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Turbinas de viento inspiradas en ballenas
Los científicos marinos han sospechado durante mucho tiempo que la increíble agilidad de las ballenas jorobadas proviene de las protuberancias en los bordes de ataque de sus aletas. Ahora, los investigadores de la Universidad de Harvard han creado un modelo matemático que ayuda a explicar esta ventaja hidrodinámica. El trabajo da peso teórico a un creciente cuerpo de evidencia empírica de que golpes similares podrían conducir a diseños de aviones más estables, submarinos con mayor agilidad y palas de turbinas que pueden capturar más energía del viento y el agua.
Finspiración: Los golpes en el borde de ataque de la aleta de la ballena jorobada le dan una ventaja hidrodinámica. Los investigadores están descubriendo que golpes similares podrían hacer que las turbinas eólicas, las aspas de los ventiladores y las alas de los aviones sean más eficientes.
Nos sorprendió que pudiéramos replicar muchos de los hallazgos provenientes de túneles de viento y túneles de agua usando una teoría relativamente simple, dice Ernst van Nierop , candidato a doctorado en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard. Fue coautor del estudio con el profesor de matemáticas Michael Brenner y el investigador Silas Alben.
La ventaja de la aleta de ballena jorobada parece ser el ángulo de ataque que es capaz de hacer: el ángulo entre el flujo de agua y la cara de la aleta. Cuando el ángulo de ataque de la aleta de una ballena, o el ala de un avión, se vuelve demasiado pronunciado, el resultado es algo llamado pérdida. En aviación, pérdida significa que no hay suficiente aire fluyendo sobre la superficie superior del ala. Esto provoca una combinación de mayor resistencia y pérdida de sustentación, una situación potencialmente peligrosa que puede resultar en una pérdida repentina de altitud. Experimentos anteriores han demostrado, sin embargo, que el ángulo de ataque de una aleta de ballena jorobada puede ser hasta un 40 por ciento más inclinado que el de una aleta suave antes de que ocurra la pérdida.
en un papel publicado recientemente en Cartas de revisión física y destacado en la revista Naturaleza , el equipo de investigación de Harvard demostró que las protuberancias en la aleta jorobada, conocidas como tubérculos, cambian la distribución de la presión sobre la aleta, de modo que algunas partes se estancan antes que otras. Dado que las diferentes partes de la aleta se estancan en diferentes ángulos de ataque, es más fácil evitar un estancamiento abrupto. Este efecto también le da a la ballena más libertad para atacar en ángulos más altos y la capacidad de predecir mejor sus limitaciones hidrodinámicas.
Los investigadores también encontraron que la amplitud de las protuberancias juega un papel más importante que la cantidad de protuberancias a lo largo del borde de ataque de una aleta. La idea es que podrías hacer un avión que sea mucho más difícil de detener y más fácil de controlar, dice van Nierop. Por ejemplo, los aviones de combate podrían diseñarse para ser más acrobáticos sin riesgo de choques provocados por la pérdida. En el agua, los submarinos navales podrían hacerse más ágiles.
La investigación de Harvard valida las primeras pruebas controladas en túnel de viento de aletas modelo, realizadas hace cinco años en la Academia Naval de EE. UU., En Annapolis, MD, donde se demostró que la pérdida que ocurre típicamente en un ángulo de ataque de 12 grados se retrasa hasta que El ángulo alcanza los 18 grados. En estas pruebas, la resistencia se redujo en un 32 por ciento y la sustentación mejoró en un 8 por ciento.
Esa investigación se detalló en un Estudio de 2004 en colaboración con la Universidad de West Chester y la Universidad de Duke. Este [trabajo de Harvard] básicamente muestra que la teoría y las mediciones empíricas están cerca, y agrega mayor peso a nuestra afirmación original sobre la función de los tubérculos, dice Frank Fish, profesor de biología en West Chester y autor principal del estudio original.
Ya se está intentando incorporar el diseño del tubérculo en productos comerciales. Fish es presidente de una empresa con sede en Toronto, Ontario, llamada WhalePower , que ha comenzado a demostrar las ventajas de los tubérculos cuando se integran en los bordes de ataque de las palas de turbinas eólicas y ventiladores.
Los prototipos de palas de turbinas eólicas (ver imagen a continuación) han demostrado que la pérdida retardada duplica el rendimiento de las turbinas a velocidades de viento de aproximadamente 17 millas por hora y permite que la turbina capture más energía de vientos de menor velocidad. Por ejemplo, las turbinas generan la misma cantidad de energía a 10 millas por hora que las turbinas convencionales generan a 17 millas por hora. Los tubérculos canalizan eficazmente el flujo de aire a través de las palas y crean vórtices en forma de remolino que mejoran la sustentación.
WhalePower, con sede en Toronto, Ontario, está probando esta pala de turbina eólica en una instalación de pruebas de viento en la Isla del Príncipe Eduardo. Las protuberancias, o tubérculos, en el borde de ataque de la pala reducen el ruido, aumentan su estabilidad y le permiten capturar más energía del viento.
Crédito: WhalePower
Stephen Dewar, director de investigación y desarrollo de WhalePower, dice que pruebas en curso en el Instituto de Energía Eólica de Canadá, en la provincia de la Isla del Príncipe Eduardo, han demostrado que las palas revestidas de tubérculos son más estables, silenciosas y duraderas que las palas convencionales. La turbina ha sobrevivido al impacto del borde de un huracán, y sobrevivió a la nieve y el hielo impulsados por el viento, dice.
WhalePower también ha demostrado en demostraciones que las aspas revestidas con tubos en los ventiladores de techo industriales pueden operar un 20 por ciento más eficientemente que las aspas convencionales, y hacen un mejor trabajo al hacer circular el flujo de aire en un edificio. Los resultados fueron lo suficientemente dramáticos como para convencer al mayor fabricante de ventiladores de Canadá de que licenciara el diseño, que aparecerá en una nueva línea de productos programada para su lanzamiento a fines de abril.
Este acuerdo de licencia con la compañía de ventiladores es genial, dice Fish. Básicamente muestra una de las muchas aplicaciones potenciales de esta tecnología. La unión de la biología y la ingeniería a través de la biomimética hará posibles futuras innovaciones.
El estudio de Harvard llega a la misma conclusión. Es posible que las lecciones aprendidas de las aletas de ballenas jorobadas pronto lleguen al diseño de alas especiales, hidroalas, así como palas de aerogeneradores y helicópteros.