1. AERODINAMICA

7/31/2019 1. AERODINAMICA

1/78

PRINCIPIOS

DE

AERODINAMICA

CAPITAN PA. SALVADOR ENRIQUE RIVAS ALFARO


2/78

FLUIDOS.Fluido es aquella sustancia que debido a su poca

cohesin intermolecular, carece de forma propia yadopta la forma del recipiente que lo contiene.Los fluidos se clasifican en lquidos y gases.

Los lquidos a una Temperatura (T) y Presin (P)determinadas ocupan un volumen determinado.

Los gases tambin ocupan un volumen determinada altener T y P., pero si se deja en libertad, se expansionanhasta ocupar el volumen completo del recipiente quelos contiene y no presentan superficie libre.


3/78

FLUIDOS.En resumen:

- Los slidos ofrecen gran resistencia al cambio de forma yvolumen.- Los lquidos ofrecen gran resistencia al cambio de volumenpero no de forma.

- Los gases ofrecen poca resistencia al cambio de forma y devolumen.

Por lo tanto, el comportamiento de los lquidos y gases es similaren conductos cerrados.

En general los gases son muy compresibles y aunque el fluidoincompresible no existe en realidad, muchos problemas eningeniera se resuelven suponiendo fluidos incompresibles.


4/78

DENSIDAD ESPECIFICA O ABSOLUTA.La densidad es la masa por unidad de volumen

Donde mes masa en kg.

Ves volumen en m3 .

La densidad absoluta es funcin de la temperatura y de la presin

m =

V


5/78

PESO ESPECIFICO.

Es el peso por unidad de volumen

Donde Wes peso en N.

Ves volumen en m3 .

El peso especfico es funcin de la temperatura y de la presin (enlos lquidos no vara con esta ltima)

W=

V


6/78

VOLUMEN ESPECIFICO.Es el recproco de la densidad absoluta

O sea, el volumen que ocupa 1 kg de masa de la sustancia

Para el caso del aire, a presin atmosfrica y a 4 C, su densidadaproximada es de 1.3 kg/m3 .

Y su volumen especfico es de 1/1.3 m3 /kg

1v=


7/78

COMPRESIBILIDAD.En los fluidos al igual que en los slidos, se verifica laley fundamental de la elasticidad:

El esfuerzo unitario es igual a la deformacin unitaria.

Consideraremos el esfuerzo unitario como el esfuerzode compresin y la deformacin unitaria como una

deformacin en el volumen


8/78

VISCOSIDAD.

Entre las molculas de un fluido existen fuerzas que sedenominan fuerzas de cohesin.

Al desplazarse unas molculas con relacin a otras se

produce una friccin entre ellas.Entre las molculas de un fluido en contacto con unslido y las molculas de este cuerpo slido existenfuerzas moleculares denominadas fuerzas de adherencia.

El coeficiente de friccin interna del fluido se denominaviscosidady se designa con la letra (etta)


9/78

VISCOSIDAD.En un fluido ideal la = 0, y por lo tanto no existir

resistencia alguna al movimiento de las molculas oresistencia a la deformacin.

La viscosidad, como cualquier otra propiedad del

fluido, depende del estado del fluido caracterizado poral presin y la temperatura.


10/78

VISCOSIDAD CINEMATICA.En aerodinmica, adems de las fuerzas debidas a la

viscosidad, intervienen otras fuerzas debidas a ladensidad: Fuerzas de Inercia.

Por ello, se relaciona la viscosidad dinmica referida a la

densidad, o sea la relacin entre viscosidad dinmica ()y la densidad (), que se denomina viscosidadcinemtica.

La viscosidad cinemtica del aire vara mucho con la presin ycon la temperatura

v=


11/78

FLUIDO IDEAL.En la realidad es imposible encontrar un fluido ideal.

En mecnica de fluidos se utiliza como una hiptesispara simplificar las ecuaciones matemticas en elestudio de la aerodinmica.

Fluido ideal es aquel cuya viscosidad es nula y se puedeexpresar por = 0.

En ningn fluido real la viscosidad ser nula, as unavin volando en aire ideal no experimentararesistencia alguna.


12/78

PRESION.Un cuerpo slido de peso W, se encuentra en equilibrio

sobre una superficie plana, siendoAel rea de contacto.Se denomina presin del cuerpo (P) sobre la superficiehorizontal, debida a la fuerza vertical (W)a la relacin:

P = W/AEl cuerpo est en equilibrio gracias a otra fuerza W yde sentido contrario que la superficie plana ejerce sobreel cuerpo y que se denomina reaccin R, la cual esnormal a la superficie


13/78

PRESION.PROPIEDADES

1. La presin en un punto de un fluido en reposo esigual en todas las direcciones.

P1

P1

P2P2


14/78

PRESION.PROPIEDADES

2. la presin en todos los puntos situados en un mismo

plano horizontal, en el seno de un fluido en reposo es la

misma.

P1

P1

P2P2

P3 P3


15/78

PRESION.PROPIEDADES

3. En un fluido en reposo, la fuerza de contacto que

ejerce en el interior del fluido una parte del fluido sobre

otra contigua, tiene la direccin normal a la superficie de

contacto.

F

F1


16/78

PRESION.PROPIEDADES

4. La fuerza de presin en un fluido en reposo, se dirige

siempre hacia el interior del fluido, es decir es una

compresin y jams una traccin.

P

P


17/78

PRESION.PROPIEDADES

5. La superficie libre de un lquido en reposo es siempre

horizontalP


18/78

UNIDADES DE PRESION

En el Sistema Internacional:

1P = 1 N/ m2. (Pascal)En la prctica se utilizan pulgadas de mercurio o mm demercurio.

Podemos deducir una ecuacin para pasar unidades delongitud de columna a unidades de presin:

Consideremos un recipiente de base horizontal A, lleno delquido con densidad hasta una altura h. Segn la

definicin de presin:P =W/A = Vg / A = A h g / A = h g

P = g h


19/78

PRESION ATMOSFERICA

Sobre la superficie libre de un lquido acta la presin del

aire o gas que sobre ella existe. Esta presin puede adquirirun valor cualquiera en un recipiente cerrado; pero si elrecipiente est abierto, el valor corresponde a la presinatmosfrica existente y es igual al peso de la columna de

aire sobre el punto del fluido.

La presin atmosfrica vara con la temperatura y la

altitud. La presin media normal a 0 y al nivel del mar esde 760 mm Hg = 1.01396 bar


20/78

ECUACION FUNDAMENTAL DE LAHIDROSTATICA DE UN FLUIDO

INCOMPRESIBLE

Si aislamos una porcin de fluido de baseA y altura dh. la presin enla base de la porcin esp. la presin en la parte superior de laporcin es p + dp. La ecuacin de equilibrio esta determinada por

pA (p + dp)A g A dh = 0

dp------- = - g dh

si es ctte. p1 - p2--------- = g ( h2h1 )


21/78

ECUACION FUNDAMENTAL DE LA HIDROSTATICA DE UN FLUIDOINCOMPRESIBLE

pA (p + dp)A g A dh = 0

dp------- = - g dh

si es ctte. p1 - p2--------- = g ( h2h1 )

p1 p2

--- + h1 g = --- + h2g

como 1 y 2 son dos puntos en el seno de un fluido p--- + h g = C


22/78

ECUACION FUNDAMENTAL DE LA HIDROSTATICA DE UN FLUIDOINCOMPRESIBLE

p

--- + h g = C

p+gh = C

Trabajando esta ecuacin y considerando un fluido enmovimiento (energa cintica) se llega a la ecuacin de

Bernoulli para una lnea de corriente: v2

p +gh + ------- = C2


23/78

LINEAS DE CORRIENTE

TRAYECORIA DE LA PARTICULA

Se define como el camino que recorre una partcula de fluido ensu movimiento.

LINEA DE CORRIENTE

Se define a la curva tangente a los vectores velocidad en cadapunto del fluido.

en rgimen permanente, la trayectoria coincide con la lnea decorriente, es decir que las velocidades en puntos 1, 2 y 3 sernsiempre v1, v2 y v3 y la partcula sigue una trayectoria quecoincide con la lnea de corriente


24/78

REGIMENES DE CORRIENTE

CORRIENTE PERMANENTE Y CORRIENTE VARIABLE

PERMANENTE si en cualquier punto del espacio por dondecircula el fluido, no varan con el tiempo las caractersticas deeste. (aunque varen de un punto a otro). En particular su

velocidad y su presin.ejemplo: corriente de agua continua en un canal de pendienteuniforme

VARIABLE si sucede lo contrario.

ejemplo: vaciado de un depsito por un orificio de fondo.


25/78


CORRIENTE UNIFORME Y NO UNIFORME

UNIFORME. Si en cualquier seccin transversal a la corriente,la velocidad en puntos homlogos es igual en magnitud ydireccin.

ejemplo: flujo de un fluido en un tubo de dimetro constante.

NO UNIFORME . En caso contrario.

ejemplo: cono divergente a la salida de una bomba. La velocidaddisminuye a medida que la seccin aumenta.


26/78


CORRIENTE LAMINAR Y TURBULENTALAMINAR, si es perfectamente ordenada, de manera que elfluido se mueve en lminas paralelas que no se mezclan entre s,es decir con movimiento estratificado.

Aceite desplazndose en unatubera circular de dimetroconstante.


27/78


CORRIENTE LAMINAR Y TURBULENTA

TURBULENTA, si es desordenada y el fluido se desplaza conlneas de corriente entrecruzadas, formando pequeos remolinosaperidicos.

En el rgimen turbulento se da mayor disipacin de energa.

Segmentos de trayectorias de diversas

partculas en un mismo espacio detiempo

Trayectoria de una sla partcula


28/78


Flujo laminar de un fluido perfecto entorno al perfil de un objeto


29/78

CAUDAL

El caudal Qes el volumen de fluido por unidad detiempo que pasa a travs de una seccin transversal a lacorriente

VQ = -----

tSi queremos expresar el caudal en relacin a la seccintransversal que cruza:

V A dxQ = ----- = ------- = Av

t t

Q = Avel caudal es igual a la seccin que atraviesa por la

velocidad en esa seccin


30/78

ECUACION DE CONTINUIDAD Consideramos para un hilo de corriente en rgimen permanente,

donde: No entra ni sale fluido lateralmente porque la velocidad es

tangencial al hilo de corriente El hilo de corriente se considera estacionario No se crea ni se destruye masa, por lo que la masa que entra

es la misma masa que sale por una seccin transversaldeterminadam V A dx

----- = Constante = ------- = ----------t t t

Q = Av


31/78

s

s,

V

V

ECUACION DE CONTINUIDAD

S V = S V

CAUDAL: AREA x VELOCIDAD

S x V


32/78

Generalidades:

Donde hay flujo lento en un fluido, encontrar la presin (esttica)aumentada.

Donde hay un aumento de flujo en un fluido, encontrar la presin(esttica) disminuida.

En un fluido estacionario el valor total de la presin se mantieneconstante.

La presin total est constituida por la presin esttica y por la

presin dinmica.

Si la presin dinmica aumenta, la presin esttica disminuye,

Si la presin dinmica disminuye, la presin esttica aumenta.


33/78

ECUACION DE BERNOULLI La ecuacin de Bernoulli se deduce a partir de la ecuacin

fundamental de la hidrosttica considerando un fluido enmovimiento. Esta ecuacin se aplica slo a fluidos ideales e incompresibles que

se mueven a rgimen permanente. Los puntos que se consideran para la deduccin estn situados en

la misma lnea de corriente.

En un fluido ideal no hay viscosidad ni rozamiento, por lo que nose transforma energa hidrulica en trmica.

Aunque la energa se puede transformar de una a otra, por elprincipio de conservacin de la energa, la suma total de la energaque posee la partcula debe permanecer constante


34/78

ECUACION DE BERNOULLI Considerando energas especficas, la suma de estas en un fluido

ideal e incompresible se compone de: Energa geodsica hg

Energa de presin p/

Energa de velocidad v 2 /2

La suma de estas energas debe permanecer constanteP v2

------ + hg + ----- = Constante

2

v2

P +hg + ----- = Constante

2


35/78

TUBO DE VENTURIUn tubo de venturi es usado para medir la velocidad del flujo de un fluido. En lagarganta, el rea es reducida deA1 aA2 y su velocidad se incrementa deV1 aV2. En

el punto 2, donde la velocidad es mxima, la presin es mnima. Esto lo sabemos dela ecuacin de Bernoulli.


36/78

ECUACION DE CONTINUIDAD

APLICADA A UN PERFIL ALAR.

Si las lneas de corriente se juntan al pasar sobre cualquier

superficie del avin, la velocidad del flujo del aire ha aumentado,

si se separan , la velocidad ha disminuido.


37/78

VIENTO RELATIVO


38/78

VIENTO RELATIVO

Es el flujo de aire que pasa sobre un objeto en virtud de la

velocidad relativa entre el aire y el objeto.

El viento que se crea contrario a la direccin del

movimiento del avin


39/78

Borde de ataque. Parte frontal del ala y la primera que entra encontacto con el flujo de aire

Borde de fuga. Seccin delgada posterior donde el flujo de aire

se reencuentralnea de cuerda.La lnea uniendo el borde de ataque y el bordede salidangulo de ataque. El ngulo entre la lnea de cuerda y el vientoque viene de frente.

PARTES DE UN PERFIL ALAR

Angulo de ataque

Borde de ataque

Borde de fuga

Lnea de cuerdaFLUJO


40/78

ngulo de incidencia. es el ngulo agudo formado por la cuerda

del ala con respecto al eje longitudinal del avin. Este ngulo esfijo, pues responde a consideraciones de diseo y no es modificablepor el piloto

ANGULO DE INCIDENCIA


41/78

ANGULO DE ATAQUE.

El ngulo que forma el viento relativo con la cuerda de ala

El A. de ataque. Aumenta o disminuye al operar el control de

profundidad.

Al aumentar el A. de Ataque, la sustentacin aumenta hasta cierto

lmite, que tambin depende del aumento de potencia.

El lmite ocurre cuando se forma turbulencia, el aire entonces ya

no puede seguir la forma del ala, el flujo se desorganiza, se pierde

la sustentacin y el avin se desploma.


42/78


43/78

CAPA LIMITE

Al conjunto de capas que van desde la que tiene velocidad cero (la mscercana al ala) hasta la que tiene velocidad libre se le llama capa lmite, y a ladistancia entre la primera y la ltima espesor de la capa lmite.


44/78


CAPA LIMITE

Capa lmite laminar: Considerado el perfil de un plano,cuando el movimiento del aire se realiza de manera

ordenada, en capas paralelas, obtenemos unacirculacin laminar y por tanto una capa lmite laminar.Capa lmite turbulenta: En ella el movimiento de laspartculas no es en forma de capas paralelas, siendo deforma catica, pasando las molculas de aire de unacapa a otra movindose en todas direcciones.


45/78

CAPA LIMITE



46/78

Fuerza generada por un cuerpo que se desplazapor un fluido, de direccin perpendicular a la dela velocidad de la corriente incidente.

Como con otras fuerzas aerodinmicas, en laprctica, en lugar de fuerzas se utilizancoeficientes adimensionales, que representan la

efectividad de la forma de un cuerpo paraproducir sustentacin y cuyo uso es mscmodo que el de fuerzas.

SUSTENTACION


47/78

Es la principal fuerza que permite que una aeronavecon alas se mantenga en vuelo.

Para la sustentacin se utiliza la notacin L, del trmino

ingls lift, y CLpara el coeficiente de sustentacin, elcual siempre se busca sea lo mayor posible.

Adems, la sustentacin y en consecuencia, sucoeficiente, dependen directamente del ngulo de

ataque, aumentando segn aumenta ste hasta llegar aun punto mximo despus del cual se entra en prdida.

SUSTENTACION


48/78

Una aeronave se sustenta en el aire como consecuenciade la diferencia de presin que se origina al incidir la

corriente de aire en una superficie aerodinmica como es

el ala.

.

SUSTENTACION


49/78


50/78

FLUJO DE AIRE A TRAVES DEL PERFIL

CARACTERISTICAS DEL FLUJO

Antes de llegar al borde de ataque, las lneas de corriente tomanuna direccin ascendente, preparndose para fluir a travs delala. Esto se debe al movimiento ondulatorio que se genera por elpaso del ala a travs del aire

Al dejar el borde de fuga, las lneas de corriente llevan unatrayectoria descendente en ngulo (epsilon) con respecto alviento relativo. Este ngulo se denomina como ngulo dedeflexin. .



51/78


CARACTERISTICAS DEL FLUJO

Al llegar al borde de ataque el viento relativo lleva trayectoriaascendente; al dejar el borde de fuga, lleva trayectoria descendente.Se infiere que el viento relativo cambia a travs del perfil alar, porlo que se toma como referencia unviento relativo medio pararealizar clculos.

VR


52/78


53/78



54/78

FLUJO DE AIRE A TRAVES DEL PERFIL La sustentacin se descompone en dos: Sustentacin efectiva y

Resistencia inducida.

La segunda es inevitable ya que se crea a partir de la sustentacin

/2

VR

VRm

SUSTENTACINSUSTENTACINEFECTIVA

la resistencia inducida aumenta a medida que aumenta el ngulo de ataque.

la resistencia inducida disminuye con el aumento de velocidad.


55/78


La diferencia de presiones entre la curvatura superior einferior del ala produce un flujo de aire que pasa por laspuntas de las alas desde la superficie inferior a la superior.

Este flujo, al combinarse con el viento relativo, forma

torbellinos de aire que se definen como vrtices



56/78


Como consecuencia de los vrtices se produce una

tendencia del flujo de aire sobre el ala a desviarse hacialas races ybajo el ala a desviarse hacia las puntas

Un efecto de los vrtices es ladesviacin del flujo de airehacia abajo al dejar el bordede fuga, con lo que se aumentala Ri


57/78


58/78

CENTRO DE PRESIONES Se denomina centro de presiones al punto terico del ala

donde se considera aplicada toda la fuerza de sustentacin.A efectos tericos, aunque la presin acta sobre todo elperfil, se considera que toda la fuerza de sustentacin seejerce sobre un punto en la lnea de la cuerda (resultante).


59/78

Perdida (Stall)


60/78

Perdida (Stall)

Para ngulos superiores a 14 grados, la sustentacin cambia

con rapidez hasta llegar a la prdida total cuando, por efecto

de esos valores, el aire se mueve produciendo torbellinos en lasuperficie de las alas..

En sta situacin se

dice que el perfilaerodinmico haentrado en prdida

ANGULO DE ATAQUE CRITICO


61/78

ANGULO DE ATAQUE CRITICO


62/78

PERDIDA DE SUSTENTACION EN EL PERFIL


63/78

PERDIDA DE SUSTENTACION EN EL PERFIL

FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA


64/78

FACTORES QUE INTERVIENEN EN LAVELOCIDAD D EPERDIDA


65/78

RESISTENCIA

Se denomina resistencia aerodinmica, o simplemente resistencia,a la componente de la fuerza que sufre un cuerpo al moverse atravs del aire en la direccin de la velocidad relativa entre el aire yel cuerpo. La resistencia es siempre de sentido opuesto a dicha

velocidad, por lo que habitualmente se dice de ella que es la fuerzaque se opone al avance de un cuerpo a travs del aire.

RESISTENCIA


66/78

Es la fuerza que retarda el avance del avin a travs

del aire.

Normalmente es desventaja:

Disminuye alcance.

Consumo alto de combustible.

Disminuye velocidad del avin.

Es ventajosa en los aterrizajes para disminuir velocidad.

La resistencia puede ser inducida y parsita

RESISTENCIA


67/78

RESISTENCIA

Resistencia parsita.Se denomina as toda resistencia que no esfuncin de la sustentacin. Est compuesta por:

Resistencia de perfil: se puede descomponer a su vez en otras dos: Resistencia de presin: Debida a la forma de la estela.

Resistencia de friccin: Debida a la viscosidad del fluido. Resistencia adicional: Es la resistencia provocada los componentes

de un avin que no producen sustentacin, como por ejemplo elfuselaje o las gndolas subalares.

Resistencia de interferencia: Cada elemento exterior de un avin envuelo posee su capas lmite, pero por su proximidad stas puedenllegar a interferir entre s, lo que conduce a la aparicin de estaresistencia.

RESISTENCIA INDUCIDA


68/78

Resistencia inducida. La que se origina por la produccin de la

sustentacin. Se producen juntas si cesa la sustentacin tambin cesala R. I.

La resistencia inducida es paralela al viento relativo

La resistencia inducida no se puede eliminar

Viento relativo medio

Fuerza aerodinmica




69/78


En la resistencia inducida tambin tiene influencia la forma de lasalas; un ala alargada y estrecha tiene menos resistencia inducidaque un ala corta y ancha


70/78

CONTROL DE LA RESISTENCIA La resistencia inducida depende del ngulo de ataque.

El piloto puede reducir la resistencia inducida si paralograr ms sustentacin incrementa la velocidad en vezde incrementar el ngulo de ataque. A mayor velocidadmenor resistencia inducida. El peso influye de forma

indirecta en esta resistencia, puesto que a ms peso mssustentacin se necesita y por tanto mayor ngulo deataque para mantener la misma velocidad.Disminuyendo el peso disminuye la resistenciainducida.


71/78

CONTROL DE LA RESISTENCIA

La resistencia parsita se incrementa con la velocidad del avin. Lanica forma que tiene el piloto para disminuirla es aminorar lavelocidad

Si con el aumento de

velocidad disminuye laresistencia inducida y seincrementa la resistenciaparsita, tiene que haber unpunto en que la suma deambas (resistencia total) seael menor posible. Este puntode velocidad viene tabuladopor el fabricante en elmanual del avin.

SUSTENTACION vs RESISTENCIA


72/78

SUSTENTACION vs RESISTENCIA


73/78

VELOCIDAD DEL SONIDO Una onda mecnica es una perturbacin que se propaga a travs

de un medio elstico y transporta energa sin un transporte netode materia. Por medio elstico se entiende aquel que luego de quela perturbacin ha pasado es capaz de retomar su forma inicial.

Para que se produzca una onda mecnica son necesarias lassiguientes condiciones:

Una fuente de perturbacin.

Un medio a travs del cual se propague laperturbacin.

Un mecanismo por medio del cual las partculas delmedio interacten entre s para intercambiarenerga.
http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:2006-01-14_Surface_waves.jpg


74/78

VELOCIDAD DEL SONIDO


75/78

Lavelocidad del sonido es la velocidad de propagacin de lasondas mecnicas longitudinales, producidas por variaciones depresin del medio. Estas variaciones de presin generan en elcerebro la sensacin del sonido

La velocidad de propagacin de la onda sonora depende de lascaractersticas del medio en el que se realiza dicha propagacin yno de las caractersticas de la onda o de la fuerza que la genera.

La velocidad del sonido en el aire (a una temperatura de 20 C) esde 340 m/s.

En el agua es de 1.6 m/s.




76/78

El Nmero Mach, conocido como mach (pronnciese"mac"), se define como el cociente entre la velocidad deun objeto y la velocidad del sonido en el medio en quese mueve dicho objeto. Dicha relacin puede expresarse

segn la ecuacin:Ma = V / Vs

Es una magnitud adimensional, tpicamente usada paradescribir la velocidad de los aviones. Mach 1 equivale ala velocidad del sonido, Mach 2 es dos veces la

velocidad del sonido, etc.




77/78

la velocidad del sonido cambia dependiendo de las condicionesde la atmsfera. Por ejemplo, cuanto mayor sea la altura sobre elnivel del mar o la temperatura de la atmsfera, menor es la

velocidad del sonido.

Normalmente, las velocidades de vuelo se clasifican segn sunmero de Mach en: Subsnico M < 0,7

Transnico 0,7 < M < 1,2

Supersnico 1,2 < M < 5

Hipersnico M > 5



78/78


En aerodinmica, la barrera del sonido es un supuestolmite fsico que impedira que objetos de gran tamaose desplazaran a velocidad supersnica.
http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:FA-18_Hornet_breaking_sound_barrier_%287_July_1999%29.jpg

Documents

1. AERODINAMICA