Aumentar la eficiencia energética de las aeronaves gracias a un mejor control del caudal
Las emisiones de las aeronaves se encuentran entre las fuentes de gases de efecto invernadero que están experimentando un crecimiento más rápido. A la vista de que la demanda de pasajeros sigue en aumento, encontrar soluciones innovadoras que conviertan las aeronaves en medios de transporte más ecológicos tiene una importancia vital para alcanzar la neutralidad climática. La optimización del rendimiento aerodinámico de las aeronaves puede contribuir en gran medida a reducir su consumo energético, mejorar su estabilidad y disminuir sus niveles de ruido. En este sentido, el llamado Fluid (control del flujo) constituye un tema de investigación esencial dentro de este campo. El equipo del proyecto PERSEUS, financiado con fondos europeos, ha presentado una metodología destinada a optimizar el diseño de un dispositivo que se ocupa de gestionar el flujo de aire con el fin de reducir la llamada separación de flujos. Este fenómeno tiene lugar cuando el flujo de aire se «desprende» de la superficie de la aeronave, lo que repercute en su rendimiento. «Son varias las situaciones en las que se observa la aparición de esta separación de flujos —explica Nicolas Mazellier, catedrático de Mecánica de Fluidos en la Universidad de Orleans, entidad anfitriona del proyecto—. El fenómeno suele producirse durante maniobras como el despegue y el aterrizaje, pero también cuando la aeronave encuentra obstáculos que perturban el flujo en algunas de sus partes, como la junta entre el ala y la aviaci%C3%B3n (góndola»). La separación de flujos crea zonas de turbulencias que dan lugar a vibraciones y ruido, al tiempo que aumenta las emisiones y puede producir inestabilidades. En casos extremos, este fenómeno puede llegar a comprometer la capacidad del piloto para controlar la aeronave: «Una de las consecuencias más peliagudas de las separaciones masivas de flujo corresponde a la llamada entrada en pérdida», apunta Mazellier.
Una mayor eficiencia con mejor control activo
Con el fin de abordar este problema, el equipo de PERSEUS adoptó un método novedoso. Los investigadores elaboraron una metodología que tomaba como punto de partida las dificultades observadas en la junta entre el ala y la góndola y utilizaron las ecuaciones propias de la mecánica de fluidos con el objetivo de orientar el diseño de un actuador fluídico optimizado para el control del flujo. Estos actuadores se emplean en las aeronaves para manipular el flujo de aire en diversas situaciones. Así, por ejemplo, los actuadores de chorro pulsado desarrollados por el equipo de Mazellier generan chorros de aire rápidos destinados a reducir el efecto de las separaciones de flujo al tiempo que se consume la menor cantidad de energía posible. «El llamado control activo permite regular el caudal en casos necesarios y lograr, con ello, efectos muy ventajosos con el menor coste energético», explica Mazellier. Con todo, el investigador aclara que nos hallamos ante un verdadero reto: aunque los sistemas existentes son eficaces desde el punto de vista aerodinámico, añaden un peso considerable a la aeronave y son difíciles de manipular.
Ganancias netas de energía de hasta el 20 %
Los actuadores de chorro pulsado utilizados en el proyecto PERSEUS podrían superar algunos de estos defectos. Gracias a la combinación de conocimientos procedentes de la micromecánica, la microfluídica y la simulación numérica de alta fidelidad, los investigadores han logrado completar uno de los primeros cálculos numéricos de alta fidelidad relacionados con el flujo interno de un actuador. «Al habernos enfrentado a este importante desafío científico, hemos aprendido mucho sobre la física del proceso de conmutación, que se encuentra en la base del carácter biestable propio de los actuadores de chorro pulsado desarrollados», señala Mazellier. La modelización numérica se llevó a cabo junto con ensayos en túnel de viento con el propósito de optimizar el diseño interno de los actuadores. Al no contener piezas mecánicas, estos equipos son extremadamente fiables. Las pruebas han demostrado la gran eficacia de esta estrategia de control, así como su bajo coste de funcionamiento, pues ofrece unas ganancias potenciales netas de energía de hasta el 20 % durante las fases críticas próximas a la entrada en pérdida.
El límite no es el cielo
La comercialización de las innovaciones logradas por el equipo PERSEUS exigirá seguir confiando en la investigación para ampliar las herramientas desarrolladas en el laboratorio y prepararlas para su implantación industrial. Además de ayudar a resolver un problema aeronáutico, la metodología de PERSEUS podría tener aplicaciones más allá de este sector. Las técnicas de optimización que ofrece son de lo más prometedoras, pues contribuirán a reducir el consumo energético en otros ámbitos, como el correspondiente a los sistemas de calefacción y refrigeración.
Palabras clave
PERSEUS, aerodinámica, control de flujo, separación de flujo, actuador fluídico, actuador de chorro pulsado, emisiones de la aviación, turbulencias
