miniatura|446x446px|Ràtios d'arrossegament de forma versus fricció superficial per a diferents formes La resistència per fricció pel·licular o resistència viscosa és un tipus de resistència aerodinàmica o hidrodinàmica, que és la força resistent exercida sobre un objecte que es mou en un fluid. La resistència per fricció pel·licular és causada per la viscositat dels fluids i es desenvolupa des de la resistència laminar fins a la turbulenta a mesura que un fluid es mou més ràpidament per la superfície d'un objecte. La resistència per fricció pel·licular s'expressa generalment en termes del nombre de Reynolds, que és la relació entre la força d'inèrcia i la força viscosa.

L'arrossegament total es pot descompondre en un component d'arrossegament per fricció superficial i un component d'arrossegament per pressió, on l'arrossegament per pressió inclou totes les altres fonts d'arrossegament, inclosa l'arrossegament induït per sustentació. En aquesta conceptualització, l'arrossegament induït per sustentació és una abstracció artificial, que forma part del component horitzontal de la força de reacció aerodinàmica. Alternativament, l'arrossegament total es pot descompondre en un component d'arrossegament paràsit i un component d'arrossegament induït per sustentació, on l'arrossegament paràsit són tots els components de l'arrossegament excepte l'arrossegament induït per sustentació. En aquesta conceptualització, l'arrossegament per fricció superficial és un component de l'arrossegament paràsit.

Flux i efecte sobre la fricció de la pell El flux laminar sobre un cos es produeix quan les capes del fluid es mouen suaument l'una al costat de l'altra en línies paral·leles. A la natura, aquest tipus de flux és rar. A mesura que el fluid flueix sobre un objecte, aplica forces de fricció a la superfície de l'objecte, cosa que impedeix el moviment cap endavant de l'objecte; el resultat s'anomena resistència per fricció cutània. La resistència per fricció cutània sovint és el component principal de la resistència paràsita sobre els objectes en un flux.

El flux sobre un cos pot començar com a laminar. A mesura que un fluid flueix sobre una superfície, les tensions de cisallament dins del fluid frenen les partícules de fluid addicionals, cosa que fa que la capa límit creixi en gruix. En algun punt al llarg de la direcció del flux, el flux es torna inestable i turbulent. El flux turbulent té un patró de flux fluctuant i irregular que es fa evident per la formació de vòrtexs. El flux turbulent provoca una resistència superficial més alta que el flux laminar. Això normalment no és desitjable, per exemple en canonades o conductes, o en ales d'avió. Tanmateix, en alguns casos, el flux turbulent pot reduir la resistència neta. Per exemple, els clotets d'una pilota de golf causen turbulències, que augmenten la resistència superficial, però que també redueixen la resistència de pressió. Aquest efecte es produeix perquè el flux turbulent roman adherit a la superfície de la pilota durant més temps que el flux laminar i, per tant, retarda la separació del flux. Això resulta en una estela més estreta darrere de la pilota, cosa que redueix la resistència de pressió. La resistència general es redueix, cosa que permet que la pilota voli més lluny.

Coeficient de fricció de la pell Definició El coeficient de fricció de la pell es defineix com:

on:

és el coeficient de fricció de la pell. és la densitat del corrent lliure (lluny de la superfície del cos). és la velocitat del corrent lliure, que és la magnitud de la velocitat del fluid en el corrent lliure. és la tensió de cisallament de la pell a la superfície. és la pressió dinàmica del corrent lliure.

El coeficient de fricció superficial és una tensió de cisallament superficial adimensional que no es dimensionalitza per la pressió dinàmica del corrent lliure. El coeficient de fricció superficial es defineix en qualsevol punt d'una superfície que estigui sotmesa al corrent lliure. Variarà en diferents posicions. Un fet fonamental en aerodinàmica estableix que Això implica immediatament que la resistència per fricció laminar de la pell és menor que la resistència per fricció turbulenta de la pell, per al mateix flux d'entrada.

El coeficient de fricció superficial és una funció forta del nombre de Reynolds ; a mesura que augmenta, disminueix.

Flux laminar Solució de Blasius on:

, que és el nombre de Reynolds.

és la densitat del fluid (unitats SI: kg/m3) és la velocitat del flux (m/s) és la viscositat dinàmica del fluid (Pa·s o N·s/m2 o kg/(m·s)) és una longitud característica (m), en aquest cas la distància des del punt de referència en què comença a formar-se una capa límit.

La relació anterior es deriva de la capa límit de Blasius, que assumeix una pressió constant a tota la capa límit i una capa límit prima. La relació anterior mostra que el coeficient de fricció superficial disminueix a mesura que augmenta el nombre de Reynolds () augmenta.

Flux de transició El mètode computacional del tub de Preston (CPM) El CPM, suggerit per Nitsche estima la tensió de cisallament superficial de les capes límit de transició ajustant l'equació següent a un perfil de velocitat d'una capa límit de transició. (constant de Karman), i (tensió de cisallament de la pell) es determinen numèricament durant el procés d'ajust.

on:

és una distància des de la paret. és una velocitat d'un flux a un valor determinat és la constant de Karman, que és inferior a 0,41, el valor per a les capes límit turbulentes, en capes límit de transició. és la constant de Van Driest, que s'estableix a 26 tant en capes límit de transició com en turbulentes. és la constant de Van Driest, que s'estableix a 26 tant en capes límit de transició com en turbulentes. quan és una pressió i és la coordenada al llarg d'una superfície on es forma una capa límit.

Flux turbulent Llei de la setena potència de Prandtl L'equació anterior, que es deriva de la llei d'una setena potència de Prandtl, proporciona una aproximació raonable del coeficient d'arrossegament de les capes límit turbulentes amb un nombre de Reynolds baix. En comparació amb els fluxos laminars, el coeficient de fricció superficial dels fluxos turbulents disminueix més lentament a mesura que augmenta el nombre de Reynolds.

Arrossegament per fricció de la pell Una força d'arrossegament per fricció de la pell total es pot calcular integrant la tensió de cisallament de la pell a la superfície d'un cos.

Relació entre la fricció de la pell i la transferència de calor Des del punt de vista de l'enginyeria, calcular la fricció superficial és útil per estimar no només l'arrossegament friccional total exercit sobre un objecte, sinó també la taxa de transferència de calor per convecció a la seva superfície. Aquesta relació està ben desenvolupada en el concepte d'analogia de Reynolds, que enllaça dos paràmetres adimensionals: el coeficient de fricció superficial (Cf), que és una tensió de fricció adimensional, i el nombre de Nusselt (Nu), que indica la magnitud de la transferència de calor per convecció. Les pales de les turbines, per exemple, requereixen l'anàlisi de la transferència de calor en el seu procés de disseny, ja que estan exposades a gasos d'alta temperatura, que les poden danyar amb la calor. Aquí, els enginyers calculen la fricció superficial a les superfícies de les pales de les turbines per predir la transferència de calor a aquestes superfícies.

Efectes de la fricció de la pell Un estudi de la NASA de 1974 va descobrir que, en el cas dels avions subsònics, la resistència per fricció superficial és el component més important de la resistència, causant aproximadament el 45% de la resistència total. En el cas dels avions supersònics i hipersònics, les xifres són del 35% i el 25%, respectivament.

Un estudi de l'OTAN de 1992 va descobrir que, per a un avió de transport civil típic, la resistència per fricció superficial representava gairebé el 48% de la resistència total, seguida de la resistència induïda amb un 37%.

Reducció de la fricció de la pell Hi ha dues tècniques principals per reduir la fricció superficial: retardar la transició de la capa límit i modificar les estructures de turbulència en una capa límit turbulenta.

Un mètode per modificar les estructures de turbulència en una capa límit turbulenta és l'ús de nervadures. Les nervadures són petites ranures a la superfície de l'avió, alineades amb la direcció del flux. Les proves en un Airbus A320 van trobar que les nervadures causaven una reducció de la resistència aerodinàmica de gairebé el 2%. Un altre mètode és l'ús de dispositius de ruptura de grans remolins (LEBU). Tanmateix, algunes investigacions sobre dispositius LEBU han trobat un lleuger augment de la resistència aerodinàmica.

Referències

Categoria:Dinàmica de fluids