Ciclo Rotor Eólico,"un modelo de utilidad para el ciclista": Los vórtices en el ciclo rotor eólico

Los vórtices en el ciclo rotor eólico

¿Qué es un vórtice?

Un vórtice es un flujo turbulento en rotación espiral. Puede considerarse como un vórtice a cualquier tipo de flujo circular o rotatorio que posee vorticidad. La vorticidad es un concepto matemático usado en dinámica de fluidos para reconocer la cantidad de circulación o rotación de un fluido por unidad de área. https://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%B3rtice

El movimiento de un fluido también se puede denominar “solenoidal” si el fluido gira en círculo o en hélice, o de forma general si tiende a rotar en torno a un eje.

Los vórtices y el movimiento solenoidal han expresado sus efectos más catastróficos en la rotación espiral del viento en numerosas ocasiones; así en el año 1940 tuvo lugar el derrumbamiento del puente Takoma Narrows de 1500 metros de longitud con una distancia entre soportes de 450m. (era el tercero más grande del mundo en aquella época) y fue destruido por el efecto vibratorio de los vórtices o torbellinos provocados por el viento y el temido efecto del acoplamiento aero elástico llevado hasta sus últimas consecuencias, aunque la velocidad del viento en aquel momento no era superiores a 70Km/h.

Derrumbamiento del puente Takoma por el desacoplamiento aero elástico

En aquel momento se puso de relieve la teoría de la calle de los vórtices propuesta por Theodore Von Kármán, ingeniero estudioso de la dinámica de fluidos; Kármán estudió un patrón que turbulencias o vórtices que se repiten en forma de remolino por la separación no estacionaria de la capa de un fluido al pasar sobre los cuerpos.

La estructura de un vórtice

Los remolinos ciclónicos y anticiclónicos de un vórtice

Los vórtices generados por un disco redondo sometido a la acción de un fluido como el aire presentan dos tipos de turbulencias, una superior en el sentido dela agujas del reloj o anticiclónico y otras inferiores, en sentido contrario a las agujas del reloj o ciclónicos, las cuales se van desprendiendo a medida que aumenta la velocidad y el flujo turbulento.

Calle de los vórtices de Von Kármán generados en laboratorio cuando un fluido incide sobre un obstáculo cilíndrico en flujo de izquierda a derecha

Ejemplos de vórtices

Vórtices en la isla de Guadalupe

https://www.tiempo.com/ram/643/calle-de-remolinos-o-vortices-de-von-karman-fenomenos-atmosfericos-nubosos-a-sotavento-de-islas-i-a/

En meteorología, una de las formas más llamativas que se pueden observar en las imágenes de satélites, sobre todo en zonas marítimas subtropicales, son los remolinos de Von Karman, que se generan cuando el flujo aéreo incide sobre un obstáculo orográfico, como puede ser una isla.

Algunos estudios han mostrado ciertos insectos voladores como las abejas toman energía de los vórtices que hay a su alrededor, mejorando su velocidad.

Por otra parte también se ha puesto de manifiesto la capacidad de los vórtices eólicos como elementos generadores de energía eléctrica renovable respetuosa con el entorno.

En el mundo de la velocidad, la eólica ha sido aplicada al mundo de la fórmula 1 con un nuevo avance utilizando en los “escapes sopladores”, aplicados con excelentes resultados por Red Bull, incorporando el empuje de los gases del motor al flujo aerodinámico del chasis para optimizar las fases de aceleración.

Escape soplador en fórmula 1 Red Bull: empuje aerodinámico por los gases del motor

Salida dirigida de gases a través del difusor de gases

En otras actividades deportivas que utilizan velocidades discretas, como en el ciclismo, el aprovechamiento de la energía eólica y la aerodinámica siguen teniendo una notable importancia, dado que la capa límite para el cambio entre el flujo aéreo laminar y el flujo turbulento se encuentra en velocidades próximas a 25Km/h., velocidades muy comunes en la práctica deportiva. Es precisamente en éste momento, en la generación de los vórtices, cuando se producen cambios en nuestra capa limítrofe contra el viento, en ese momento la resistencia aerodinámica es incluso cinco veces superior a la propia zona turbulenta.

¿Podemos optimizar la vorticidad en el ciclismo?

Nos preguntamos si la incorporación de álabes en la rueda pueden generar y armonizar vórtices a modo de un “escape soplador” para complementar la energía mecánica en la fuerza del torque de pedaleo y aprovecharlo en la aceleración.

Para intentar dar respuesta a estas preguntas trabajamos en el “Proyecto Ciclo Rotor Eólico”, buscando un modelo y prototipos de utilidad para incorporarlo en la rueda de la bicicleta, a modo de generador de vórtices.

Los vórtices según el número de obstáculos al flujo

Observemos las diferentes imágenes de vórtices que se generan cuando se interponen uno o dos discos en la dirección de un fluido:

Vórtices generados por un disco circular

Vórtices generados por dos discos circulares

Comparando las dos últimas imágenes podemos apreciar diferencias significativas. Los vórtices de la última, producida con dos discos, tienen siluetas dobles y distancias entre vórtices armonizadas, aproximándose entre ellos de forma secuencial. Cuando utilizamos dos discos, las calles de los vórtices de Kármán generan remolinos ciclónicos y anticiclónicos sincronizados dos a dos.

Esquema rotacional de los dos discos que componen el ciclo rotor eólico

En nuestro proyecto el ciclo rotor eólico utiliza dos palas o álabes a modo de discos helicoidales perpendiculares el eje horizontal de la rueda, que inciden contra el viento con un índice de resistencia aerodinámica bajo de 0´04; dada su morfología específica permite la armonización de los vórtices durante el ciclo rotatorio.