El número de Reynolds

El número de Reynolds (Re) es muy popular e importante en mecánica de fluidos en general y en ingeniería aeronáutica en particular. Este número asusta mucho a los que se inician en aeronáutica, pero vamos a verlo aquí de forma muy sencilla. El número muestra la relación entre fuerzas inerciales y viscosas. No tiene dimensiones, es simplemente una cantidad. Se utiliza para predecir el patrón de un flujo, en nuestro caso el aire. Determina el punto donde el aire pasa de ser laminar (en forma de lámina) a turbulento. El ejemplo gráfico que acompaña el post ilustra muy claramente lo que es un flujo laminar y uno turbulento. El número de Reynolds puede utilizarse para predecir el punto en donde ocurrirá esta transición. 


El aire, como cualquier fluido, tiene viscosidad. Cuando el aire se mueve tiene dirección y sentido, pero cuando las moléculas de este interaccionan se producen fricciones y decimos que existe viscosidad. Simplificando mucho diremos que la viscosidad es la resistencia que se opone a las fuerzas de inercia. En palabras sencillas es la resistencia a fluir. El famoso númerito de Reynolds entonces no es más que el ratio o relación entre la velocidad del flujo y su viscosidad... así de sencillo.


El flujo uniforme de las moléculas genera un patrón laminar, pero cuando existen diferencias en velocidad y dirección de estas se produce un flujo turbulento. En ese caso, las moléculas van de un lado a otro con gran agitación e incluso pueden cruzarse en direcciones opuestas. Con números de Reynolds bajos, los flujos tienden a estar dominados por el flujo laminar (en forma de lámina), mientras que en valores altos de Reynolds existe un patrón turbulento. El número de Reynolds tiene amplias aplicaciones, pero en aeronáutica se emplean constantemente para estudiar el paso de aire sobre el ala o el fuselaje de un avión. 



Se usa para predecir el punto de transición y también para escalar situaciones de flujo similares pero de diferente tamaño, como entre un modelo de avión en un túnel de viento y la versión de tamaño completo. 

Apunte cinematográfico sobre viscosidad

Si alguien ha visto películas anteriores a la Guerra de las Galaxias (1977), se habrá dado cuenta de lo dificil que es hacer una maqueta de un barco que se comporte de forma realista en el mar. Simplemente el agua está a diferente escala con respecto a la maqueta. Si el agua (y sus propiedades) fuera del tamaño de la maqueta se vería en pantalla de una forma completamente realista. Las grandes superproducciones empleaban grandes maquetas para que esta diferencia de escalas no resultaran artificiosas y darles un aspecto más creíble.


En la imagen se pueden ver fotogramas de varias películas de los 40 (destino Tokio - gran película) donde el agua parece como a diferente escala con respecto a las maquetas. De cualquier forma, mucho más meritorio que las actuales películas hechas con ordenador y más medios técnicos , donde a pesar de todo ese despliegue, los objetos se mueven de forma poco realista. Ejemplos: Midway (2019) y Hurricane (2018), en mi opinión "caca de la vaca", con perdón. No merecen la pena a pesar de ser muy aeronáuticas. La batalla de Midway (1976 en Sensurround) y la batalla de Inglaterra (1969) son las originales y muy por encima de estas dos bazofias modernas.

Pero sigamos con el número de Reynolds en los aviones. Como decimos, este número se usan en el diseño de superficie aerodinámica para (entre otras cosas) gestionar el "efecto de escala" cuando se calculan/comparan características (un ala pequeña, escalada para ser enorme, funcionará de manera diferente). Los ingenieros definen el número de Reynolds en la cuerda del ala (R) de esta manera: 


Donde V es la velocidad de vuelo (TAS o velocidad verdadera), c es la longitud de la cuerda del ala y ν es la viscosidad cinemática del fluido en el que opera la superficie de sustentación, que en nuestro caso es 1,460 × 10^−5 m2/s para la atmósfera al nivel del mar. En algunos estudios se puede usar también una longitud distinta de la cuerda.

Implicaciones en el vuelo

El número de Reynolds aumenta con la velocidad, y el coeficiente de fricción disminuye. Volar con gran carga alar significa volar a un régimen de mayor velocidad y con un coeficiente de fricción más bajo, por lo tanto, mejor relación L/D (Green Dot o planeo) que en el mismo punto polar de un avión a menor velocidad. En el descenso, recuérdese que los aviones más pesados vuelan más rápido y también deben de empezar a descender antes que uno ligero.



Comentarios

  1. Por lo tanto en hidrodinámica el cálculo de rendimiento de carena debe ser igual de complicado que en los modelos de aeronaves a escala en los túneles de viento o las cámaras de agua para ver vórtices.

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    1. Hola querido amigo, efectivamente. Este número se utiliza mucho en náutica, entre oras cosa para lo que comentas y también para evitar la cavitación de las hélices.

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