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Flujo cilíndrico cruzado: Medición de la distribución de la presión y estimación de coeficientes de arrastre

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A medida que el fluido fluye alrededor de un objeto, como un cilindro, las presiones y velocidades cercanas al objeto cambian constantemente. Según la teoría del flujo potencial inviscida, la distribución de la presión alrededor de un cilindro es simétrica, no sólo horizontal, sino también verticalmente, aguas arriba y aguas abajo del cilindro. Esto da como resultado una fuerza de arrastre neta cero.

Sin embargo, los resultados experimentales proporcionan diferentes patrones de flujo, distribuciones de presión y coeficientes de arrastre porque la teoría del potencial invviscido no tiene en cuenta la viscosidad del fluido, que difiere mucho de la realidad. Teniendo en cuenta la viscosidad del fluido, podemos comprender aún más los patrones de flujo reales alrededor de un cilindro.

En primer lugar, se desarrolla una capa límite a lo largo del cilindro como resultado de fuerzas viscosas. Estas fuerzas viscosas causan la fricción de la piel, que es una fuerza de arrastre causada por la fricción del fluido que se mueve a través de la superficie del objeto.

Dado que el cilindro es un cuerpo de farol, lo que significa que no es aerodinámico, se produce la separación del flujo y se forma una estela de baja presión detrás del objeto. Esto conduce a una forma aún mayor de arrastre debido a un diferencial de presión.

Las características de este patrón de flujo se basan en el número Reynolds. El número Reynolds es un número sin dimensiones utilizado para describir el fluido, y es una relación de las fuerzas inerciales a las fuerzas viscosas. Rho infinito es la densidad del fluido, V infinito es la velocidad de flujo libre, D es el diámetro del cilindro, y mu es la viscosidad dinámica del fluido.

Debajo de un número de Reynolds de aproximadamente 4, el patrón de flujo muestra muy poca separación de flujo detrás del cilindro. A medida que aumenta el número de Reynolds, aumenta la separación del flujo. Debajo de un número de Reynolds de unos 40, vemos un par de vórtices fijos en el paso.

A un número más alto de Reynolds, los vórtices se desplazan a una calle de vórtice con un patrón de vórtices alternos causados por un proceso llamado desprendimiento de vórtice. A un número aún mayor de Reynolds, después de que la capa límite laminar haya sufrido la transición a turbulenta, la estela se desorganiza.

Finalmente, a un número muy alto de Reynolds y flujo turbulento, vemos que la estela se vuelve más estrecha y totalmente turbulenta.

En este laboratorio, someteremos un cilindro con 24 puertos de presión al flujo de fluidos en un túnel de viento. A continuación, utilizaremos las mediciones de presión en cada grifo de presión para examinar la distribución de la presión y determinar las fuerzas de arrastre en el cilindro.

Para este experimento, utilice un túnel de viento aerodinámico con una sección de prueba de 1 ft por 1 ft. Además, obtenga un cilindro de aluminio con 24 puertos incorporados para tubos de presión. También se necesitará un panel de manómetro con 24 columnas.

Para comenzar, retire primero la cubierta superior de la sección de prueba. Inserte los tubos que se conectan a los puertos del cilindro a través de la hendidura en la parte inferior de la sección de prueba. A continuación, monte el cilindro en la parte superior de la mesa giratoria orientándolo de modo que el puerto cero esté orientado aguas arriba.

Sustituya la cubierta superior de la sección de ensayo y conecte los 24 tubos de presión etiquetados de cero a 23 a los puertos correspondientes del panel del manómetro.

Una vez que todos los tubos estén conectados correctamente, inicie el túnel de viento. Aumente la velocidad del viento a 60 millas por hora y registre todas las 24 mediciones de presión leyendo el manómetro. Ahora, ponga la velocidad del viento de nuevo a cero y apague el túnel de viento. Abra la sección de prueba.

Ahora, modifique el cilindro asegurando una cadena de 1 mm de diámetro verticalmente entre los puertos 3 y 4, que es equivalente a theta igual a 52,5o. Mantenga la cuerda lo más recta posible mientras la pega en su lugar. Tape otra cadena entre los puertos 20 y 21, que es theta igual a 307.5o. Estas cuerdas perturbarán el flujo de aire. Utilice un pasador para perforar agujeros a través de la cinta azul de modo que los puertos puedan detectar las presiones de flujo.

A continuación, cierre la sección de prueba. Vuelva a encender el túnel de viento y aumente la velocidad del viento a 60 millas por hora. Registre las 24 mediciones de presión utilizando el manómetro.

Cuando haya terminado, vuelva a poner la velocidad del viento en cero y apague el túnel de viento. Desconecte los tubos del manómetro. A continuación, abra la sección de prueba y retire el cilindro.

Ahora, interpretemos los resultados. En primer lugar, podemos determinar el número de Reynolds usando la velocidad de flujo libre, que era de 60 millas por hora. Se conoce el diámetro del cilindro, la viscosidad y la densidad de la corriente libre. Por lo tanto, el número de Reynolds es igual a 1.78 x 105.

En este número de Reynolds, podemos esperar un patrón de flujo como se muestra, donde se produce la separación del flujo y resulta en una activación de baja presión turbulenta detrás del cilindro. Este diferencial de presión conduce al arrastre.

Ahora, echemos un vistazo a nuestros datos experimentales, en este caso para el cilindro limpio. Debido a la simetría, veremos sólo los puertos 1 a 12. Theta es la posición angular del puerto, y P-gage es la lectura del manómetro.

En primer lugar, calcule el coeficiente de presión no dimensional para cada puerto donde el infinito rho y el infinito V son la densidad y la velocidad del flujo libre, respectivamente. Haga el mismo cálculo para el cilindro perturbado.

Si trazamos los resultados experimentales para cada cilindro en comparación con el ideal, podemos ver que el punto de estancamiento, o theta igual a cero, el coeficiente de presión está en su máximo para los cilindros limpios y perturbados. Antes de theta igual a 60o, los cilindros limpios y perturbados están bien de acuerdo con los datos ideales.

Después de 60o, se desvían del ideal, ya que forman una región de baja presión en la parte posterior del cilindro. Si recordamos el patrón de flujo esperado, podemos ver que en la región de vigilia del patrón de flujo, deberíamos ver vórtices y remolinos turbulentos. Este fenómeno se corresponde bien con las regiones de baja presión medidas para ambos cilindros.

Sin embargo, surgen diferencias entre los dos donde las cuerdas se añadieron al cilindro, donde el cilindro limpio experimenta una región de menor presión en la estela que el cilindro perturbado. Esto se debe a que el flujo perturbado tiende a envolverse alrededor del cilindro más antes de que se produzca la separación del flujo. La capa límite, que comienza como laminar, pasa a turbulento inmediatamente después de la perturbación.

Se puede ver que se envuelve alrededor del cilindro perturbado más que el cilindro limpio, que siempre es laminar antes de la separación del flujo. Debido a que el flujo perturbado tiene una mayor contrapresión en la estela, debe tener una fuerza de arrastre más baja. Confirmemos esta hipótesis.

En primer lugar, calcule la resistencia aerodinámica, FD, como se muestra utilizando la posición angular de cada puerto de presión, la distancia angular con puertos adyacentes, la presión del medidor en cada puerto y el radio del cilindro. Una vez que hayamos calculado la resistencia aerodinámica para cada cilindro, podemos calcular el coeficiente de arrastre no dimensional, CD, para cada cilindro.

Como era de esperar, el coeficiente de arrastre es menor para el cilindro perturbado que el cilindro limpio. Estos resultados también explican por qué las pelotas de golf están hoyuelos. Los hoyuelos causan un flujo de capa de contorno turbulento y, por lo tanto, reducen el arrastre.

En resumen, aprendimos acerca de los patrones de flujo característicos observados en diferentes números de Reynolds y la transición al flujo turbulento. Luego sometimos cilindros a flujo cruzado en un túnel de viento y medimos la distribución de la presión a lo largo de sus superficies para determinar las fuerzas de arrastre en cada uno.

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