Estudio experimental del coeficiente de arrastre en ...revistasomim.net/congreso2017/articulos/A4_98.pdf · rectangulares, ya que se encuentran en varias aplicaciones en la ingeniería.
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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM
20 al 22 DE SEPTIEMBRE DEL 2017 CURNAVACA, MORELOS, MÉXICO
“Estudio experimental del coeficiente de arrastre en prismas rectangulares en un flujo confinado”
MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM
20 al 22 DE SEPTIEMBRE DEL 2017 CURNAVACA, MORELOS, MÉXICO
3 Análisis de los resultados.
A continuación se presentan los resultados de las
mediciones de la fuerza de arrastre y se estudian las
tendencias y comportamiento de la misma para diferentes
parámetros.
3.1 Efecto de la relación de aspecto.
Se estudió la dependencia del coeficiente de arrastre CD con tres relaciones de aspecto =0.6, 0.8, 1 para un número de Reynolds Re≈30000 y con el modelo centrado en el túnel de viento, es decir C=0, (Figura 4):
Figura 4.- Variación del coeficiente de arrastre con la relación de
aspecto.
Está información se comparó con otros trabajos [1,7]
donde se utilizaron los mismos parámetros lo cuales se
muestran en la tabla 1. Se observa que los resultados de
este trabajo coinciden bien con los ya existentes, lo que
valida el modelo experimental utilizado.
Tabla 1.- Variación del coeficiente de arrastre con la relación de
aspecto de otros trabajos y el actual.
3.1.1 Efecto del parámetro C.
El efecto de la variación de la distancia entre el objeto y la
pared representada por el parámetro C sobre el coeficiente
de arrastre es el principal objetivo de este trabajo.
Para analizar los resultados obtenidos se estudiara cada
relación de aspecto por separado.
Efecto del parámetro C para D/L=1.
La Figura 5 muestra como para C=0.16 el efecto de la pared es nulo y que el coeficiente de arrastre permanece constante. Sin embargo para C=0.32 se aprecia un aumento en el . Para el siguiente valor C=0.48 el coeficiente de arrastre disminuye teniendo un valor aún menor que el obtenido para C=0. Para esta relación de aspecto el incremento máximo del coeficiente de arrastre fue del 10.5% (comparado con el caso C=0).
Figura 5.- Variación del coeficiente de arrastre para D/L=1 y
diferentes valores de C.
Efecto del parámetro C para D/L=0.8.
Para la relación de aspecto D/L=0.8 (Figura 6) se observan cambios en el coeficiente de arrastre para valores pequeños de C a diferencia del caso anterior (D/L=1). Para todos los valores de C se observa una tendencia ascendente además de una mayor variación entre el máximo y mínimo mostrando un aumento de 27% (comparado con el caso C=0).
Figura 6.- Variación del coeficiente de arrastre para D/L=0.8 y
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Efecto del parámetro C para D/L=0.6.
El comportamiento del coeficiente de arrastre (Figura 7) es muy similar al caso anterior, mostrando un incremento conforme aumenta el parámetro C. Aunque para este caso la variación entre el máximo y mínimo es menor que el caso anterior, con un 22.3%.
Figura 7.- Variación del coeficiente de arrastre para D/L=0.6 y
diferentes valores de C.
En la Figura 8 se presenta el comportamiento del coeficiente de arrastre respecto a los parámetros C y D/L, con lo cual se puede apreciar de mejor forma la relación entre estos dos parámetros en el coeficiente de arrastre.
Figura 8.- Variación del coeficiente de arrastre para diferentes
relaciones de aspecto y valores de C.
Analizando las gráficas anteriores se pueden hacer las siguientes observaciones:
En la mayoría de los casos al aumentar el valor del parámetro C se incrementa el coeficiente de arrastre.
De las tres relaciones de aspecto utilizadas, la más sensible al parámetro C fue: D/L=0.8, seguido por D/L=0.6 y finalmente D/L=1.
Para D/L=1 la influencia de la distancia con la pared es nula para C≤ 0.16. Además para C=0.48 se observa una disminución del coeficiente de arrastre.
3.1.2 Efecto del número de Reynolds.
Para cada combinación de los parámetros D/L y C se utilizaron por lo menos dos números de Reynolds. El rango de utilizado está entre 30000≤ ≤45000 debido a las condiciones de uso tanto del túnel de viento como del modelo experimental.
Primero se estudiará el efecto de número de Reynolds para las tres diferentes relaciones de aspecto D/L=1, 0.8, 0.6 para C=0 (Figura 9).
Figura 9.- Variación del coeficiente de arrastre con el número de
Reynolds para diferentes relaciones de aspecto y C=0.
En la gráfica anterior se observa la variación del coeficiente de arrastre dentro del rango señalado del número de Reynolds. La relación de aspecto D/L=0.8 es la que muestra mayor variación teniendo un inicial de 2.55 y terminando con 2.1. Para D/L=0.6 el se mantiene prácticamente constante con un inicial de 2.92 y uno final de 2.91. Los valores para D/L=1 también muestran variación que va de 2.21 a 2.03.
Ahora se estudiará el efecto del número de Reynolds para cada relación de aspecto variando el parámetro C.
Efecto del número de Reynolds para D/L=1.
Como se muestra en la Figura 10, el comportamiento del coeficiente de arrastre para C=0 y C=0.16 son prácticamente iguales. Para el caso C=0.48 se mantiene constante y es para C=0.32 donde muestra una mayor variación.
Figura 10.- Variación del coeficiente de arrastre con el número de
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Efecto del número de Reynolds para D/L=0.8.
En la Figura 11 se aprecia que para D/L=0.8 hay una mayor dependencia del con el número de Reynolds. Para todas las curvas se tiene el mismo comportamiento respecto al número de Reynolds, por lo que el parámetro C solo modifica el nivel de pero no su comportamiento respecto Re.
Figura 11.- Variación del coeficiente de arrastre con el número de
Reynolds para diferentes valores de C y D/L=0.8.
Efecto del número de Reynolds para D/L=0.6.
En la Figura 12 se observa mayor variación del y un comportamiento diferente para el valor de C.
Figura 12.- Variación del coeficiente de arrastre con el número de
Reynolds para diferentes valores de C y D/L=0.6.
Al analizar las gráficas anteriores, se tienen las siguientes observaciones:
En la mayoría de los casos mostrados se observa que al aumentar el número de Reynolds el valor del coeficiente de arrastre disminuye y presenta menos variación respecto al parámetro C. Además las diferentes curvas que representan un valor de C, muestran un comportamiento donde parecen converger a una sola conforme aumenta Re.
Para D/L=0.8 se observa una mayor variación de respecto al número de Reynolds seguido por D/L=0.6 y 1 respectivamente. Este es el mismo orden que se obtuvo al estudiar el para diferentes C lo que demuestra que D/L=0.8 es la que tiene un más sensible a los cambios en el flujo.
4.- Visualización
En esta sección se presentan los resultados obtenidos de
una serie de visualizaciones que permitirán entender mejor
como la distancia entre el objeto y la pared influye en el
flujo.
Las visualizaciones se llevaron a cabo en un túnel de
viento y se utilizaron varios modelos de estireno con
diferentes relaciones de aspecto y de bloqueo. Se utilizó un
generador de humo, un laser de baja potencia, un lente que
permite obtener un as plano de luz laser para resaltar las
líneas de emisión y una cámara de video. En la Figura 13
se muestra el esquema del experimento.
Figura 13.- Esquema del experimento.
Este experimento se enfocó en la burbuja de separación
que se forma cuando un flujo se separa del objeto y se
reincorpora aguas abajo. Este último se le conoce como
punto de reinserción el cual tiene un punto máximo y uno
mínimo ya que la burbuja de separación presenta una
oscilación. Se estudiará la variación del punto de
reinserción para diferentes parámetros, principalmente el
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Figura 14.- Visualización de la burbuja de separación.
Variación con el número de Reynolds
El primer objetivo es ver cómo se modifica el punto de reinserción del flujo respecto al número de Reynolds. Las variaciones del punto de reinserción a diferentes números de Reynolds fueron graficadas a diferentes tiempos como se aprecia en la Figura 15. Lr/D representa la distancia adimensional entre la parte frontal del objeto y el punto de reinserción.
Figura 15- Variación del punto de reinserción con el número de
Reynolds.
Analizando la Figura 15 se observa que a medida que
aumenta el número de Reynolds la burbuja de separación
se vuelve más pequeña. Esto se puede explicar debido a
que el flujo al principio es laminar, el cual en cierto punto
se separa de la superficie debido a gradientes de presión
negativos respecto al del flujo.
Inmediatamente después de la separación el flujo sufre
una transición de laminar a turbulento. Si suficiente energía
es ganada por el flujo turbulento entonces la capa limite
podrá contrarrestar el gradiente de presión adverso y
subsecuentemente reincidir con la superficie. A números
de Reynolds bajos el flujo entra en transición después del
punto de separación por lo que le tomara más tiempo en
obtener la energía necesaria para reincidir con la superficie.
Para números de Reynolds altos el flujo laminar
inestable entra en transición antes del punto de separación.
Por lo que al llegar este, la capa limite tendrá más energía y
por ello colisionara con la superficie más rápido.
Variación con el parámetro C
Figura 16- Variación del punto de reinserción para diferentes
distancias entre el prisma y la pared (parámetro C).
En la Figura 16 se observa como al aumenta el
parámetro C, el punto de reinserción se da aguas arriba.
Esto quiere decir que la interacción con la pared provoca
que la transición laminar-turbulento del flujo separado se
lleve a cabo más rápido por lo que la burbuja de separación
es menor conforme aumenta el parámetro C. Este es el
mismo comportamiento que se tenía al aumentar el número
de Reynolds.
5 Conclusión
El coeficiente de arrastre muestra una dependencia considerable con el parámetro C; en la mayoría de los casos al aumentar el valor de C se incrementa el Esto debido a que al aumentar el valor de C se acelera la transición laminar turbulenta de la capa límite separada, lo que provoca que los vórtices se generen más cerca del modelo y con ello aumente el coeficiente de arrastre. Sin embargo, existe un límite para C, donde para valores mayores se tendrá un efecto contrario, es decir una caída del
La influencia del parámetro C sobre el coeficiente de arrastre se presentó de manera diferente para cada relación de aspecto. Para D/L=0.8 se obtuvo el mayor incremento del , seguido por D/L=0.6 y 1 respectivamente. Incremento que fueron de 27%, 22.3% y 10% respectivamente. Lo que demuestra que para D/L=0.8 los pequeños cambios en el flujo tienen mayor influencia en el coeficiente de arrastre.
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Es por ello que el efecto debido a la distancia entre el objeto y la pared se tiene que tomar en cuenta al momento de estudiar las fuerzas que ejerce el flujo confinado sobre un prisma rectangular debido a que afecta considerablemente el coeficiente de arrastre y muy probablemente a otras características aerodinámicas no estudiadas en el trabajo actual. Por lo que el parámetro que considere este efecto, es tan importante como lo es el de la relación de aspecto.