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ES2994808B2 - Fluid dynamic friction resistance reduction system - Google Patents
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ES2994808B2 - Fluid dynamic friction resistance reduction system - Google Patents

Fluid dynamic friction resistance reduction system

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ES2994808B2 ES202430269A ES202430269A ES2994808B2 ES 2994808 B2 ES2994808 B2 ES 2994808B2 ES 202430269 A ES202430269 A ES 202430269A ES 202430269 A ES202430269 A ES 202430269A ES 2994808 B2 ES2994808 B2 ES 2994808B2
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Description

[0001] DESCRIPCIÓN[0001] DESCRIPTION

[0003] Sistema reductor de resistencia fluidodinámica de fricción[0003] Fluid dynamic friction resistance reduction system

[0005] Campo técnico de la invención[0005] Technical field of the invention

[0007] La presente invención describe un sistema reductor de la resistencia fluidodinámica ante una corriente de fluido. Dicho sistema puede ser empleado en el sector de transporte (aeronáutica, naval, automoción, ferrovial), en el sector industrial (transporte de fluidos en tuberías) o en el sector energético, por ejemplo, en turbinas de viento.[0007] The present invention describes a system for reducing fluid dynamic resistance in a fluid flow. This system can be used in the transportation sector (aeronautics, marine, automotive, rail), in the industrial sector (fluid transport in pipelines), or in the energy sector, for example, in wind turbines.

[0009] Antecedentes de la invención[0009] Background of the invention

[0011] Se denomina resistencia de forma aerodinámica, a la fuerza que sufre un cuerpo al moverse a través del aire, y en particular a la componente de esa fuerza en la dirección de la velocidad relativa del cuerpo respecto del medio. La resistencia es siempre de sentido opuesto al de dicha velocidad, por lo que habitualmente se dice de ella que, de forma análoga a la de fricción, es la fuerza que se opone al avance de un cuerpo a través del aire. De manera más general, para un cuerpo en movimiento en el seno de un fluido cualquiera, tal componente recibe el nombre de resistencia fluidodinámica. En el caso del agua, por ejemplo, se denomina forma hidrodinámica.[0011] Aerodynamic drag is the force experienced by a body moving through the air, and in particular, the component of that force in the direction of the body's relative velocity with respect to the medium. Drag is always in the opposite direction to this velocity, so it is usually said, analogous to friction, to be the force that opposes the movement of a body through the air. More generally, for a body moving within any fluid, this component is called fluid dynamic drag. In the case of water, for example, it is called hydrodynamic drag.

[0013] Se trata por tanto de uno de los factores más relevantes a la hora de desplazarse en el interior de un fluido, por ejemplo, en el sector transporte, o a la hora de transportar un fluido en contacto con una superficie, por ejemplo, una tubería.[0013] It is therefore one of the most relevant factors when moving inside a fluid, for example, in the transport sector, or when transporting a fluid in contact with a surface, for example, a pipe.

[0015] En el ejemplo particular de un vehículo que comprende una superficie fija sometida a una corriente de fluido exterior, o corriente de fluido principal, de velocidad U, se puede definir un perfil de velocidad del fluido. En un sistema de referencia anclado al vehículo, la velocidad del fluido varía desde cero (sobre la superficie del vehículo) a la velocidad exterior, U, generando una capa límite de espesor muy pequeño (típicamente proporcional al inverso del número de Reynolds elevado a una potencia, siendo el número de Reynolds la ratio entre la densidad por la velocidad de fluido dividido por su viscosidad).[0015] In the particular example of a vehicle comprising a fixed surface subjected to an external fluid flow, or main fluid flow, of velocity U, a fluid velocity profile can be defined. In a reference frame anchored to the vehicle, the fluid velocity varies from zero (on the vehicle surface) to the external velocity, U, generating a boundary layer of very small thickness (typically proportional to the inverse of the Reynolds number raised to a power, the Reynolds number being the ratio of fluid density to velocity divided by viscosity).

[0016] El elevado gradiente de velocidades genera un esfuerzo de fricción (fuerza por unidad de área, Tw) sobre la pared del automóvil. Este esfuerzo de fricción es la fuerza necesaria para decelerar el fluido desde U hasta cero en la pared, y su valor puede ser determinado como:[0016] The high velocity gradient generates a frictional stress (force per unit area, Tw) on the car's wall. This frictional stress is the force required to decelerate the fluid from U to zero at the wall, and its value can be determined as:

[0019] [0019]

[0022] siendo[0022] being

[0023] p: la densidad del fluido,[0023] p: the density of the fluid,

[0024] U: la velocidad exterior y[0024] U: the external speed and

[0025] Rex: número de Reynols[0025] Rex: Reynols number

[0027] Dicho número de Reynolds puede ser determinado como:[0027] This Reynolds number can be determined as:

[0030] [0030]

[0033] donde[0033] where

[0034] x: la dimensión longitudinal y[0034] x: the longitudinal dimension and

[0035] gla viscosidad de fluido.[0035] gla fluid viscosity.

[0037] Dicho esfuerzo de fricción (Tw) sobre la superficie del vehículo puede ser correlacionado con su resistencia fluidodinámica de fricción. Si se considera una placa plana de superficie A, siendo su longitud L y su ancho W, es decir, A = L ■ W; la resistencia de fricción (D) ejercida por el fluido exterior que se mueve a una velocidad U resulta:[0037] This frictional stress (Tw) on the vehicle surface can be correlated with its fluid dynamic frictional resistance. If we consider a flat plate of surface area A, with length L and width W, i.e., A = L ■ W; the frictional resistance (D) exerted by the external fluid moving at a velocity U is:

[0040] [0040]

[0043] Dado que esta resistencia fluidodinámica de fricción se trata de una fuerza contraria, la eficiencia del sistema se ve reducida al tener que superar esta resistencia. Según el sector de aplicación, la resistencia fluidodinámica de fricción puede representar alrededor entre un 20 y 100% de las pérdidas. Específicamente, se estima que la resistencia representa el 40% de la resistencia en un avión, 80-90% en barcos y trenes, 20% en automóviles, o el 100% de las pérdidas de presión en el movimiento de fluidos en tuberías. Por tanto, a la hora de diseñar las superficies de contacto con un fluido, se persigue la reducción de la resistencia fluidodinámica.[0043] Since this fluid dynamic friction resistance is an opposing force, the system's efficiency is reduced as it must overcome this resistance. Depending on the application, fluid dynamic friction resistance can represent between 20 and 100% of the losses. Specifically, it is estimated that this resistance accounts for 40% of the drag in an aircraft, 80-90% in ships and trains, 20% in automobiles, or 100% of the pressure losses in fluid flow in pipes. Therefore, when designing surfaces in contact with a fluid, the goal is to reduce fluid dynamic resistance.

[0045] Actualmente, existen soluciones que persiguen la reducción de la resistencia fluidodinámica mediante el control de capa límite. Varias de ellas utilizan también superficies deslizantes para reducir la resistencia.[0045] Currently, there are solutions that aim to reduce fluid dynamic resistance through boundary layer control. Several of these also use sliding surfaces to reduce resistance.

[0047] Por ejemplo, en la solicitud US1785300,Rolling Apron For Airpiane Wings,se describe un dispositivo diseñado para perfiles aerodinámicos, donde se sustituye la superficie alar por un tapiz rodante que fomenta el efecto magnus, persiguiendo en este caso el control de la sustentación más que reducir la fricción.[0047] For example, in application US1785300, Rolling Apron For Airpiane Wings, a device designed for airfoils is described, where the wing surface is replaced by a rolling carpet that promotes the magnus effect, pursuing in this case the control of lift rather than reducing friction.

[0049] Una solución similar es propuesta en la patente US6622973B2,Movable Surface Plane,o en la patente US9394046B2,Fluid Interface Device As Well As Apparatus And Methods Including Same, donde se introducen dos planos de superficie móvil que se mueven de forma independiente y opuesta sobre la superficie alar. El efecto físico que persiguen estas invenciones es mover una superficie en la misma dirección que el flujo de fluido alrededor del plano, y la superficie opuesta en una dirección opuesta al flujo de fluido, el flujo se acelera a través de la superficie que se mueve en la misma dirección para producir una presión menor, y se retrasa a través de la superficie que se mueve en la dirección opuesta para producir una presión mayor. Específicamente, la patente US6622973B2 sustituye la superficie de un perfil aerodinámico por una sucesión de superficies móviles que pueden ser actuadas a voluntad para acelerar el decelerar el fluido, modificando así el cambio de presiones. El resultado neto es una fuerza que impulsa el plano hacia la superficie, moviéndose en la dirección del flujo de fluido ambiental.[0049] A similar solution is proposed in US patent 6622973B2, Movable Surface Plane, and in US patent 9394046B2, Fluid Interface Device As Well As Apparatus And Methods Including The Same, where two movable surface planes are introduced that move independently and in opposite directions on the wing surface. The physical effect pursued by these inventions is to move one surface in the same direction as the fluid flow around the plane, and the opposite surface in a direction opposite to the fluid flow. The flow is accelerated across the surface moving in the same direction to produce lower pressure, and slowed across the surface moving in the opposite direction to produce higher pressure. Specifically, US patent 6622973B2 replaces the surface of an airfoil with a series of movable surfaces that can be actuated at will to accelerate or decelerate the fluid, thereby modifying the pressure change. The net result is a force that propels the plane towards the surface, moving in the direction of the ambient fluid flow.

[0051] La utilización de un rodillo que se pueden mover de forma activa para controlar la capa límite también se ha utilizado de forma regular en varias invenciones, por ejemplo, en la solicitud US3092354,Aerodynamic System And Apparatus,donde revela un cilindro giratorio que disminuye la fricción del aire en un ala de avión plegable. Un mecanismo similar se puede encontrar en la solicitud de patente US5590854A,Movable sheet for laminar flow and deicing.La invención incluye una lámina móvil que se monta en forma de voluta sobre dos rodillos accionados por motor, se trata de un mecanismo activo que persigue re-laminarizar la capa límite y eliminar capas de hielo.[0051] The use of an actively movable roller to control the boundary layer has also been regularly used in several inventions, for example, in application US3092354, Aerodynamic System And Apparatus, which discloses a rotating cylinder that reduces air friction on a folding aircraft wing. A similar mechanism can be found in patent application US5590854A, Movable sheet for laminar flow and deicing. The invention includes a movable sheet mounted in a scroll shape on two motor-driven rollers; it is an active mechanism that aims to re-laminarize the boundary layer and remove ice layers.

[0053] Finalmente, existen soluciones también ejemplos de documentos, por ejemplo, la patente US10583872B1,Flow rollers,o la solicitud CN102777450A,Novel resistance-reducing structure of high-speed surface;donde se utilizan una sucesión de rodillos pegados a la superficie de automóviles. Alternativamente, la patente china CN108167282B,Device for reducing fríctional resistance and method for reducing viscous fríctional resistance of fluid by means of device,combina diferentes esferas sobre la superficie persiguiendo el mismo efecto que la US10583872B1.[0053] Finally, there are also example solutions documented in documents, such as US patent 10583872B1, Flow rollers, or application CN102777450A, Novel resistance-reducing structure of high-speed surface; where a series of rollers are attached to the surface of automobiles. Alternatively, the Chinese patent CN108167282B, Device for reducing frictional resistance and method for reducing viscous frictional resistance of fluid by means of device, combines different spheres on the surface, pursuing the same effect as US patent 10583872B1.

[0055] La solicitud CN1730950A,Multiple moveable wall surface drag reduction device for fluid,introduce una sucesión de superficies móviles (a modo de multicapas) que argumenta reducen la resistencia en cada una de ellas introduciendo lubricante entre las distintas capas. Aunque el mecanismo está diseñado con un fin similar a la presente solución, utiliza un concepto físico diferente al reducir la resistencia mediante la generación de una serie de “engranajes” o sucesión de cilindros fluidos. Según esta solución, la reducción de resistencia presentada apenas alcanza el 15%.[0055] Application CN1730950A, Multiple moveable wall surface drag reduction device for fluid, introduces a series of movable surfaces (in the form of multiple layers) that it claims reduce resistance in each of them by introducing lubricant between the different layers. Although the mechanism is designed for a similar purpose to the present solution, it uses a different physical concept by reducing resistance through the generation of a series of “gears” or a succession of fluid cylinders. According to this solution, the resistance reduction achieved is barely 15%.

[0057] La solicitud US2019/0047640A1 describe un aparato y un método para la reducción de la resistencia viscosa. El aparato incluye un par de rodillos conectados a una superficie de soporte en el techo del vehículo, una correa con una superficie de fricción parcialmente envuelta alrededor del par de rodillos, de modo que los rodillos permiten que la correa gire en respuesta al flujo de aire generado alrededor del vehículo cuando este está en movimiento. El par de rodillos tiene una longitud en dirección axial que es al menos igual al ancho de la correa. El conjunto formado por los rodillos y la correa está al menos parcialmente empotrado con respecto a la línea superior del techo, y una cubierta de flujo inverso está conectada al extremo delantero del techo del vehículo para bloquear el flujo de aire de retorno generado por la correa al girar.[0057] Application US2019/0047640A1 describes an apparatus and method for reducing viscous resistance. The apparatus includes a pair of rollers attached to a support surface on the vehicle roof, a belt with a friction surface partially wrapped around the pair of rollers, such that the rollers allow the belt to rotate in response to the airflow generated around the vehicle when it is in motion. The roller pair has an axial length at least equal to the width of the belt. The roller and belt assembly is at least partially recessed with respect to the top line of the roof, and a reverse-flow cover is attached to the front end of the vehicle roof to block the backflow of air generated by the rotating belt.

[0059] La solicitud US4502724A describe el exterior de un vehículo, por ejemplo, el techo de un vehículo terrestre como la cabina de un tráiler, remolque, camión, autobús, automóvil, furgoneta, vagón de tren o similar, donde dicho exterior está provisto de una superficie móvil expuesta, que se desplaza hacia atrás relativamente más rápido que el avance del vehículo. Como resultado, el vehículo puede ejercer menos presión sobre el suelo, lo que permite transportar más peso. En una realización preferida la superficie móvil está constituida por el tramo superior expuesto de una banda sin fin guiada sobre rodillos delantero y trasero, provistos de un mecanismo de accionamiento, por ejemplo, para hacer girar al menos uno de los rodillos. El tramo inferior de la banda puede estar oculto.[0059] Application US4502724A describes the exterior of a vehicle, for example, the roof of a land vehicle such as the cab of a trailer, semi-trailer, truck, bus, car, van, train car, or the like, wherein said exterior is provided with an exposed moving surface that moves backward relatively faster than the vehicle moves forward. As a result, the vehicle can exert less pressure on the ground, allowing it to carry more weight. In a preferred embodiment, the moving surface is formed by the exposed upper section of an endless belt guided on front and rear rollers, provided with a drive mechanism, for example, to rotate at least one of the rollers. The lower section of the belt may be concealed.

[0061] La patente US11679869B2 describe una superficie de baja resistencia para un objeto expuesto a flujo de fluido, siendo dicha superficie de baja resistencia una superficie aerodinámica que comprende una región recortada, y una superficie continuamente desplazable que incluye una porción de superficie. La porción de superficie está posicionada en la región recortada de manera que la superficie aerodinámica y la porción de superficie forman una superficie de contacto con el fluido, y dicha porción de superficie es desplazable en relación con la superficie aerodinámica.[0061] US patent 11679869B2 describes a low-drag surface for an object exposed to fluid flow, said low-drag surface being an aerodynamic surface comprising a cut-out region, and a continuously movable surface including a surface portion. The surface portion is positioned in the cut-out region such that the aerodynamic surface and the surface portion form a fluid contact surface, and said surface portion is movable relative to the aerodynamic surface.

[0063] A pesar de las numerosas soluciones existentes actualmente, persisten problemas aún sin resolver. Entre estos problemas, se pueden destacar:[0063] Despite the numerous solutions currently available, some problems remain unresolved. These problems include:

[0064] - Baja eficiencia en la reducción de la resistencia por fricción[0064] - Low efficiency in reducing frictional resistance

[0065] - Coste elevado de las soluciones conocidas[0065] - High cost of known solutions

[0066] - Limitación en las aplicaciones[0066] - Limitation in applications

[0068] Es necesario, por tanto, el desarrollo de nuevas soluciones que solventen los inconvenientes señalador anteriores.[0068] It is therefore necessary to develop new solutions that address the aforementioned problems.

[0070] Sumario de la invención[0070] Summary of the invention

[0072] Como solución ante los inconvenientes previamente señalados, la presente invención se refiere a un sistema reductor de la resistencia fluidodinámica.[0072] As a solution to the aforementioned problems, the present invention relates to a fluid dynamic resistance reducing system.

[0074] Dicho sistema reductor comprende un chasis fijo y un medio deslizante.[0074] Said reduction system comprises a fixed chassis and a sliding means.

[0076] El chasis fijo comprende a su vez una primera pared fija y una segunda pared fija, configuradas para entrar en contacto con una corriente de fluido, donde las primera y segunda pared fija están unidas por una pared interior definiendo una cavidad entre dicha primera y segunda pared fija en la dirección de la corriente de fluido.[0076] The fixed chassis in turn comprises a first fixed wall and a second fixed wall, configured to come into contact with a fluid stream, wherein the first and second fixed walls are joined by an inner wall defining a cavity between said first and second fixed walls in the direction of the fluid stream.

[0078] Por otro lado, el medio deslizante que comprende un cilindro anterior y un cilindro posterior, los cuales, junto con un tapiz rodante, dan lugar a una cinta deslizante sin fin.[0078] On the other hand, the sliding means comprising a front cylinder and a rear cylinder, which together with a rolling belt give rise to an endless sliding belt.

[0079] Específicamente, el cilindro anterior y el cilindro posterior se encuentran soportados en el chasis. El cilindro anterior está enfrentado a la primera pared fija mientras que el cilindro posterior está enfrentado a la segunda pared fija. La forma de ser soportados en el chasis les permite ser rotativos en torno a un eje central dispuesto de manera perpendicular a la dirección de la corriente de fluido sobre la que se quiere reducir la resistencia.[0079] Specifically, the front and rear cylinders are supported on the chassis. The front cylinder faces the first fixed wall, while the rear cylinder faces the second fixed wall. Their chassis support allows them to rotate around a central axis perpendicular to the direction of the fluid flow for which resistance reduction is desired.

[0081] Por su parte, el tapiz rodante es un elemento pasivo, deslizante en presencia de la corriente de fluido. Se encuentra definido en sus extremos por el cilindro anterior y cilindro posterior. De este modo, se puede diferenciar una cara interna del tapiz, la cual contiene al conjunto de los cilindros, es decir, al menos al cilindro anterior y posterior en contacto con un primer extremo y un segundo extremo, respectivamente.[0081] The rolling belt, for its part, is a passive element that slides in the presence of the fluid flow. It is defined at its ends by the front and rear cylinders. Thus, an inner face of the belt can be distinguished, which contains the set of cylinders, that is, at least the front and rear cylinders in contact with a first and second end, respectively.

[0083] Consecuentemente, se puede definir una cara externa. Dicha cara externa comprende una superficie exterior, enfrentada a la corriente de fluido, y una superficie interior, enfrentada a la pared interior del chasis fijo.[0083] Consequently, an external face can be defined. This external face comprises an outer surface, facing the fluid flow, and an inner surface, facing the inner wall of the fixed chassis.

[0085] El medio deslizante se dispone en la cavidad presente en el chasis, definiendo una entrada de fluido entre el segundo extremo del tapiz rodante y la segunda pared fija y una salida entre el primer extremo del tapiz rodante y la primera pared fija, unidas por un canal interior tal que, en uso, es atravesado por un flujo de Couette con un sentido opuesto a la corriente de fluido. Al sustituir una superficie rígida, por ejemplo, en una pared de un vehículo o una tubería, por un sistema según lo descrito que comprende un medio deslizante con un tapiz rodante, la fuerza de fricción ejercerá una función tractora del medio deslizante.[0085] The sliding medium is arranged in the cavity present in the chassis, defining a fluid inlet between the second end of the rolling belt and the second fixed wall and an outlet between the first end of the rolling belt and the first fixed wall, joined by an internal channel such that, in use, it is traversed by a Couette flow in the opposite direction to the fluid flow. By replacing a rigid surface, for example, on a vehicle wall or a pipe, with a system as described comprising a sliding medium with a rolling belt, the frictional force will exert a traction function on the sliding medium.

[0087] Debido a que inicialmente dicho medio deslizante está parado, no habrá ninguna otra fuerza que evite el movimiento, más allá que la propia rigidez del medio o la resistencia al movimiento de los rodamientos de los cilindros, anterior y posterior, que provocarán una pequeña pérdida de eficiencia del sistema.[0087] Because initially said sliding medium is stationary, there will be no other force preventing movement, other than the rigidity of the medium itself or the resistance to movement of the bearings of the front and rear cylinders, which will cause a small loss of efficiency of the system.

[0089] Como se indicaba anteriormente, la superficie interior de la cara externa del tapiz rodante está enfrentada por la pared interior del chasis, por lo que, al adquirir velocidad (V), debido al deslizamiento del tapiz rodante, se genera un flujo de retorno en sentido contrario al sentido del fluido que contacta el sistema. Dicho flujo genera una resistencia fluidodinámica que tiende a frenar el medio deslizante.[0089] As previously stated, the inner surface of the outer face of the treadmill is faced by the inner wall of the chassis. Therefore, when the treadmill gains speed (V) due to its sliding motion, a backflow is generated in the opposite direction to the flow of fluid entering the system. This flow creates a fluid dynamic resistance that tends to slow down the sliding medium.

[0090] A diferencia de otras soluciones, como por ejemplo la solicitud CN1730950A, donde se determina una distribución de velocidad equivalente al patrón definido según una capa límite standard o convencional, el sistema está configurado para hacer fluir una capa Couette en el canal interior del sistema. Dicha capa de Couette presenta propiedades fluidas diferentes a una capa límite standard o convencional de un fluido, tal y como se ha empleado en soluciones anteriores, lo que permite simplificar el diseño mecánico del sistema, eliminando la necesidad de complicados engranajes fluidos y dando lugar a una solución mucho más eficiente en términos de reducción de resistencia fluidodinámica de fricción.[0090] Unlike other solutions, such as application CN1730950A, where a velocity distribution equivalent to the pattern defined by a standard or conventional boundary layer is determined, the system is configured to allow a Couette layer to flow in the system's inner channel. This Couette layer exhibits different fluid properties than a standard or conventional boundary layer of a fluid, as used in previous solutions, thus simplifying the system's mechanical design, eliminating the need for complex fluid gears, and resulting in a much more efficient solution in terms of reducing fluid dynamic friction resistance.

[0092] Por tanto, el desplazamiento de un medio deslizante, en la configuración según la presente invención, generando un flujo de Couettte, produce una reducción sustancial de la resistencia fluidodinámica de fricción de la corriente de fluido.[0092] Therefore, the displacement of a sliding medium, in the configuration according to the present invention, generating a Couettte flow, produces a substantial reduction of the fluid dynamic friction resistance of the fluid stream.

[0094] De este modo, a diferencia de otras soluciones anteriores, para un valor de velocidad de la corriente de fluido exterior de U = 100 m/s, tanto con capa límite laminar como turbulenta, se obtienen valores de reducción de resistencia fluidodinámica superiores al 95% para espesores de la capa de Couette inferiores a 1 cm. Se aprecia como la reducción de la resistencia fluidodinámica es sorprendentemente elevada frente a otras soluciones anteriores, donde se alcanzaba un 15%, dando lugar a una solución a los problemas presentes en las soluciones actuales.[0094] Thus, unlike previous solutions, for an external fluid flow velocity of U = 100 m/s, with both laminar and turbulent boundary layers, fluid dynamic resistance reductions exceeding 95% are obtained for Couette layer thicknesses less than 1 cm. The reduction in fluid dynamic resistance is surprisingly high compared to previous solutions, where only 15% was achieved, providing a solution to the problems present in current solutions.

[0096] Lista de referencias empreadas[0096] List of references used

[0098] 100. Sistema reductor[0098] 100. Reduction system

[0099] 1. Primera pared fija[0099] 1. First fixed wall

[0100] 2. Segunda pared fija[0100] 2. Second fixed wall

[0101] 3. Pared interior[0101] 3. Interior wall

[0102] 4. Cavidad[0102] 4. Cavity

[0103] 5. Cilindro anterior[0103] 5. Front cylinder

[0104] 6. Cilindro posterior[0104] 6. Rear cylinder

[0105] 7. Tapiz rodante[0105] 7. Rolling carpet

[0106] 8. Primer extremo del tapiz[0106] 8. First end of the tapestry

[0107] 9. Segundo extremo del tapiz[0107] 9. Second end of the tapestry

[0108] 10. Entrada de fluido[0108] 10. Fluid inlet

[0109] 11. Salida de fluido[0109] 11. Fluid outlet

[0110] 12. Canal interior[0110] 12. Interior Channel

[0111] Breve descripción de las figuras[0111] Brief description of the figures

[0113] La Figura 1 muestra una perspectiva de una realización particular del aparato reductor según la presente invención que comprende dos cilindros, un cilindro posterior y un cilindro anterior, soportando un tapiz rodante de un medio deslizante dispuesto en la cavidad del chasis fijo de un sistema reductor.[0113] Figure 1 shows a perspective view of a particular embodiment of the reducing apparatus according to the present invention comprising two cylinders, a rear cylinder and a front cylinder, supporting a rolling belt of a sliding medium disposed in the cavity of the fixed chassis of a reducing system.

[0115] La Figura 2 muestra un perfil de una realización particular del aparato reductor según la presente invención que comprende dos cilindros soportando un tapiz rodante, donde se muestra el perfil de velocidades[0115] Figure 2 shows a profile of a particular embodiment of the reducing apparatus according to the present invention comprising two cylinders supporting a rolling belt, where the speed profile is shown

[0117] La Figura 3 muestra un perfil de velocidades obtenido en una simulación numérica, según un perfil superior de capa límite y un perfil inferior de flujo de Couette, dispuesto entre la cara exterior inferior del medio deslizante y la pared interior del chasis fijo.[0117] Figure 3 shows a velocity profile obtained in a numerical simulation, according to an upper boundary layer profile and a lower Couette flow profile, arranged between the lower outer face of the sliding medium and the inner wall of the fixed chassis.

[0119] La Figura 4 muestra la velocidad obtenida en gradiente de una simulación numérica del flujo cercano al cilindro posterior, donde se detallan las líneas de corriente.[0119] Figure 4 shows the velocity obtained on a gradient from a numerical simulation of the flow near the rear cylinder, where the streamlines are detailed.

[0121] La Figura 5 muestra la velocidad obtenida en gradiente de una simulación numérica del flujo cercano al cilindro anterior, donde se detallan las líneas de corriente.[0121] Figure 5 shows the velocity obtained in gradient from a numerical simulation of the flow near the previous cylinder, where the streamlines are detailed.

[0123] La Figura 6 muestra una comparación de los perfiles de velocidades (v) adimensionales de un flujo de Couette y una capa límite frente a la distancia adimensional (y) a la pared.[0123] Figure 6 shows a comparison of the dimensionless velocity (v) profiles of a Couette flow and boundary layer versus the dimensionless distance (y) to the wall.

[0125] La Figura 7 muestra el porcentaje de reducción de resistencia fluidodinámica por fricción y relación de la velocidad del medio deslizante respecto a la corriente exterior en función de la altura del canal interior (h), en metros, obtenido en una realización del sistema reductor contactada por una corriente de fluido con velocidad de 100 m/s y viscosidad cinemática 10-6 m2/s, en caso de flujo laminar (a) y en caso de flujo turbulento (b).[0125] Figure 7 shows the percentage reduction of fluid dynamic resistance due to friction and the ratio of the speed of the sliding medium to the external flow as a function of the height of the inner channel (h), in meters, obtained in an embodiment of the reducing system contacted by a fluid flow with a speed of 100 m/s and kinematic viscosity 10-6 m2/s, in the case of laminar flow (a) and in the case of turbulent flow (b).

[0127] La Figura 8 muestra el porcentaje de reducción de resistencia fluidodinámica por fricción y relación de la velocidad del medio deslizante respecto a la corriente de fluido de flujo turbulento, en función de la velocidad de la corriente de fluido para un valor genérico de la altura del canal interior (h) de 0,01 m y viscosidad cinemática 10-6 m2/s.[0127] Figure 8 shows the percentage reduction of fluid dynamic resistance due to friction and the ratio of the speed of the sliding medium to the fluid stream of turbulent flow, as a function of the fluid stream speed for a generic value of the inner channel height (h) of 0.01 m and kinematic viscosity 10-6 m2/s.

[0128] La Figura 9 muestra la energía mecánica generada en función de la velocidad exterior para una realización del sistema reductor que comprende un canal interior con una altura h = 0,01 m y es contactado por un fluido de viscosidad cinemática 10-6 m2/s.[0128] Figure 9 shows the mechanical energy generated as a function of the external velocity for an embodiment of the reduction system comprising an inner channel with a height h = 0.01 m and is contacted by a fluid of kinematic viscosity 10-6 m2/s.

[0130] La Figura 10 muestra el detalle de una malla computacional según una realización particular del sistema reductor donde la entrada y salida de fluido presenta una pared interior recta.[0130] Figure 10 shows the detail of a computational mesh according to a particular embodiment of the reducing system where the fluid inlet and outlet have a straight inner wall.

[0132] La Figura 11 muestra el detalle de una malla computacional según una realización particular del sistema reductor donde la entrada y salida de fluido presenta una pared interior redondeada.[0132] Figure 11 shows the detail of a computational mesh according to a particular embodiment of the reducing system where the fluid inlet and outlet have a rounded inner wall.

[0134] Descripción detallada de la invención[0134] Detailed description of the invention

[0136] Tal y como se aprecia en la Figura 1, el sistema reductor (100) según la presente invención comprende un chasis fijo y un medio deslizante. A diferencia de otras soluciones anteriores, la presente invención logra intercambiar una fricción por capa límite standard o convencional de la corriente de fluido en una superficie exterior por una fricción de una capa de Couette, mucho menos resistente a la capa límite standard, logrando así la reducción de la resistencia fluidodinámica por fricción del sistema reductor (100).[0136] As shown in Figure 1, the reduction system (100) according to the present invention comprises a fixed chassis and a sliding medium. Unlike other prior solutions, the present invention replaces standard or conventional boundary layer friction of the fluid flow on an outer surface with Couette layer friction, which is much less resistant than the standard boundary layer, thereby reducing the fluid dynamic resistance due to friction of the reduction system (100).

[0138] Para ello, el chasis fijo del sistema comprende a su vez una primera pared fija (1) y una segunda pared fija (2), configuradas para entrar en contacto con una corriente de fluido, donde dichas primera y segunda pared fija (1, 2) están unidas por una pared interior (3) definiendo una cavidad (4) entre dicha primera y segunda pared fija (1,2) en la dirección de la corriente de fluido.[0138] To this end, the fixed chassis of the system comprises in turn a first fixed wall (1) and a second fixed wall (2), configured to come into contact with a fluid stream, wherein said first and second fixed walls (1, 2) are joined by an inner wall (3) defining a cavity (4) between said first and second fixed walls (1,2) in the direction of the fluid stream.

[0140] En dicha cavidad (4) se dispone un medio deslizante. Dicho medio deslizante está compuesto por, al menos, un cilindro anterior (5) y un cilindro posterior (6), los cuales, junto con un tapiz rodante (7), dan lugar a una cinta deslizante sin fin.[0140] A sliding means is arranged in said cavity (4). Said sliding means consists of at least a front cylinder (5) and a rear cylinder (6), which, together with a rolling belt (7), give rise to an endless sliding belt.

[0142] Específicamente, el cilindro anterior (5) y el cilindro posterior (6) se encuentran soportados en el chasis del sistema. El cilindro anterior (5) está enfrentado a la primera pared fija (1) mientras que el cilindro posterior (6) está enfrentado a la segunda pared fija (2). La forma de ser soportados en el chasis les permite ser rotativos en torno a un eje central, correspondiente al eje de revolución, dispuesto de manera perpendicular a la dirección de la corriente de fluido sobre la que se quiere reducir la resistencia.[0142] Specifically, the front cylinder (5) and the rear cylinder (6) are supported on the system chassis. The front cylinder (5) faces the first fixed wall (1), while the rear cylinder (6) faces the second fixed wall (2). Their chassis support allows them to rotate around a central axis, corresponding to the axis of revolution, positioned perpendicular to the direction of the fluid flow for which resistance reduction is desired.

[0143] Por su parte, el tapiz rodante (7) es un elemento pasivo, deslizante en presencia de la corriente de fluido. Se encuentra definido en sus extremos por los contactos con el cilindro anterior (5) y cilindro posterior (6). De este modo, se puede diferenciar una cara interna del tapiz rodante (7), la cual, opcionalmente, puede contener en su interior un conjunto de cilindros, definido en sus extremos por el cilindro anterior (5) y el cilindro posterior (6). Es decir, el conjunto de cilindros del medio deslizante puede presentar al menos un cilindro interior, dispuesto entre el cilindro anterior (5) y el cilindro posterior (6). Independientemente del número total del conjunto de cilindros, el cilindro anterior (5) y el cilindro posterior (6) están en contacto con un primer extremo (8) y un segundo extremo (9), respectivamente.[0143] The rolling belt (7) is a passive element that slides in the presence of the fluid flow. Its ends are defined by its contacts with the front cylinder (5) and rear cylinder (6). An inner face of the rolling belt (7) can be distinguished, which may optionally contain a set of cylinders, defined at its ends by the front cylinder (5) and the rear cylinder (6). That is, the set of cylinders of the sliding element may have at least one inner cylinder, positioned between the front cylinder (5) and the rear cylinder (6). Regardless of the total number of cylinders in the set, the front cylinder (5) and the rear cylinder (6) are in contact with a first end (8) and a second end (9), respectively.

[0145] Consecuentemente, se puede definir una cara externa. Dicha cara externa comprende una superficie exterior, enfrentada a la corriente de fluido sobre la que se quiere reducir la resistencia, y una superficie interior, enfrentada a la pared interior (3).[0145] Consequently, an external face can be defined. This external face comprises an outer surface, facing the fluid flow on which resistance is to be reduced, and an inner surface, facing the inner wall (3).

[0147] Como se indicaba previamente, el medio deslizante se dispone en la cavidad (4) presente en el chasis, definiendo una entrada (10) de fluido entre el segundo extremo (9) del tapiz rodante (7) y la segunda pared fija (2) y una salida (11) entre el primer extremo (8) del tapiz rodante (7) y la primera pared fija (1), unidas por un canal interior (12), configurado para, en uso, ser atravesado por un flujo de Couette con un sentido opuesto a la corriente de fluido.[0147] As previously stated, the sliding medium is arranged in the cavity (4) present in the chassis, defining a fluid inlet (10) between the second end (9) of the rolling belt (7) and the second fixed wall (2) and an outlet (11) between the first end (8) of the rolling belt (7) and the first fixed wall (1), joined by an inner channel (12), configured to, in use, be traversed by a Couette flow in the opposite direction to the fluid flow.

[0149] Como se aprecia en la Figura 2, donde se muestra el perfil del sistema reductor (100), el canal interior (12) presenta una altura h de modo que permite ser atravesado por un flujo de Couette.[0149] As can be seen in Figure 2, which shows the profile of the reducing system (100), the inner channel (12) has a height h so that it allows to be traversed by a Couette flow.

[0151] Para lograr la generación de un flujo de Couette como el descrito en la presente invención, es necesario elegir adecuadamente la configuración del sistema reductor (100), que puede ser representada por el parámetro de diseño Reynolds h (Reh).[0151] To achieve the generation of a Couette flow as described in the present invention, it is necessary to choose the appropriate configuration of the reducing system (100), which can be represented by the Reynolds h (Reh) design parameter.

[0154] [0154]

[0156] siendo[0156] being

[0157] p: la densidad del fluido,[0157] p: the density of the fluid,

[0158] p: la viscosidad dinámica del fluido,[0158] p: the dynamic viscosity of the fluid,

[0159] V: la velocidad del tapiz rodante (7) y[0159] V: the speed of the treadmill (7) and

[0160] h: el espesor de canal interior (12).[0160] h: the thickness of the inner channel (12).

[0162] Este parámetro adimensional es crítico a la hora de diseñar el sistema de reducción (100), específicamente la disposición del medio deslizante, de modo que se defina un espesor (h) adecuado del canal interior (12), lo que permite obtener las ventajas en términos de resistencia fluidodinámica de la solución.[0162] This dimensionless parameter is critical when designing the reduction system (100), specifically the arrangement of the sliding medium, so that an appropriate thickness (h) of the inner channel (12) is defined, allowing the advantages in terms of fluid dynamic resistance of the solution to be obtained.

[0164] Para corroborar la importancia del parámetro Reh, se realizó una simulación, empleando la herramienta computacional StarCCm+ según un modelo de ecuaciones fluidas de Navier-Stokes, del canal interior (12) del sistema de reducción (100), definiendo un tapiz rodante (7) y la pared interior (3).[0164] To corroborate the importance of the Reh parameter, a simulation was performed, using the StarCCm+ computational tool according to a Navier-Stokes fluid equation model, of the inner channel (12) of the reduction system (100), defining a rolling carpet (7) and the inner wall (3).

[0166] Dicha simulación permite comparar los perfiles de velocidad para distintos valores de Reh, y comprobar cuando se desvían del perfil de Couette (lineal) a uno típico de capa límite (parabólico) con mucha mayor resistencia.[0166] This simulation allows comparing velocity profiles for different values of Reh, and checking when they deviate from the Couette profile (linear) to a typical boundary layer profile (parabolic) with much greater resistance.

[0168] La Figura 3 muestra un perfil de velocidades (vel.) obtenido en una simulación numérica, según un perfil superior de capa límite y un perfil inferior de flujo de Couette atravesando el canal interior (12), dispuesto entre la cara exterior inferior del medio deslizante y la pared interior del chasis fijo. En esta Figura 3 se logra apreciar la gran diferencia entre la capa límite (parte superior) y una capa de Couette (parte inferior), en el flujo del fluido. Se representa el giro del tapiz rodante (7) por medio de flechas, según el sentido de giro de la superficie exterior y la superficie interior de dicho tapiz rodante (7). En el eje de ordenadas, se representa una coordenada normal (y) medida en m. De este modo, representa un sistema reductor (100) que comprende un canal interior (12) de 0,01 m, un medio deslizante de 3,0 m. por su parte, el eje de abscisas permite distinguir el perfil lineal de la velocidad horizontal del fluido de manera puntual según se encuentra en el canal interior (12).[0168] Figure 3 shows a velocity profile (vel.) obtained from a numerical simulation, based on an upper boundary layer profile and a lower Couette flow profile passing through the inner channel (12), located between the lower outer surface of the sliding medium and the inner wall of the fixed chassis. Figure 3 clearly illustrates the significant difference in fluid flow between the boundary layer (upper part) and a Couette layer (lower part). The rotation of the conveyor belt (7) is represented by arrows, indicating the direction of rotation of the outer and inner surfaces of the conveyor belt (7). The y-axis represents a normal coordinate (y) measured in meters. This represents a reduction system (100) comprising an inner channel (12) of 0.01 m and a sliding medium of 3.0 m. The x-axis shows the linear profile of the horizontal fluid velocity at a specific point within the inner channel (12).

[0170] De manera similar, se puede mostrar la velocidad del flujo de fluido en gradiente existente en la entrada (10), según Figura 4, y la salida (11), según Figura 5. En estas figuras, se puede apreciar las líneas de corriente. Así, se observa como la velocidad del fluido se ve reducida una vez que atraviesa la entrada (10) y pasa al canal interior (12), dando lugar a un perfil de velocidad, tal y como se mostraba en la Figura 3, inferior a 5 m/s.[0170] Similarly, the fluid flow velocity at the inlet (10), as shown in Figure 4, and at the outlet (11), as shown in Figure 5, can be illustrated. The streamlines are visible in these figures. It can be seen how the fluid velocity decreases once it passes through the inlet (10) and into the inner channel (12), resulting in a velocity profile, as shown in Figure 3, of less than 5 m/s.

[0172] En la figura 6 se muestra una comparación de los perfiles de velocidades adimensionales de un flujo de Couette y una capa límite. Se observa que la fuerza de rozamiento (proporcional al gradiente en la pared del perfil de velocidades) es mucho menor en el flujo de Couette que en la placa plana, lo que permite generar el efecto de reducir la resistencia fluidodinámica.[0172] Figure 6 shows a comparison of the dimensionless velocity profiles of a Couette flow and a boundary layer. It can be seen that the drag force (proportional to the gradient at the wall of the velocity profile) is much lower in the Couette flow than in the flat plate, which allows for the effect of reducing fluid dynamic resistance.

[0173] De este modo, de acuerdo con esta simulación, el resultado numérico obtenido permite identificar un valor de Reh crítico de alrededor de 1300, a partir del cual el perfil de velocidades adopta una forma más parecida a capa límite convencional, perdiendo las propiedades fluidas que logra la presente invención. De este modo, en una realización de la solución, el Reynolds h (Reh) que presenta el flujo al atravesar el canal interior (12) del sistema reductor (100) es inferior a 1300. Es decir, en una realización preferente, la altura h del canal interior (12) se encuentra en el intervalo 1 a 100 mm. De este modo, se puede configurar un medio deslizante tal que puede generar un flujo de Couette en dicho canal interior (12) logrando la reducción de la resistencia fluidodinámica.[0173] Thus, according to this simulation, the numerical result obtained allows the identification of a critical Reynolds number (Reh) of approximately 1300, beyond which the velocity profile adopts a shape more similar to a conventional boundary layer, losing the fluid properties achieved by the present invention. Therefore, in one embodiment of the solution, the Reynolds number (Reh) of the flow as it passes through the inner channel (12) of the reducing system (100) is less than 1300. That is, in a preferred embodiment, the height h of the inner channel (12) is in the range of 1 to 100 mm. In this way, a sliding medium can be configured that can generate a Couette flow in said inner channel (12), achieving a reduction in fluid dynamic resistance.

[0175] Adicionalmente, en otra realización particular, el medio deslizante puede disponer de un conjunto de cilindros adicionales, es decir, al menos un cilindro situado entre el cilindro anterior (5) y el cilindro posterior (6). De este modo, se pueden definir dichos cilindros como cilindros intermedios o cilindros interiores. Dichos cilindros interiores pueden ser empleados para mantener la tensión del tapiz rodante (7), en el caso de que dicho tapiz rodante (7) presente una dimensión tal que sufra de este inconveniente.[0175] Additionally, in another particular embodiment, the sliding medium may have a set of additional cylinders, i.e., at least one cylinder located between the front cylinder (5) and the rear cylinder (6). These cylinders may thus be defined as intermediate cylinders or inner cylinders. These inner cylinders may be used to maintain the tension of the conveyor belt (7) if the conveyor belt (7) has a dimension that would cause this problem.

[0177] A modo de ejemplo, se ha considerado una configuración de una realización de un sistema reductor (100) que comprende:[0177] By way of example, a configuration of an embodiment of a reducing system (100) comprising: has been considered:

[0178] - una placa o un tapiz rodante (7) de longitud, L = 3 m,[0178] - a plate or a treadmill (7) of length, L = 3 m,

[0179] - un canal interior (12) de altura, h = 0,01 m, y[0179] - an interior channel (12) of height, h = 0.01 m, and

[0180] - un fluido exterior con una velocidad exterior U = 10 m/s.[0180] - an external fluid with an external velocity U = 10 m/s.

[0182] El contacto entre una corriente de fluido y una placa como la descrita genera un esfuerzo de fricción (Tw), donde, definiendo una capa de Couette puede ser determinado como:[0182] The contact between a fluid stream and a plate as described generates a frictional stress (Tw), where, defining a Couette layer, it can be determined as:

[0185] [0185]

[0188] siendo[0188] being

[0189] p: la viscosidad dinámica del fluido,[0189] p: the dynamic viscosity of the fluid,

[0190] V: la velocidad del tapiz rodante (7),[0190] V: the speed of the treadmill (7),

[0191] h: el espesor de canal interior (12),[0191] h: the inner channel thickness (12),

[0192] dp/dx: el gradiente de presión al que está sometido.[0192] dp/dx: the pressure gradient to which it is subjected.

[0193] Al tratarse de una placa plana, asumiendo que el gradiente de presiones es nulo, la circunferencia de los cilindros es muy pequeña comparada con la longitud del tapiz rodante (7) y, por tanto, su efecto es despreciable, la resistencia total (D) ejercida sobre la parte inferior del tapiz de área A, por donde fluye una capa de Couette, puede ser simplificada como:[0193] Since it is a flat plate, assuming that the pressure gradient is zero, the circumference of the cylinders is very small compared to the length of the rolling belt (7) and, therefore, its effect is negligible, the total resistance (D) exerted on the lower part of the belt of area A, through which a Couette layer flows, can be simplified as:

[0196] [0196]

[0199] Por otra parte, el fluido adyacente a la capa superior del tapiz rodante (7) se moverá a una velocidad del tapiz, de valor V, generando una capa límite tal que la velocidad varía desde el valor V a la velocidad la corriente exterior U. T omando un sistema de referencia anclado a un tapiz rodante (7) moviéndose a una velocidad V, la resistencia fluidodinámica (D) ejercida por la corriente exterior puede ser definida como:[0199] Furthermore, the fluid adjacent to the upper layer of the rolling belt (7) will move at a belt speed, of value V, generating a boundary layer such that the speed varies from the value V to the speed of the external flow U. Taking a reference system anchored to a rolling belt (7) moving at a speed V, the fluid dynamic resistance (D) exerted by the external flow can be defined as:

[0201] 2[0201] 2

[0203] [0203]

fF

[0205] siendo[0205] being

[0206] ReL, el número de Reynolds de la corriente exterior:[0206] ReL, the Reynolds number of the outside stream:

[0209] [0209]

[0212] donde[0212] where

[0213] L es la longitud de la placa del tapiz rodante (7).[0213] L is the length of the tread plate (7).

[0215] La velocidad final de equilibrio a la que se moverá el tapiz rodante (7) viene fijada por el equilibrio de fuerzas entre la resistencia fluidodinámica (D) de la parte inferior (que tiende a frenar el tapiz) y la resistencia fluidodinámica (D) de la parte superior (que tiende a acelerar el tapiz) es decir, a partir de la solución de la ecuación:[0215] The final equilibrium speed at which the treadmill (7) will move is determined by the balance of forces between the fluid dynamic resistance (D) of the lower part (which tends to slow the treadmill) and the fluid dynamic resistance (D) of the upper part (which tends to accelerate the treadmill), i.e., from the solution of the equation:

[0216] [0216]

[0219] De acuerdo con la realización particular, se alcanza un valor inicial Rei_= 3-105, y Reh=1000. En esta realización particular, la reducción de la resistencia fluidodinámica (AD) de un flujo exterior laminar puede ser determinada, y estimarse en una reducción superior al 60%.[0219] According to the particular embodiment, an initial value Rei_= 3-105, and Reh=1000 are achieved. In this particular embodiment, the reduction of the fluid dynamic resistance (AD) of an external laminar flow can be determined, and estimated at a reduction greater than 60%.

[0221] Para un mayor alcance, en la Figura 7, se muestra el porcentaje de dicha reducción de resistencia (AD) y relación de la velocidad del medio deslizante respecto a la corriente exterior en función de la altura del canal interior (h), en metros, obtenido en una realización del sistema contactada por una corriente de fluido con velocidad de 100 m/s. Se muestran dos ejemplos particulares del uso de la presente solución, donde la corriente de fluido en contacto presenta flujo laminar (a) y aquel uso donde la corriente presenta flujo turbulento (b). Específicamente, se muestran los resultados para una placa plana cuadrada de 1 m2, que es contactada por un flujo de de viscosidad cinemática 10-6 m2/s (valores típicos para el agua o aire) en función del espesor de la capa de Couette, equivalente a la altura h del canal interior (12).[0221] For a broader scope, Figure 7 shows the percentage of resistance reduction (AD) and the ratio of the sliding medium's velocity to the external flow as a function of the inner channel height (h), in meters, obtained in an embodiment of the system contacted by a fluid flow with a velocity of 100 m/s. Two specific examples of the use of this solution are shown, where the contacting fluid flow exhibits laminar flow (a) and where the flow exhibits turbulent flow (b). Specifically, the results are shown for a 1 m² square flat plate, contacted by a flow with a kinematic viscosity of 10⁻⁶ m²/s (typical values for water or air) as a function of the Couette layer thickness, equivalent to the height h of the inner channel (12).

[0223] Para un valor de velocidad exterior de 100 m/s, tanto con capa límite laminar como turbulenta, se obtienen valores de reducción de resistencia superiores al 95% para espesores de la capa de Couette inferiores a 1 cm, que proporciona un valor de Reh dentro de los márgenes de Reynolds crítico para mantener el flujo de Couette en el canal interior (12) del sistema reductor (100).[0223] For an outside speed value of 100 m/s, with both laminar and turbulent boundary layers, resistance reduction values greater than 95% are obtained for Couette layer thicknesses less than 1 cm, which provides a Reh value within the critical Reynolds margins to maintain Couette flow in the inner channel (12) of the reducing system (100).

[0225] Asimismo en la Figura 8, se muestra, para una capa límite turbulenta) y para un canal interior (12) con una altura de valor h = 1 cm, el porcentaje de la reducción de resistencia fluidodinámica (D) en función de la velocidad exterior (U), así como el procentaje de la velocidad del medio deslizante respecto a la velocidad exterior (U). Para todos los valores de velocidad exterior (U) la reducción de resistencia fluidodinámica (D) es superior al 99%.[0225] Also in Figure 8, for a turbulent boundary layer and for an inner channel (12) with a height of h = 1 cm, the percentage reduction of fluid dynamic resistance (D) as a function of the external velocity (U), as well as the percentage of the sliding medium's velocity relative to the external velocity (U), is shown. For all values of external velocity (U), the reduction of fluid dynamic resistance (D) is greater than 99%.

[0226] En los cálculos obtenidos por métodos analíticos y confirmados por mecánica de fluidos computacional, se producen disminuciones de resistencia fluidodinámica superiores al 90%. Aunque estos números no tienen en cuenta la perdida de eficiencia debido a transmisión del tapiz deslizante (7), que son estimados estar alrededor del 3%, por ejemplo, empleando un correa de distribución trabajando a un par mínimo de 20 Nm.[0226] In calculations obtained by analytical methods and confirmed by computational fluid mechanics, reductions in fluid dynamic resistance exceeding 90% are produced. Although these numbers do not take into account the loss of efficiency due to sliding belt transmission (7), which are estimated to be around 3%, for example, using a timing belt working at a minimum torque of 20 Nm.

[0228] En una realización particular, la resistencia remanente del medio deslizante puede aprovecharse para alimentar un generador eléctrico. Dicho generador está alimentado mecánicamente por el giro del cilindro. En esta realización particular, el rotor sería el propio cilindro del medio deslizante.[0228] In one particular embodiment, the remaining resistance of the sliding medium can be used to power an electric generator. This generator is mechanically powered by the rotation of the cylinder. In this particular embodiment, the rotor would be the cylinder of the sliding medium itself.

[0230] Esta energía remanente se obtendría de la resistencia de la capa de Couette multiplicado por la velocidad. Dado que la resistencia remanente es pequeña, la posible energía extraida también lo es. A modo de ejemplo se incluye en la Figura 9, donde se muestra la energía mecánica para una configuración de h = 0.01 m y un fluido de referencia con viscositad cinemática de 10-6 m2/s. Se observa que la potencia extraida varía cúbicamente con la velocidad y es posible extraer del orden de 1 W por metro cuadrado de cinta.[0230] This residual energy would be obtained from the resistance of the Couette layer multiplied by the velocity. Since the residual resistance is small, the potential energy extracted is also small. An example is shown in Figure 9, which illustrates the mechanical energy for a configuration of h = 0.01 m and a reference fluid with a kinematic viscosity of 10⁻⁶ m²/s. It can be seen that the extracted power varies cubically with the velocity, and it is possible to extract on the order of 1 W per square meter of tape.

[0232] Adicionalmente, en la Figura 10, se muestra el detalle de una malla computacional según una realización particular del sistema reductor (100). Dicho sistema reductor (100) presenta una entrada (10) y una salida (11) de fluido donde la pared interior (3) es recta. Alternativamente, en la Figura 11, se muestra el detalle de una malla computacional según una realización particular del sistema reductor (100) donde la entrada (10) y salida (12) de fluido presenta una pared interior (3) redondeada. Tanto una realización como la otra presente un resultado similar siendo aceptables ambas realizaciones de la pared interior (3)[0232] Additionally, Figure 10 shows a detailed computational mesh for a particular embodiment of the reducing system (100). This reducing system (100) has a fluid inlet (10) and outlet (11) where the inner wall (3) is straight. Alternatively, Figure 11 shows a detailed computational mesh for a particular embodiment of the reducing system (100) where the fluid inlet (10) and outlet (12) have a rounded inner wall (3). Both embodiments produce similar results, and both embodiments of the inner wall (3) are acceptable.

[0234] Por tanto, las soluciones según la presente invención pueden estar configurada para varias aplicaciones, por ejemplo:[0234] Therefore, the solutions according to the present invention can be configured for various applications, for example:

[0236] 1) Aplicación en transporte de fluidos en tuberías.[0236] 1) Application in fluid transport in pipes.

[0238] Casi el 100% de los costes de transporte de fluidos en tuberías son debidos a las pérdidas de presión por la fricción sobre las paredes. Estás pérdidas requieren el uso de bombas de presión que producen el movimiento de fluido (de mayores a menores presiones). Reducir las pérdidas de fricción empleado un sistema como el descrito en la presente invención implicaría reducir el tamaño y prestaciones de las bombas de presión, reduciendo costes. Además, la realización particular de un sistema conectado a un generador eléctrico permitiría aprovechar parte de la energía remanente para mover el motor de presión reduciendo así su consumo. La solución aquí propuesta sería aplicada a tuberías, aunque al ser la geometría normalmente circular, requeriría de un estudio específico.[0238] Almost 100% of the costs of transporting fluids in pipelines are due to pressure losses from friction against the walls. These losses require the use of pressure pumps that move the fluid (from higher to lower pressures). Reducing friction losses using a system like the one described in the present invention would involve reducing the size and performance of the pressure pumps, thus reducing costs. Furthermore, the specific implementation of a system connected to an electric generator would allow some of the remaining energy to be used to power the pressure pump motor, thereby reducing its consumption. The solution proposed here would be applied to pipelines, although, since the geometry is usually circular, it would require a specific study.

[0240] 2) Reducción de la resistencia fluidodinámica de presión. Control de capas límites desprendidas.[0240] 2) Reduction of pressure fluid dynamic resistance. Control of detached boundary layers.

[0242] La invención se ha centrado principalmente en la reducción de la resistencia de fricción. Sin embargo, al aumentar la velocidad de la capa límite, esta tendría más energía. Capas límites más energéticas son menos propensas a separarse. Si la corriente no se separa y permanece adherida se produciría un efecto muy positivo en la reducción de la resistencia por presión (dominante en automóviles y aviones), permitiendo asimismo reducir las superficies hipersustentadores, como pestañas o flaps, con un enorme impacto en el peso y eficiencia de la aeronave o el vehículo.[0242] The invention has focused primarily on reducing frictional drag. However, by increasing the boundary layer speed, it would have more energy. More energetic boundary layers are less likely to separate. If the flow does not separate and remains adhered, a very positive effect would be produced in reducing pressure drag (dominant in automobiles and aircraft), also allowing for a reduction in high-lift surfaces, such as tabs or flaps, with a huge impact on the weight and efficiency of the aircraft or vehicle.

Claims (6)

1. REIVINDICACIONES1. CLAIMS 1 Un sistema reductor de resistencia fluidodinámica de fricción de una corriente de fluido de velocidad U, donde dicho sistema reductor (100) comprende:1 A fluid dynamic friction resistance reduction system for a fluid stream of velocity U, wherein said reduction system (100) comprises: - un chasis fijo que comprende una primera pared fija (1) y una segunda pared fija (2), configuradas para entrar en contacto con una corriente de fluido, donde dichas primera y segunda pared fija (1,2) están unidas por una pared interior (3) definiendo una cavidad (4) entre dicha primera y segunda pared fija (1,2) en la dirección de la corriente de fluido; y - un medio deslizante que comprende: un cilindro anterior (5) y un cilindro posterior (6) soportados en el chasis de modo que el cilindro anterior (5) está enfrentado a la primera pared fija (1) y el cilindro posterior (6) está enfrentado a la segunda pared fija (2), siendo rotativos en torno a un eje central dispuesto de manera perpendicular a la dirección de la corriente de fluido, y un tapiz rodante (7) pasivo deslizante en presencia de una corriente de fluido, definido en sus extremos por el cilindro anterior (5) y cilindro posterior (6), donde dicho tapiz rodante (7) comprende: una cara interna conteniendo el cilindro anterior (5) y el cilindro posterior (6) rotativos en contacto con un primer extremo (8) y un segundo extremo (9) del tapiz rodante (7), respectivamente, y una cara externa que comprende una superficie exterior, enfrentada a la corriente de fluido, y una superficie interior, enfrentada a la pared interior (3);- a fixed chassis comprising a first fixed wall (1) and a second fixed wall (2), configured to come into contact with a fluid stream, wherein said first and second fixed walls (1,2) are joined by an inner wall (3) defining a cavity (4) between said first and second fixed walls (1,2) in the direction of the fluid stream; and - a sliding means comprising: a front cylinder (5) and a rear cylinder (6) supported on the chassis such that the front cylinder (5) faces the first fixed wall (1) and the rear cylinder (6) faces the second fixed wall (2), being rotatable about a central axis arranged perpendicular to the direction of the fluid flow, and a passive sliding tread (7) in the presence of a fluid flow, defined at its ends by the front cylinder (5) and rear cylinder (6), wherein said tread (7) comprises: an inner face containing the rotatable front cylinder (5) and rear cylinder (6) in contact with a first end (8) and a second end (9) of the tread (7), respectively, and an outer face comprising an outer surface, facing the fluid flow, and an inner surface, facing the inner wall (3); donde dicho medio deslizante está dispuesto en la cavidad (4), definiendo una entrada (10) de fluido entre el segundo extremo (9) del tapiz rodante (7) y la segunda pared fija (2) y una salida (11) entre el primer extremo (9) del tapiz rodante (7) y la primera pared fija (1), unidas por un canal interior (12) de altura h; ywhere said sliding medium is disposed in the cavity (4), defining a fluid inlet (10) between the second end (9) of the rolling belt (7) and the second fixed wall (2) and an outlet (11) between the first end (9) of the rolling belt (7) and the first fixed wall (1), joined by an internal channel (12) of height h; and caracterizado por que el eje central de al menos un cilindro del medio deslizante está conectado a un generador eléctrico accionable por el movimiento del tapiz rodante (7).characterized in that the central axis of at least one cylinder of the sliding medium is connected to an electric generator actuated by the movement of the rolling belt (7). 2. El sistema según la reivindicación 1, donde la altura h del canal interior se encuentra en el intervalo 1 a 10 mm entre la superficie interior del tapiz rodante (7) y la pared interior (3).2. The system according to claim 1, wherein the height h of the inner channel is in the range of 1 to 10 mm between the inner surface of the tread (7) and the inner wall (3). 3. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, donde el medio deslizante comprende al menos un cilindro interior dispuesto entre el cilindro anterior (5) y el cilindro posterior (6).3. The system according to any one of claims 1 to 2, wherein the sliding means comprises at least one inner cylinder disposed between the front cylinder (5) and the rear cylinder (6). 4. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde la pared interior (3) de la entrada (10) o la salida (11) presenta un perfil redondeado.4. The system according to any one of claims 1 to 3, wherein the inner wall (3) of the inlet (10) or outlet (11) has a rounded profile. 5. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde la pared interior (3) de la entrada (10) o la salida (11) presenta un perfil recto.5. The system according to any one of claims 1 to 3, wherein the inner wall (3) of the inlet (10) or outlet (11) has a straight profile. 6. Un método para reducir la resistencia fluidodinámica de fricción de una corriente de fluido de velocidad U y generar electricidad, empleando un sistema reductor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el canal interior (12) es atravesado por un flujo de Couette.6. A method for reducing the fluid dynamic friction resistance of a fluid stream of velocity U and generating electricity, employing a reduction system according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the inner channel (12) is traversed by a Couette flow.
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