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.
Coeficientes
de arrastre aerodinámico para distintos objetos
Helicoide del
ciclo rotor eólico, un elemento armonizador de vórtices
Gabriel Saitua
Getxo, Bizkaia 2018
