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En dinámica de fluidos, la crisis de arrastre, también conocida como la paradoja de Eiffel [1], es un fenómeno en el que el coeficiente de arrastre cae repentinamente a medida que aumenta el número de Reynolds. Esto ha sido bien estudiado para cuerpos redondos como esferas y cilindros. El coeficiente de resistencia de una esfera cambiará rápidamente de aproximadamente 0,5 a 0,2 a un número de Reynolds en el rango de 300 000. Esto corresponde al punto en el que el patrón de flujo cambia, dejando una estela turbulenta más estrecha. El comportamiento depende en gran medida de pequeñas diferencias en el estado de la superficie de la esfera.
Historia
La crisis de arrastre fue observada en 1905[cita requerida] por Nikolay Zhukovsky, quien adivinó que esta paradoja puede explicarse por el desprendimiento de líneas de corriente en diferentes puntos de la esfera a diferentes velocidades. [2]
Más tarde, la paradoja fue descubierta de forma independiente en los experimentos de Gustave Eiffel[3] y Charles Maurain.[4] Tras la jubilación de Eiffel, construyó el primer túnel de viento en un laboratorio situado en la base de la Torre Eiffel, para investigar las cargas del viento sobre las estructuras y los primeros aviones. En una serie de pruebas descubrió que la fuerza de carga experimentaba un brusco descenso a un número de Reynolds crítico.
La paradoja fue explicada a partir de la teoría de la capa límite por el dinamizador de fluidos alemán Ludwig Prandtl.[5]
Explicación
La crisis de arrastre está asociada a una transición de flujo laminar a flujo de capa límite turbulento adyacente al objeto. En el caso de las estructuras cilíndricas, esta transición se asocia a una transición de un desprendimiento de vórtices bien organizado a un comportamiento de desprendimiento aleatorio para números de Reynolds supercríticos, volviendo finalmente a un desprendimiento bien organizado a un número de Reynolds superior con un retorno a coeficientes de fuerza de arrastre elevados.
El comportamiento supercrítico puede describirse de forma semiempírica utilizando medios estadísticos o mediante un sofisticado software de dinámica de fluidos computacional (CFD) que tiene en cuenta la interacción fluido-estructura para las condiciones de fluido dadas utilizando la simulación de grandes remolinos (LES) que incluye los desplazamientos dinámicos de la estructura (DLES) [11]. Estos cálculos también demuestran la importancia de la relación de bloqueo presente en los accesorios intrusivos en el flujo de las tuberías y en los ensayos de túnel de viento.
El número de Reynolds crítico es una función de la intensidad de la turbulencia, del perfil de velocidad aguas arriba y de los efectos de pared (gradientes de velocidad). Las descripciones semiempíricas de la crisis de arrastre suelen describirse en términos de un ancho de banda Strouhal y el desprendimiento de vórtices se describe mediante un contenido espectral de banda ancha.
Referencias
- ↑ Birkhoff, Garrett (2015). Hydrodynamics: A study in logic, fact, and similitude. Princeton University Press. p. 41. ISBN 9781400877775.
- ↑ Zhukovsky, N.Ye. (1938). Obras recopiladas de N.Ye.Zukovskii. p. 72.
- ↑ Eiffel G. Sur la résistance des sphères dans l'air en mouvement, 1912
- ↑ Toussaint, A. (1923). Lecture on Aerodynamics. NACA Technical Memorandum No. 227. p. 20.
- ↑ Prandtl, Ludwig (1914). «Der Luftwiderstand von Kugeln». Nachrichten der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen: 177-190. Reimpreso en Tollmien, Walter; Schlichting, Hermann; Görtler, Henry; Riegels, F. W. (1961). Ludwig Prandtl Gesammelte Abhandlungen zur angewandten Mechanik, Hydro- und Aerodynamik. Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-662-11836-8. doi:10.1007/978-3-662-11836-8_45.