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Drag Reduction in Turbulent Boundary Layer via Flow Control

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Objetivo: aviones de mayor eficacia energética

Debido a la importancia de reducir el impacto medioambiental de los aviones, la comunidad científica —con la ayuda de la financiación europea— ha estado buscando maneras de disminuir la resistencia aerodinámica empleando componentes activos más pequeños para mejorar la eficacia energética de las aeronaves y bajar su nivel de emisiones.

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En los aviones, la reducción de emisiones de dióxido de carbono y óxido de nitrógeno está directamente relacionada con la quema de combustible, la resistencia aerodinámica y el peso de la nave. Por lo tanto, si disminuye la resistencia (que se opone al avance durante el vuelo), también bajará el impacto medioambiental de las emisiones nocivas. «La forma del fuselaje no es el único factor que determina la resistencia aerodinámica; también influyen algunos elementos que actúan sobre el campo del flujo», explica Gabriel Bugeda, coordinador del proyecto DRAGY y profesor de Ingeniería Civil y Ambiental en el Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE), en la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) de Barcelona, España. Algunos de los dispositivos más prometedores que se identificaron al principio del proyecto se analizaron en experimentos de laboratorio, empleando para ello un análisis numérico basado en nuevas tecnologías de simulación computacional para evaluar las estructuras del flujo. Bugeda comenta: «Analizamos algunas alternativas para la reducción de la resistencia con elementos activos que necesitaban algo de energía para funcionar, como discos giratorios, pulsorreactores o hasta nervaduras». Las nervaduras son superficies con protuberancias en la dirección de la corriente de aire, y pueden reducir la resistencia mejor que las superficies lisas.

Elementos para disminuir la resistencia aerodinámica

Las nervaduras y otros elementos como los accionadores de plasma —en los que se inyecta una pequeña cantidad de aire en el campo mediante dispositivos de plasma— pueden reducir la resistencia al avance. Según Bugeda, «estos son los dos elementos más prometedores», aunque añade que los pulsorreactores (que inyectan una cantidad específica de fluido en impulsos y no de manera continua) y los discos giratorios (empleados para inyectar un impulso adicional de fluido) también tienen un buen potencial. «Hemos llegado a la conclusión de que algunos de estos elementos pueden llegar a reducir la resistencia aerodinámica de la superficie en un 40 %, lo que es una novedad, pero aún se encuentran en una fase muy temprana de desarrollo», aclara Bugeda. Sin embargo, esto podría suponer un ahorro considerable, ya que el combustible representa el 30 % (como mínimo) de los costes de funcionamiento de un avión comercial. «Con nuestro sistema, los aviones tendrían un número elevado de estos elementos distribuidos por todo el fuselaje o por las alas», describe Bugeda. Pero esto también supone un gasto, ya que «los elementos añaden peso y necesitan energía, y aún no hemos analizado el coste de esos factores; de todos modos, es un descubrimiento importante». Además de los motores y de otras piezas del avión, las configuraciones convencionales están cerca de llegar a la optimización total. «En las pruebas de laboratorio hemos podido confirmar que, si examinamos estos elementos, aún se pueden lograr mejoras», añade Bugeda.

Ampliación a gran escala

La ampliación del proyecto sigue siendo un obstáculo considerable. Bugeda comenta: «Estos elementos actúan en el campo de flujo en un área muy pequeña. No es nada sencillo extrapolar los resultados de estos experimentos (realizados a escala de laboratorio) a un avión de tamaño real. Así que las pruebas deben ser lo más cercanas posibles a ese tamaño real, lo que no siempre es posible en un laboratorio». Puesto que el proyecto es un trabajo en colaboración entre instituciones europeas y China, y los costes en ese país están sufragados por el Ministerio de Industria e Informática de Pekín, los investigadores pudieron emplear las enormes instalaciones experimentales de la Universidad de Zhejiang, la Universidad Politécnica del Noroeste, la Universidad de Pekín y la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Pekín. Para el análisis numérico, la principal dificultad es la cantidad de potencia computacional necesaria, explica Bugeda. Según él, «el sistema aún no está preparado para la comercialización», y añade que futuros proyectos de colaboración deberán seguir desarrollando estas tecnologías hasta que se puedan usar en aviones reales.

Palabras clave

DRAGY, avión, China, resistencia aerodinámica, eficacia energética, emisiones, nervaduras, aerodinámico, flujo de aire, pulsorreactores, dióxido de carbono, óxido de nitrógeno

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