ES2994808B2 - Sistema reductor de resistencia fluidodinámica de fricción - Google Patents

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Sistema reductor de resistencia fluidodinámica de fricción

[0005] Campo técnico de la invención

[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.

[0009] Antecedentes de la invención

[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.

[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.

[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).

[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:

[0019]

[0022] siendo

[0023] p: la densidad del fluido,

[0024] U: la velocidad exterior y

[0025] Rex: número de Reynols

[0027] Dicho número de Reynolds puede ser determinado como:

[0030]

[0033] donde

[0034] x: la dimensión longitudinal y

[0035] gla viscosidad de fluido.

[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:

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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%.

[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.

[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.

[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.

[0063] A pesar de las numerosas soluciones existentes actualmente, persisten problemas aún sin resolver. Entre estos problemas, se pueden destacar:

[0064] - Baja eficiencia en la reducción de la resistencia por fricción

[0065] - Coste elevado de las soluciones conocidas

[0066] - Limitación en las aplicaciones

[0068] Es necesario, por tanto, el desarrollo de nuevas soluciones que solventen los inconvenientes señalador anteriores.

[0070] Sumario de la invención

[0072] Como solución ante los inconvenientes previamente señalados, la presente invención se refiere a un sistema reductor de la resistencia fluidodinámica.

[0074] Dicho sistema reductor comprende un chasis fijo y un medio deslizante.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[0096] Lista de referencias empreadas

[0098] 100. Sistema reductor

[0099] 1. Primera pared fija

[0100] 2. Segunda pared fija

[0101] 3. Pared interior

[0102] 4. Cavidad

[0103] 5. Cilindro anterior

[0104] 6. Cilindro posterior

[0105] 7. Tapiz rodante

[0106] 8. Primer extremo del tapiz

[0107] 9. Segundo extremo del tapiz

[0108] 10. Entrada de fluido

[0109] 11. Salida de fluido

[0110] 12. Canal interior

[0111] Breve descripción de las figuras

[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.

[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

[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.

[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.

[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.

[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.

[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).

[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.

[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.

[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.

[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.

[0134] Descripción detallada de la invención

[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).

[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.

[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.

[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.

[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.

[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).

[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.

[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.

[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).

[0154]

[0156] siendo

[0157] p: la densidad del fluido,

[0158] p: la viscosidad dinámica del fluido,

[0159] V: la velocidad del tapiz rodante (7) y

[0160] h: el espesor de canal interior (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.

[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).

[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.

[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).

[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.

[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.

[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.

[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.

[0177] A modo de ejemplo, se ha considerado una configuración de una realización de un sistema reductor (100) que comprende:

[0178] - una placa o un tapiz rodante (7) de longitud, L = 3 m,

[0179] - un canal interior (12) de altura, h = 0,01 m, y

[0180] - un fluido exterior con una velocidad exterior 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:

[0185]

[0188] siendo

[0189] p: la viscosidad dinámica del fluido,

[0190] V: la velocidad del tapiz rodante (7),

[0191] h: el espesor de canal interior (12),

[0192] dp/dx: el gradiente de presión al que está sometido.

[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:

[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:

[0201] 2

[0203]

f

[0205] siendo

[0206] ReL, el número de Reynolds de la corriente exterior:

[0209]

[0212] donde

[0213] L es la longitud de la placa del tapiz rodante (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:

[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%.

[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).

[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).

[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%.

[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.

[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.

[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.

[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)

[0234] Por tanto, las soluciones según la presente invención pueden estar configurada para varias aplicaciones, por ejemplo:

[0236] 1) Aplicación en transporte de fluidos en tuberías.

[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.

[0240] 2) Reducción de la resistencia fluidodinámica de presión. Control de capas límites desprendidas.

[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.

Claims (6)

1. REIVINDICACIONES

1 Un sistema reductor de resistencia fluidodinámica de fricción de una corriente de fluido de velocidad U, donde dicho sistema reductor (100) comprende:

- 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);

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; y

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).

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).

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).

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.

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.

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.