También ofrece un beneficio significativo para el medio ambiente al reducir el impacto en la vida marina
Una nueva superficie texturizada diseñada para imitar la piel de tiburón que puede reducir la resistencia y mitigar el ruido basado en el flujo, abriendo la puerta a una nueva generación de sistemas de sonar de matriz remolcada más efectivos y eficientes.
Los submarinos y los barcos dependen de matrices de sonares remolcados (Towed array sonar, TSA) para las operaciones de exploración y seguridad submarinas, pero arrastrar estos sensores a través del agua, especialmente a altas velocidades de crucero, crea un exceso de ruido que puede enmascarar las señales del objetivo y comprometer las capacidades de detección del sonar.
Ahora, un equipo de ingenieros de la Universidad de California en Berkeley está intentando resolver el problema inspirándose en la Madre Naturaleza.
"Estudios anteriores han demostrado que los patrones únicos en la piel del tiburón, conocidos como nervaduras o microsurcos, pueden reducir la resistencia", dice Grace Gu, profesora asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de California, Berkeley, e investigadora principal de un nuevo estudio.
"Presumimos que tales topografías bioinspiradas podrían reducir de manera similar la producción de ruido en un contexto submarino y nos propusimos adaptar estos diseños naturales a las superficies de las matrices de sonar".
Los investigadores dicen que otra textura natural, las estrías, que se sabe que ayudan a los búhos a lograr un vuelo silencioso y se usan en superficies para mitigar el ruido en los sistemas aeronáuticos, inspiraron la idea de usar nervaduras para suprimir el ruido.
Para probar su teoría, los investigadores utilizaron modelos computacionales para simular superficies de microsurcos con diferentes formas y patrones y luego simularon el movimiento del agua alrededor de estas superficies de microsurcos diseñadas en las matrices.
Este entorno de prueba virtual les permitió evaluar cómo los diferentes diseños de microsurcos afectan el comportamiento del fluido y las propiedades acústicas de las matrices de sonar en diversas condiciones de flujo, desde flujos laminares suaves y predecibles hasta los flujos turbulentos caóticos más comunes que se encuentran en ambientes marinos naturales.
De los muchos diseños de microsurcos probados, incluidos los lisos, triangulares, trapezoidales y festoneados, el diseño de microsurcos rectangulares resultó ser el prototipo de mayor rendimiento. Fue el más eficaz tanto para disminuir el ruido generado por el flujo de agua como para disminuir la resistencia hidrodinámica.
Imagen: Ilustración de los conceptos de diseño y configuración del dominio de fluidos: (a) Trazado esquemático de una TSA durante las misiones. (b) Topologías de microsurcos bioinspiradas. (c) Configuración del dominio fluido que representa las condiciones operativas previstas. (d) Configuración de malla poliédrica basada en regiones. (Imagen cortesía de Gu Research Group)
La magnitud de estas mejoras se hizo particularmente evidente al realizar simulaciones con flujos turbulentos. En estas condiciones, los microsurcos rectangulares demostraron una reducción del ruido de hasta un 14,3%, junto con una disminución del 5,1% en la resistencia hidrodinámica, en comparación con una superficie de matriz lisa. Además, su estudio paramétrico reveló que los microsurcos con geometrías más finas y más estrechamente espaciadas pueden reducir aún más la resistencia en otro 25,7%.
"Estos hallazgos subrayan la eficacia de las geometrías de microsurcos en diferentes condiciones de flujo, destacando su potencial para optimizar el rendimiento acústico e hidrodinámico de los sistemas marítimos", dice Gu. "El robusto potencial y de doble funcionalidad de estas microestructuras podría cambiar las reglas del juego para futuros diseños de TSA".
Además de mejorar nuestra comprensión de cómo afectan la acústica los microsurcos, el estudio también arroja luz sobre el mecanismo hidrodinámico subyacente que impulsa la supresión del ruido.
"Nuestro estudio ha revelado un proceso fundamental que ocurre dentro de los flujos turbulentos, donde las superficies de las matrices de sonar reforzadas con microsurcos de intrincado diseño desempeñan un papel clave en lo que describimos como 'levantamiento de vórtices'. El proceso implica redirigir los núcleos de estructuras de vórtices coherentes, elevándolos efectivamente de la superficie de la matriz y al mismo tiempo disminuyendo su fuerza de rotación", dice Zixiao Wei, estudiante graduado en el departamento de ingeniería mecánica y primer autor del estudio.
"Esta elevación es clave para reducir las intensas fluctuaciones de presión que se generan por la interacción entre el flujo de agua y la pared de la matriz, lo que lleva a la producción de ruido".
Esta investigación bioinspirada podría conducir a avances clave en la funcionalidad de vehículos e instrumentos submarinos, con implicaciones de amplio alcance para muchas aplicaciones, dice Gu. Y el funcionamiento más silencioso de estos dispositivos submarinos también ofrece un beneficio significativo para el medio ambiente al reducir el impacto en la vida marina.
Quizás lo más importante es que este estudio muestra cómo las eficiencias biológicas pueden traducirse en significativas mejoras tecnológicas. Si continúan adoptando un enfoque de diseño bioinspirado, algún día los investigadores podrán descubrir soluciones prácticas a otros problemas de ingeniería.
"Los patrones de microsurcos, similares a los que se encuentran en la naturaleza, nos ofrecieron una manera no sólo de replicar sino también de optimizar estas soluciones naturales para sistemas creados por el hombre", dice Wei. "Este trabajo demuestra el vasto potencial de la biomímesis en el avance de la ingeniería y la tecnología".
El estudio se ha publicado en la revista Extreme Mechanics Letters: Influence of bioinspired riblet topographies on the mitigation of flow-induced noise in towed sonar arrays
