Efecto Coanda y drag de forma

Puede que alguna vez hayas oído hablar de este efecto en referencia a la peculiar interacción que tiene lugar entre fluidos y sólidos. Normalmente, cuando dos sólidos entran en contacto, por la tercera ley de Newton, estos tienden a separarse en direcciones opuestas. Un buen ejemplo serían dos bolas de billar, que al chocar se mueven en distintas direcciones. Sin embargo, cuando un fluido contacta con un sólido, tiende a “adherirse” a su superficie y recorrerla.

Un sencillo experimento que demuestra este efecto consiste en encender una vela y colocar una botella cilíndrica justo entre nosotros y la llama. Si soplamos en dirección a la vela, incluso con la botella como obstáculo, veremos que la llama se apaga. Esto se debe a que, en vez de chocar sobre la superficie de la botella y dispersarse totalmente como haría un sólido, el aire rodea la botella hasta encontrar la llama encendida.

El efecto Coanda explica el fenómeno físico por el cual el fluido se adapta a la forma de un sólido y tiende a seguir su contorno. Esto se debe a la viscosidad que presentan los fluidos. Como vimos en el artículo donde se explicaba la capa límite, cuando el aire (u otro fluido) incide sobre una superficie, la primera capa de fluido se ve totalmente frenada, por efecto de su viscosidad. Las sucesivas capas que se van colocando unas encima de otras se adaptan así a la forma de la superficie, creando la capa límite.

Los ingenieros aerodinámicos juegan con este efecto para conseguir que el flujo de aire siga el contorno del monoplaza. Cuando el fluido encuentra un cambio muy brusco de curvatura en el cuerpo, no es capaz de mantenerse adherido y se despega. Esto generalmente origina la aparición de una de las fuentes más importantes de drag, el drag de forma.

Sigamos con el ejemplo anterior. Cuando el aire llega a la botella, por el efecto Coanda, tiende a seguir su geometría. Sin embargo, según va llegando a la parte posterior de la botella, no es capaz de seguir adherido y se despega.

Vamos a mostrar ahora una serie de imágenes (creadas mediante simulación CFD). En todas ellas, el aire llega desde la izquierda con una cierta velocidad e incide sobre el cilindro blanco, que se observa desde arriba. En la primera imagen, se representa la velocidad del fluido empleando distintos colores (cuanto más cálido, mayor velocidad). En la segunda imagen, se representa mediante vectores o flechas la dirección que sigue el aire. En ambas, se observa que el fluido sigue la geometría del sólido durante su primera mitad hasta que, al llegar a los puntos superiores e inferiores del diámetro del cilindro, se despega.

Aerodinámica velocidad cilindro
Vectores aerodinámica cilindro

Gracias a los vectores de velocidad, se puede observar cómo el fluido se decelera e invierte su sentido justo tras el cilindro, generando una estela. Esta estela es en realidad una zona de velocidad reducida respecto a la corriente principal.

Detalle vector velocidad cilindro 1

En la última imagen se muestra la presión estática en el campo fluido. En la zona donde la capa límite se despega por la aceleración del flujo, aparece una región de depresión (marcada con un azul intenso). Además, como tras el cilindro el flujo se encuentra totalmente desprendido, la presión es inferior a la que se encontraba por delante de él (colores más cálidos). Esta diferencia de presiones origina una fuerza que empuja al cilindro hacia la derecha, representada con una flecha roja, lo que se conoce como drag de forma.

De todo esto, se deduce que la forma de evitar la aparición del drag de forma es diseñar cuerpos con curvas suaves que permitan al flujo permanecer adherido a la superficie. En la figura inferior se muestran distintos cuerpos. Se puede observar que cuanto menos cambios bruscos presenta la superficie, menos se despega la capa límite y, por tanto, menos drag de forma aparece.

Separación de capa límite en distintos cuerpos
[1]

Referencias:

[1] Kumar, G. (31 de marzo de 2018) What is skin drag and form drag? Online: https://www.quora.com/What-is-skin-drag-and-form-drag

Rivera, N. (11 de junio de 2016) La importancia del efecto Coanda en el automovilismo y la aviación. Online: https://hipertextual.com/2016/06/efecto-coanda

Katz, J., (1995). Race Car Aerodynamics: Designing for Speed, Cambridge, USA, Bentley Publishers.



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2 thoughts on “Efecto Coanda y drag de forma

  1. Muy bueno! gracias

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