones favorable", ya que ayuda a mantener controlado el crecimiento de la capa límite. En cambio, si la sección de paso del flujo aumenta, la velocidad disminuye y, en consecuencia, se produce un incremento de presión estática. Por lo tanto, se tendrá un "gradiente de presiones adverso", ya que induce un flujo inverso de recirculación, en sentido contrario al flujo principal.

La Curva Polar en Aerodinámica

Las prestaciones de un perfil aerodinámico se completan con la curva polar, que representa el cociente entre las fuerzas de sustentación (CL) y resistencia (CD).

Tablas de Parámetros de Flujo

A continuación, se presentan tablas que resumen el comportamiento de diversos parámetros en diferentes condiciones de flujo.