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Diseño de un tunel de viento aerodinámico
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INDICE
1. INTRODUCCIÓN. 2
Presentación de la empresa. 2
2. ¿QUÉ ES UN TÚNEL DE VIENTO? 3
3. PARTES DE UN TÚNEL DE VIENTO. 3
Utilidad del túnel de viento. 4
4. TIPOS, APLICACIÓN Y CAPACIDADES. 5
Por su aplicación. 5
Por su construcción. 6
Por la dirección del flujo. 8
Por la velocidad del flujo. 9
5. OPERACIÓN Y EVALUACIÓN. 11
Pruebas efectuadas en el túnel de viento. 11
Instrumentos de control y datos del túnel de viento. 14
Instrumentos de evaluación y medición. 15
6. DISEÑO DE TUNELES DE VIENTO. 17
Problemas en el diseño de túneles de viento para modelos de escala reducida. 17
Materiales usados en la construcción de los túneles de viento. 19
Diseño de un túnel de viento de uso didáctico. 20
7. BIBLIOGRAFÍA. 22
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Teléfonos: FAX (591) 2-2412091 - (591) 2-2782348 - (591) 71910581 - e-mail: [email protected]
TUNELES DE VIENTO PARA PRUEBAS AERODINÁMICAS
fig.1
1. INTRODUCCIÓN.
Presentación de la empresa.
D&S Aeromodelos tiene como objetivo primordial el fomentar el
aeromodelismo en Bolivia otorgándole el valor que se merece como un hobby
educativo integral.
Nuestra empresa se ha especializado en el diseño, construcción y reparación
de cualquier tipo de aeromodelo de cualquier categoría, para ello hacemos uso de la
mejor gente capacitada en el ramo, logrando trabajos de calidad y con una garantía
de vuelo inigualable.
La construcción de nuestros aeromodelos se efectúa en materiales
tradicionales (madera balsa, terciada y otras) y moldeados en fibra lo que brinda a
nuestra clientela una amplia gama de productos a elección, y al tener la capacidad de
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Teléfonos: FAX (591) 2-2412091 - (591) 2-2782348 - (591) 71910581 - e-mail: [email protected]
diseño podemos satisfacer cualquier necesidad que tenga un cliente en cuanto a un
modelo específico o una aplicación que quiera darle al mismo.
D&S Aeromodelos prueba sus modelos al área de vuelo del Club de
Aeromodelismo Illimani, que se ubica en la Base Aérea de La Ciudad del Alto en La
Paz Bolivia, la cual está situada a una altitud sobre el nivel del mar de 4100 m (12000
ft.). en donde se presentan condiciones atmosféricas que pueden ser vistas como
desfavorables, un 25% menos de densidad atmosférica a nivel del mar lo que
produce una pérdida significativa de potencia en los motores de combustión,
obligando a nuestros diseñadores hacer un mejor uso de la aerodinámica, esto hace
que los productos de D&S Aeromodelos logren un rendimiento excepcional a esta
altura confiriendo intrínsecamente a nuestros productos el mejor desempeño que se
puede conseguir en zonas de menor altitud, es por eso que D&S Aeromodelos puede
competir teniendo la seguridad que nuestro producto es el mejor en condiciones de
vuelo en el mercado.
2. ¿QUÉ ES UN TÚNEL DE VIENTO?.
Un túnel de viento o túnel aerodinámico es un aparato que tiene forma de tubo
con secciones variables a lo largo de su longitud, estas secciones tienen una finalidad
específica que es para afectar al flujo de aire que pasa a través de la longitud del
túnel, movido por un propulsor que puede estar delante del túnel o detrás del mismo,
el flujo de aire pasa por las diferentes secciones. La finalidad de mover el aire a
través del túnel es la de probar los efectos que el flujo ejerce sobre un modelo de
prueba y valorar los resultados para su aplicación posterior, sin hacer que el modelo
se mueva, además de proporcionar un ambiente de flujo casi ideal, que permite tomar
datos y mediciones del modelo en condiciones controladas.
3. PARTES DE UN TÚNEL DE VIENTO.
El túnel de viento cuenta con 4 partes principales que son:
Cámara de corrección (estabilización de flujo): esta es la primera sección que
tiene el túnel, por donde el aire entra. Es donde se encuentra el honey comb (panal
de abejas) que se encarga de eliminar las velocidades transversales al flujo y las
pantallas, cuyas funciones son la de reducir las turbulencias lineales con las que el
aire pueda llegar a la entrada del túnel.
Tobera de entrada (contracción): la función principal de esta es la de acelerar el
aire que entra en el túnel para llevarlo a la velocidad que se requiere en la cámara de
3
pruebas, de su buen diseño dependerá un flujo de aire continuo y libre de
perturbaciones.
Cámara de pruebas: Es la sección donde se efectuarán todas las pruebas y
mediciones necesarias a los modelos de prueba, aquí es donde se colocarán los
instrumentos y equipos de medición para determinar o medir características de
interacción aerodinámicas de los objetos inmersos en el aire en movimiento.
Difusor de salida: Probablemente el elemento más importante en un túnel de
succión, ya que el diseño correcto de este componente hará que el aire mantenga sus
características en la cámara de pruebas, evitando un incremento en la presión y por
ende la aparición de turbulencias, la función de este es la desacelerar el viento que
sale de la cámara de pruebas, el difusor puede o no llevar una pantalla para
minimizar los efectos de la turbulencia ocasionada por el modelo y permitir la salida
del flujo de manera suave y con una desaceleración casi constante.
fig. 2
Utilidad del túnel de viento.
Breve concepto de aerodinámica.
La aerodinámica es una área especial de la dinámica de fluidos, que se
encarga del estudio de las fuerzas aerodinámicas que afectan la totalidad de un
vehículo inmerso en el aire o a sus componentes, los cuales se mueven a través de la
atmósfera. Estas fuerzas son dependientes de la forma geométrica de la aeronave, la
velocidad a la que se desplaza y las propiedades físicas del aire; muchas veces de
4
una manera complicada. Esta es la misión de la aerodinámica, describir estas
relaciones de manera cuantitativa y cualitativa.
¿Por qué utilizar un túnel de viento?
En todo proyecto que se inicia y antes de llegar al producto final, es necesario
tener un periodo de pruebas que se aplica para evaluar el buen desempeño y que se
cumpla con todas las proyecciones estimadas a base de cálculos y estudios previos
realizados al producto final.
Para ello siempre se ha echado mano de los modelos ya sean matemáticos
(virtuales) o a escala (reales), con la finalidad de reducir el costo de las pruebas que
si se aplicasen en todo su conjunto a un producto final, el costo de todo el proyecto
sería inmenso, esto lo salvan los modelos. Los túneles de viento surgen de esa
necesidad y se aplican como su nombre lo dice a todo objeto que se relacione con
aire en movimiento, se podría decir que es una forma económica de traer el cielo a la
tierra.
4. TIPOS, APLICACIÓN Y CAPACIDADES.
A lo largo de los años desde que apareció la aeronáutica y el desarrollo
industrial se ha visto la imperiosa necesidad de probar todo objeto que tenga una
relación aerodinámica, y al ser más sencillo hacer pruebas sobre un objeto estático
que en uno en movimiento surge la idea de aplicar pruebas a modelos estáticos
trayendo el cielo a la tierra, de ahí que los tipos de túneles de viento se han ido
diversificando según la necesidad de la prueba que se quiera aplicar y la evolución de
la técnica, lo que hace que condicione muchos aspectos de su diseño como veremos
a continuación:
Por su aplicación.
Aeronáutico.
Esta clase de túnel de viento es la que se utiliza en toda clase de
pruebas que involucran fuerzas aerodinámicas sobre un objeto en movimiento
a través del aire y sus interacciones con éste en condiciones controladas del
flujo atmosférico. El presente trabajo está orientado a estos tipos de túneles de
viento (fig. 2).
5
Civil.
Este tipo de túnel es de aplicación aerodinámica no aeronáutica y
trabaja a régimen subsónico exclusivamente. Se utilizan para medir las cargas
aerodinámicas sobre edificaciones, funcionan de igual manera pero son
conceptualmente diferentes ya que su construcción está orientada a simular el
comportamiento atmosférico al ras de la tierra. En su interior la cámara de
pruebas, que es de mucho mayor tamaño relativo a la de un túnel aeronáutico,
tiene arreglos que permiten simular la capa límite terrestre, que tiene
diferentes perfiles de velocidad y es esto lo que se busca en el túnel para
medir dichas cargas (fig.3).
Por su construcción.
De flujo Abierto.
Este tipo de túneles de viento son los más difundidos y de construcción
sencilla, se los denomina abiertos porque toman el aire para las pruebas
directamente de la atmósfera libre, es decir, que el aire que pasa a través de
la sección de prueba del túnel se toma y descarga a la atmósfera circundante
por lo que no se puede tener control sobre las características del aire que se
usa para la prueba (fig. 4). Este tipo de túnel de viento es el más utilizado
actualmente debido a que es más pequeño que uno de flujo cerrado y no tiene
límites en el tamaño de su cámara de pruebas relativa a la potencia necesaria
para mover la masa de aire que pasa por esa cámara, además la cantidad de
energía utilizada en aplicarle velocidad al aire es menor que la empleada en
un túnel de flujo cerrado de la misma capacidad aerodinámica, ya que en este
6
fig. 3.
se pierde energía por la fricción causada en las aletas canalizadoras de flujo
(fig. 5).
fig. 4
De flujo Cerrado.
En este tipo de túnel de viento se tiene la circulación del aire para la
prueba en un circuito cerrado haciéndolo más eficiente que el de flujo abierto
desde el punto de vista del control sobre las características del aire ya que el
aire se encuentra confinado en todo el túnel, su ventaja es que puede tener
una cámara de pruebas mayor para la misma capacidad que un túnel de flujo
abierto (gasto másico de aire requerido para la prueba), su desventaja es que
al extenderse la prueba con el aire confinado este va aumentando su
temperatura por la circulación y por el motor que mueve el aire, ya que dicho
aire es utilizado también para refrigerar el motor si este se encuentra en
recorrido del flujo, incrementando y así la viscosidad del aire. Al igual que el
túnel de flujo abierto no se tiene límites en el tamaño de su cámara de pruebas
aplicándose igualmente a modelos de vehículos inmersos en el aire para ver
su comportamiento al desplazarse a través de la atmósfera., pero el tamaño
en si de todo el túnel es mucho mayor por su característica de retorno de flujo.
La mayoría de estos túneles tienen zonas abiertas a la atmósfera, ya sea para
refrigerar el flujo o para mantener el gasto másico y la presión, otros túneles
7
son herméticos en donde las condiciones de presión y temperatura pueden
variarse (fig. 5) .
fig. 5
Por la dirección del flujo.
De flujo Horizontal.
Los anteriores dos túneles por lo general son usados con flujo
horizontal, es decir, que son túneles para realizar pruebas a vehículos que se
desplazan en la atmósfera de manera horizontal y perpendicular a la acción de
la gravedad sean aeronaves o automóviles incluso se utilizan para observar el
comportamiento de los vientos en edificaciones de gran altura.
De flujo vertical.
Este tipo de túneles por lo general son de flujo abierto, son verticales
porque el flujo es perpendicular al piso. Se los utiliza para establecer el
comportamiento de aeronaves en condiciones de caída principalmente en
barrenas planas, ya sea para observar cómo se recuperan de esa condición
(modelo libre), o para observar el desplazamiento del flujo y las fuerzas
involucradas alrededor de la aeronave en esa condición (modelo con brazo de
medición). También es utilizado para entrenamiento de paracaidistas en caída
libre y para poder diseñar mejores trajes para la práctica de este deporte (foto
1).
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foto. 1
Por la velocidad del flujo.
Subsónicos.
La mayoría de los túneles de viento empleados son de tipo subsónicos,
ya que son de operación más económica y su cámara de prueba puede ser de
grandes dimensiones, tanto como para albergar incluso hasta una aeronave
de tamaño real, en este tipo de túneles se realizan la mayor parte de pruebas,
ya que las condiciones de vuelo y operación de la gran mayoría de vehículos
es a velocidades subsónicas. Túneles de viento subsónicos existen en los tres
tipos anteriores en variados tamaños y para distintos tipos de pruebas.
Supersónicos.
Los túneles de viento supersónicos son utilizados generalmente
por grandes fabricantes de aeronaves o instituciones dedicadas a la
investigación y desarrollo de vehículos capaces de desplazarse a velocidades
supersónicas, su operación es costosa, ya que demandan de mucha energía
para su operación, en si la diferencia entre los túneles subsónicos y
supersónicos no es mucha ya que los túneles supersónicos solo obtienen esas
velocidades en la cámara de pruebas y no así en todo el resto del recorrido del
aire (fig. 6).
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Dentro de este tipo de túneles de viento existen de dos clases, los de
flujo impulsado por motores y los de aire comprimido o de choque, los
primeros operan de manera similar a los túneles subsónicos, ya sean abiertos
o cerrados pero el diseño de su cámara de pruebas demanda una atención
mayor, al igual que la sección por delante de la cámara de pruebas para evitar
la formación de ondas de choque indeseables que puedan afectar las
condiciones de presión en el recorrido del aire o aún peor en la cámara de
pruebas causando vibraciones y errores de medición en los instrumentos. El
tamaño de la cámara de pruebas en este tipo de túneles puede llegar a ser
suficientemente grande como para albergar modelos de gran tamaño
obteniendo mejores resultados en las pruebas. Los de aire comprimido utilizan
un gran tanque de almacenamiento de aire bajo presión, la velocidad del aire
dependerá de la presión a la que esté almacenado el aire en el tanque, la
cámara de pruebas en este tipo de túneles suele ser muy pequeña ya que si el
diámetro del ducto por donde pasará el aire es de gran diámetro el aire
perdería velocidad, haciéndose necesario un tanque de mayor capacidad y
aire a mayor presión, este tipo de túneles descarga el aire por lo general a la
atmósfera y la duración de las pruebas es de un periodo de tiempo muy corto
que depende de la capacidad del tanque, además de que el aire necesita ser
enfriado y retirarle el agua acumulada por efecto de la presión antes de pasar
a la cámara de pruebas esto para mantener la viscosidad del mismo baja, este
tipo de túneles es utilizado para observar con lentes polarizados la formación y
propagación de las ondas de choque sobre un modelo definido.
fig. 6
10
Hipersónicos.
Los túneles de viento hipersónicos son de aplicación muy exclusiva al
igual que su diseño siendo solamente utilizados por empresas o instituciones
muy especializadas en el ramo, demandan de una gran cantidad de energía
para poder mantener velocidades mayores a Mach 5 en la cámara de pruebas,
estos túneles son únicamente de aire comprimido, su cámara de pruebas es
relativamente pequeña y se opera por periodos cortos, es muy utilizado para el
diseño de vehículos de lanzamiento espacial y aeronaves que puedan volar en
esos regímenes de velocidad. Por lo general en estos túneles se observa la
propagación de las ondas de choque y el calentamiento de las superficie de
los modelos por la fricción de las moléculas de aire.
5. OPERACIÓN Y EVALUACIÓN.
Como se vio anteriormente existen diferentes túneles de viento para diferentes
clases de pruebas que quieran realizarse que sean de tipo aerodinámico, pero las
pruebas dependen de ciertos parámetros que deben ser medidos y calculados, para
tal efecto, los túneles de viento deben contar con instrumentos que midan ciertos
parámetros de entrada, como la velocidad, temperatura, presión, etc, e instrumentos
que midan los resultados dependiendo del tipo de prueba como se verá a
continuación más adelante.
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foto 2.
Pruebas efectuadas en el túnel de viento.
Las pruebas que se realizan en los túneles de viento dependen en gran
medida de los requerimientos del modelo y las aplicaciones para las que se ha
diseñado el mismo, si es una aeronave al modelo se lo someterá a todo tipo de
pruebas aerodinámicas en su régimen de velocidad, si es un vehículo terrestre, debe
probarse su rendimiento aerodinámico para que sea más económico, y otras pruebas
que se verán a continuación (foto 2).
Aerodinámica del modelo.
En este tipo de pruebas el modelo es sometido a diferentes
condiciones de vuelo, o desplazamiento, en diferentes posiciones para
observar el comportamiento de las diferentes partes ya sea en conjunto o de
manera independiente.
foto 3.
Interferencia aerodinámica de los diferentes componentes.
Es posible observar este fenómeno en un túnel de viento por
medio de ayudas visuales como ser cintas de tela, trocitos de hilo adheridos al
modelo en toda su superficie (foto 3), cortinas de humo seccionadas por haces
de luz láser, estos diferentes métodos permiten al observador ver el
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comportamiento de las diferentes partes del modelo integradas en él y cómo
se afectan mutuamente en las condiciones de prueba a las que se lo somete,
incluso es posible observar el flujo cómo es afectado por el movimiento de las
diferentes superficies de control.
Comportamiento del modelo a diferentes ángulos de ataque.
Para hacer pruebas de este tipo en necesario que el banco de soporte
del modelo tenga la capacidad de alterar el ángulo de ataque del modelo
respecto del flujo generado por el túnel (foto 4), para observar los resultados
obtenidos en cada paso de la prueba se hace uso de una balanza
aerodinámica que es la que mide las diferentes magnitudes de las fuerzas
aerodinámicas que actúan sobre el modelo generadas por el flujo de aire y las
variaciones de dichas fuerzas respecto a las variaciones en la posición del
modelo respecto del flujo, es posible también observar el flujo haciendo uso de
los métodos antes citados, para ver la correlación entre las fuerzas
aerodinámicas y la forma del flujo alrededor del modelo.
foto 4.
Pruebas de aeroelasticidad.
Esta es otra importante prueba que se efectúa a los modelos, dicha
prueba evalúa el comportamiento estructural del modelo en sus diferentes
regímenes de vuelo, estableciendo así sus límites operacionales, la principal
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prueba que se efectúa es la de flutter o fatiga por vibración mecánica que
produce fracturas en el material de la aeronave en sus diferentes
componentes, especialmente las alas si esta supera sus límites operacionales.
Al modelo se lo somete a velocidades límite dentro de sus propias
especificaciones, es decir, que para una aeronave subsónica se la lleva hasta
extremos transónicos para evaluar su comportamiento y fallas en el diseñoa
aesas velocidades, si la aeronave es transónica se la evalúa a velocidades
supersónicas y así sucesivamente.
Pruebas de respuesta y comportamiento de los modelos en
barrenas planas.
Esta es una de las pruebas más importantes efectuadas a un modelo,
se realiza en los túneles de viento verticales, y se prueban a los modelos de
manera libre es decir que se suelta al modelo en una condición de barrena
plana (giro de la aeronave en su eje vertical) para observar su recuperación
que para todo diseño debe ser prácticamente natural (foto 1), también se la
efectúa con modelos cautivos, unidos por un brazo a una balanza
aerodinámica que mida la magnitud de todas las fuerzas que intervienen en
esta condición .
Instrumentos de control y datos del túnel de viento.
Todo túnel de viento posee instrumentos que permiten al operador tomar
datos de la operación del túnel para controlar la operación del mismo durante una
prueba y así mismo utilizar dichos datos para complementar los datos que se
obtengan con los instrumentos de medición y evaluación del túnel, los datos de
control que se toman en cuenta generalmente para diferentes túneles de viento son:
la velocidad, la presión y la temperatura, todas ellas en la cámara de prueba y para
otros controles adicionales de funcionamiento del túnel en otras secciones se pueden
medir todas o alguna de ellas en particular.
Tubo pitot.
Este instrumento es uno de los más importantes en la medición de
parámetros del túnel, este en particular mide la velocidad del flujo del túnel a
través de un anemómetro (medidor de velocidad del viento), que mide las
diferencias de presión estática y dinámica, quien toma estos parámetros es el
tubo pitot, que es un pequeño tubo coaxial, es decir, un tubo dentro de otro, el
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interior tiene una perforación en su parte anterior por donde entra el aire a
velocidad y mide la presión dinámica, el que lo rodea cerrado en su parte
anterior pero con varias perforaciones en su superficie miden la presión
estática del medio, estas presiones entran en una cámara dividida por un
diafragma, un tipo de presión entra a cada lado del diafragma, cuando la
velocidad el aire es cero la presión es iguala a ambos lados del diafragma,
pero a medida que el aire se mueve la presión por el lado de la toma dinámica
se incrementa deformando al diafragma y dando una lectura de velocidad.
Barómetro.
El barómetro es otro instrumento importante, este está
encargado de medir la presión en el ambiente de prueba, la presión que mide
es la estática, que se hace con un tubo pitot de tomas estáticas
exclusivamente, ubicado en una parte estratégica de la cámara de pruebas,
toma los cambios de presión ocasionados por las fluctuaciones de velocidad
en la cámara de pruebas, este instrumento se convierte de vital importancia
cuando el túnel de viento es uno de flujo cerrado a presión, donde la presión
del aire puede ser variada para efectuar pruebas con resultados más precisos
ya que si la presión no es la adecuada los resultados no serán los esperados.
Termómetro.
Este instrumento mide el parámetro de la temperatura,
importante en los túneles de viento de flujo cerrado, ya que es necesario
controlar la temperatura para estar atentos a la variación de la viscosidad del
aire y mantener esta en un rango aceptable para el tipo de prueba que se
realiza
Instrumentos de evaluación y medición.
Por lo general el instrumento más importante de evaluación de un túnel
de viento es la balanza aerodinámica, pueden existir otros, como medidores
de vibración, lentes de observación polarizados (para observar ondas de
choque), generadores de humo y haces laser, algunos otros instrumentos de
medición para pruebas especializadas. Los instrumentos de evaluación
permiten al operador obtener resultados y/u observar efectos aerodinámicos
sobre el modelo de pruebas como veremos a continuación.
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Balanza aerodinámica.
Este instrumento como su nombre lo indica es una balanza que mide
por efecto de pesos fijos y móviles las fuerzas aerodinámicas que actúan
sobre el modelo, las balanzas aerodinámicas se definen por sus grados de
libertad que pueden ser de dos a seis dependiendo también de la complejidad
del túnel. Por lo general las balanzas aerodinámicas son de tres grados de
libertad, es decir que miden los tres parámetros aerodinámicos de diseño más
importantes, Sustentación, Resistencia y Momento de Cabeceo, la
sustentación es la fuerza que actúa en forma perpendicular al flujo siendo un
movimiento vertical en la balanza, la resistencia actúa de manera paralela al
flujo dando un movimiento horizontal al modelo y el momento de cabeceo rota
al modelo en su centro de gravedad haciendo que baje la nariz del modelo
respecto a si mismo, el modelo muchas veces es montado sobre la balanza en
posición invertida para que el efecto de la sustentación no se vea perturbado
por el peso del modelo debido a que ambas fuerzas van en la misma dirección
(fig. 7).
fig. 7
16
6. DISEÑO DE TÚNELES DE VIENTO.
foto 5.
Problemas en el diseño de túneles de viento para modelos de escala reducida.
Al momento de diseñar un túnel de viento se deben tomar en cuenta tres
problemas que van a surgir, el primero es que el aire en la cámara de pruebas del
túnel está forzado por sus paredes, esta condición afecta al flujo y por tanto a las
fuerzas que actúan sobre el modelo, el cuánto afecte dependerá de cómo se encare
el diseño de la cámara de pruebas. El segundo problema son los errores que se
encuentren en la reducción del modelo, ya que al ser un modelo pequeño no es
posible copiar la totalidad de los detalles del modelo real por lo que el modelo incluso
tendrá más errores que el modelo real en cuanto a superficie, perfiles aerodinámicos
y superficies de control, por lo que sería necesario hacer un túnel de viento muy
grande para que aloje a un modelo grande para que se parezca lo más posible al
real. El tercer y mayor problema es el efecto de escala ya que al ser un modelo de
tamaño reducido el que se prueba en un túnel se debe tener en cuenta que las
moléculas de aire no se reducen al modelo además que solo la escala lineal del
modelo es la reducida no así la de superficie ni la de volumen, por tanto muchísimo
menos la de peso, veamos, si el modelo es 1/4 del real, todas sus dimensiones
lineales son 1/4 menor que las del real, pero no así las de superficie, si el ala del
avión real tiene una superficie de 20 m2 el modelo debería tener por la escala que
usamos 5 m2 de superficie alar, pues no es así ya que nuestro modelo tendrá 1/40 de
17
superficie alar y ni que decir de su volumen que será 1/400 y el peso si el real pesa
10000 Kg. el modelo ni por asomo pesará 2500 Kg. como se ve es engañoso el
pensar que un modelo a escala es una copia perfecta y exacta del real. Entonces
¿cómo se puede evitar el efecto de escala?, pues existe un parámetro numérico que
puede ayudar y éste es el número de Reylods que es la velocidad multiplicada por la
densidad y multiplicada por una dimensión lineal del modelo y todo lo anterior sobre
la viscosidad:
Este número representa el tipo de flujo que se presentará sobre una superficie
y por su valor numérico describirá su tipo si es laminar o turbulento, haciendo uso de
este parámetro es posible aproximar el flujo del modelo al del escala real.
Pero al querer probar un modelo en las mismas condiciones de vuelo de una
aeronave nos encontraremos con otro problema: si el avión vuela a 300 km/h
supongamos a nivel del mar y queremos simular las mismas condiciones en un túnel
de viento con un modelo a 1/10 de escala la velocidad del viento para la prueba
(manteniendo la densidad y viscosidad que son parámetros que casi no pueden
variarse) sería de 3000 km/h, imposible ya que el avión es obviamente subsónico y la
prueba se realizaría a velocidades supersónicas acarreando todos los problemas
aerodinámicos que aparecen a velocidades superiores a la del sonido. Tal vez pueda
variarse la densidad utilizando otro fluido, pero esto también variaría la viscosidad,
suponiendo que se pudiera realizar la prueba en un túnel con el agua como fluido, la
que es 815 veces más densa que el aire a nivel del mar y 64 veces más viscosa, se
tendría una velocidad equivalente de 234 km/h, y ¿cómo se haría para conseguir que
el agua llegue a esa velocidad?, los efectos de compresibilidad serían aún peores en
el agua a esa velocidad e incluso las fuerzas sobre el modelo serían mayores que en
el avión real, esto es frustrante. Entonces la única manera de casi solventar el
problema es utilizar túneles presurizados, en donde la densidad del aire puede
controlarse, casi sin alterar su viscosidad, pero sigue habiendo un problema y es que
al querer poder alcanzar a igualar las fuerzas a la escala del avión real el modelo
podría destruirse ya que las fuerzas sobre el mismo serían demasiado grandes.
Entonces ¿por qué utilizar un túnel de viento si son más los problemas que los
resultados exactos?, pues bien como ya se dijo anteriormente el túnel de viento es
una manera económica de obtener pruebas y en ellos son más las tendencia y
18
comportamientos aerodinámicos los que se evalúan que las similitudes con los
modelos de escala real, esto no quiere decir que los datos que un túnel de viento
arrojen sean completamente falsos al contrario sirven para comprender el desempeño
y limitaciones de un vehículo en ciertas condiciones, y estos serían ciertamente
mejores mientras más grande sea el túnel.
Materiales usados en la construcción de los túneles de viento.
Los materiales que se utilizan en los túneles de viento son muy diversos,
desde el concreto hasta la madera dependiendo como siempre del tamaño del túnel
(foto 4). Para la construcción de un túnel de viento para pruebas pequeño y de flujo
abierto es conveniente utilizar madera terciada para el recorrido del flujo antes y
después de la cámara de pruebas (foto 5), y acrílico o plexiglass para la sección de
pruebas, para poder hacer que pueda verse todo el proceso que se realiza sobre el
modelo durante una prueba. Es muy conveniente que las paredes internas de todo el
túnel sean lo más pulidas posible para evitar formaciones de torbellinos lo que
ocasionaría un desordenamiento en el flujo total. Por delante de la sección de prueba
y a la entrada del flujo se debe colocar una rejilla de panal de abeja “honeycomb”,
esta hará que desaparezcan posibles turbulencias en el flujo debido a velocidades
laterales, la longitud de las celdas deben ser de 6 a 8 veces el diámetro de las
mismas. Por detrás de las mismas se deben colocar pantallas o rejillas con
entramado que se encargan de eliminar posibles turbulencias longitudinales, el
número de pantallas puede variar según el tamaño del túnel y la pérdida de presión
que ocasionen, lo más importante del túnel de viento es el propulsor que puede estar
conectado al motor de manera directa, es decir que el motor está en el mismo túnel o
de manera indirecta, el motor fuera del túnel y conectado al propulsor por un eje o
transmisión. La colocación del propulsor por lo general se la hace en la parte
posterior del túnel, para que el aire que pase por la cámara de pruebas sea aire
succionado y libre de la mayoría de las turbulencias que generaría el propulsor si este
estuviera por delante. Algo muy importante es la sujeción del túnel, ya que esta debe
ser suficientemente fuerte para soportar al túnel y para absorber las vibraciones
generadas por el funcionamiento del motor y alguna otra condición de prueba en el
túnel, los soportes pueden ser de madera dura, acero o concreto.
Diseño de un túnel de viento de uso didáctico.
19
Para el diseño de un túnel de viento debe tomarse en cuenta varios criterios,
que pueden denominarse parámetros de diseño. Uno de los primeros es el definir la
aplicación que se dará al túnel, en este caso es de uso didáctico, para enseñar la
interacción de un objeto con la atmósfera, el túnel puede o no tener una balanza
aerodinámica que le permita obtener resultados valorados de las pruebas efectuadas.
Lo más importante para este tipo de túnel es el contar con un generador de humo o
modelos de prueba con pequeños trozos de hilos adheridos en hileras sobre la
superficie de los modelos (foto 3), ambos sistemas permitirán observar el
comportamiento del flujo. El túnel debe contar con un mecanismo que permita variar
el ángulo de ataque de cada modelo para que el flujo cambie en la superficie del
mismo.
Ya definido el tipo de túnel (flujo abierto), se establece el límite máximo de
velocidad de operación del túnel que para este tipo de túnel un rango entre los 28 y
40 m/s es aconsejable para no tener un gasto de energía muy elevado. La cámara de
pruebas debe tener un tamaño suficiente para alojar al modelo y algún otro
instrumento de medición, por tanto el tamaño del modelo está restringido al tamaño
de la cámara de pruebas, este debe mantenerse a una distancia adecuada de las
paredes de la cámara, esta distancia mínima se puede establecer entre 6 a 10% del
ancho de la cámara de pruebas a cada lado del modelo. Esto mantendrá un flujo casi
uniforme sobre el modelo alejándolo de la capa límite que se forma en las superficies
interiores del túnel; adicionalmente se puede hacer que las paredes de la sección de
pruebas tengan un ángulo de divergencia de medio grado para mantener alejada la
capa límite del modelo ya que esta va aumentando su espesor a medida que recorre
mayor distancia. Se entiende entonces que mientras más grande sea el modelo que
se quiere probar más grande debe ser la cámara de pruebas que lo va a alojar. La
cámara de pruebas puede tener una sección circular, elíptica, rectangular, cuadrada,
hexagonal u octogonal, la sección que se tome en la cámara será la de la mayoría de
la longitud del túnel, es recomendable que el alto de la cámara sea 2/3 del ancho,
pero por la facilidad y economía de construcción para nuestro túnel se seleccionará
una sección transversal cuadrada , la longitud de la cámara puede variar entre 1 a 2
veces la dimensión mayor de la sección transversal, una vez que se definan las
dimensiones de la cámara de pruebas se puede diseñar la tobera de entrada del túnel
que es el que va a acelerar el aire hasta la cámara de pruebas. La disminución del
“diámetro” de la tobera desde la entrada del túnel hasta la cámara de pruebas se
20
recomienda que sea simétrica en todas direcciones, ya que una asimetría puede
ocasionar diferencias en el flujo generando turbulencias innecesarias en la cámara de
pruebas que pueden derivar en vibraciones sobre el modelo si esta no se diseña con
cuidado, ya que para obtener un diseño asimétrico es necesario el uso de métodos
de dinámica de fluido y cálculos complejos que se deben efectuar preferentemente en
computadora. Se recomienda que la reducción tenga una relación de reducción
(superficie de entrada/superficie de salida de la tobera) de 6 a 10, la longitud de la
tobera puede variar de 1 a 1,5 veces la dimensión mayor de la entrada de la misma,
la reducción debe tener una sección lateral tal que permita al flujo ir estrechándose de
forma paulatina. No es muy recomendable el uso de una tobera de forma cónica ya
que el cambio de velocidad es muy brusco, sería práctico que la reducción tenga una
forma de doble curva para el fin requerido (fig. 3,4,5). Por delante de la entrada de la
tobera se debe colocar en una sección de paredes paralelas el conjunto
antiturbulencia, que serían el honeycomb y las pantallas (cámara de corrección),
debido a la dificultad de conseguir el honeycomb, nuestro túnel tendrá tres pantallas
para ordenar el flujo que entra en el túnel. Una vez ubicados y diseñados el conjunto
antiturbulencia, la tobera de entrada y la cámara de prueba, se diseña el difusor de
salida del túnel que debe tener una relación de ensanchamiento (similar a la relación
de reducción de la tobera) de entre 5 y 6, con un ángulo de ensanchamiento entre los
5 y 7 grados, teniendo ya estos parámetros se halla fácilmente la longitud del difusor.
Como último componente se debe pensar en colocar un ventilador para
generar la corriente de aire que se moverá a través del túnel, en nuestro túnel el tipo
de ventilador será axial siendo un túnel que tendrá el ventilador al final del difusor,
debido a que la sección del túnel será cuadrada y la del ventilador es circular, se
debe pensar en un componente que varíe de sección y acople la salida del difusor
con la entrada a la sección circular que contendrá al ventilador, para ello se puede
pensar en un acople flexible, es decir que puede ser de tela impermeable o de una
material flexible y fácil de moldear, es importante que la sección circular mantenga el
aumento de superficie de la salida del difusor. Para conocer la potencia del motor que
moverá al ventilador se debe calcular las pérdidas que aparecen en todos los
componentes y partes del túnel, este dato lo dará el coeficiente de potencia del túnel
y la eficiencia del mismo. Para poder efectuar los cálculos de potencia será necesario
definir ya dimensionalmente el túnel y todos sus componentes ya que son valores
numéricos y ecuaciones las que rigen los cálculos necesarios para obtener dichos
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resultados. Ya definido el túnel puede construirse y adaptarse el motor seleccionado y
empezar a hacer uso del pedazo de cielo bajado a la tierra.
7. BIBLIOGRAFÍA.
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Journal november 1979.
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