Estudio de la Aerodinámica No Lineal e Inestacionaria de Semillas Voladoras Autorrotantes

Abstract

A lo largo de millones de años de evolución, ciertas especies vegetales han desarrollado estrategias de diseminación para aumentar su población: sus frutos o semillas poseen “órganos” que les permiten generar suficiente fuerza de sustentación como para mantenerse en vuelo durante un razonable período de tiempo mientras caen. Las semillas que al caer ejecutan un movimiento de autorrotación son llamadas sámaras y son, quizás, las “aviadoras” más simples, estables y eficientes que la naturaleza ha creado.
En este trabajo se presenta el desarrollo de una herramienta de simulación numérica que permite estudiar la aerodinámica no lineal e inestacionaria asociada al movimiento de autorrotación exhibido por las sámaras. El modelo aerodinámico adoptado es una versión modificada de la versión 3D del “unstedy vortex-lattice”, una generalización del conocido “vortex-lattice method”, ampliamente utilizado en flujos incompresibles y estacionarios. El movimiento de los puntos ubicados sobre el apéndice a modo de ala (esto es, la superficie sustentadora) de la semilla autorrotante se describe utilizando un modelo cinemático desarrollado con anterioridad por los autores de este trabajo.
La combinación entre el modelo cinemático y el modelo aerodinámico, junto con un preprocesador para generar la geometría de la sámara, constituyen una herramienta computacional que permite: 1) definir en forma paramétrica geometrías para la sámara y generar patrones de rotación y descenso para la semilla, 2) calcular el campo de movimiento del fluido alrededor de la semilla y las cargas aerodinámicas actuantes sobre ésta; y, 3) tener en cuenta todas las posibles interferencias aerodinámicas.
Con el fin de verificar el código computacional desarrollado, validar la utilización del modelo aerodinámico adoptado y determinar sus límites en lo que concierne a su aplicación al estudio de semillas autorrotantes se contrastaron dos problemas muy bien documentados en la literatura: el primero referido a una placa plana inmersa en una corriente de aire, y el segundo a un rotor en vuelo suspendido (hovering) que alcanza el estado estacionario. En la parte final, como caso de estudio se presentan resultados numéricos concernientes a la aerodinámica de una semilla rotante (semilla de arce) sin torsión.
Esta línea de investigación está orientada a desarrollar herramientas de simulación para estudiar la dinámica y la aerodinámica de semillas autorrotantes, y desarrollar sistemas dinámicos finitos para estudiar la aeroservoelasticidad de micro-vehículos aéreos inspirados, potencialmente, en esta inteligente estrategia de diseminación aérea.