Fuente: José Roberto Moreto, Jaime Dorado, y Xiaofeng Liu, Departamento de Ingeniería Aeroespacial, Universidad Estatal de San Diego, San Diego, California

Una capa de contorno es una región de flujo fino inmediatamente adyacente a la superficie de un sólido sumergido en el campo de flujo. En esta región, los efectos viscosos, como la tensión de cizallamiento viscoso, dominan, y el flujo se retrasa debido a la influencia de la fricción entre el fluido y la superficie sólida. Fuera de la capa límite, el flujo es inviscid, es decir, no hay efectos disipadores debido a la fricción, la conducción térmica o la difusión de masa.

El concepto de capa límite fue introducido por Ludwig Prandtl en 1904, lo que permite una simplificación significativa a la ecuación Navier-Stokes (NS) para el tratamiento del flujo sobre un cuerpo sólido. Dentro de la capa de límite, la ecuación NS se reduce a la ecuación de capa de límite, mientras que fuera de la capa de límite, el flujo se puede describir mediante la ecuación Euler, que es una versión simplificada de la ecuación NS.

Figura 1. Desarrollo de capas de límite sobre una placa plana.

El caso más simple para el desarrollo de la capa límite se produce en una placa plana en ángulo cero de incidencia. Al considerar el desarrollo de la capa límite en una placa plana, la velocidad fuera de la capa límite es constante para que el gradiente de presión a lo largo del muro se considere cero.

La capa límite, que se desarrolla naturalmente en una superficie de cuerpo sólido, normalmente sufre las siguientes etapas: en primer lugar, el estado de la capa límite laminar; en segundo lugar, el estado de transición y, en tercer lugar, el estado de capa límite turbulento. Cada estado tiene su propia(s) ley(es) que describe la estructura de flujo de la capa límite.

La investigación sobre el desarrollo y la estructura de la capa límite es de gran importancia tanto para el estudio teórico como para las aplicaciones prácticas. Por ejemplo, la teoría de capas de contorno es la base para calcular la resistencia a la fricción de la piel en barcos, aeronaves y las cuchillas de las turbomáquinas. La resistencia a la fricción de la piel se crea en la superficie del cuerpo dentro de la capa límite y se debe a la tensión de cizallamiento viscoso ejercida sobre la superficie a través de partículas de fluido en contacto directo con ella. La fricción de la piel es proporcional a la viscosidad del fluido y al gradiente de velocidad local en la superficie en la dirección normal de la superficie. La resistencia a la piel está presente en toda la superficie, por lo que se vuelve significativa en grandes áreas, como un ala de avión. Además, el flujo de fluido turbulento crea más resistencia a la fricción de la piel. El movimiento del fluido macroturbulento mejora la transferencia de impulso dentro de la capa límite al llevar partículas de fluido con alto impulso a la superficie.

Esta demostración se centra en la capa límite turbulenta sobre una placa plana, en la que el flujo es irregular, como en la mezcla o el reflujo, y las fluctuaciones se superponen en el flujo medio. Por lo tanto, la velocidad en cualquier punto de una capa límite turbulenta es una función del tiempo. En esta demostración, se utilizará una emnemometría de cable caliente de temperatura constante, o CTA, para llevar a cabo una encuesta de capa límite. A continuación, se utilizará el método de gráfico Clauser para calcular el coeficiente de fricción de la piel en una capa límite turbulenta.

1. Determinación de la respuesta dinámica del sistema de cable caliente

El propósito de este procedimiento es entender la rapidez con la que el sistema de anemómetro puede responder a los cambios de la señal de flujo. Esta capacidad se mide midiendo la respuesta de frecuencia cuando la señal se enciende y apaga aplicando una onda cuadrada.

1. Asegure la sonda de cable caliente del sistema CTA dentro de un túnel de viento utilizando un eje de soporte.
2. Configure

La CTA se calibra en la Sección 2 del protocolo midiendo el voltaje del cable caliente a diferentes velocidades de aire. Estos datos se utilizaron entonces para determinar la relación matemática entre la variable medida, la tensión y la variable indirecta, la velocidad del aire. Hay muchos enfoques para ajustar los datos experimentales a las relaciones matemáticas para la velocidad, varios de los cuales se tratan en el apéndice. Una vez determinada la relación matemática, la veloc...

La demostración muestra cómo utilizar la anemometría de temperatura constante, una poderosa herramienta utilizada para estudiar el flujo turbulento sobre una superficie, que en este caso específico era una placa plana. Este método es más simple y menos costoso que otros métodos, como PIV, PTV y LDV, y proporciona una alta resolución temporal. La aplicación de anemometría de cable caliente a una capa límite turbulenta proporciona un enfoque rentable y práctico para demostrar el comportamiento de los flujos tur...