analisis de flujo alrededor de una esfera

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Análisis del Flujo Alrededor de una Esfera 1 ANALISIS DE FLUJO ALREDEDOR DE UNA ESFERA RESUMEN En el presente artículo se presenta el proceso de análisis de flujo externo alrededor de una esfera. Daremos una pequeña introducción a los conceptos básicos necesarios para entender los conceptos de flujo alrededor de esfera, primero analizaremos el caso en que no hay circulación de la velocidad alrededor de la esfera y luego estudiaremos el efecto de la presencia de una circulación, lo que nos permitirá poner en evidencia el efecto de sustentación. A continuación realizaremos un pequeño estudio sobre la capa límite, y ampliaremos en el estudio de capa límite sobre una placa plana. Luego se mostraran los resultados de la simulación del flujo alrededor de un cilindro, y por último se dará algunos comentarios acerca del análisis hecho. El diseño se fundamenta en los resultados arrojados por las simulaciones realizadas. En el desarrollo del presente artículo se presentan los principios básicos de la teoría de Capa Limite, y específicamente los conceptos de Fuerza de arrastre y Fuerza de sustentación. Para este estudio se usó software Cosmosfloworks, con el cual se analizaron las líneas de corriente y la caída de presión del fluido en el conducto.

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MECANICA DE FLUIDOS

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  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    1

    ANALISIS DE FLUJO ALREDEDOR DE UNA ESFERA

    RESUMEN

    En el presente artculo se presenta el proceso de anlisis de flujo externo alrededor

    de una esfera.

    Daremos una pequea introduccin a los conceptos bsicos necesarios para

    entender los conceptos de flujo alrededor de esfera, primero analizaremos el caso en

    que no hay circulacin de la velocidad alrededor de la esfera y luego estudiaremos el

    efecto de la presencia de una circulacin, lo que nos permitir poner en evidencia el

    efecto de sustentacin. A continuacin realizaremos un pequeo estudio sobre la

    capa lmite, y ampliaremos en el estudio de capa lmite sobre una placa plana. Luego

    se mostraran los resultados de la simulacin del flujo alrededor de un cilindro, y por

    ltimo se dar algunos comentarios acerca del anlisis hecho.

    El diseo se fundamenta en los resultados arrojados por las simulaciones realizadas.

    En el desarrollo del presente artculo se presentan los principios bsicos de la teora

    de Capa Limite, y especficamente los conceptos de Fuerza de arrastre y Fuerza de

    sustentacin. Para este estudio se us software Cosmosfloworks, con el cual se

    analizaron las lneas de corriente y la cada de presin del fluido en el conducto.

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

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    I. GENERALIDADES

    1.1 INTRODUCCION

    Este trabajo est dedicado al estudio y anlisis de flujos externos alrededor de

    cuerpos inmersos en una corriente fluida, especficamente se tratara el caso de una

    esfera sumergida en una corriente fluida. Estos flujos presentan efectos viscosos (de

    cortadura y no deslizamiento) cerca de la superficie del cuerpo y dentro de la estela,

    pero tpicamente son prcticamente no viscosos lejos del cuerpo. Son flujos de capa

    lmite no confinado y por ello pueden expandirse sin importar cuanto crezca la capa

    lmite.

    Aunque la teora de capa limite y la mecnica de fluidos computacional son muy tiles

    para comprender los flujos exteriores, los cuerpos con geometras complejas suelen

    requerir datos experimentales relativos a las fuerzas y momentos producidos por el

    flujo. Tales flujos son muy comunes en estudios ingenieriles: aerodinmica (aviones,

    cohetes), hidrodinmica (barcos, submarinos), transporte (automviles, camiones),

    ingeniera elica (puentes) e ingeniera marina (boyas, rompeolas).

    La tcnica del anlisis de capa limite puede utilizarse para calcular los efectos

    viscosos cerca de las paredes slidas y acoplar estos al movimiento exterior no

    viscoso. Este acoplamiento es tanto ms efectivo cuanto mayor sea el nmero de

    Reynolds basado en el cuerpo, y este nmero de Reynolds, lo podemos hacer variar

    ya sea variando el dimetro del cilindro o variando la velocidad del fluido.

    La teora de capa limite es muy interesante y clarificadora y nos da un conocimiento

    cualitativo solido del comportamiento de los flujos viscosos, pero a causa de la

    separacin, la teora no permite un clculo cuantitativo completo del campo fluido.

    As, por ejemplo, en la actualidad no hay ninguna teora para determinar las fuerzas

    sobre un cuerpo cualquiera sumergido en una corriente a un nmero de Reynolds

    arbitrario, excepto los resultados CFD (Mecnica de Fluidos Computacional).Por lo

    tanto la experimentacin es la llave para tratar estos flujos externos.

    Ahora, un cuerpo en movimiento inmerso en un fluido experimenta fuerzas

    ocasionadas por la accin del fluido. El efecto total de estas fuerzas es muy complejo.

    http://www.monografias.com/trabajos35/categoria-accion/categoria-accion.shtml

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    3

    Sin embargo, para propsitos de diseo o estudio del comportamiento del cuerpo en

    un fluido, son dos las fuerzas resultantes de mayor importancia: El arrastre y la

    sustentacin. Las fuerzas de arrastre y sustentacin son iguales, sin que importe si es

    el cuerpo el que se mueve en el fluido o el fluido es el que se mueve alrededor del

    cuerpo.

    De esta manera, para realizar todo el anlisis del flujo alrededor de un cilindro se har

    uso de software Cosmosfloworks, con el que se hallaran las fuerzas de arrastre y

    sustentacin, as como los coeficientes correspondientes a estas fuerzas.

    1.2 OBJETIVOS

    Determinar la influencia del nmero de Reynolds sobre los coeficientes y

    1.3 DESCRIPCION DE LAS CONDICIONES DE FLUJO

    Las condiciones de flujo son las siguientes:

    Fluido incompresible

    Flujo permanente

    Sistema adiabtico

    Flujo sin gravedad

    Flujo plano (2D)

    http://www.monografias.com/trabajos16/comportamiento-humano/comportamiento-humano.shtml

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

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    II. MARCO TEORICO

    2.1 FUNDAMENTO TERICO

    FLUJO ALREDEDOR DE UN ESFERA SIN CIRCULACIN

    Ahora se examina la combinacin de un flujo uniforme con un doblete. Este ltimo con su

    eje de desarrollo paralelo a la direccin de flujo uniforme y orientado de manera que la

    direccin del flujo de salida se opone al flujo uniforme. El potencial combinado para la

    superposicin est dado por:

    Del trabajo anterior, la funcin de corriente para los flujos combinados se convierte en:

    En este tipo de anlisis la lnea de corriente tiene una importancia particular. En el flujo

    bidimensional, la lnea de corriente ya se ha interpretado como el borde de una superficie

    que se extiende sin lmite en la direccin Z. La velocidad siempre debe ser tangente a

    esta superficie, de manera que no haya penetracin del flujo a travs de ella. Por

    consiguiente, una lnea de corriente puede considerarse como el contorno de un cuerpo

    impermeable y bidimensional. Las lneas de corriente restantes forman el patrn de flujo

    alrededor de esta frontera. El procedimiento esencial en la tcnica de superposicin

    puede establecerse ahora. Se encuentra una lnea de corriente que encierre un rea cuya

    forma tenga algn significado prctico en el flujo de fluidos. Esta lnea de corriente se

    considerara como la frontera de un objeto slido bidimensional, estableciendo de esta

    manera el problema. El patrn de lneas de corriente por fuera de esta regin constituye el

    flujo alrededor del cuerpo bidimensional.

    La figura 1muestra lneas de corriente de flujo exteriores al crculo que forman el patrn

    de flujo mientras que las lneas de corriente dentro del crculo pueden ignorarse. Sin

    embargo, es posible imaginar la regin externa del crculo como un material slido con un

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    5

    fluido que fluye dentro de la frontera circular. Este flujo tiene un punto de velocidad infinita

    en el centro del crculo y, por consiguiente, tiene poco inters en situaciones fsicas.

    Adems en el flujo alrededor de un cilindro, debe notarse que cada uno de los flujos

    bsicos utilizados tiene circulacin nula en cualquier parte y, por consiguiente, la

    circulacin para una trayectoria alrededor de un cilindro tambin debe ser nula.

    Figura 1. Circulacin alrededor de un fluido

    CAPA LMITE

    La teora de capa limite fue introducida por PRANDTL, esta teora establece que, para un

    fluido en movimiento, todas las pedidas por friccin tienen lugar en una delgada capa

    adyacente al contorno del slido (llamada capa limite), y que el flujo exterior a dicha capa

    puede considerarse como carente de viscosidad.

    En un flujo a altos nmeros de REYNOLDS, los efectos de la viscosidad del fluido y la

    rotacin se confinan en una regin relativamente delgada cerca de las superficies slidas

    o de las lneas de discontinuidad, tales como las estelas. Como la capa limite es delgada,

    se puede introducir ciertas simplificaciones en las ecuaciones del movimiento; sin

    embargo, es necesario retener tanto los trminos de esfuerzo (viscoso), como las

    inerciales (aceleracin). Los trminos de presin pueden o no estar presentes,

    dependiendo de la naturaleza del flujo fuera de la capa lmite. Como la verticidad del fluido

    de la capa limite no es cero, no existe funcin del potencial de velocidades para el flujo en

    la capa limite. La ecuacin del movimiento se debe atacar directamente.

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    6

    Esta ecuacin, aun incluyendo las simplificaciones de la capa limite, es mucho ms difcil

    de resolver que la ecuacin de flujo de potencial. Se introducen complicaciones

    adicionales por el hecho de que el flujo en la capa limite podra ser laminar o turbulento.

    Para fronteras lisas aguas arriba, la capa lmite empieza como laminar, dentro de la cual

    las partculas de fluido se mueven en capas lisas. A medida que la capa lmite aumenta su

    espesor, se vuelve inestable y finalmente se transforma en turbulenta, en la cual las

    partculas de fluido se mueven en trayectorias aleatorias, a pesar de que su velocidad ha

    sido reducida por la accin viscosa en la frontera.

    No existe una teora simple para el anlisis de los flujos externos en el intervalo de

    nmeros de Reynolds de 1 hasta 1000. Normalmente estos flujos con capas viscosas

    gruesas se estudian experimentalmente o con modelos numricos del campo fluido

    utilizando el ordenador.

    Figura 2. Esquemas de la capa limite

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    7

    Los flujos a altos nmeros de Reynolds son mucho ms fciles de tratar mediante el

    acoplamiento de la capa lmite. Las capas viscosas, tanto laminares como turbulentas,

    son muy delgadas definiremos el espesor de la capa lmite como el lugar geomtrico de

    los puntos donde la velocidad paralela u paralela a la placa alcanza el 99% del valor de la

    velocidad exterior U.

    Donde es el nmero de Reynolds local del flujo a lo largo de la superficie de la

    placa. La frmula para el flujo turbulento es aplicable para mayores que

    aproximadamente.

    El espesor se incrementa ms rpidamente en la capa lmite turbulenta. En esta, el

    espesor se incrementa con , mientras que en la capa lmite laminar varia con .

    Para un valor de Reynolds de la capa lmite es tan delgada que se puede despreciarel

    efecto de desplazamiento inducido.

    Para cuerpos esbeltos, tales como placas y perfiles paralelos a la corriente incidente, la

    suposicin de que la interaccin entre la capa lmite y la distribucin de presiones de la

    corriente exterior es despreciable constituye una excelente aproximacin. En cuerpos

    romos (cilindros), incluso a Reynolds muy altos, la teora de la capa lmite resulta falsa, en

    un caso real la capa lmite es delgada en la zona frontal del cuerpo, de incidencia de la

    corriente, donde la presin decrece a lo largo de la superficie. Pero en la parte posterior la

    capa lmite se encuentra con presiones crecientes y se desprende, o se separa,

    formndose una estela amplia y pulsadora. La corriente principal se deflacta por causa de

    la estela, de modo que el flujo exterior difiere bastante del que predice la teora no

    viscosa.

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    8

    Figura 3. Esquema de Capa limite alrededor de una esfera

    La teora para la interaccin fuerte entre las zonas viscosa y no viscosa alrededor de

    cuerpos romos no est bien desarrollada. Los flujos como el de la figura anterior se

    estudian normalmente de un modo experimental o mediante CFD.

    ARRASTRE Y SUSTENTACIN

    La sustentacin y el arrastre se han definido como fuerzas por unidad de longitud sobre

    un cilindro en las direcciones normal y paralela, respectivamente, al flujo uniforme. La

    presin para los flujos combinados se vuelve uniforme a distancias grandes del cilindro

    donde los efectos del doblete se vuelven muy pequeos. Conociendo esta presin as

    como la velocidad uniforme Vo, puede emplearse la ecuacin de Bernoulli entre el infinito

    y los puntos sobre la frontera del cilindro con el fin de calcular las presiones sobre esta

    frontera. Luego, sin tener en cuenta los cambios en la energa potencial, por ser muy

    pequeos,

    Donde el subndice b se refiere a la frontera cilndrica. Como el fluido no puede penetrar a

    travs de la frontera, la velocidad , debe localizarse en la direccin transversal y, por

    consiguiente, es igual a su componente .

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    9

    El arrastre y la sustentacin se definen

    como las componentes de fuerza paralela y

    normal, respectivamente, ejercidos sobre

    un cuerpo por el fluido en movimiento, a la

    velocidad relativa de aproximacin. Tanto

    los esfuerzos debidos a la presin como los

    viscosos actan sobre un cuerpo

    sumergido y uno o los dos contribuyen a

    las fuerzas resultantes. La accin dinmica

    del fluido en movimiento es la que

    desarrolla el arrastre y la sustentacin.

    Conceptualmente la sustentacin y el arrastre pueden calcularse directamente a partir de

    los esfuerzos de presin y los esfuerzos viscosos. El flujo alrededor de un ala provee un

    ejemplo introductorio. Los esfuerzos cortantes actan a lo largo de la superficie de ala. La

    velocidad del flujo en la parte superior del ala es mayor que la velocidad en corriente libre,

    por lo que aplicando la ecuacin de Bernoulli, la presin en la parte superior es menor que

    la presin de corriente libre, la velocidad en la parte inferior es menor que la velocidad de

    corriente libre por lo que da como resultado una presin mayor que la de la velocidad de

    corriente libre. Esta diferencia de presin en la responsable de la fuerza de sustentacin

    que acta sobre el ala.

    La fuerza de arrastre en un rea superficial diferencial dA:

    Se integra sobre el rea superficial, con una presin positiva por debajo del ala y una

    presin negativa por encima, la fuerza de arrastre total se obtiene como

    Del mismo modo la fuerza de sustentacin

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    10

    La sustentacin total se obtiene despus de integrar

    Figura 4. DCL de un alabe

    Es posible calcular las fuerzas de arrastre y sustentacin con coeficientes de arrastre y

    sustentacin definidos empricamente

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    11

    Dnde:

    L = Fuerza de sustentacin en Newton

    = Densidad del fluido.

    V = Velocidad del cuerpo respecto al fluido.

    A = rea del cuerpo en m2

    = Coeficiente de sustentacin.

    El patrn de flujo alrededor del cuerpo sumergido controla la magnitud de las fuerzas de

    arrastre y sustentacin, y el desarrollo de la capa lmite juega un papel importante al

    definir las fuerzas.

    III. PROCEDIMIENTOS DE MODELAMIENTO Y SIMULACION

    3.1 SELECCIN DE PARMETROS O VARIABLES:

    En el anlisis de flujo alrededor de una esfera, obtendremos los siguientes parmetros:

    Fuerza de arrastre

    Coeficiente de arrastre

    Fuerza de sustentacin

    Coeficiente de sustentacin

    3.2 DESCRIPCIN DE LOS MATERIALES E INSUMOS SELECCIONADOS.

    El Material usado es fundicin de hierro maleable.

    Los hierros maleables son tipos especiales de hierro producidos por el tratamiento trmico

    de la fundicin blanca. Estas fundiciones se someten a rgidos controles y dan por

    resultado una microestructura en la cual la mayora del carbono est en la forma

    combinada de cementita, debido a su estructura la fundicin blanca es dura, quebradiza y

    muy difcil de maquinar.

    Para nuestro anlisis solo necesitaremos saber la rugosidad:

    Rugosidad: e=0,26 mm

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

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    3.3 DESCRIPCIN DEL PROCESO DE SIMULACIN DEL ANLISIS

    FLUIDODINMICO

    Para esta prctica utilizamos el software SOLIDWORKS, COSMOS FLOWOKS y los

    datos que usaremos son los siguientes:

    = 1000Kg/m3

    = 1.308x10-3 Pa.s

    D = 10 cm

    Adems conocemos las siguientes relaciones:

    Re = f(U)

    A=

    IV. PRESENTACION Y DISCUSION DE RESULTADOS

    El nmero de Reynolds lo calculamos con la siguiente ecuacin:

    Para calcular los coeficientes adimensionales utilizaremos las siguientes ecuaciones:

    Ahora realizaremos el anlisis para los siguientes nmeros de Reynolds: ,

    , ; .

    NOTA: Cabe decir que en el anlisis los resultados nos dan y , pero debemos hacer

    notar que:

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    13

    En el presente informe solo mostraremos los resultados promedios de y , ya que

    estos son tiles en nuestro anlisis, ya en los anexos se mostraran todos los resultados

    que la simulacin nos da.

    Cabe decir que para este anlisis, solo variaremos la velocidad, manteniendo los dems

    parmetros constantes, esto nos permitir calcular la velocidad en funcin del nmero de

    Reynolds ya conocido

    1. Para , reemplazando en la ecuacin nmero (1), tenemos que

    NOMBRE UNIDADES VALOR PROMEDIO

    Componente de

    Fuerza X

    [N] 3.44515097008369E-

    09

    Componente de

    Fuerza Y

    [N] 7.0399330940854E-12

    Reemplazando en las ecuaciones (2) y (3) tenemos:

    (

    )

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    14

    2. Para , reemplazando en la ecuacin nmero (1), tenemos que

    NOMBRE UNIDADES VALOR PROMEDIO

    Componente de

    Fuerza X

    [N] 8.95940898226658E-

    08

    Componente de

    Fuerza Y

    [N] 1.46684701388824E-

    10

    Reemplazando en las ecuaciones (2) y (3) tenemos:

    (

    )

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    15

    3. Para , reemplazando en la ecuacin nmero (1), tenemos que

    NOMBRE UNIDADES VALOR PROMEDIO

    Componente de

    Fuerza X

    [N] 3.64626530875153E-

    06

    Componente de

    Fuerza Y

    [N] 1.46684701388824E-

    10

    Reemplazando en las ecuaciones (2) y (3) tenemos:

    (

    )

    A continuacin se muestra la distribucin de presiones para un

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    16

    4. Para , reemplazando en la ecuacin nmero (1), tenemos que

    NOMBRE UNIDADES VALOR PROMEDIO

    Componente de

    Fuerza X

    [N] 0.000159653435427574

    Componente de

    Fuerza Y

    [N] 6.77311945014027E-06

    Reemplazando en las ecuaciones (2) y (3) tenemos:

    (

    )

    A continuacin se muestra la distribucin de presiones para un

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    17

    5. Para , reemplazando en la ecuacin nmero (1), tenemos que

    NOMBRE UNIDADES VALOR PROMEDIO

    Componente de

    Fuerza X

    [N] 0.0128987214624961

    Componente de

    Fuerza Y

    [N] 0.0000192899794217336

    Reemplazando en las ecuaciones (2) y (3) tenemos:

    (

    )

    A continuacin se muestra la distribucin de presiones para un

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    18

    6. Para , reemplazando en la ecuacin nmero (1), tenemos que

    NOMBRE UNIDADES VALOR PROMEDIO

    Componente de

    Fuerza X

    [N] 1.22011470568338

    Componente de

    Fuerza Y

    [N] 0.00272866520830768

    Reemplazando en las ecuaciones (2) y (3) tenemos:

    (

    )

    A continuacin se muestra la distribucin de presiones para un

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    19

    7. Para , reemplazando en la ecuacin nmero (1), tenemos que

    NOMBRE UNIDADES VALOR PROMEDIO

    Componente de

    Fuerza X

    [N] 120.213698412289

    Componente de

    Fuerza Y

    [N] 0.200036624077141

    Reemplazando en las ecuaciones (2) y (3) tenemos:

    (

    )

    A continuacin se muestra la distribucin de presiones para un

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    20

    A continuacin presentamos las grficas que muestran la dependencia del coeficiente

    de arrastre con el nmero de Reynolds, y la dependencia del coeficiente de

    sustentacin con el nmero de Reynolds:

    100

    101

    102

    103

    104

    105

    106

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    Nmero de Reynolds (Re)

    Co

    eficie

    nte

    de

    p

    rdid

    a d

    e a

    rra

    str

    e (

    Cd

    )

    100

    101

    102

    103

    104

    105

    106

    0

    0.002

    0.004

    0.006

    0.008

    0.01

    0.012

    Numero de Reynolds

    Coeficie

    nte

    de s

    uste

    nta

    ci

    n (

    Cl)

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    21

    V. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS

    De la investigacin terica realizada tenemos que tanto la fuerza de arrastre como

    la de sustentacin aparecen en todos los cuerpos, pero su importancia relativa

    puede cambiar dependiendo de la forma del mismo (si es delgado, como un ala, el

    mayor arrastre proviene de la friccin). Esto proporciona explicacin a la cada en el

    coeficiente de arrastre para una esfera (o un cilindro). En un cuerpo as, la mayor

    parte de la fuerza que se opone al movimiento del cuerpo proviene de la baja

    presin detrs del objeto: si por alguna razn sta disminuyera, la fuerza total

    sufrira una baja significativa

    De la grfica de CD vs Re, vemos que el coeficiente de arrastre, CD, tiene una

    variacin uniforme para los nmeros de Reynolds, Re, entre y , pero para

    un el coeficiente de arrastre, CD, tiene una variacin muy notable, este

    fenmeno se produce porque para Re = la capa lmite est entrando a la zona

    de transicin

    De la grfica CL vs Re vemos que el coeficiente de sustentacin, CL, aumente de

    forma muy notable a partir de este fenmeno se produce porque el flujo

    est entrando a la zona de transicin en la capa lmite, y en esta zona de

    transicin se comienza a dar la separacin de la capa limite; lo cual origina

    elevadas fuerzas de sustentacin.

    Cuando la separacin ocurre cerca de las partes superior e inferior del cilindro con

    una pequea recuperacin de la presin en la estela, hay una presin menor en la

    parte posterior del cilindro, lo que produce un arrastre mayor.

  • Anlisis del Flujo Alrededor de una Esfera

    22

    VI. BIBLIOGRAFIA

    I. SHAMEZ, Mecnica de Fluidos, 3 Edicin, Editorial McGRAW-HILL, Pg.

    541

    F. WHITE, Mecnica de Fluidos, 5 Edicin, Editorial McGRAW-HILL, Pg.

    437

    http://zeth.ciencias.uchile.cl/~amartinez/informe_final/arrastre2.pdf

    http://zeth.ciencias.uchile.cl/~amartinez/informe_final/arrastre2.pdf