En este experimento se utilizaron dos tipos de DMR: un patrón convexo hecho de perlas de vidrio con un diámetro de 38-53 micrómetros (µm) y un patrón cóncavo aplicado mediante chorro de arena. La altura es sólo el 1% del espesor de la capa límite y se clasifica como «superficie lisa» desde el punto de vista hidrodinámico.
Los resultados experimentales muestran que el número de Reynolds crítico en el que comienza la transición turbulenta en el modelo recubierto con DMR aumenta de aproximadamente 1.9×10⁶ a 2.2×10⁶ en la superficie lisa, y se observa una drástica reducción de la resistencia aerodinámica de hasta el 43.6% en la zona de transición. Además, la superficie tratada con DMR mostró sistemáticamente un coeficiente de arrastre inferior al de una superficie lisa hasta el número de Reynolds más alto medido (3.6×10⁶).
Mecanismos para suprimir la fricción propia
La resistencia del aire se puede dividir en dos tipos principales: resistencia a la presión y resistencia a la fricción. La resistencia a la presión es la que se produce por la separación del flujo de aire de la superficie detrás de un objeto. Por otro lado, la resistencia a la fricción es la que se produce por la viscosidad del aire que fluye sobre la superficie y disminuye a medida que el flujo se mantiene en estado laminar.
Para determinar cuál de los dos factores contribuye al efecto de DMR, el equipo de investigación llevó a cabo un análisis integrado que combinó la «Simulación de Grandes Remolinos (LES: un método de cálculo de dinámica de fluidos computacional que calcula directamente los vórtices turbulentos a gran escala y aproxima los vórtices a pequeña escala con un modelo)», que resuelve hasta 45.38 millones de celdas en la superficie de la pared, y la «visualización del flujo de aceite», que consiste en aplicar pintura fluorescente a la superficie de un modelo para confirmar visualmente el flujo de aire.
Según los investigadores, el análisis LES, mediante cálculos de flujo laminar que evitan intencionadamente la introducción de perturbaciones artificiales, estableció un límite superior conservador para la resistencia a la presión (Cp≈0.00021) que coincidía con el valor teórico en menos del 1%. Sin embargo, la reducción de la resistencia observada en este estudio (ΔCD≈0.001) es aproximadamente cinco veces superior a dicho límite.
Incluso si se eliminara por completo la separación en la parte posterior del objeto, los cálculos solo explicarían alrededor del 20% de la reducción observada. En otras palabras, el análisis numérico ha confirmado cuantitativamente que el factor principal en la reducción de la resistencia aerodinámica mediante DMR no es la supresión de la separación, sino la reducción de la resistencia por fricción en sí misma.
Este principio es fundamentalmente distinto del efecto de los hoyuelos (grandes hendiduras en la superficie) que se aplican a las pelotas de golf. Los hoyuelos reducen la resistencia a la presión al crear intencionadamente turbulencias en el flujo de aire para evitar la separación en la parte trasera. Por otro lado, el DMR reduce la fricción con la pared misma, en lugar de la resistencia a la presión, al retrasar la transición. Ambos mecanismos son diametralmente opuestos.
Ventajas sobre el tratamiento “piel de tiburón”
Las ventajas de la DMR para reducir la resistencia del aire radican en su altísima pasividad y omnidireccionalidad. Para que el procesamiento de riblets (piel de tiburón) sea efectivo, las ranuras deben grabarse con precisión siguiendo la dirección del flujo de aire. En cambio, la principal ventaja de la DMR reside en la rugosidad aleatoria de su superficie, que es independiente de la dirección del flujo.
Además, al no requerir piezas móviles ni electricidad, permite lograr una alta reducción de la resistencia aerodinámica a bajo costo. Se espera que, de aplicarse a aeronaves y otros vehículos, reduzca significativamente los costos operativos y las emisiones de dióxido de carbono gracias a una mayor eficiencia en el consumo de combustible.
El equipo de investigación busca optimizar aún más la forma y la densidad de distribución de la DMR y ampliar el rango de velocidad aplicable. Esta investigación, que rompe con 80 años de ideas convencionales, podría representar un importante avance hacia la implementación social de tecnologías de ahorro energético de última generación.
Editado por Daisuke Takimoto
Artículo originalmente publicado en WIRED Japón. Adaptado por Mauricio Serfatty Godoy.
