Editor Top
El sensor multidireccional desarrollado por investigadores de Japón puede ayudar a mejorar la eficiencia de la maquinaria de fluidos a escala industrial. Crédito: Universidad de Ciencias de Tokio
El sector de la energía y el transporte a menudo hace uso de diferentes tipos de maquinaria de fluidos, incluidas bombas, turbinas y motores de aviones, todos los cuales implican una alta huella de carbono. Esto se debe principalmente a las ineficiencias en la maquinaria de fluidos provocadas por la separación del flujo alrededor de superficies curvas, que suelen ser de naturaleza bastante compleja.
Por lo tanto, para mejorar la eficiencia de la maquinaria de fluidos, es necesario caracterizar el flujo cercano a la pared en la superficie curva para suprimir esta separación del flujo. El desafío para lograr esto es múltiple. Primero, los sensores de flujo convencionales no son lo suficientemente flexibles para encajar en las paredes curvas de la maquinaria de fluidos. En segundo lugar, los sensores flexibles existentes adecuados para superficies curvas no pueden detectar el ángulo del fluido (dirección del flujo). Además, estos sensores se limitan a detectar únicamente la separación del flujo a velocidades inferiores a 30 m/s.
En un nuevo estudio, el Prof. Masahiro Motosuke de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS) en Japón y sus colegas, el Sr. Koichi Murakami, el Sr. Daiki Shiraishi y el Dr. Yoshiyasu Ichikawa de TUS, en colaboración con Mitsubishi Heavy Industries, Japón, y la Universidad de Iwate, Japón, asumieron este desafío. Como afirma el profesor Motosuke, «detectar el esfuerzo cortante y su dirección en superficies curvas, donde se produce fácilmente la separación del flujo, ha sido difícil de lograr en particular sin utilizar una técnica novedosa».
Su trabajo fue publicado en Micromáquinas.
El equipo, en su estudio, desarrolló un sensor de flujo flexible basado en una película delgada de poliimida que se puede instalar fácilmente en superficies curvas sin alterar el flujo de aire circundante, un requisito clave para una medición eficiente. Para permitir esto, el sensor se basó en la tecnología del sistema microelectromecánico (MEMS). Además, el diseño novedoso permitió integrar múltiples sensores para la medición simultánea del esfuerzo cortante de la pared y el ángulo de flujo en la superficie de la pared.
Uno de los principales contribuyentes al calentamiento global son las industrias de la energía y el transporte, que dependen de maquinarias fluidas que a menudo son ineficientes y dejan una gran huella de carbono. Para mejorar la eficiencia de estas maquinarias, los investigadores de Japón han diseñado ahora un sensor novedoso que se adapta fácilmente a las paredes curvas de las máquinas de fluidos y puede caracterizar las separaciones de flujo a altas velocidades en diferentes direcciones. Crédito: Masahiro Motosuke de TUS, Japón
Para medir el esfuerzo cortante en las paredes, el sensor midió la pérdida de calor de un microcalentador, mientras que el ángulo de flujo se estimó utilizando una matriz de seis sensores de temperatura alrededor del calentador que facilitó la medición multidireccional. El equipo realizó simulaciones numéricas del flujo de aire para optimizar la geometría de los calentadores y conjuntos de sensores.
Usando un túnel de flujo de aire de alta velocidad como entorno de prueba, el equipo logró mediciones de flujo efectivas con una amplia gama de velocidades de flujo de aire de (30 a 170) m/s. El sensor desarrollado demostró una gran flexibilidad y escalabilidad. «Los circuitos alrededor del sensor se pueden sacar utilizando una placa de circuito impreso flexible e instalarse en una ubicación diferente, de modo que solo se adhiera una lámina delgada al objetivo de medición, lo que minimiza el efecto en el flujo circundante», dice el profesor Motosuke.
El equipo estimó que la salida del calentador variaba como la potencia de un tercio del esfuerzo cortante de la pared, mientras que la salida del sensor que comparaba la diferencia de temperatura entre dos sensores colocados de manera opuesta demostró una oscilación sinusoidal peculiar a medida que cambiaba el ángulo de flujo.
El sensor desarrollado tiene el potencial para una amplia gama de aplicaciones en maquinaria de fluidos a escala industrial que a menudo implica una separación de flujo compleja alrededor de superficies tridimensionales. Además, el principio de funcionamiento utilizado para desarrollar este sensor puede extenderse más allá de los flujos de aire subsónicos de alta velocidad.
«Aunque este sensor está diseñado para flujos de aire rápidos, actualmente estamos desarrollando sensores que miden el flujo de líquido y se pueden conectar a los humanos según el mismo principio. Estos sensores de flujo delgados y flexibles pueden abrir muchas posibilidades», dice el profesor Motosuke.
En conjunto, el novedoso sensor MEMS podría cambiar las reglas del juego en el desarrollo de maquinarias de fluidos eficientes con efectos perjudiciales reducidos en nuestro medio ambiente.
La medición en tiempo real del flujo de aire de alta velocidad es 20 veces más rápida que los métodos convencionales
Koichi Murakami et al, Desarrollo de un sensor MEMS flexible para flujo subsónico, Micromáquinas (2022). DOI: 10.3390/mi13081299
Citación: El nuevo sensor delgado y flexible caracteriza los flujos de aire de alta velocidad en superficies curvas (27 de octubre de 2022) consultado el 27 de octubre de 2022 en https://techxplore.com/news/2022-10-thin-flexible-sensor-characterizes-high-speed .html
Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.
