ES2316974T3 - Estructura de superficie tridimensional para resistencia al rozamiento reducida e intercambio de calor mejorado. - Google Patents

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ES2316974T3 ES04721887T ES04721887T ES2316974T3 ES 2316974 T3 ES2316974 T3 ES 2316974T3 ES 04721887 T ES04721887 T ES 04721887T ES 04721887 T ES04721887 T ES 04721887T ES 2316974 T3 ES2316974 T3 ES 2316974T3
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Abstract

Superficie a lo largo de la cual fluye un medio, consistiendo el citado medio en un gas, un líquido, una mezcla bifásica o una mezcla de múltiples fases, cuya superficie comprende hoyuelos, siendo redondeados los bordes de los citados hoyuelos, formando por tanto un área central de hoyuelo y, al menos, un área de curvatura para cada hoyuelo, que conecta de manera continua el hoyuelo con la superficie circundante, caracterizada porque dicha área de curvatura comprende, por lo menos, una primera área de curvatura y una segunda área de curvatura, teniendo la primera área de curvatura una curvatura diferente que la segunda área de curvatura.

Description

Estructura de superficie tridimensional para resistencia al rozamiento reducida e intercambio de calor mejorado.
El invento se refiere, en general, a superficies a lo largo de las cuales fluyen medios, por ejemplo gases, líquidos o mezclas bifásicas y, especialmente, a superficies como se describen en los documentos EP 92 911 873.5, PCT RU92/00106 o EP 96 927 047.9, PCT/EP96/03200, denominadas también relieves TLT o superficies TLT.
Es sabido que el proceso que tiene lugar cuando un medio continuo como un gas, un líquido o una mezcla bifásica fluye a lo largo de una superficie cubierta con relieves tridimensionales cóncavos, muy especiales, denominados relieves TLT y que se describen con mayor detalle en los documentos EP 92 911 873.5, PCT RU92/00106 y en los documentos EP 96 927 047.9, PCT/EP96/03200, va acompañado por la organización automática de chorros a modo de tornados con torsión secundaria que se originan en cada concavidad del relieve y que fluyen fuera de ella, uniéndose al flujo principal. Una superficie de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 es conocida por el documento US-A-5 064 199.
Es sabido que el rozamiento podría reducirse mediante hoyuelos situados en dicha superficie y que, además, podría incrementarse la transmisión térmica entre la mencionada superficie y el medio en circulación, por ejemplo gases, líquidos y mezclas bifásicas que contengan gases y líquidos.
Sin embargo, existen situaciones especiales en las que el interés por reducir el rozamiento es menor y el interés mayor se centra en conseguir una transmisión térmica mejorada como, por ejemplo, en el caso de dispositivos de intercambio de calor como disipadores de calor en general, cubiertas de protección, refrigeradores y muchos más. Además, un enorme número de dispositivos requieren una reducción del rozamiento, tales como vehículos, aeronaves y embarcaciones en general. Además, cualquier transporte de fluido se beneficiaría de una resistencia aerodinámica reducida ya que ello haría disminuir el consumo de energía o incrementaría la velocidad de trans-
porte.
Por tanto, un objeto del invento es mostrar un nuevo modo en que pueden mejorarse las propiedades de una superficie, especialmente en lo relativo a la resistencia al rozamiento y al intercambio térmico con un medio circundante.
El objeto del invento se consigue de forma sorprendentemente sencilla gracias al contenido de una de las reivindicaciones independientes. Realizaciones ventajosas y refinamientos se definen en las respectivas reivindicaciones dependientes.
Los inventores encontraron, sorprendentemente, que una determinada geometría de los relieves TLT tenía como consecuencia una significativa mejora de las propiedades del flujo.
En consecuencia, el invento propone una superficie que comprende hoyuelos, en la que los bordes de dichos hoyuelos son redondeados, formando por tanto un área central del hoyuelo y, al menos, un área de curvatura para cada hoyuelo que conecta de manera continua el hoyuelo con la superficie circundante, en el que dicha área de curvatura de la superficie comprende, al menos, una primera área de curvatura y una segunda área de curvatura, teniendo la primera área de curvatura una curvatura diferente de la de la segunda área de curvatura.
Una geometría de esta clase en una superficie mejora especialmente las propiedades de flujo con respecto a la resistencia al rozamiento y, también, con respecto a la transmisión térmica y másica para superficies, a lo largo de las cuales fluye un medio consistente en un gas, un líquido, una mezcla bifásica o una mezcla de múltiples fases.
El principio subyacente reside en los vórtices secundarios, que se originan en los hoyuelos y conducen a un transporte organizado del medio desde la superficie al flujo principal. Debido a la presión reducida dentro de los flujos vorticales, la capa límite es aspirada en ellos, de forma que el grosor de la capa límite no aumenta.
De preferencia, dicha área central del hoyuelo tiene, en esencia, la forma de una sección de una esfera o de un elipsoide.
Preferiblemente, dicha primera área de curvatura es redondeada, con un primer radio de redondeo y dicha segunda área de curvatura es redondeada, con un segundo radio de redondeo.
Como se verá también más adelante, una superficie especialmente adecuada para reducir la resistencia, es decir, para conseguir una reducción de la resistencia aerodinámica, y propiedades de flujo relacionadas como vórtices de resistencia aerodinámica y ondas de sotavento reducidas, es aquélla que comprende hoyuelos que tienen una profundidad relativamente pequeña con relación al diámetro. En este régimen, puede resultar especialmente ventajoso combinar dos áreas de curvatura consecutivas, diferentes, para conseguir distintos tamaños del área central del hoyuelo.
Asimismo, dos áreas de curvatura son muy ventajosas con el fin de conseguir una transición suave desde el hoyuelo a la superficie circundante, reduciéndose, por tanto, la probabilidad de destrucción de los ventajosos vórtices secundarios que se originan en los hoyuelos.
Ventajosamente, los hoyuelos están dispuestos periódicamente en la superficie. Con el fin de conseguir una buena cobertura de la superficie, los centros de tres hoyuelos adyacentes forman, preferiblemente, un triángulo, teniendo la distancia entre dos hoyuelos contiguos un valor t_{1} constante y teniendo la distancia entre dos filas de hoyuelos un valor t_{2} constante.
La cobertura máxima puede lograrse, en esta clase de disposición, cuando las áreas de curvatura de dichos tres hoyuelos adyacentes están en contacto mutuo.
Incluso en esta disposición, en el centro de tres hoyuelos adyacentes respectivos queda un área pequeña de superficie plana. En este lugar se prevén, de preferencia, hoyuelos adicionales, de menores dimensiones, merced a los cuales pueden mejorarse adicionalmente las propiedades de flujo.
Los inventores también encontraron, sorprendentemente que hay regímenes de intercambio de calor significativamente incrementados y regímenes de resistencia aerodinámica fuertemente reducidos.
En consecuencia, una superficie a lo largo de la cual fluye un medio, consistiendo dicho medio en un gas, un líquido, una mezcla bifásica o una mezcla de múltiples fases, con hoyuelos que tengan un diámetro d y una profundidad h, siendo la relación entre dicha profundidad y dicho diámetro h/d \leq 0,1 queda, también, dentro del alcance del invento. En este régimen geométrico, la superficie ofrece una resistencia al rozamiento especialmente baja.
Con una relación h/d \geq 0,1, la superficie ofrece una transmisión térmica especialmente elevada entre dicha superficie y dicho medio en circulación.
Las superficies dotadas de hoyuelos o relieves de profundidad relativamente pequeña, h/d \leq 0,1, siendo h la profundidad de la concavidad y d el diámetro de la concavidad, reducen significativamente la resistencia al rozamiento de las superficies conformadas, al tiempo que intensifican la transmisión térmica y másica en menor medida, sin embargo, en comparación con la resistencia al rozamiento de una superficie lisa.
Las superficies dotadas de hoyuelos o relieves con una profundidad relativa mayor, h/d \geq 0,1, intensifican de forma significativa la transmisión térmica y másica siendo constantes las pérdidas aerohidrodinámicas o quedando por detrás del régimen de intensificación, teniéndose una perturbación considerable del número de Reynolds a favor de la transmisión térmica.
Asimismo, dentro del alcance del invento se encuentran medios de locomoción dotados de, al menos, una superficie, a lo largo de la cual fluye un medio cuando dichos medios de locomoción están en movimiento, en los que dicha al menos una superficie está provista de hoyuelos, como se ha descrito en lo que antecede, en particular previstos como un coche, un camión, un tren, un avión, un helicóptero o una embarcación.
En comparación con unos medios de locomoción o un vehículo, por lo demás idénticos, dotados de una superficie plana, ciertas propiedades de flujo resultan mejoradas, especialmente se reduce la resistencia aerodinámica, se reduce la formación de vórtices aerodinámicos, se reduce la formación de ondas de sotavento, y el punto de separación del flujo se desplaza más hacia aguas abajo.
Además, un dispositivo para transportar un medio, que cae dentro del alcance del invento, comprende al menos una superficie con hoyuelos, como se ha descrito en lo que antecede. De manera ventajosa, la superficie con hoyuelos está prevista como una superficie interna de un canal de transporte, en particular un conducto, del dispositivo, por el cual se transporta el medio. La ejecución práctica de un dispositivo de esta clase es ventajosa debido a otro resultado de la estructura superficial descrita encontrada por los inventores, consistente en un depósito reducido de partículas sobre la superficie, en comparación con una superficie plana.
Además, se propone un dispositivo para el intercambio térmico entre un medio en circulación y, al menos, una superficie del dispositivo, en particular un sistema de acondicionamiento de aire o parte del mismo, en el que al menos una superficie está provista de hoyuelos. En este caso, puede aprovecharse el efecto de la reducida formación de hielo sobre una superficie que comprende los hoyuelos descritos, en comparación con una superficie plana.
El invento propone, además, un recipiente para cocinar y/o para mantener el calor, en el que la superficie exterior del fondo del recipiente y/o la superficie exterior de las paredes laterales del recipiente, comprenden una superficie con los hoyuelos descritos.
Asimismo, se propone una capa o revestimiento para aplicación sobre una superficie, que comprende una superficie dotada de los hoyuelos descritos. Gracias al uso de una capa de esta clase, puede actualizarse un dispositivo o un vehículo que tenga una superficie a lo largo de la cual fluye un medio, con el fin de conseguir propiedades de flujo mejoradas, tales como una resistencia reducida al rozamiento o una transmisión térmica o másica mejorada o una combinación de las mismas.
Con este fin, la capa puede estar provista, ventajosamente, de una primera cara y una segunda cara, de las que dicha primera cara comprende hoyuelos como se ha descrito en lo que antecede y dicha segunda cara comprende un revestimiento auto-adhesivo.
En consecuencia, el invento propone un método para producir una superficie con una resistencia al rozamiento reducida y/o un intercambio térmico mejorado con un medio circundante, que comprende la operación de aplicar una capa como se ha descrito sobre la mencionada superficie.
Asimismo, se propone un método para producir una superficie con una resistencia al rozamiento reducida y/o un intercambio térmico mejorado con un medio circundante, que comprende las operaciones de
-
proporcionar una pieza de trabajo con, al menos, una superficie, e
-
imprimir en dicha al menos una superficie una estructura que comprenda hoyuelos.
Otro método del invento para producir una superficie con una resistencia al rozamiento reducida y/o un intercambio térmico mejorado con un medio circundante, comprende las operaciones de
-
proporcionar un molde de colada con, al menos, una superficie estructurada, y
-
moldear, en particular mediante moldeo por inyección con dicho molde de colada, una pieza de trabajo con, al menos, una superficie que comprende hoyuelos.
El invento no se limita a los métodos de producción descritos, sino que también abarca cualquier otro método que resulte adecuado para producir una superficie que comprenda los hoyuelos anteriormente descritos.
Asimismo, también cae dentro del alcance del invento el uso de una superficie con hoyuelos como se describe en lo que antecede, como superficie de
-
un medio de locomoción o
-
un dispositivo para el transporte de un medio o
-
un dispositivo de intercambio de calor o
-
un recipiente para cocinar y/o mantener el calor.
En lo que sigue, se describe el invento en forma ilustrativa con mayor detalle sobre la base de realizaciones preferidas y con referencia a los dibujos adjuntos. En ellos, las mismas marcas de referencia indican las mismas partes o partes similares.
Breve descripción de los dibujos
En ellos se muestra, en
la fig. 1 un diagrama esquemático de una distribución de hoyuelos de acuerdo con la técnica anterior,
la fig. 2 un diagrama esquemático de una sección dada a través de un hoyuelo de acuerdo con la técnica anterior,
la fig. 3 un diagrama esquemático de una distribución de hoyuelos de acuerdo con el invento,
la fig. 4 un diagrama esquemático de una sección dada a través de un hoyuelo de acuerdo con una realización preferida,
la fig. 5 un diagrama esquemático de un tren con una superficie de acuerdo con el invento,
la fig. 6 en forma esquemática, una comparación entre dos perfiles alares,
la fig. 7 un diagrama esquemático de un recipiente sumergido en un fluido en circulación,
la fig. 8 en forma esquemática, un canal de transporte cuya superficie interior está provista de hoyuelos,
la fig. 9 un diagrama esquemático de una disposición de medición para medir los perfiles de velocidad sobre distintas placas investigadas, que comprende un anemómetro Doppler de láser (LDA),
la fig. 10 un diagrama esquemático de una chapa de metal con hoyuelos o relieves TLT,
la fig. 11 un diagrama esquemático de una chapa con hoyuelos o relieves TLT variables,
la fig. 12 un diagrama esquemático de una chapa con relieves TLT que muestra los puntos en los que se midió la velocidad.
La fig. 1 muestra esquemáticamente una distribución de hoyuelos 10 en una superficie de acuerdo con la técnica anterior. Los hoyuelos 10 están dispuestos periódicamente, de forma que los centros de tres hoyuelos 10 directamente adyacentes formen un triángulo equilátero. Por tanto, el ángulo \alpha tiene un valor de 60º. La distancia entre los centros de dos hoyuelos 10 adyacentes, que es igual a la longitud de un lado del triángulo, tiene un valor constante t_{1}. La distancia entre dos filas de hoyuelos 10, que es igual a la altura del triángulo, tiene un valor constante t_{2}. Los parámetros t_{1} y t_{2} pueden tener valores distintos, dependiendo del propósito para el que se utilice la superficie.
La fig. 2 muestra una sección a través del centro de uno de los hoyuelos 10 ilustrados en la fig. 1, perpendicular a la superficie. En esta realización de acuerdo con la técnica anterior, el hoyuelo tiene, sustancialmente, la forma de un casquete de radio R_{ahp}, altura h_{c} y diámetro d_{c}. Además, el hoyuelo 10 está redondeado en los bordes con un radio de redondeo R_{S}. Por tanto, en este ejemplo, el hoyuelo es simétrico a rotación en torno a un eje geométrico que pasa por el centro del hoyuelo y es perpendicular a la superficie.
La fig. 3 ilustra esquemáticamente una vista desde arriba de una distribución de hoyuelos de acuerdo con el invento, que comprende un área central 110 de hoyuelo, una primera área de curvatura 120 y una segunda área de curvatura 130, estando dispuestas las mencionadas áreas consecutivamente desde el centro del hoyuelo hacia el exterior.
El área central del hoyuelo tiene un diámetro d_{1}, la primera área de curvatura tiene un diámetro d_{2} y la segunda área de curvatura tiene un diámetro t_{1}. Los hoyuelos están dispuestos de manera similar a la representada en la fig. 1, pero en esta realización preferida, los bordes exteriores de dos hoyuelos adyacentes están en contacto mutuo para ofrecer una cobertura máxima de la superficie.
De nuevo, los centros de tres hoyuelos adyacentes forman un triángulo equilátero, teniendo la distancia entre los centros de dos hoyuelos adyacentes el valor constante t_{1} y teniendo la distancia entre dos filas de hoyuelos el valor constante t_{2}. Por tanto, en esta realización, el diámetro de la segunda área de curvatura es igual a la distancia existente entre dos hoyuelos adyacentes, t_{1}.
En el centro, entre tres hoyuelos adyacentes, queda una pequeña superficie. En este lugar, pueden preverse, de preferencia, hoyuelos 200 adicionales, de menores dimensiones, mejorándose así adicionalmente las propiedades de flujo de la superficie.
En la fig. 4 se muestra, con mayor detalle, la sección transversal AA' dada por el centro de un hoyuelo, perpendicularmente a la superficie.
El área central 110 del hoyuelo tiene, en esencia, la forma de una sección de una esfera, seguida, en dirección hacia fuera, por dos áreas de curvatura consecutivas. Como las áreas de curvatura pueden describirse como un arco que sea hecho girar en el espacio, tienen una superficie formada como parte de un toro o parecida.
\vskip1.000000\baselineskip
La forma del área central del hoyuelo, de la primera área de curvatura y de la segunda área de curvatura, en la sección transversal mostrada, perpendicular a la superficie y dada a través del centro del hoyuelo, se define mediante los siguientes parámetros:
d_{1}:
Diámetro del área central del hoyuelo,
d_{2}:
Diámetro exterior de la primera área de curvatura,
t_{1}:
Diámetro exterior de la segunda área de curvatura,
R_{1}, C_{1}:
Radio y centro de la esfera cuya sección forma la superficie del área central del hoyuelo,
R_{2}, C_{2}:
Radio y centro del radio de redondeo de la primera área de curvatura,
R_{3}, C_{3}:
Radio y centro del radio de redondeo de la segunda área de curvatura,
P_{1}:
Punto de transición desde el área central del hoyuelo a la primera área de curvatura,
P_{2}:
Punto de transición desde la primera área de curvatura a la segunda área de curvatura,
P_{3}:
Punto de transición desde la segunda área de curvatura a la superficie circundante,
h_{1}:
Diferencia de altura entre el punto más bajo del área central del hoyuelo y el borde exterior del área central del hoyuelo,
h_{2}:
Diferencia de altura entre el borde interior de la primera área de curvatura y el borde exterior de la primera área de curvatura,
h_{3}:
Diferencia de altura entre el borde interior de la segunda área de curvatura y el borde exterior de la segunda área de curvatura,
\alpha_{1}:
Ángulo comprendido entre el eje Y y una línea que conecta C_{2} y C_{3},
\alpha_{2}:
Ángulo comprendido entre el eje X y una línea que conecta C_{1} y C_{2},
f:
Parámetro relacionado con la parte de la superficie cubierta por el área central del hoyuelo en relación con el área combinada del área central del hoyuelo y las áreas de curvatura,
H:
Diferencia de altura entre el punto más bajo del área central del hoyuelo y el borde exterior de la segunda área de curvatura.
Hay un punto en el que el círculo de radio R_{1}, que es parte de la esfera que forma el área central del hoyuelo, y el círculo de radio R_{2}, que define la curvatura de la primera área de curvatura, son tangentes. Además, hay otro punto en el que el círculo de radio R_{2} y el círculo de radio R_{3} son tangentes.
Para describir completamente la forma del hoyuelo, se eligen un conjunto de parámetros, en particular los parámetros d_{1}, \alpha_{1}, \alpha_{2}, R_{2}/R_{1} y f, de acuerdo con las necesidades del propósito específico para el que se utilizará la superficie y dependientes de si se da prioridad a la reducción de la resistencia aerodinámica o a la mejora del intercambio térmico. Para la mayoría de los fines, la cobertura de la superficie mediante las áreas centrales de los hoyuelos se encuentra por debajo del 70%, pero una cobertura mayor cae, también, dentro del alcance del presente invento.
El resto de los parámetros mencionados puede calcularse por medio de las siguientes ecuaciones:
1
100
definiéndose dichas ecuaciones en un sistema de coordenadas bidimensional con el eje X en el plano de la superficie y pasando el eje Y por el centro del hoyuelo y siendo perpendicular a la superficie.
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En las figs. 5 a 8, se muestran varias realizaciones preferidas del invento, que demuestran el amplio campo de aplicaciones, para las que puede utilizarse una superficie dotada de hoyuelos del invento como se ha descrito en lo que antecede. Las realizaciones representadas son únicamente ilustrativas y no limitan el alcance del invento, ya que podrían enumerarse muchas otras aplicaciones.
En la fig. 5 se muestra, esquemáticamente, un tren 300 de alta velocidad, dotado de una superficie exterior 310 de acuerdo con el invento, que comprende una multitud de hoyuelos cuya forma, tamaño y distribución varían de acuerdo con la velocidad y la geometría del tren 300.
Un tren como el ilustrado en la fig. 5 se caracteriza por propiedades de flujo mejoradas en comparación con un tren similar dotado de una superficie plana. En particular, se reduce la formación de vórtices de resistencia aerodinámica al igual que la formación de una onda de sotavento en caso de vientos laterales. En consecuencia, se reduce también la resistencia global al rozamiento.
Otro efecto de la superficie del invento reside en que el punto de separación del flujo es desplazado más hacia aguas abajo o que, en determinadas circunstancias, el punto de separación llega a desaparecer por completo. Este efecto permite, por ejemplo, proporcionar perfiles alares completamente nuevos. En la fig. 6 se muestra un perfil alar usual 400 en comparación con un perfil alar modificado 410, que es posible utilizar, por ejemplo, como ala para un avión, cuando la superficie está provista de una estructura con hoyuelos de acuerdo con el invento.
La fig. 7 muestra otra utilización de una superficie de acuerdo con el invento, para un recipiente utilizable para cocinar o para mantener una sustancia a una temperatura deseada. El recipiente ilustrado esquemáticamente en la fig. 7 se sumerge en un fluido 510 en circulación. La superficie exterior del fondo 520 del recipiente y/o la superficie exterior de las paredes laterales 530 del recipiente consisten en una superficie dotada de hoyuelos dispuestos periódicamente.
\vskip1.000000\baselineskip
En esta realización, los hoyuelos son del tipo representado en la fig. 1 y en la fig. 2, preferiblemente con los siguientes valores:
t_{1}:
28,6 mm
t_{2}:
33,0 mm
d_{c}:
20,0 mm
h_{c}:
3,0 mm
R_{ahp}:
68,2 mm
R_{S}:
5,0 mm
o mayores o menores manteniéndose esencialmente las relaciones \frac{t_{1}}{t_{2}} = \frac{28.6}{33.0}, \frac{R_{ahp}}{R_{S}} = \frac{68.2}{3.0}, \frac{R_{S}}{h_{c}} = \frac{5.0}{3.0}
\vskip1.000000\baselineskip
Los valores arriba mencionados dan como resultado una fracción de la superficie cubierta por los hoyuelos de, aproximadamente, 0,3.
La fig. 8 muestra esquemáticamente un conducto 600 cuya superficie interior, 610, está provista de hoyuelos 630. Este conducto puede ser utilizado como canal de transporte para transportar un medio. La significativa mejora conseguida merced al uso de la superficie del invento en esta realización, tiene como consecuencia un menor depósito de partículas sobre la superficie debido a la aspiración de la capa límite desde la superficie en el flujo principal gracias a los flujos vorticales que se organizan automáticamente y que se originan en los hoyuelos.
Además, por las mismas razones, se reduce la formación de hielo sobre la superficie, de forma que un conducto de esta clase puede utilizarse, también, de forma muy ventajosa en un dispositivo en el que haya de enfriarse un medio, como un sistema de acondicionamiento de aire, especialmente un sistema de acondicionamiento de aire utilizado en un avión.
Los inventores han estudiado el fenómeno de la reducción de la resistencia al rozamiento en las superficies con relieve TLT utilizando un anemómetro Doppler de láser (LDA) para medir perfiles de velocidad que se forman sobre las superficies en torno a las cuales tiene lugar el flujo y el teorema de la cantidad de movimiento para tratar los resultados obtenidos. La instalación experimental se ilustra esquemáticamente en la fig. 9.
La chapa 704 investigada se posicionó en la sección 710 de ensayo del túnel de cavitación. Mediante un láser 706 dispuesto en un banco óptico 708 y una unidad 702 de tratamiento preliminar y de control de la señal como partes del anemómetro Doppler de láser (LDA), se midieron las propiedades del flujo.
Los especímenes de prueba, que fueron examinados por los inventores, eran delgadas chapas planas de los dos tipos siguientes:
-
chapas metálicas 800 con un tamaño de 378 \times 679 mm^{2} con superficie lisa o con una superficie dotada de un relieve TLT, provista de hoyuelos 802, como se muestra en la fig. 10,
-
chapas 810, del mismo tamaño, con un revestimiento 820 de caucho elástico aplicado sobre una chapa plana de superficie continua o provista del reticulado regular de orificios axialmente simétricos que conectaban el revestimiento elástico 820 situado encima de ellos, con la cámara estanca situada bajo la chapa 810, como se muestra en la fig. 11.
Haciendo variar la presión en la cámara estanca, el que lleva a cabo el experimento puede formar, en la superficie en torno a la cual se produce el flujo, el relieve TLT con concavidades de diversas profundidades retrayendo el revestimiento elástico 820 dentro del orificio de la chapa. Cuando la presión por encima y por debajo de la chapa es la misma, la superficie sobre la que corre el flujo representa una retícula de membranas de caucho que cubren los orificios de la chapa y que interactuan con el flujo ambiente. Al reducir la presión bajo la chapa, se puede controlar el relieve TLT haciendo variar la profundidad de las concavidades del relieve casi desde cero hasta valores de la profundidad correspondientes al radio del orificio de la chapa de soporte.
La fig. 11 muestra, además, cilindros de apoyo 830, una cubierta 850 de vacío que cierra la cámara estanca y una unión de vacío 840.
También puede utilizarse una disposición, similar a la representada en la fig. 11, en un dispositivo o en un vehículo para cambiar el tamaño, la forma y/o el número de hoyuelos de la superficie durante el funcionamiento de dicho dispositivo o dicho vehículo. De esa forma, las propiedades en relación con el flujo, del dispositivo o vehículo pueden adaptarse de manera flexible a condiciones de funcionamiento variables.
Durante el experimento realizado por los inventores, se compararon las características hidrodinámicas de los siguientes objetos:
-
chapa metálica con relieve TLT con chapa metálica de superficie lisa;
-
chapa con relieve TLT elástico, regulable, con chapa lisa sin orificios en la chapa de soporte con el mismo revestimiento elástico;
-
chapas con diversos relieves TLT en la superficie metálica con chapas dotadas de membranas y distintos relieves TLT en la superficie elástica.
\vskip1.000000\baselineskip
Las mediciones se llevaron a cabo en un túnel de cavitación, que fue el túnel de cavitación de la Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH (HSVA), en el que el flujo se caracterizó por los números de Reynolds definidos como sigue:
-
a lo largo de la longitud de la chapa considerando la sección preliminar dentro del margen:
9\times10^{5} \leq Re \leq 7,5\times10^{6};
-
a lo largo del diámetro de la concavidad del relieve TLT dentro del margen:
2,5\times10^{4} \leq Re \leq 6\times10^{5};
El régimen de turbulencias en la corriente en circulación era elevado y, de acuerdo con las mediciones del láser, comprendía:
0,1 \leq \sigma \approx \surd(u'^{2})/u\infty \leq 0,3
La temperatura del agua del flujo se midió dentro del margen:
15ºC \leq T \leq 22ºC
Se midieron los perfiles de velocidad en treinta puntos 930 dispuestos en la superficie de la chapa 910 ilustrada en la fig. 12. Las mediciones del perfil de velocidad sobre las superficies ambientes de las chapas planas y de las chapas con relieve TLT que incluían hoyuelos 920 se realizaron en estos puntos 930, indicados mediante cruces.
Las mediciones se trataron utilizando el teorema de la cantidad de movimiento de acuerdo con el procedimiento sugerido por I. Nikuradze en "Turbulente Reibungsschichten an der Platte", ZWB, R. Oldenbourg, München y Berlin, 1942 y comprendían la determinación de los valores de los coeficientes de resistencia al rozamiento, local y total, C_{F}' y C_{F}. Los datos experimentales se representan en la tabla que se ofrece en lo que sigue.
De la tabla se deduce que la resistencia al rozamiento de la superficie metálica con el relieve TLT es, aproximadamente, un 22% menor que la de las superficies metálicas lisas. La resistencia al rozamiento de la superficie dotada el revestimiento de caucho rugoso elástico y el relieve TLT en él es, aproximadamente, un 34% más baja que la de la superficie lisa revestida con caucho rugoso elástico.
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2

Claims (22)

1. Superficie a lo largo de la cual fluye un medio, consistiendo el citado medio en un gas, un líquido, una mezcla bifásica o una mezcla de múltiples fases, cuya superficie comprende hoyuelos, siendo redondeados los bordes de los citados hoyuelos, formando por tanto un área central de hoyuelo y, al menos, un área de curvatura para cada hoyuelo, que conecta de manera continua el hoyuelo con la superficie circundante,
caracterizada porque dicha área de curvatura comprende, por lo menos, una primera área de curvatura y una segunda área de curvatura, teniendo la primera área de curvatura una curvatura diferente que la segunda área de curvatura.
2. Superficie de acuerdo con la reivindicación 1, en la que dicha área central del hoyuelo tiene, en esencia, la forma de una sección de una esfera o un elipsoide.
3. Superficie de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que dicha primera área de curvatura está redondeada con un primer radio de redondeo y dicha segunda área de curvatura está redondeada con un segundo radio de redondeo.
4. Superficie de acuerdo con la reivindicación 3, en la que el área central del hoyuelo tiene, en esencia, la forma de una sección de una esfera, y la forma del área central del hoyuelo, de la primera área de curvatura y de la segunda área de curvatura, en una sección transversal perpendicular a la superficie y dada por el centro del hoyuelo, está definida por los siguientes parámetros:
d_{1}:
Diámetro del área central del hoyuelo,
d_{2}:
Diámetro exterior de la primera área de curvatura,
t_{1}:
Diámetro exterior de la segunda área de curvatura,
R_{1}, C_{1}:
Radio y centro de la esfera cuya sección forma la superficie del área central del hoyuelo,
R_{2}, C_{2}:
Radio y centro del radio de redondeo de la primera área de curvatura,
R_{3}, C_{3}:
Radio y centro del radio de redondeo de la segunda área de curvatura,
P_{1}:
Punto de transición desde el área central del hoyuelo a la primera área de curvatura,
P_{2}:
Punto de transición desde la primera área de curvatura a la segunda área de curvatura,
P_{3}:
Punto de transición desde la segunda área de curvatura a la superficie circundante,
H:
Diferencia de altura entre el punto más bajo del área central del hoyuelo y el borde exterior de la segunda área de curvatura,
h_{1}:
Diferencia de altura entre el punto más bajo del área central del hoyuelo y el borde exterior del área central del hoyuelo,
h_{2}:
Diferencia de altura entre el borde interior de la primera área de curvatura y el borde exterior de la primera área de curvatura,
h_{3}:
Diferencia de altura entre el borde interior de la segunda área de curvatura y el borde exterior de la segunda área de curvatura,
\alpha_{1}:
Ángulo comprendido entre el eje Y y una línea que conecta C_{2} y C_{3},
\alpha_{2}:
Ángulo comprendido entre el eje X y una línea que conecta C_{1} y C_{2},
f:
Parámetro relacionado con la parte de la superficie cubierta por el área central del hoyuelo en relación con el área combinada del área central del hoyuelo y las áreas de curvatura,
\newpage
en la que se eligen un conjunto de parámetros, en particular los parámetros d_{1}, \alpha_{1}, \alpha_{2}, R_{2}/R_{1} y f, y el resto de los parámetros se calculan por medio de las siguientes ecuaciones, con una tolerancia de \pm 10% para cada parámetro:
3
definiéndose dichas ecuaciones en un sistema de coordenadas bidimensional con el eje X en el plano de la superficie y pasando el eje Y por el centro del hoyuelo y siendo perpendicular a la superficie.
5. Superficie de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dichos hoyuelos están dispuestos periódicamente en dicha superficie.
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6. Superficie de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que los centros de tres hoyuelos adyacentes forman un triángulo, teniendo la distancia entre dos hoyuelos contiguos un valor constante t_{1} y teniendo la distancia existente entre dos filas de hoyuelos un valor constante t_{2}.
7. Superficie de acuerdo con la reivindicación 6, en la que las áreas de curvatura de dichos tres hoyuelos adyacentes están en contacto mutuo.
8. Superficie de acuerdo con la reivindicación 6 o la reivindicación 7, en la que están previstos hoyuelos adicionales de distinto tamaño, que están situados en el centro de tres hoyuelos adyacentes respectivos.
9. Superficie para reducir la resistencia al rozamiento, a lo largo de la cual fluye un medio, consistiendo dicho medio en un gas, un líquido, una mezcla bifásica o una mezcla de múltiples fases, de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, cuya superficie comprende hoyuelos que tienen un diámetro d y una profundidad h, existiendo entre dicha profundidad y dicho diámetro la relación h/d \leq 0,1.
10. Superficie a lo largo de la cual fluye un medio para incrementar la transmisión térmica entre dicha superficie y dicho medio en circulación, consistiendo dicho medio en un gas, un líquido, una mezcla bifásica o una mezcla de múltiples fases, de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, cuya superficie comprende hoyuelos que tienen un diámetro d y una profundidad h, existiendo entre dicha profundidad y dicha diámetro la relación h/d \geq
0,1.
11. Medio de locomoción con, al menos, una superficie a lo largo de la cual fluye un medio cuando el citado medio de locomoción está en movimiento, en el que dicha al menos una superficie está provista de hoyuelos de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10, en particular previsto como un coche, un camión, un tren, un avión, un helicóptero o una embarcación.
12. Dispositivo para el transporte de un medio, que comprende al menos una superficie con hoyuelos de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10.
13. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende un canal de transporte, en el que dicha al menos una superficie con hoyuelos está prevista como la superficie interior del mencionado canal de transporte.
14. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 13, en el que dicho canal de transporte es un conducto.
15. Dispositivo para el intercambio térmico entre un medio en circulación y, al menos, una superficie del dispositivo, en el que dicha al menos una superficie está provista de hoyuelos de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10, previsto en particular como parte de un sistema de acondicionamiento de aire.
16. Recipiente para cocinar y/o para mantener el calor, caracterizado porque la superficie exterior del fondo del recipiente y/o la superficie exterior de las paredes laterales del recipiente, comprenden una superficie con hoyuelos de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10.
17. Capa para aplicación sobre una superficie, cuya capa comprende una superficie con hoyuelos de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10.
18. Capa de acuerdo con la reivindicación 17, que tiene una primera cara y una segunda cara, caracterizada porque dicha primera cara comprende hoyuelos de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10 y dicha segunda cara es auto-adhesiva.
19. Método para producir una superficie con una resistencia reducida al rozamiento y/o un intercambio térmico mejorado con un medio circundante, que comprende la operación de
-
aplicar una capa de acuerdo con la reivindicación 17 o la reivindicación 18 sobre la mencionada superficie.
20. Método para producir una superficie con una resistencia reducida al rozamiento y/o un intercambio térmico mejorado con un medio circundante, que comprende las operaciones de
-
proporcionar una pieza de trabajo con, al menos, una superficie, e
-
imprimir, en dicha al menos una superficie, una estructura que comprende hoyuelos, generándose, por tanto, una superficie de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10.
21. Método para producir una superficie con una resistencia reducida al rozamiento y/o un intercambio térmico mejorado con un medio circundante, que comprende las operaciones de
-
proporcionar un molde de colada con, al menos, una superficie estructurada, y
-
moldear, en particular mediante moldeo por inyección, una pieza de trabajo con, al menos, una superficie que comprende hoyuelos, formándose, por tanto, una superficie de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10, por medio de dicho molde de colada.
22. Uso de una superficie de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10, como superficie para:
-
un medio de locomoción o
-
un dispositivo para el transporte de un medio o
-
un dispositivo para intercambio de calor o
-
un recipiente para cocinar y/o para mantener el calor.
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