¿Qué es la aerodinámica? La aerodinámica es un amplio campo de estudio que describe el estudio de la dinámica del aire que incluye su movimiento y su interacción con objetos y materiales. Podemos pensar la aerodinámica como un tipo de dinámica de gases por los conceptos que se estudian en aerodinámica. Algunos de los conceptos que se estudian en esta son: Leyes de conservación de la energía, masa y momento Clasificación de fluidos. Para cada fluido que se estudie, sea gas o líquido, se presenta distintas características como viscosidad, compresibilidad. Asunción de continuidad. Es una asunción que ignora que los gases están compuestos por un numero discreto de partículas y lo considera como una entidad continua. Esto simplifica las ecuaciones y modelos en los calculos aerodinámicos. Fluido o gas. Existe la noción de que el aire se puede modelar como fluido o gas, las dinámicas pueden ser muy similares en ambas ¿Cuáles son los principios fundamentales de la aerodinámica? Mecánica de fluidos continuos. El aire no es un flujo continuo, pero fluye como si fuera uno, sobre todo cuando no se imaginan escenarios como gran altitud u ondas de choque. En relación a la cinemática, la velocidad es un campo de vector continuo, lo cual delimita las leyes de la cinemática que deben de ser obedecidas. En relación a la dinámica, se representan por las ecuaciones Navier-Stokes. En relación al momento, tenemos la segunda ley de Newton. F=ma Termodinámica clásica para establecer un balance de energía y la ecuación de la energía. En general se utilizan estrictamente conceptos de la física clásica, no hay elementos cuánticos Para entender el tema de aceleración de los fluidos que tiene que ver con el empuje, tomamos en cuenta la segunda ley de Newton La aerodinámica es en si una ciencia bien parada en suelo firme, aun así tiene un carácter de personalidad múltiple en relación a si es inductiva o deductiva. Por un lado cuenta con las ecuaciones Navier-Stokes como su teoría estelar, bien atadas sólidamente al resto de las teorías físicas modernas y a partir de la cual podemos deducir en la mayoría de los casos los principios fundamentales. Por otro lado, lo intricado y espinoso de los cálculos computacionales de las ecuaciones limita grandemente lo que podamos deducir sobre los principios fundamentales en la mayoría de las ocasiones, de ahí que mucho de lo que se conoce proviene de observaciones empíricas, he ahí su lado inductivo. El marco teórico físico actual consiste en mecánica Newtoniana y termodinámica clásica combinado con formalismos matemáticos que nos permite llevar registro de propiedades de materiales, fuerzas y flujos en materiales continuos. Por lo tanto, cuando aplicamos el marco teórico correctamente, nos ceñimos a una visión del mundo Newtoniana, en donde todos los efectos tienen una causa y deben ser consistentes con principios científicos Newtonianos o postnewtonianos. En caso de surgir algunos errores en razonamiento aerodinámico, podemos rastrearlos hasta regresiones en formas de pensamiento prenewtonianas. Las ecuaciones Navier-Stokes nos proveen casi la totalidad de la teoría física de gran exactitud para predecir prácticamente cualquier fenómeno de interés en aerodinámica, incluyendo flujo “aerodinámico” de líquidos como el agua. La formulación Navier-Stokes puede ser derivada formalmente por física de un nivel mas bajo simplificando hipótesis y deshaciéndonos de los detalles. En el caso de gases, el nivel apropiado mas próximo del cual empezar es la descripción estadística de movimiento molecular y las leyes de la conservación que aplican a esta plasmadas en las ecuaciones de Boltzman. Para gases tenemos que asumir que el fluido se encuentra en todo lugar casi en equilibrio termodinámico localmente. Las principales relaciones que constituyen las ecuaciones Navier-Stokes son las leyes de la conservación para masa, momento y energía. Para tener un set completo de ecuaciones necesitamos ademas una ecuación de estado que relacione temperatura, presión, densidad y formulas que definan las otras propiedades de los gases requeridas. Para aplicaciones aerodinámicas usualmente una buena aproximación es asumir la ley de los gases ideales junto a una tasa constante de calor especifico (γ) y coeficientes de viscosidad γ) y coeficientes de viscosidad ) y coeficientes de viscosidad y conductividad térmica (γ) y coeficientes de viscosidad μ y k) dependientes unicamente de la temperatura. El modelo físico completo consiste en las ecuaciones Navier-Stokes combinadas con condiciones de frontera de no-deslizamiento y no-salto de temperatura. El rango de aplicación de esta formulación es muy amplio y solo existen algunas aplicaciones de interés practico aerodinámico donde no aplican. Como ejemplos podemos citar flujo de gas de muy baja densidad (γ) y coeficientes de viscosidad en altitudes muy elevadas) y la estructura interna de las ondas de choque. En lo que refiere a la formulación de la física en términos matemáticos, toman la forma de ecuaciones diferenciales parciales con algunas relaciones algebraicas auxiliares, pudiendo ser una descripción Euleriana o Lagrangiana dependiendo de que variables escogemos como dependientes o independientes. Estos dos modos son en principio equivalentes ya que modelan exactamente la misma física, pero no son intercambiables ¿Qué es el viento? El viento es aire atmosférico en movimiento. Es ubicuo y uno de los elementos físicos básicos de nuestro medio ambiente. Dependiendo de la velocidad del aire, el viento se puede sentir como una brisa suave y etérea, silencioso e invisible a simple vista o bien, puede ser una fuerza destructiva, escandalosa y visible por las cosas que arrastra. La velocidad del movimiento del aire define la fuerza del viento y esta directamente relacionada a la cantidad de energía en el viento, la energía cinetica. El origen de esta energía es la radiación solar, la radiación electromagnética del sol calienta de manera desigual la superficie terrestre, con mas fuerza en los trópicos y menos fuerza en las latitudes altas. A su vez, como resultado del diferencial de absorción de luz solar por parte del suelo, las rocas, el agua y la vegetación, el aire se calienta a distinto ritmo. Este calentamiento desigual se transforma por medio de procesos de convección en aire en movimiento que se ajusta por la rotación de la tierra. Los procesos convectivos son perturbaciones del balance hidrostático donde masas de aire estancado son desplazadas y se mueven como reacción a fuerzas por cambios en la densidad del aire y la flotabilidad debida a las diferencias de temperatura. El aire es empujado de las regiones de alta presión hacia las de baja presión, mientras que sus fuerzas de inercia y fricción se equilibran debido a la rotación de la tierra. ¿Cuáles son las propiedades del aire? Velocidad del viento. La velocidad del viento es uno de los parámetros más importantes, si no es el que más porque la potencia del viento varia cuadraticamente a la velocidad del viento. Si duplicamos la velocidad, la potencia aumenta por ocho, lo cual se expresa en la siguiente ecuacion: 1 P= ⋅ρ⋅A⋅U 3 2 Densidad. La potencia del viento es una función lineal de la densidad. La temperatura del aire determina su densidad. La relación entre la temperatura del aire y su densidad en aire húmedo puede aproximarse utilizando la formula de gases ideales: ρaire húmedo= ρ aire húmedo Pd Pv + Rd T Rv T donde: es la densidad de aire húmedo expresado en (γ) y coeficientes de viscosidad km / m³) Pd Presión parcial del aire seco expresada en Pascales T Temperatura expresada en Kelvin Rd Es la constante de gas especifico para aire seco Pv Presión parcial de vapor de agua expresada en Pascales Rr Constante de gas para vapor de agua. Presión y temperatura Estas variables producen un cambio en la densidad del aire entre un 10 y 15% a lo largo del año. ¿Cuál es la relación entre energía eólica y aerodinámica? Para poder comprender las relaciones entre el viento y las alas de una turbina eólica es preciso apoyarnos en la aerodinámica que nos describe el comportamiento de los fluidos en movimiento y su interacción con el mundo. El potencial del viento consiste en el aprovechamiento de la energía cinetica del viento. Esta energía esta contenida en el mismo movimiento del aire. Como se trata de una forma de energía mecánica de fluido en movimiento, su cuantificación requiere de elementos de mecánica de fluidos. La aerodinámica nos permite entender como es que funciona el viento y su capacidad energética. Por ejemplo, una ecuación fundamental en el análisis de potencia del viento es la siguiente: 1 P= ⋅ρ⋅A⋅U 3 2 Esta ecuación nos explica por qué la velocidad del viento es el factor mas importante, ya que tiene una alta dependencia cubica no lineal que afecta a la potencia del viento. Mientras que ρ, la densidad del aire, muestra una importancia secundaria puesto que tiene una relación lineal y se comporta dentro de un rango limitado de fluctuaciones. Otra cosa que nos orienta la aerodinámica en relación a la energía eólica es qué tanta energía del viento puede aprovechar un ala. Esta cantidad esta definida por el coeficiente de potencia: Cp = PTOTAL / P VIENTO De lo anterior podemos definir que la potencia capturada por una turbina se puede expresar como: 1 P= ⋅ρ⋅A⋅U 3⋅C p 2 Incluso existe un limite máximo teórico de potencia que podemos obtener, conocido como el limite Betz, equivalente a 16/27 o 59% de eficiencia que es lo mas que puede extraer del viento una turbina eólica convencional
