¿La superficie de una pelota de golf es una buena idea para las alas o el fuselaje?

La pelota de golf tiene hoyuelos en su superficie porque queremos una capa límite turbulenta. La pelota de golf es un cuerpo de farol (es decir, el arrastre está dominado por el arrastre de presión). Por lo tanto, el arrastre de una esfera está dominado por la separación en la cara posterior. Si pudiéramos minimizar eso, la resistencia se reduciría.

La siguiente figura muestra la variación del coeficiente de arrastre de una esfera con número de Reynolds.

Imagen de wfis.uni.lodz.pl, tomada de (Hoerner 1965)

Como puede verse, la resistencia se reduce en el número de Reynolds crítico, que es el punto donde se produce la separación. Debido a la separación, se reduce la estela en la parte trasera de la esfera (o bola), lo que reduce la resistencia. Entonces, si la capa límite de una esfera puede volverse turbulenta a un número de Reynolds más bajo (de alguna manera), entonces el arrastre también debería disminuir a ese número de Reynolds, como resultado de la estela reducida. Esto se puede ver en la siguiente imagen, donde el flujo se ha hecho turbulento usando un cable trampa.

Flujo sobre una esfera: (a) Número de Reynolds = 15,000; (b) Número de Reynolds = 30 000, con cable trampa. Imagen de princeton.edu

Ese es el propósito de tener hoyuelos en una pelota de golf: reducir la resistencia al inducir turbulencia y retrasar la separación (esto se puede lograr aumentando el número de Reynolds, pero estamos limitados por la velocidad de la pelota). La estela resultante es mucho más pequeña debido a la separación retrasada.

En el caso de una forma aerodinámica (como el ala de un avión), la proporción de resistencia a la presión es pequeña, como se puede ver a continuación.

Imagen de pilotfriend.com

En el caso de formas aerodinámicas, el arrastre de presión es pequeño porque la estela es pequeña. El resultado neto es que 'tropezar' con la capa límite como en los cuerpos romos no es una buena idea (un flujo laminar causa menos arrastre por fricción que uno turbulento).

Los aviones utilizan dispositivos similares, a través del generador de vórtices , que se utilizan principalmente para retrasar la separación del flujo.

¡Sí, la pregunta tiene mérito!

Respuesta corta

Depende del tamaño y la velocidad del avión. Un avión comercial es demasiado grande y vuela demasiado rápido para beneficiarse de una superficie con hoyuelos. Hacer hoyuelos en la superficie en realidad aumentaría la resistencia. Pero algunos "hoyuelos" ayudan a la escala del modelo de avión.

Explicación

Todo se reduce a la condición de flujo en el punto donde ocurre la separación del flujo . En aire en calma, cada capa límite comienza como una capa límite laminar. Dado que la transferencia de energía a través del flujo estratificado en la capa límite laminar se reduce a cizallamiento, las moléculas cercanas a la pared perderán velocidad rápidamente, de modo que incluso con un modesto aumento de presión aguas abajo, la separación se produce rápidamente.

Dentro de la capa límite laminar, las pequeñas perturbaciones se amortiguan cada vez menos a medida que aumenta el número de Reynolds local , y con un número de Reynolds de alrededor de 400 000 en flujo no acelerado, algunas frecuencias se vuelven inestables (ver Ondas de Tollmien-Schlichting ) y eventualmente crearán demasiadas ondas cruzadas . movimiento que la capa límite se vuelve turbulenta. Ahora, las parcelas de aire que fluyen a gran velocidad en la parte exterior de la capa límite se moverán cerca de la pared y patearán las parcelas lentas hacia adelante, reduciendo en gran medida la desaceleración del flujo cerca de la pared, al precio de ralentizar y expandir toda la capa límite.

Una capa límite turbulenta de este tipo es mucho mejor para seguir un contorno con un gradiente de presión adverso, ya que muestra una menor desaceleración del flujo en la pared. Un aumento de presión generalmente es causado por una forma de cuerpo que se contrae. La separación se retrasa y la separación, una vez que se produce, es mucho menor. La presión en el flujo separado es más baja que la ambiental, por lo que las áreas orientadas hacia atrás con flujo separado provocan un arrastre masivo. Por lo tanto, la separación debe suprimirse el mayor tiempo posible para minimizar la resistencia.

Si el contorno de un cuerpo se contrae en un número de Reynolds local por debajo de donde ocurre la transición natural a una capa límite turbulenta, la capa límite todavía laminar causará una separación temprana. Los hoyuelos de una pelota de golf ayudan a hacer que la capa límite pase a su versión turbulenta, retrasando así la separación y reduciendo la resistencia.

Si el número de Reynolds local (que es proporcional al producto de la velocidad y la longitud del cuerpo) es mayor, de modo que la capa límite se vuelve turbulenta antes de que se alcance la parte del cuerpo con el gradiente de presión adverso, la formación de hoyuelos en la superficie provocará una transición más temprana. , pero no cambiará la ubicación de separación. Peor aún, reducirá el área de flujo laminar, y el área aumentada con una capa límite turbulenta causará más arrastre por fricción . Las fluctuaciones de presión a lo largo de una superficie con hoyuelos debilitarán la capa límite, y el avión con hoyuelos mostrará una separación mayor y más temprana en comparación con una versión suave.

No es necesario perforar toda la superficie si se conoce la dirección local del flujo. Una pelota de golf debe tener hoyuelos alrededor para que al menos algunos terminen donde pueden ayudar a disparar la capa límite, pero en un ala solo una pequeña tira necesita un dispositivo de disparo llamado turbulador . Algunos modelos de aviones y planeadores ya los usan para lograr una menor separación, pero aquí los pequeños hoyuelos son menos efectivos que una cinta en zig-zag. Cómo funciona merece una pregunta propia.

Carrete de cinta en zig-zag ( fuente de la imagen )