Estelas turbulentas y el Número de Reynolds

Tras un pequeño descanso, volvemos a la carga con nuevos temas que consideramos interesantes. En el día de hoy vamos a hablar acerca de esas estelas que vemos en determinadas ocasiones en la punta de las alas de los aviones.

No me estoy refiriendo a las estelas dejadas tras el paso de un avión  a reacción. Estas últimas, aprovechamos para explicarlo brevemente, son provocadas por la condensación del vapor de agua expulsado por los motores que, en contacto con el aire, se enfría rápidamente y se condensa formando una nube. A grandes altitudes (otro día explicaremos la diferencia entre altura y altitud, y aprovecharé para comentar algunos otros parámetros aeronáuticos) este vapor de agua se enfría tan rápidamente, que se transforma directamente en pequeños cristales de hielo. En función de la humedad atmosférica se formará o no estela y será más o menos resistente.

Estela por condensacion

El caso que os quería comentar, es algo más particular. Me refiero a esa estela que se puede ver tan sólo durante unos segundos en la punta de las alas de aeronaves de gran maniobrabilidad, cazas y aviones acrobáticos principalmente. Pero para ello, antes, tendremos que entender qué es la capa límite.

Para entender el concepto de capa límite tenemos que imaginarnos cómo se comporta un fluido (¡cuidado, no os despistéis, el aire también es un fluido!) cuando un cuerpo viaja a través de él. A suficiente distancia del cuerpo, el fluido sigue moviéndose a su propia velocidad, es decir, no se entera de la presencia del cuerpo. Sin embargo, en la zona más próxima al cuerpo el fluido adquiere la velocidad del cuerpo y viaja con él debido a la viscosidad. Este comportamiento variará en función de cada fluido y sus distintos parámetros de viscosidad.

En la zona intermedia se producirá una transición gradual, en la que el fluido pasará de tener la velocidad propia a la del cuerpo que lo atraviesa. Esta zona suele ser muy pequeña y se conoce como capa límite, y suele definirse como la zona en la que el flujo de aire tiene una velocidad entre el 0% y el 99% de V (Siendo V la velocidad del cuerpo que lo atraviesa).

Pues bien, cuando el flujo de aire se mueve sobre un objeto (nuestra aeronave) de forma ordenada, se dice que es flujo laminar. Cuando, por el contrario, se mueve de forma caótica y desordenado, se dice que estamos en régimen de flujo turbulento. Este último es, generalmente, causado por el desprendimiento de nuestra famosa capa límite y puede provocar desde pequeñas turbulencias hasta peligrosísimas entradas en pérdida (nuestra aeronave deja de estar “apoyada” sobre el aire y empieza a caer). Por lo general, los aviones se diseñan retrasando lo más posible el desprendimiento de la capa límite.

En realidad aunque para la mayor parte de la aeronave podemos considerar que nos desplazamos en regímenes de flujo laminar, siempre tenemos un cierto efecto turbulento, que es lo que intentan minimizar los nuevos diseños. Es el caso de los vórtices provocados en las puntas de las alas, que crean una estela turbulenta, invisible pero apreciable, que impiden el despegue muy seguido de varias aeronaves consecutivas. (El tiempo entre despegues variará en función del peso de la aeronave, pues su estela turbulenta será menor  a menor peso). Para reducir este efecto indeseado se utilizan los Winglets (ver foto).

Winglet

Para evaluar el movimiento de un fluido se utiliza el Número de Reynolds, que evalúa la relación entre la velocidad y la viscosidad de un fluido. Es un parámetro muy importante en mecánica de fluidos, que nos permitirá establecer valores para determinar el flujo laminar y turbulento. Generalmente se considera flujo laminar a valores de Reynolds por debajo de 2000 y flujo turbulento por encima de 3000. Por ejemplo, un valor típico del Número de Reynolds para una aeronave pequeña es de 100.000 (sin unidades, es adimensional) y significa que las fuerzas viscosas son 100.000 veces menores que las fuerzas convectivas, por lo que pueden ser ignoradas.

También se crean estelas turbulentas cuando aviones de gran maniobrabilidad y velocidad realizan virajes muy pronunciados, ya que estos movimientos producen el desprendimiento de la capa límite. Incluso pueden ser observadas en pequeñas partes de grandes aviones comerciales. Pero estas estelas, al contrario que las mencionadas al comienzo de este artículo, sí son visibles dada la fuerte turbulencia creada. Poseen un elevado Número de Reynolds (NR para los amigos) y son las que, pueden observarse, por ejemplo, cuando los Blue Angels realizan maniobras extremas.

Estela turbulenta

A continuación os dejo un ejemplo de estos portentos de la acrobacia aérea. En el segundo 53 puede verse un claro ejemplo de estela turbulenta (No confundáis este efecto con el propio humo de los aviones)

También os dejo este otro ejemplo en el que podemos ver pequeñas estelas surgiendo de la parte trasera del ala de un avión comercial mientras efectúa las maniobras de frenado y aterrizaje.