INTERMOVES-3D: Interacción tridimensional entre cuerpos móviles tridimensionales y su estela

Duración:

09/2023 - 09/2026

Resumen

¿Por qué las hojas de los árboles caen describiendo esas trayectorias? ¿Cómo son capaces las semillas de desplazarse a tanta distancia sin consumir energía? ¿Seremos capaces de diseñar submarinos o helicópteros tan eficientes como los tiburones o las libélulas? La respuesta a estas preguntas tiene un factor en común: la interacción puramente tridimensional entre el fluido y el sólido que se da en estas situaciones. Este proyecto nace del esfuerzo conjunto de un grupo de investigadores jóvenes con formación complementaria en el ámbito de la Mecánica de Fluidos que pretende avanzar en el conocimiento de dicha interacción.

Para ello, emplearemos punteras técnicas experimentales, como el novedoso método Shake-the-Box de velocimetría por seguimiento tridimensional de partículas (3D-PTV), buscando generar sinergias interdisciplinares que den nuevas soluciones a este tipo de problemas. Inicialmente, se jugará con los grados de libertad del movimiento de los sólidos y con las condiciones del fluido en configuraciones más fundamentales para acabar aplicando los mecanismos de interacción fluido-sólido en sistemas más sofisticados, con aplicaciones en la industria del transporte.

Por un lado, se desea profundizar en el papel que tiene la topología de la estela tridimensional en la cinemática de cuerpos como prismas, placas o discos, ya sea modificando su trayectoria o generando una determinada deformación o rotación. Además, se analizará el efecto de estos mecanismos de interacción en las fuerzas hidro/aerodinámicas que actúan sobre estos cuerpos. El conocimiento adquirido con estos análisis se aplicará en modelos simplificados de vehículos, de cara a desarrollar nuevos sistemas de propulsión más eficientes y limpios, con aplicaciones principales en la industria del transporte pesado por carretera, aunque también aplicables a sistemas de locomoción submarina o diseño de drones. Los experimentos previstos combinan ensayos de prismas cayendo libremente en el seno de un líquido en reposo, estudios de interacción fluido-estructura en un canal hidrodinámico empleando cuerpos romos con grados de libertad limitados y evaluaciones en túnel de viento de sistemas de mejora aerodinámica que interactúan con el flujo alrededor de modelos de camiones. La propuesta cuenta con el apoyo de los investigadores del Grupo de Mecánica de Fluidos e Interacción Fluido-Estructura de las Universidades de Granada y Jaén, así como de colaboradores internacionales, de la Universidad de Liverpool y del Instituto de Mecánica de Fluidos de Toulouse, expertos en la temática de la propuesta.

Objetivos

Objetivo general 1 (O1): Avanzar en el conocimiento de la interacción entre cuerpos móviles y el fluido existente alrededor de ellos. Para ello, se plantean los siguientes objetivos específicos:

-Objetivo específico 1a (OE1a): Profundizar en el análisis del impacto de la topología de la estela en la trayectoria de cuerpos tridimensionales que caen libremente, con numerosos grados de libertad, en el seno de un fluido en reposo por efecto de la gravedad.

-Objetivo específico 1b (OE1b): Explorar la posible dinámica de vibraciones inducidas por flujo que pueda aparecer en cuerpos romos tridimensionales como prismas, placas o discos, montados elásticamente, enfrentados a un flujo incidente.

-Objetivo específico 1c (OE1c): Estudiar el efecto de un movimiento prefijado en los modelos anteriores (desplazamiento 1D y/o giro) en la topología de la estela formada tras ellos y en sus fuerzas hidrodinámicas.

Objetivo general 2 (O2): Implementación de sistemas móviles/flexibles en modelos simplificados de vehículos terrestres pesados para explorar nuevos dispositivos de mejora aerodinámica, modificando las estructuras turbulentas que aparecen alrededor de ellos. Para ello, se plantean los siguientes objetivos específicos:

-Objetivo específico 2a (OE2a): Analizar el efecto aerodinámico de sistemas modulares reconfigurables como multipaneles móviles o flexibles, dispuestos en la parte trasera de los modelos empleados a distintas escalas (fundamental e industrial). Se persigue que estos sistemas se adapten al flujo de aire y a la topología tridimensional de la estela.

-Objetivo específico 2b (OE2b): Desarrollar, implementar y evaluar la acción de filamentos flexibles o móviles dispuestos en las aristas traseras y longitudinales de dichos modelos a distinta escala para que, de cara a una mejora aerodinámica, actúen como generadores de vorticidad en la separación masiva trasera del flujo o debiliten los vórtices longitudinales que aparecen bajo condiciones de flujo cruzado.

Tareas

Resultados

Próximamente

Impacto científico técnico o internacional

El objetivo del presente proyecto es ampliar el conocimiento de los mecanismos de interacción entre cuerpos tridimensionales móviles y flexibles y el movimiento del fluido a su alrededor. Los hallazgos derivados de la presente propuesta podrán ayudar a desarrollar sistemas de mejora aero/hidrodinámica en vehículos pesados terrestres, propulsión submarina o drones, pudiendo reducir el consumo energético de la industria del transporte, lo que actualmente implica una reducción significativa de las emisiones de gases de efecto invernadero.

Aunque la propuesta es un proyecto de investigación no orientada, este objetivo contribuye al Área de intervención Transporte y movilidad limpios, seguros y accesibles dentro del Pilar

de Retos globales y Competitividad industrial europea, identificado como prioritario en el nuevo programa marco para el periodo 2021-2027 Horizonte Europa. Así, los resultados y

aplicaciones de este proyecto contribuirían a mitigar los efectos del cambio climático relacionado con el transporte de mercancías por carretera, sector que la Agencia Europea de Medio Ambiente estima que genera aproximadamente el 30% de las emisiones de CO2 a nivel europeo y afecta al 96% de europeos que vive en entornos urbanos, provocando unas 238.000 muertes prematuras al año. Ante el aumento de estas emisiones, el Parlamento Europeo ha adoptado una nueva legislación encaminada a reducir un 30% las emisiones de CO2 para 2030 (procedimiento legislativo 2018/0130), que incluye una nueva directiva más permisiva respecto a sistemas aerodinámicos (EU 2015/719) aplicados en la industria del transporte. El grado de aplicabilidad de la presente línea de investigación podrá incluso reflejarse en la elaboración de patentes, como las 3 con las que cuenta en la temática el grupo proponente, o en transferencia de conocimiento a empresas del sector como Liderkit S.L. y Lecitrailer S.A, que ya han colaborado con investigadores de la propuesta en ensayos a escala real.

Desde el punto de vista científico-técnico, los resultados obtenidos pretenden ser difundidos en revistas relevantes dentro de la temática propuesta, apostando por el acceso abierto. Los resultados más importantes serán también presentados en conferencias de referencia tanto en el ámbito general de la Mecánica de Fluidos como en aquellos congresos específicamente relacionados con el proyecto. Además, la presente propuesta pretende desarrollar e implementar nuevos métodos de seguimiento de cuerpos mediante algoritmos de reconstrucción tridimensional que ahora mismo se encuentran en desarrollo a nivel internacional. Es igualmente relevante la iniciativa de usar herramientas de procesado típicamente empleadas para simulaciones numéricas en datos experimentales complejos, como los esperables en la presente propuesta. Se espera que los resultados obtenidos y los posibles algoritmos desarrollados estén disponibles de manera accesible de cara a generar sinergias con otros investigadores o servir como datos de referencia, benchmark, para otros estudios en la temática que empleen otras metodologías como simulaciones numéricas o análisis de estabilidad.

Finalmente, la propuesta servirá para dinamizar el recientemente creado Grupo de Interés Especial SIG 47 3D Wakes de ERCOFTAC a cuyo comité director pertenecen investigadores de la presente propuesta y ayudar a la futura solicitud de una Doctoral Network de formación de doctores por parte de las instituciones participantes en el proyecto.