Sistema y método para reducir la fuerza viscosa entre un fluido y una superficie.

Un sistema para reducir la resistencia viscosa de un fluido sobre una superficie,

que comprende:

un metamaterial (20) que tiene una respuesta de permeabilidad magnética a un intervalo de frecuencias entre aproximadamente 1014 y 1016 Hz;

en el que:

el metamaterial (20) está dispuesto sobre la superficie; y

la permeabilidad magnética es suficiente para generar una fuerza de repulsión entre la superficie y el fluido para reducir la resistencia viscosa del fluido sobre la superficie y en el que:

la permeabilidad magnética tiene un valor absoluto de hasta aproximadamente.

Sistema y método para reducir la fuerza viscosa entre un fluido y una superficie

Campo La presente divulgación se refiere en general a la resistencia viscosa y, más en particular, a un metamaterial configurado para reducir la resistencia viscosa entre un fluido y una superficie.

Antecedentes Uno de los principales colaboradores a la falta de eficacia de un objeto que se mueve a través de un fluido es la resistencia por fricción o la resistencia viscosa que tiene lugar en la capa límite del objeto. La resistencia por fricción o resistencia viscosa tiende a resistir el movimiento del objeto a través del fluido o el movimiento del fluido por

encima del objeto. Por ejemplo, la maquinaria giratoria tal como una turbina que gira en un fluido está sometida a la resistencia viscosa en la capa límite del objeto. En otro ejemplo, un vehículo tal como una aeronave que se mueve a través del aire está sometido a la resistencia por fricción o la resistencia viscosa en la capa límite de la superficie de contacto de vehículo/aire que tiende a impedir el movimiento hacia delante de la aeronave.

En la técnica anterior se incluyen muchos intentos para la reducción de la resistencia viscosa que actúa sobre una superficie tal como la resistencia por fricción que actúa sobre un perfil aerodinámico que se mueve a través del aire o un perfil hidrodinámico que se mueve a través de agua. Un enfoque para la reducción de la resistencia viscosa incluye la formación de una pluralidad de perforaciones o poros en la superficie por encima de la cual el fluido se mueve y la aplicación de una fuerza de soplado o succión a los poros. La aplicación de succión a los poros se basa en el principio de eliminación de fluido de baja energía de la capa límite de la superficie con el fin de reducir la resistencia. La aplicación de una fuerza de soplado a los poros emplea el principio de adición de fluido de mayor energía a la capa límite, lo que retarda la separación de la capa límite con respecto a la superficie. Tal como se aplica a las superficies de sustentación de perfil aerodinámico o hidrodinámico, el retardo de la separación de la capa límite aumenta la sustentación, retarda la entrada en pérdida a unos ángulos altos de ataque de perfil aerodinámico en relación con la corriente de fluido en movimiento, y mejora de este modo la eficacia de la superficie de sustentación.

Desafortunadamente, la aplicación de succión en los poros requiere un sistema de vacío activo. Un sistema activo de este tipo típicamente requiere la adición de una bomba de vacío separada o la adición de una serie compleja de conductos que unen una bomba de vacío existente a los poros en la superficie. Tal como puede apreciarse, la adición de un sistema de vacío activo a menudo da como resultado un sistema más pesado que puede dar como resultado unos costes y un trabajo de mantenimiento aumentados.

Otro enfoque para aumentar la eficacia de las superficies que se mueven a través de una corriente de fluido incluye el uso de ranuras o nervaduras sobre las superficies de sustentación fluidodinámicas. Las ranuras o nervaduras pueden funcionar para retardar la separación de flujo excitando una corriente de aire de capa límite que fluye en las proximidades de la superficie de sustentación. No se pretende que las ranuras o nervaduras reduzcan la resistencia y pueden aumentar ligeramente la resistencia viscosa debido al área de superficie adicional de la superficie de sustentación como resultado de las ranuras o nervaduras. Las ranuras o nervaduras se proporcionan para excitar la 45 capa límite como resultado de los remolinos de capa límite que se forman alrededor de los bordes de salida de las ranuras o nervaduras. La separación de corriente de fluido de capa límite de mayor energía mejora la eficacia de las superficies de sustentación de perfil aerodinámico e hidrodinámico similar a la eficacia mejorada asociada con la tecnología de fuerza de soplado que se menciona anteriormente. Para superficies lisas, tales remolinos van y vienen en la corriente de aire de capa límite y pueden rebotar o desviarse con respecto a la superficie de sustentación.

La configuración de las ranuras o nervaduras sobre la superficie puede estar adaptada a la corriente de aire de capa límite y el entorno de fluido circundante y a la forma en la que es probable que las superficies de sustentación se muevan en relación con el entorno de fluido circundante. Por ejemplo, las ranuras o nervaduras han de estar orientadas a lo largo de una dirección que es, en general, paralela a la dirección prevista del movimiento de la 55 superficie de sustentación en relación con el fluido.

Tal como puede verse, existe una necesidad en la técnica para un sistema y un método para reducir la resistencia viscosa de una superficie que se mueve a través de un fluido y que es preferiblemente un sistema pasivo que no requiere componentes activos. Además, existe una necesidad en la técnica para un sistema y un método para reducir la resistencia viscosa de una superficie que se mueve a través de un fluido que se comporta bien cuando se cambia el movimiento direccional de la superficie de sustentación en relación con el fluido. Adicionalmente, existe una necesidad en la técnica para un sistema y un método para reducir la resistencia viscosa de una superficie que se mueve a través de un fluido que sea de construcción simple, de coste bajo y de peso ligero.

El documento WO 2005/089176 da a conocer un metamaterial que tiene una estructura deformable y un conjunto de elementos de activación que pueden controlarse entre múltiples estados y constituye la técnica anterior más próxima.

Breve sumario De acuerdo con la invención existe un sistema y un método tal como se define en las reivindicaciones adjuntas 1 y 8, respectivamente.

Las necesidades que se describen anteriormente, asociadas con la reducción de la resistencia viscosa que actúa sobre una superficie se tratan y se mitigan de forma específica mediante un metamaterial que puede estar 10 incorporado como parte de, y/o que puede aplicarse a, una superficie que se mueve a través de un entorno de fluido tal como a través del aire o a través de un líquido (por ejemplo, agua) . Un metamaterial tiene una respuesta de permeabilidad magnética a unas frecuencias en el intervalo de entre aproximadamente 1014 y1016 Hz y que puede abarcar las bandas infrarroja, visible y ultravioleta del espectro electromagnético. El metamaterial genera una fuerza entre la superficie y la corriente de fluido circundante tal como una corriente de aire o una corriente de líquido de una forma que reduce la resistencia viscosa del fluido sobre la superficie.

La expresión “metamaterial” se usa por los expertos en las técnicas relevantes para describir unos materiales que muestran unas propiedades que no se encuentran en la naturaleza. Los átomos y las moléculas en la naturaleza experimentan típicamente una fuerza de atracción cuando se encuentran en las proximidades de otros materiales,

tal como los materiales usados para superficies aerodinámicas y fluidodinámicas incluyendo, sin limitación, los perfiles aerodinámicos y los perfiles hidrodinámicos. Los expertos en los campos relevantes de la tecnología hacen referencia típicamente a tales fuerzas en el marco de la teoría clásica como fuerzas de “van der Waals” y en el marco de la teoría cuántica como fuerzas de “Casimir–Polder–Lifshitz”.

Los metamateriales contemplados según se da a conocer en el presente documento y el sistema y los métodos para usar tales metamateriales de acuerdo con los principios de las realizaciones que se dan a conocer en el presente documento reducen, eliminan e invierten tales fuerzas de atracción y pueden posibilitar una fuerza de repulsión entre una superficie y los átomos y/o las moléculas en un fluido que fluye más allá de la superficie. Los metamateriales según se da a conocer en el presente documento tienen una permeabilidad magnética que es sensible a la inversión de tales fuerzas de atracción dentro del intervalo de frecuencias de 1014 a 1016 Hz del espectro electromagnético para crear la fuerza de repulsión.

El metamaterial puede tener preferiblemente una alta permeabilidad magnética y una permitividad eléctrica relativamente baja suficiente para generar una fuerza de repulsión entre el metamaterial aplicado a, o integrado con,

la superficie y el fluido que fluye alrededor, o por encima, de la superficie. En una realización, el metamaterial puede tener una permeabilidad magnética que es más grande que la permitividad eléctrica del metamaterial por un factor de hasta por lo menos 10. La permeabilidad magnética... [Seguir leyendo]

1. Un sistema para reducir la resistencia viscosa de un fluido sobre una superficie, que comprende:

un metamaterial (20) que tiene una respuesta de permeabilidad magnética a un intervalo de frecuencias entre aproximadamente 1014 y 1016 Hz; en el que:

el metamaterial (20) está dispuesto sobre la superficie; y la permeabilidad magnética es suficiente para generar una fuerza de repulsión entre la superficie y el fluido para reducir la resistencia viscosa del fluido sobre la superficie y en el que:

la permeabilidad magnética tiene un valor absoluto de hasta aproximadamente 25.

2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que: el valor absoluto de permeabilidad magnética se encuentra dentro del intervalo de entre aproximadamente 5 y

15.

3. El sistema en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el que:

la fuerza de repulsión se representa por Ũ y es más grande que 1, calculándose la fuerza de repulsión Ũ de acuerdo con la fórmula: Ũ = U/kT > 1

en la que U representa el potencial de van der Waals, k representa la constante de Boltzmann y T representa la temperatura en Kelvin.

4. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que: la superficie está compuesta por al menos una de una superficie aerodinámica y una superficie hidrodinámica.

5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 4, en el que:

la superficie aerodinámica comprende por lo menos uno de un ala de aeronave, una superficie de cola, una superficie de control, un fuselaje, una pala de hélice, un álabe de turbina.

6. El sistema en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que:

el metamaterial (20) se configura de tal modo que la permeabilidad magnética y la permitividad eléctrica del metamaterial (20) tienen unos valores negativos.

7. El sistema en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que:

el metamaterial (20) está compuesto por una disposición ordenada de nanopartículas (26) formadas sobre la superficie.

8. Un método de reducción de la resistencia viscosa de un fluido que se mueve en relación con una superficie, que comprende:

producir un movimiento relativo entre la superficie y el fluido; y generar una fuerza de repulsión entre la superficie y el fluido incorporando un metamaterial (20) en la superficie, y generar la fuerza de repulsión a partir del metamaterial (20) que tiene una respuesta de permeabilidad magnética a un intervalo de frecuencias de entre aproximadamente 1014 y 1016 Hz y en el que:

la fuerza de repulsión se establece seleccionando el metamaterial (20) para tener un valor absoluto de permeabilidad magnética de hasta por lo menos aproximadamente 25.

9. El método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que:

la fuerza de repulsión del metamaterial (20) se establece seleccionando el metamaterial (20) para tener un potencial de repulsión Ũ que es más grande que 1, calculándose la fuerza de repulsión Ũ de acuerdo con la fórmula:

Ũ = U/kT > 1 en la que U representa el potencial de van der Waals, k representa la constante de Boltzmann y T representa la temperatura en Kelvin.