Efecte Meredith
El Efecte Meredith és un fenomen físic en el que la resistència aerodinàmica produïda per un radiador de refredat pot ser compensada per mig del disseny meticuloso d'un conducte de refredat de modo tal que es produïx espente útil. L'efecte va ser descobert en la década de 1930[1] i es va fer tangible quan es va conseguir l'aument de la velocitat en aeronaus propulsadas per motors a pistón en la década següent.
Història
[editar | editar còdic].jpg){kind=link}
A mida que aumentava la velocitat dels avions, va escomençar a manifestar-se la necessitat de llimitar la resistència aerodinàmica dels radiadors (que cada volta eren més grans), necessaris per a dissipar la calor produïda pels motors a pistón gelats per líquit. Durant els primers anys de la década de 1930, es varen portar a terme varis estudis sistemàtics en Alemània a l'interior del DLR per a entendre la resistència aerodinàmica oferida pels radiadors, descomponent-la en vàries parts (pèrdues en el difusor, pèrdues per fricció en les superfícies internes i externes del conducte o del radiador).[2] L'ingenier britànic Frederick William Meredith, mentres treballava en la Royal Aircraft Establishment (RAE) en Farnborough, va estudiar el comportament d'un radiador tancat en un conducte aerodinàmic i va notar que a mida que aumentava la velocitat de l'aire, la resistència en lloc d'aumentar proporcionalment, disminuïa. Es va donar conte de que lo que es considerava com a calor residual lliberada a l'atmòsfera per mig del refrigerante (usualment etilenglicol), en un radiador calent no necessàriament devia perdre-se, i que la calor afig energia al fluix d'aire aixina que en un disseny cuidadosadament realisat, podria ser usat per a generar espente. Va publicar un treball el 14 d'agost de 1935, en el que concloïa que per velocitats superiors a 300 milles per hora (480 km/h), es conseguia un espente útil.[1]
Este fenomen va escomençar a ser conegut com el "Efecte Meredith" i va ser adoptat ràpidament pels dissenyadors en prototips d'aeronaus caça que ya estaven en curs de producció, com el Supermarine Spitfire i el Hawker Hurricane, que el seu motor Rolls-Royce PV-12 (després cridat Merlin) era refrigerat per etilenglicol. Es va ensajar un primer radiador que funcionava en efecte Meredith en el primer vol experimental del Supermarine Spitfire que va tindre lloc el 5 de març de 1936[3]
Molts ingeniers no entenien els principis operatius de l'efecte. Un error comú era creure que els motors radials gelats per aire es beneficiarien més de l'efecte degut a que les seues aletes de refredat operen a temperatures més elevades que els radiadors d'un motor gelat per líquit, un error que va persistir fins a 1949.[4]
En Estats Units, el North American P-51 Mustang, que va volar per primera volta en 1940, va adoptar tant el motor Merlin com el principi de Meredith[5]
Durant este periodo l'efecte Meredith també va inspirar els primers treballs nortamericans del conducte termo-aerodinàmic o ramjet per la seua similitut de principi d'operació (cicle Brayton o cicle Joule).[4]
L'efecte Meredith va ser usat en el disseny guanyador de la Competència de Disseny Aeronàutic Individual per a Estudiants, un avió de carreres cridat Cratus, realisat per l'estudiant de l'Universitat de Kansas Samantha Schueler, i otorgat per l'AIAA en octubre de 2012.[6][7]
Principi de Funcionament
[editar | editar còdic]
L'Efecte Meredith té lloc a on l'aire que fluïx a través d'un conducte és calfat per un bescanviador de calor o radiador que treballe en un decorregut de refrigeració d'alta temperatura com l'etilenglicol. Normalment, el decorregut és un refrigerante que transporta calor residual d'un motor de combustió interna.[4]
De la mateixa manera que en un estatorreactor, el sistema de conducte-bescanviador de calor es pot emmarcar en un cicle Brayton.
Per a que ocórrega, el conducte té que estar viajant a una velocitat significativa sobre l'aire. L'aire que fluïx dins del conducte troba la resistència que oferix la superfície del radiador i és comprimit per l'efecte d'aire d'impacte, que baixa la seua velocitat. A mida que fluïx pel radiador l'aire es calfa, afegint energia calòrica a l'aire i aumentant l'entalpia del fluix (és dir el seu energia total). L'aire s'expandix i es gela a mida que passa pel conducte, abans d'eixir i reunir-se en el fluix d'aire exterior; este aire calfat i presurizado ix per mig d'un ducto d'escape que té un disseny convergent (es fa estret cap al final) accelerant l'aire que ix en una velocitat major a la del seu ingrés (gràcies a l'energia obtinguda per mig de l'intercanvi de calor en el radiador). La diferència de la cantitat de moviment del fluix d'aire entre l'ingrés i l'eixida del ducto genera una força que per la tercera llei de Newton es traduïx en un espente efectiu.
Si l'espente generat és menor que la resistència aerodinàmica del ducto i el radiador, l'aparelle servix llavors per a reduir la resistència aerodinàmica de l'instalació del radiador. Si l'espente generat excedix la resistència aerodinàmica de l'instalació, llavors tot l'ensamblage contribuïx a l'espente d'alvanç del vehícul sancer.
Llímits d'aplicació
[editar | editar còdic]
Per a que l'efecte Meredith siga apreciable, el treball suministrat pel sistema radiador-conducte deu ser per lo manco de la mateixa escala del treball generat per la resistència aerodinàmica. El treball útil (L) és igual al producte entre la calor cedida pel radiador al fluix d'aire (Q) pel rendiment del cicle termodinàmic (). Per a un cicle Brayton d'un gas ideal el rendiment s'expressa en:
a on s'entén com la relació entre les pressions i (respectivament les pressions a lo llarc de les transformacions isobàriques de calfament i refredat) i és també cridat relació de compressió:
En el cas real s'assumix per al calfament isobàric un valor mig de la pressió del fluix d'aire en el radiador i per al refredat isobàric la pressió atmosfèrica. Per a que existixca un treball útil (rendiment >0), és necessari llavors que la pressió del fluix d'aire que passa en el radiador siga major que l'externa.
| Símbol | Nom |
|---|---|
| Pressió màxima que s'obté en el conducte per a la velocitat donada | |
| Pressió atmosfèrica | |
| Densitat de l'aire | |
| Velocitat de vol |
Este valor, corresponent a la sumatoria de la pressió estàtica i la pressió dinàmica, és el valor llímit (ideal) que es obtiende ralentisant isoentrópicamente (sense pèrdues) el fluix d'aire fins a una velocitat nula. No obstant, considerant que el fluix d'aire per a travessar el radiador deu tindre tindre una certa velocitat, la pressió dins del conducte serà sempre inferior a l'ideal. En adició, la velocitat de vol baixa resulta en un rendiment pobre i un treball disponible, en conseqüència, insignificant en comparació a les pèrdues aerodinàmiques per la presència del conducte i el bescanviador de calor. Del moment en que la pressió dins del conducte (i per lo tant el rendiment) aumenta en el quadrat de la velocitat, a partir de cert valor (al voltant del Mach 0.3) és possible convertir en treball (increment de la cantitat de moviment del fluix d'aire) una part no insignificant de la calor producte del refredat del motor que d'un atre modo es perdria. Este treball per l'aument de volum de l'aire calfat, produïx una acceleració dins del conducte (que es dissenya de forma convergent - la secció de la qual disminuïx a mida que s'acosta a l'eixida) que es prolonga fins a l'eixida, sent llavors, espente.[1] Si l'espente generat és menor a la resistència aerodinàmica del conducte o del radiador, el dispositiu reduïx la resistència aerodinàmica deguda al radiador. Si, pel contrari, l'espente generat supera el valor oferit per la resistència, tot el conjunt contribuïx en un espente net que millora la velocitat màxima del aerodino.[4]
Vore també
[editar | editar còdic]Referències
[editar | editar còdic]- ↑ 1,0 1,1 1,2 Aeronautical Research Council R&M 1683.Consultat el 27 de decembre de 2016.
- ↑ «The drag of airplane radiators with special reference to air heating» (en anglés).
- ↑ (Març de 1976) The Supermarine Spitfire--40 Years on: A Commemorative Brochure Marking the 40th Anniversary of the First Flight of the Prototype Vickers-Supermarine Spitfire on 5th March, 1936, Southampton Branch, Royal Aeronautical Society, p. 13.
- ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 «The high-speed frontier: Case histories of four NACA programs, 1920-1950 Chapter 5: High-speed Cowlings, Air Inlets and Outlets, and Internal-Flow Systems: The ramjet investigation» (en anglés).
- ↑ (1989) North American Rockwell., 1989 ed. edició, New York: Crescent Books, p. 49. ISBN 0517672529.
- ↑ «AIAA Foundation Announces Winners of 2011-2012 Undergraduate Individual Aircraft Design Competition : The American Institute of Aeronautics and Astronautics». www.aiaa.org. Archivat des d'el original, el 5 de març de 2016. Consultat el 28 de decembre de 2016.
- ↑ «Student’s aircraft design wins top honor». LJWorld.com. Consultat el 28 de decembre de 2016.
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Efecto Meredith» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.