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Nada mejor que un ladrón para atrapar a otro ladrón: aprender de la naturaleza para lograr flujos turbulentos multiescala

Se ha demostrado que la sombra bajo los árboles es mejor que la sombra «normal» debido a que la porosidad fractal genera una convección de gran eficiencia que enfría el ambiente. El equipo del proyecto MULTISOLVE, financiado por la Unión Europea, ha explotado algunos de los secretos de la naturaleza para lograr una nueva clase de flujos turbulentos.
Nada mejor que un ladrón para atrapar a otro ladrón: aprender de la naturaleza para lograr flujos turbulentos multiescala
El desarrollo sostenible requiere con urgencia nuevas técnicas para que nuestros productos y procesos de fabricación sigan siendo eficientes y respetuosos con el medio ambiente. El diseño desempeña un papel importante a la hora de lograr estas innovaciones necesarias, al aumentar al máximo las fuentes de energía y reducir los contaminantes generados. Afortunadamente, la naturaleza, moldeada por las fuerzas de la evolución, ofrece plantillas para facilitar el trabajo de los diseñadores.

El equipo del proyecto MULTISOLVE, se fijó precisamente en la naturaleza, en concreto en las geometrías fractales, en busca de inspiración para su misión de crear una nueva clase de flujos turbulentos multiescala. Los resultados son especialmente importantes debido a su amplia aplicabilidad en muchos sectores industriales, tales como, la aeronáutica, la automoción, la generación eléctrica y la ingeniería eólica y los procesos de mezcla.

El poder de los fractales

Durante la última década se han llevado a cabo estudios que muestran las posibilidades de aprovechar las geometrías fractales para controlar la turbulencia y los flujos. El profesor Christos Vassilicos, miembro del equipo del proyecto MULTISOLVE y uno de los principales defensores de este método, explicó: «En resumidas cuentas, como los propios flujos turbulentos son fractales, el principio subyacente es que no hay nada mejor que un ladrón para atrapar a otro ladrón. Una mayor comprensión de la influencia que el diseño fractal, que podemos observar a nuestro alrededor en la naturaleza, ejerce sobre los flujos nos permite diseñar en consecuencia, teniendo presente los beneficios conocidos». Mediante esta metodología, el equipo ha podido demostrar, tanto experimental como computacionalmente (a través del modelado), que es posible generar una turbulencia personalizada con el objetivo de aumentar la eficiencia y la eficacia de un amplio abanico de procesos.

Una de las áreas de aplicación más prometedoras es la mejora de los procesos de mezcla. Este aspecto es importante, porque, como indicó el profesor Vassilicos: «La gente no se da cuenta de hasta qué punto están extendidos los procesos de mezcla en nuestras industrias, ya sea en reactores químicos, biorreactores o combustión. La variedad de sus usos y, por lo tanto, el grado en el que dependemos de que se realice de manera eficiente, en cuanto a consumo energético, calidad de la mezcla, velocidad y coste, es enorme».

Aunque MULTISOLVE se centró principalmente en los flujos turbulentos en aire y agua, el trabajo ha dado lugar a desarrollos posteriores (en otro proyecto) relacionados con los fluidos viscoelásticos (p. ej., el chocolate), que han demostrado que las palas mezcladoras diseñadas según principios fractales reducen el tiempo de mezcla en la mitad. Como el tiempo de producción es equivalente a dinero gastado, esta innovación tecnológica ha suscitado un gran interés por parte de la industria.

Otra aplicación interesante es la del diseño de álabes que funcionan en corrientes de aire, tales como los aerogeneradores, que cada vez suministran más energía en toda Europa. A fin de mantener su robustez, los álabes no pueden tener bordes de fuga de espesor cero, ya que esta característica debilita el álabe en la posición en la que interactúa con el eje, doblándolo y generando más resistencia aerodinámica. A menudo, la respuesta de la industria es acortar el álabe, lo que a su vez aumenta la resistencia al viento, reduciendo así la eficiencia.

La solución ofrecida por MULTISOLVE fue, tal y como explicó el profesor George Papadakis, coordinador del proyecto: «Utilizar el diseño fractal para corrugar el borde de fuga. De este modo, se reduce la resistencia al viento, de manera que se aumenta la eficiencia a la vez que se mantiene la robustez del álabe». También se ha demostrado que el diseño fractal reduce la contaminación acústica, aspecto especialmente prometedor para su aplicación en las alas de los aviones. Crucialmente, el enfoque de MULTISOLVE solo requiere adaptar las piezas individuales afectadas.

Con el objetivo de introducir la técnica en el mercado, el equipo de MULTISOLVE ahora se está centrando en un número limitado de aplicaciones para las pruebas a gran escala, de una manera pertinente para la industria. No obstante, salvar la distancia entre laboratorio y mercado tiene sus propias dificultades, tal y como dilucidó el profesor Vassilicos: «El intervalo de tiempo que transcurre entre la investigación académica, que tiende a ser más genérica y las aplicaciones industriales específicas puede ser de varios años, debido a que la industria se enfrenta a muchas limitaciones socioeconómicas. Pero si respetamos nuestras diferencias, podemos colaborar para lograr auténticas innovaciones.

Palabras clave

MULTISOLVE, flujo turbulento, nanotecnología, aerogeneradores, fabricación de palas mezcladoras, alas de avión, winglets, diseño fractal, generación eléctrica, transferencia de calor, fluidos viscoelásticos
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