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• Yessica Condori

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UCSM TERMOFLUIDOS: DE VIENTO

TUNEL

TERMOFLUIDOS:

TUNEL DE VIENTO UCSM

INDICE Contenido INDICE

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TUNEL DE VIENTO

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1. INTRODUCCION.

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2. DEFINICIÓN DE TÚNEL DE VIENTO

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3. ANTECEDENTES.

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4. DESCRIPCION GENERAL DEL TUNEL DE VIENTO

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5. PRINCIPALES COMPONENTES

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6. CLASIFICACIÓN

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7. TEORIAS DE FLUJOS EMPLEADOS EN EL DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

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8. CAMPOS DE OPERACIÓN DE LOS TUNELES DE VIENTO

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9. ESTUDIOS AGRARIOS Y DE SUPERFICIES

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10. PROBLEMAS QUE SE ENFRENTAN CON LAS MEDICIONES EN UN TÚNEL AERODINÁMICO 28 11.

PROCEDIMIENTO

30

12.

CONCLUSIONES

32

13.

REFERENCIAS

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PRACTICA: TUNEL DE VIENTO INTEGRANTES: Cuadros Delgado Mario Sergio Kuong Farfan Christopher Jose León Cornejo Alejandro Santa María San Miguel Escalante Geancarlo

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TUNEL DE VIENTO 1. INTRODUCCION. El fenómeno físico en el cual una vivienda interactúa con el viento constituye un aspecto importante cuando se trata de evaluar los coeficientes globales de transferencia térmica. Un conocimiento real de las soluciones fluido dinámicas y su dependencia con la aerodinámica de una vivienda constituye una descripción más realista de la dinámica del flujo y del proceso de transporte. Las pérdidas térmicas desde una vivienda al ambiente por efecto del viento dependen fuertemente de sus características fluido dinámicas; es diferente la transferencia si el flujo que rodea un objeto es de carácter laminar o turbulento, y en este último caso, si la escala de la turbulencia es grande o pequeña. El análisis de las características fluido dinámicas de un flujo que rodea a una vivienda puede llevarse a cabo a partir de la interpretación de los coeficientes de auto correlación temporal y de la densidad de potencia espectral de medidas realizadas de la velocidad del fluido en posiciones particulares alrededor del objeto inmerso en él. Los túneles de viento fueron desarrollados a principios del siglo XIX, cuando se reconoció que las condiciones del exterior eran inciertas para la planeación y ejecución de la experimentación en el afán del hombre para volar. Tal como lo menciono John Smeaton, en su articulo ante la Royal Society en 17591: “En la experimentación con las aspas de los molinos de viento, el viento por si mismo es incierto, para solucionar estos problemas; debemos referirnos a un tipo de viento artificial”. Lo que inicio como una herramienta para la investigación de fenómenos aerodinámicos, se ha convertido en una pieza de equipo vital para el desarrollo y refinamiento de una variedad de conocimientos científicos básicos e información para los productos de consumo. Todo, desde aviones, automóviles, chips de computadora, chimeneas, bicicletas y el mas común de los limpiadores caseros, se prueban en un túnel de viento. El túnel de viento es, un aparato útil para el estudio y la investigación de los fenómenos de flujo sobre estructuras y construcciones en general. Las ventajas de este tipo de dispositivos consisten principalmente en la gran facilidad que se tiene de variar los parámetros de diseño y el empleo de modelos a escala con velocidades de viento repetibles y variables, los cuales permiten un análisis y la cuantificación muy aproximada de las fuerzas dinámicas causadas por un flujo de aire. La determinación de estos parámetros permite un diseño empírico y racional de las formas mas eficientes para lograr objetivos como la disminución de los esfuerzos sobre paredes y marcos, y como en nuestro caso, una caracterización de los flujos que se provocan por las aberturas de 2

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ventilación de estructuras con el objeto de racionalizar cualitativamente el efecto de la ventilación en los parámetros de confort humano. Los fenómenos de flujo se pueden estudiar instrumentando estructuras reales sujetas a condiciones también reales y cuantificando ó caracterizando las respuestas obtenidas, y así, definir los parámetros para el diseño. Este sistema, si bien presenta la ventaja de trabajarse a escala real, su empleo requiere de la construcción de las estructuras y la ocurrencia de los factores del evento en los diferentes sitios en donde éstas se ubican, para lograr un diseño optimo. En este trabajo se enfoca al diseño de un túnel de viento subsónico bidimensional de circuito abierto, que permita caracterizar los flujos que intervienen en las envolventes arquitectónicas, tendiente a que se encuentren, mediante la experimentación, los valores de los parámetros necesarios para un proyecto mas eficiente, desde el punto de vista térmico.

2. DEFINICIÓN DE TÚNEL DE VIENTO

Un túnel de viento o túnel aerodinámico es una herramienta experimental para estudiar los efectos del flujo de aire sobre objetos o cuerpos sólidos. Con él se simulan las condiciones experimentales por el objeto en la situación real. El túnel de viento es el sistema de simulación por excelencia, y aunque su funcionamiento es más complejo de lo que parece, se basa en conceptos bastante simples que se explican a continuación. En un túnel de viento, el objeto permanece estacionario mientras se fuerza el paso de aire o gas alrededor de él. El aire se sopla o aspira por medio de una turbina o ventilador a través de un conducto equipado con una ventana y otros aparatos en los que los modelos o formas geométricas se montan para el estudio. Después se utilizan varias técnicas para estudiar el flujo de aire real alrededor de la geometría y se comparan con los resultados teóricos, que también deben tener en cuenta el número de Reynolds y el número de Mach para su régimen de funcionamiento. En su topología más elemental, un túnel de viento es una instalación formada por un conducto tubular de sección arbitraria y regular, capaz de someter al modelo bajo ensayo a un flujo

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fluido con determinadas propiedades, con tal de caracterizar los fenómenos producidos durante su interacción. La experimentación en túneles de viento resulta a menudo el método más rápido, económico y preciso para la realización de estudios aerodinámicos; ofrecen capacidades de trabajo con modelos a escala en fases iniciales de desarrollo, representan enteramente la complejidad del comportamiento de un fluido real, y proporcionan grandes cantidades de información fiable que sirve de base para diferentes decisiones de diseño.

3. ANTECEDENTES. Historia de los túneles de viento El ingeniero militar inglés Benjamín Robins (1707-1751) inventó un aparato de brazo giratorio para realizar experimentos de resistencia dentro de la teoría de la aviación. George Cayley (1773-1857), también usó un brazo giratorio para medir la resistencia y sustentación de varios álabes. Su brazo giratorio era de 5 pies de largo y logró velocidades en la punta de entre 10 y 20 pies por segundo. Armado con los datos de las pruebas del brazo, Cayley construyó un planeador pequeño que se cree que haya sido uno de los primeros vehículos mas pesados que el aire que se empleó con éxito para llevar a un hombre en la historia. Sin embargo, el brazo giratorio no produce un flujo de aire que impacte las formas de la prueba a una incidencia normal. Las fuerzas centrífugas y el hecho de que el objeto está moviéndose a través de su propia estela significan que una examinación detallada del flujo de aire es difícil. Francis Herbert Wenham (1824-1908), un Miembro del Consejo de la Sociedad Aeronáutica de Gran Bretaña, arregló estos problemas, diseñando y operando el primer túnel aerodinámico en 1871. Un túnel de viento, conocido como "tubo aerodinámico" fue diseñado y construido por Ziolkovsky en 1897. Una vez que este descubrimiento vio la luz, datos técnicos detallados se extrajeron rápidamente. Se acredita a Wenham y a su colega Browning de muchos descubrimientos fundamentales, incluyendo la revelación de los efectos beneficiosos de una proporción del aspecto alta. Carl Rickard Nyberg usó un túnel aerodinámico al diseñar su Flugan en 1897. En experimentos, el inglés Osborne Reynolds (1842-1912) de la Universidad de Mánchester demostraba que el patrón del flujo de aire sobre un modelo a escala sería el mismo para el vehículo real si cierto parámetro del flujo fuera el mismo en ambos casos. Este factor, ahora conocido como el Número de Reynolds, es un parámetro básico en la descripción de todas las situaciones fluido-flujo, incluyendo las formas de los patrones del flujo, la facilidad de transmisión del calor, y la presencia de la turbulencia. Esto comprende la justificación científica central para el uso de modelos en los túneles aerodinámicos al simular los fenómenos de la vida real.

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Los hermanos Wright usaron un túnel aerodinámico simple en 1901 para estudiar los efectos de la corriente de aire al pasar por varias formas mientras desarrollaban a suWright Flyer, era en parte, algo revolucionario. El uso subsiguiente de túneles aerodinámicos fue proliferando como la ciencia aerodinámica y las disciplinas de ingeniería aeronáutica y se desarrollaron los viajes y el poder aéreo. Los túneles aerodinámicos estaban a menudo limitados por el volumen y la velocidad de la corriente de aire que podría entregarse. El túnel aerodinámico usado por los científicos alemanes en Peenemünde durante La Segunda Guerra Mundial es un ejemplo interesante de las dificultades asociadas con extender el rango útil de un túnel aerodinámico, donde se emplearon cuevas naturales que se aumentaron en tamaño mediante la excavación y entonces fueron selladas para guardar grandes volúmenes de aire que podría ser redireccionado a través de los túneles. Esta innovación permitió la investigación de los regímenes de alta velocidad y aceleraron la proporción y los esfuerzos de la ingeniería aeronáutica de Alemania. El primer túnel de viento supersónico fue construido en Alemania con una potencia de 100.000 caballos de vapor. Después de la Segunda Guerra Mundial, fue desmantelado y trasladado a Estados Unidos. Después de que el hombre se da cuenta que para volar necesita más que imitaciones rudimentarias del aleteo de las aves y comprende que debe aumentar su conocimiento en lo que hoy en día llamamos aerodinámica, crea aparatos e instrumentos que le permitan medir las fuerzas que experimentan los cuerpos dentro de fluidos en movimiento. Desde el siglo XVIII rondaba la idea de que estas fuerzas dependían de la velocidad relativa entre el cuerpo y el fluido, por ello se diseñaron brazos mecánicos que se desplazaban sobre rieles, sosteniendo distintos prototipos; el problema de este sistema era que el modelo se movía a través de un flujo turbulento, desordenado por el movimiento del brazo. Para obviar este obstáculo, se decidió dejar el modelo quieto y hacer que circule el aire alrededor de él; y si a esta idea la colocamos dentro de un ducto, obtenemos lo que conocemos como un túnel de viento.

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Partes que componen un túnel de viento de circuito cerrado. 1. Planta de Potencia, 2. Difusores, 3. Esquinas, 4. Cámara de Asentamiento, 5. Contracción, 6. Cámara de Prueba, 7.Sala de Control. Incluso con las computadoras de hoy en día, un túnel de viento es una herramienta esencial para la ingeniería, ya sea para la prueba de modelos ó para la investigación básica. Desde los años treintas, cuando los fuertes efectos de turbulencia en el flujo por esfuerzo cortante aparecieron, se hizo énfasis en los túneles de viento con bajos niveles de turbulencia e inestabilidad. Consecuentemente la mayoría de los túneles de viento que se diseñaron fueron del tipo de circuito cerrado, (Figura No. 1), para asegurar retorno controlado del flujo. Sin embargo, como veremos mas adelante, es posible, con cuidado, lograr altos desempeños de túneles de viento de circuito abierto, y por lo tanto reducir los costos de espacio y construcción. Las pruebas en túneles de viento constituyen el soporte técnico de cualquier proceso que involucra la aerodinámica. Aviones, helicópteros, carros y trenes, se prueban en el interior de estos aparatos. El túnel de viento provee al ingeniero de datos invaluables en modelos a escala. El túnel de viento es la más larga contribución de los hermanos Wright a la ciencia de la aerodinámica.

Éste es uno de los dos ventiladores sónicos para producir vendavales. Tiene 15 metros de altura y una potencia de 88 megavatios En el centro de simulación aeronáutica de Modane-Avrieux, una de las ocho sedes de ONERA (Instituto Nacional de Estudios de Investigaciones Aeroespaciales de Francia), se "cocina" el 6

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futuro de los aviones supersónicos e hipersónicos del siglo XXI, aviones más rápidos y más grandes pero de mucho menor consumo energético. También aquí se prueba la aerodinámica de aviones militares, automóviles, rascacielos, satélites, helicópteros ó vehículos lunares. El túnel de viento más grande del mundo, el S1MA, se encuentra aquí, por lo que es uno de los pocos lugares donde puede mejorarse la aerodinámica de prototipos como el ATFS, el avión supersónico europeo. La energía que se utiliza para hacer funcionar este túnel de viento proviene del agua, como en los antiguos molinos. De la presa de Assois, que retiene hasta 12 millones de metros cúbicos, se hace precipitar un torrente de agua que atraviesa un conducto de 850 metros de largo, para mover los motores hidráulicos que accionan ventiladores de una tonelada de peso. En poco más de 3 minutos la velocidad huracanada del viento alcanza el Mach 1, (1.200 kilómetros hora). Para ello es necesario que 2 ventiladores enfrentados, de 15 metros de alto, giren más de 200 veces por minuto. Desde los ventiladores, situados en un extremo, el viento desbocado sigue un recorrido rectangular, dentro de un tubo de 10 metros de diámetro y tan largo como 6 veces el fuselaje de un avión Jumbo, hasta desembocar en la cámara, donde un modelo de aeronave es sometido a pruebas aerodinámicas. Para impedir la resonancia y las vibraciones que destruirían el edificio entero, los ventiladores son diferentes (uno tiene 10 palas y el otro 12) y rotan en sentido opuesto, evitando así la formación de torbellinos. El estampido del sonido es tan fuerte que hay que colocar un conjunto de detectores para desviar y amortiguar el aire.

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Aquí se muestra la cámara de prueba del túnel de viento S1MA, con un modelo a escala del AirBus A320. El túnel de viento de Modane-Avrieux completo mide 450 metros de largo. Al fondo se puede observar en fila y vestidos de rojo, a los técnicos En el corazón del sistema, al extremo final, están las 3 cámaras de pruebas. Son intercambiables, para que se puedan estar colocando los sensores en un modelo de avión, mientras se está probando otro. En este caso, un Airbus A320 a escala reducida, con una envergadura de las alas de 4 metros, que vuela a la velocidad del sonido sujeto por sistemas regulables electrónicamente. Se pueden captar hasta 1.000 imágenes por segundo del comportamiento del Airbus a dicha velocidad. Los sensores de la maqueta arrojan cada 10 segundos, 1.472 valores medios de la presión que soporta el modelo en diferentes zonas. Estos valores se registran electrónicamente para ser procesados por supercomputadoras.

4. DESCRIPCION GENERAL DEL TUNEL DE VIENTO Existen báá sicámente dos tipos de túá neles de viento (circúito ábierto y cerrádo) y dos configúráciones párá lá cáá márá de prúebás (seccioá n ábiertá y cerrádá). En generál, el tipo de túá nel de viento qúe se decidá constrúir, depende de lás báses disponibles y del propoá sito ál cúál vá á ser empleádo. [Bárlow, 1999, 68] Estos tipos de túá nel presentán báá sicámente lás mismás pártes, descritás á continúácioá n: á) Cáá márá de prúebás. Difúsor. b) Primerá esqúiná, presentá ácondicionádores de flújo. c) Seccioá n de áá reá constánte. d) Mállá de segúridád del ventiládor. e) Segúndá esqúiná, presentá ácondicionádores igúáles ál de lá primerá esqúiná. f) Tránsicioá n de seccioá n rectángúlár á circúlár. g) Ventiládor (sistemá de propúlsioá n). h) Retorno o segúndo difúsor. i) Tercerá esqúiná, con ácondicionádores de flújo. j) Seccioá n de áá reá constánte k) Intercámbiádor de cálor. l) Cúártá esqúiná, con ácondicionádor de flújo igúále á lá tercerá esqúiná. m) Difúsor de áá ngúlo pronúnciádo. n) Cáá márá de ájústes. o) Mállás ácondicionádorás de flújo. p) Contráccioá n.

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Configuración típica de túnel de viento abierto. 5. PRINCIPALES COMPONENTES La topología concreta de un túnel de viento varía según la utilización determinada que se considere dar a la instalación. Sin embargo, la mayoría de ellos presentan cuatro componentes comunes, que constituyen los ejes de diseño de cualquier infraestructura de este tipo. -

SECCIÓN DE TEST O CÁMARA DE ENSAYO

Esta sección es el componente más importante de un túnel de viento, siendo en este donde se realiza el ensayo. En ella se instala el modelo bajo estudio, controlando que el flujo fluido presente unas características de turbulencia y velocidades idóneas para una correcta reproducción de la situación que se pretende simular. Sus parámetros de diseño se definen a partir de requisitos operativos, principalmente accesibilidad para la manipulación del modelo y los diferentes instrumentos de medida necesarios para el ensayo, así como la correcta caracterización del flujo para reproducir el entorno deseado. A causa de ello, según [1], está el hecho de que muchas cámaras de ensayos presenten secciones de geometría rectangular, puesto que facilitan la operación, o que su superficie interna no debe presentar rugosidad significativa, para que las variaciones de velocidad y presión dinámica del flujo no superen el 25% y 50% de sus valores medios, respectivamente.

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ZONA DE ACONDICIONAMIENTO DE FLUJO

Esta sección tiene por propósito dotar al flujo de los parámetros de calidad necesarios (dirección, turbulencia, perfil de velocidades, etc.) para una correcta realización del ensayo. Tal acondicionamiento se consigue haciendo circular el fluido a través de una serie de dispositivos que le confieren una turbulencia isótropa (la fluctuación media del corriente turbulento es igual en todas direcciones, incluso en escalas de longitud pequeñas) y eliminan los vórtices de mayor tamaño, dejando pasar únicamente aquellos de pequeña magnitud que se extinguirán rápidamente en secciones posteriores. Estos dispositivos son, principalmente: ✔ Panel de abejas: Elementos en forma de panel mallado cuya función es la de dotar al flujo de la dirección deseada. El fluido circula a través de los diferentes elementos de la malla adoptando una disposición de filamentos paralelos a su paso. Según [1], los valores de porosidad típicos de estos dispositivos son próximos a 0.8. ✔ Pantallas de turbulencia: Dispositivos encargados de uniformar el perfil de velocidades del fluido, a costa sin embargo, de una considerable pérdida de presión. En la realización de esta función introducen, además, pequeñas turbulencias en el flujo.

Para mejorar la eficiencia del acondicionamiento y corregir las deficiencias que presentan estos dispositivos, se disponen varios montajes Panel de abejas-Pantalla de turbulencia de manera consecutiva, dejando un pequeño intervalo de espacio entre dos sistemas contiguos. -

CONO DE CONTRACCIÓN Y DIFUSOR

La sección del cono de contracción se sitúa entre la zona de acondicionamiento y la cámara de ensayo. Su misión consiste en dotar al flujo, adecuadamente acondicionado, de la velocidad necesaria para realizar el ensayo. Tal aceleración es generada mediante una reducción gradual de su sección recta, produciendo así un incremento continuo y proporcional de la velocidad, reduciendo el grosor de la capa límite en cámara de ensayo y evitando la formación de vórtices. Se observa mediante la ecuación de Bernoulli para fluidos ideales, que el incremento de velocidad a la salida de esta sección, va acompañado de una reducción de presión de la misma. La etapa del difusor se sitúa a continuación de la sección de test, realizando la tarea opuesta que ejecuta el cono de contracción, disminuye la velocidad e incrementa la presión del flujo, mediante un aumento progresivo de su sección recta, posibilitando así el uso de propulsores menos potentes para mantener la velocidad del flujo.

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El cono de contracción y el difusor resultan secciones críticas de diseño de instalaciones de túnel de viento, debido a su misión de asegurar que el flujo posea unas características de velocidad óptimas en la cámara de ensayo.

Modelo de cono de contracción y difusor en túnel de viento [2] 6. CLASIFICACIÓN Los túneles de viento pueden ser clasificados de diferentes modos, según múltiples criterios, teniendo en cuenta sus diversas características. Sin embargo hay dos parámetros que definen este tipo de instalaciones por encima de los demás: rango de velocidades de operación y topología física. -

RANGO DE VELOCIDADES DE OPERACIÓN

Teniendo en cuenta la velocidad del flujo a su paso por la sección de test, los túneles de viento pueden clasificarse como:

Segúnla figura alcanzando regímenes mayores a 0.85 Mach, las ondas de choque perturban considerablemente el flujo, volviéndose mucho más complicado el estudio aerodinámico en túneles de viento y la obtención de resultados significativos. Las características de diseño de la infraestructura quedan también afectadas por esa misma causa, resultando mucho más complejas que para instalaciones subsónicas o de baja velocidad. -

TOPOLOGÍA FÍSICA

Dos parámetros son considerados en la clasificación de túneles de viento por su topología física, según [3]: tipo de retorno y configuración de la cámara de ensayo.

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Según tipo de retorno Circuito abierto: El flujo de aire que circula por su interior describe una trayectoria recta; penetra en el circuito desde el exterior a través de la sección de entrada, que suele albergar la zona de acondicionamiento de flujo. Llega al cono de contracción donde pierde presión y gana velocidad, entrando posteriormente en la cámara de ensayo. A continuación, circula a través del difusor y la sección del propulsor, para regresar finalmente al exterior por medio de la sección de salida. ●

Sus principales ventajas son: ✔ Costes de construcción menores que instalaciones de circuito cerrado. ✔ Posibilidad de utilizar técnicas de visualización de flujo con humo, sin inconvenientes, debido al origen y destino externo del aire.

●

Sus mayores desventajas radican en: ✔ Necesidad de mayor acondicionamiento de flujo. Dicho flujo está fuertemente influido por el entorno en el que está instalada la infraestructura. ✔ Mayor consumo de energía para tasas de operaciones elevadas. ✔ Fuente importante de contaminación acústica, lo que puede limitar las horas de operación del túnel o conllevar costosos procesos de insonorización.

Circuito cerrado: El flujo fluido describe en su movimiento una trayectoria cerrada por el interior del túnel, recirculando de forma continua por el circuito de retorno, con poco o ningún contacto con el exterior. ●

Las instalaciones de este tipo tienen como ventajas: ✔ Mayor control de la calidad del flujo en el interior del circuito. Poca o ninguna influencia del entorno de la instalación en el fluido. ✔ Menor consumo de energía debido al continuo recircular del flujo por su interior. Este factor resulta particularmente beneficioso para tasas de operación elevadas. ✔ Generación de menor contaminación acústica.

●

Sus inconvenientes principales son: ✔ Mayor coste inicial, debido fundamentalmente a la mayor necesidad de infraestructura. ✔ Complejidad de diseño para posibilitar la utilización de técnicas de visualización determinadas (mediante humo, pintura, etc.) o la operación de motores de combustión interna.

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✔ Necesidad de dispositivos de refrigeración o intercambiadores de calor para instalaciones con tasas de operación elevadas. Según configuración de la cámara de ensayo Sección abierta: La cámara de ensayo comunica por alguno de sus límites o por todos ellos con el exterior. Sección cerrada: La sección de test posee paredes sólidas que la aíslan al flujo fluido del exterior durante el ensayo. La sección cerrada es la configuración de cámara de ensayo más común Sin embargo, en los últimos diseños se contempla la posibilidad de dotar a los túneles de viento de infraestructuras que permitan ambas configuraciones, consiguiendo así mayor polivalencia de cara al desarrollo de diferentes clases de test. Según el tipo de retorno y la configuración de sección de test que posea una instalación en concreto, se clasifica los túneles de viento por su topología física como:

Circuito abierto con cámara de ensayos cerrada (Tipo NPL)

Circuito abierto con sección de ensayos abierta (Tipo Eiffel)

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Circuito cerrado con sección de ensayos cerrada (Tipo Göttingen)

Circuito cerrado con sección de ensayos abierta (Tipo Prandtl) Dadas sus particulares características, los singulares túneles de viento de tipo Eiffel deben instalar mecanismos de control de flujo, que impidan una mayor entrada de aire al circuito por la sección de test que por la propia sección de entrada diseñada con tal fin. Las instalaciones de tipo NPL, por su parte, suelen presentar graves problemas de fluctuación de flujo que requieren de cuidadosos diagnósticos post-construcción y medidas correctoras. Por ellos nuestro túnel de viento está pensado para ser diseñado con circuito cerrado, con sección de ensayos cerrada y a baja velocidad. 7. TEORIAS DE FLUJOS EMPLEADOS EN EL DESARROLLO DE LA PRÁCTICA -

FLUJO LAMINAR

Representación de líneas de flujo laminar [5] Se llama flujo laminar o corriente laminar, al tipo de movimiento de un fluido cuando éste es perfectamente ordenado, suave, de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse. Se dice que este flujo es aerodinámico, es decir, cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente [4].

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Líneas de flujo laminar a través de un perfil NACA [4] La pérdida de energía es proporcional a la velocidad media. El perfil de velocidades tiene forma de una parábola, donde la velocidad máxima se encuentra en el eje del tubo y la velocidad es igual a cero en la pared del tubo.

Distribución de velocidades de un fluido a través de una tubería [4] Existe flujo laminar en fluidos con velocidades bajas o viscosidades altas, cuando se cumple que el número de Reynolds es inferior a 2300. Más allá de este número, será un flujo turbulento. -

FLUJO TURBULENTO

Representación de líneas de flujo turbulento [5] El flujo turbulento es más comúnmente desarrollado debido a que la naturaleza tiene tendencia hacia el desorden y esto en términos de flujos significa tendencia hacia la turbulencia. Este tipo de flujo se caracteriza por trayectorias circulares erráticas, semejantes a remolinos. El flujo turbulento ocurre cuando las velocidades de flujo son generalmente muy altas o en fluidos en los que las fuerzas viscosas son muy pequeñas. La turbulencia puede originarse por la presencia de paredes en contacto con el fluido o por la existencia de capas que se muevan a diferentes velocidades. Además, un flujo turbulento puede desarrollarse bien sea en un conducto liso o en conducto rugoso. Se define como flujo turbulento al fluido que presenta un número de Reynolds mayor a 4000 [4].

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Desarrollo de un flujo a través de diferentes posiciones de un perfil NACA [4]

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CAPA LÍMITE

Cuando un fluido fluye sobre una superficie, debido a la fricción, la capa más cercana a la superficie se detiene completamente. Encima de esta capa se forman otras, cada una de las cuales tiene menos fricción que la anterior y por tanto mayor velocidad. Así hasta que a partir de una capa concreta no hay fricción y las capas tienen la velocidad libre del fluido. Al conjunto de capas que van desde la que tiene velocidad cero (la más cercana al ala) hasta la que tiene velocidad libre, se le llama capa límite. A la distancia entre la primera y la última capa, es denominada como espesor de la capa límite. El espesor de la capa límite suele aumentar a medida que el fluido se mueve a lo largo de la superficie. La cantidad de este aumento depende de la viscosidad del flujo, la suavidad y rugosidad de la superficie, y la forma de esta [4].

Capa límite. Perfil de velocidades [4] A la capa límite cuyo flujo es laminar se le suele llamar capa límite laminar, que a veces se abrevia como capa laminar, mientras que si el flujo es turbulento, la capa recibe el nombre de capa límite turbulenta, abreviada como capa turbulenta. 16

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Cuando la capa límite comienza a fluir por el borde de ataque del ala, lo hace en forma de capa laminar, pegada al ala y muy fina; pero a medida que fluye hacia el borde de salida, más o menos por el centro del ala, comienza a perder velocidad debido a la fricción y se va haciendo capa turbulenta, más separada y con más grosor. Mientras la capa es laminar, se mantiene pegada al ala y produce sustentación, pero al convertirse en turbulenta aumenta su separación del ala y no produce sustentación. El punto en el cual la capa laminar se va convirtiendo en turbulenta e incrementa su grosor se denomina “transición a turbulencia” o “transición de capa límite”.

Desarrollo de la turbulencia en la capa límite [1] TEOREMA DE BERNOULLI

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El teorema de Bernoulli afirma que energía total de un sistema de fluidos con flujo uniforme permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo. En un fluido hay tres formas de energía presentes; la energía potencial, la energía cinética y la energía de flujo. Si se asumen dos puntos a lo largo de la trayectoria, distanciados uno del otro, la magnitud de las energías en un punto pueden variar con respecto al otro, pero la sumatoria total de las energías siempre será la misma [4].

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Gráfico demostrativo del teorema de Bernoulli [4] La ecuación de Bernoulli se usa para determinar los valores de carga de presión, carga de elevación y cambio de la carga de velocidad, conforme el fluido circula a través del sistema.

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EFECTO VENTURI

Cuando el desnivel es cero, la tubería es horizontal. Tenemos entonces, el denominado tubo de Venturi, cuya aplicación práctica es la medida de la velocidad del fluido en una tubería. El manómetro mide la diferencia de presión entre las dos ramas de la tubería [4].

Gráfico demostrativo del Efecto de Venturi [4] -

CLASIFICACIONES DE LOS TÚNELES DE VIENTO

Los túneles aerodinámicos se clasifican en función de varios aspectos los cuales son: Por la circulación del aire en su interior

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Aquí se ve un tunel abierto y uno cerrado - Abierto. - Cerrado. Abierto: se toma el aire directamente de la atmósfera y después de hacerlo pasar por la cámara de ensayo se devuelve nuevamente a ella. Cerrado: el aire circula varias veces por la cámara, recuperando por medio de un difusor su energía fluida, antes de llegar de nuevo a la zona donde se encuentra instalado el difusor.

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POR LA VELOCIDAD DEL FLUJO EN SU INTERIOR

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Tipo de túnles aerodinámicos por la velocidad

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Subsónico.

El número de Mach verifica M < 1 en todo el campo fluido. Para casos fuselados, una condición aproximada garantiza M 1. Para cuerpos fuselados, este régimen puede caracterizarse de forma aproximada 0.8< M∞ 1 en todo el campo fluido (excepto en la parte interna de la capa límite). Puede caracterizarse con la condición M∞>1.2. Este valor es orientativo, ya que la geometría del cuerpo juega un papel muy importante.

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Hipersónico.

Régimen a velocidades supersónicas muy grandes Las temperaturas asociadas son tan elevadas que se producen reacciones químicas en el aire Disociación de las moléculas O2 y N2.

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Caracterización orientativa, es M∞>5.

8.

CAMPOS DE OPERACIÓN DE LOS TUNELES DE VIENTO

Las innovaciones introducidas en el túnel, tanto en el procedimiento de construcción como en los sistemas moto propulsor y de regulación, hacen que sea altamente competitivo en costes y prestaciones, así como el hecho de que este túnel se concibe desde el principio pensando en la especificidad de las aplicaciones civiles, sin estar condicionado por las aplicaciones aeronáuticas, que conllevarían unas especificaciones muy estrictas y, por tanto, altos costes de instalación y operación. Las diferentes aplicaciones de este túnel de viento son las siguientes: 9. ESTUDIOS AGRARIOS Y DE SUPERFICIES Los estudios en este campo se pueden dirigir hacia el diseño y evaluación de barreras cortavientos, no tanto de uso general, sobre lo que ya existe una cierta experiencia, sino sobre de la aplicación concreta a fincas situadas en zonas ventosas o de orografía singular que requieran un estudio más detallado, así como estudios específicos para zonas castigadas por el viento. Por otra parte nos encontramos con los estudios dirigidos a la determinación de cargas sobre naves agrícolas o invernaderos. Entre otras pruebas que se realzan en este rubro en túneles de viento se consideran: el efecto de barreras cortavientos en dispersión de contaminantes.

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INGENIERIA CIVIL

Los ensayos que pueden ser desarrollados en el campo de la Ingeniería Civil son muy variados, por lo que nos limitaremos a citar los más relevantes. Entre ellos cabe destacar la importancia que tiene la determinación de cargas estáticas y dinámicas del viento sobre puentes y otras estructuras civiles singulares (Figura No.6). Estas cargas del viento sobre puentes, naves industriales, marquesinas, etc., pueden ser muy importantes a la hora de dimensionar su estructura, ya que las cargas que se deducen de las normas pueden no ser válidas, por exceso o por defecto, cuando se quiere hacer un diseño muy ajustado. Otro tipo de estudios abarcados en este campo es la determinación de cargas del viento sobre vehículos terrestres y el estudio de dispositivos en las infraestructuras para reducirlas. Ambos tipos de estudios son muy importantes para mejorar la seguridad en las infraestructuras terrestres, ya que es bien conocido que el efecto del viento sobre los 22

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vehículos por ejemplo en los puentes o sobre barrancos después de una cortada es la causa de muchos accidentes de tráfico. Un caso similar al anterior es el estudio del efecto del viento dentro de muelles, aeropuertos, etc. Comoejemplo se presenta un caso real que ha ocurrido en Holanda, donde la mala localización de un hangar ha provocado ráfagas perjudiciales en la pista del aeropuerto de Ámsterdam. Esto es perfectamente evitable ensayando previamente los diseños en un túnel aerodinámico, asegurando de este modo que los proyectos son viables y adecuados, y evitando una posterior remodelación de los mismos con el considerable incremento de presupuesto que esto supondría. Por último, y aunque existen más aplicaciones dentro de la Ingeniería Civil, se encuentran los estudios de dispersión de contaminantes sólidos o gaseosos. En este caso, la experimentación con modelos a escala puede ser de gran ayuda para estudios de impacto ambiental. -

ARQUITECTURA

En Arquitectura, los ensayos que se pueden realizar en el túnel aerodinámico pueden ser enfocados de dos formas diferentes. Por una parte encaminados al cálculo de las cargas ejercidas por el viento, y por otro a la investigación de modelos bioclimáticos. Debido a la ligereza de las estructuras arquitectónicas modernas (Figura No.7), cada día se demanda más un conocimiento exhaustivo de las cargas, con lo que la medida de las cargas de viento sobre edificios y otros elementos arquitectónicos (cubiertas, vallas, esculturas, etc.) en el túnel, ayudaría de una forma importante a minimizar la estructura necesaria.

También es importante la determinación de los efectos locales del viento sobre edificios concretos y el estudio de posibles soluciones cuando estos generen problemas, ya sean de cargas o acústicos. Los edificios que se encuentran situados en zonas ventosas pueden presentar problemas locales de cargas de viento, que pueden provocar por una parte la caída de recubrimientos, o por otro lado silbidos o corrientes excesivas, perjudiciales para la confortabilidad de las viviendas. ademas es fundamental la determinacion de los efectos del viento en zonas abiertas, entradas de edificios, etc. y ayuda para la evaluación del efecto de barreras cortavientos para resolver problemas locales de viento: en este caso se trata de estudiar la mejor orientación de los edificios para minimizar el efecto del viento en su entrada y zonas de recreo o, en su defecto, 23

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ayudar al diseño de barreras cortavientos, naturales o artificiales, que minimicen su efecto en áreas determinadas. Por último y en lo que se refiere al bioclimatismo, se pueden hacer estudios y evaluaciones de sistemas de ventilación natural, siendo este un aspecto muy importante para reducir costes de mantenimiento en viviendas, por el ahorro energético que supone. -

ENEGIAS RENOVABLES

En lo que respecta a las Energías Renovables, el túnel puede ser utilizado para el desarrollo de componentes de aerogeneradores (Figura No.8), así como para el estudio de cargas sobre los mismos y el tarado de anemómetros. También es importante para el estudio de sombras en parques eólicos y poder conocer cuál es la posición óptima de las turbinas en función de los vientos dominantes en la zona o la orografía del terreno, de manera que pueda aprovecharse de la mejor forma el suelo disponible. Este es un aspecto de suma importancia ya que normalmente el espacio del que se dispone para la instalación de parques eolicos suele estar limitado a pesar q esta actividad es compatible con otro tipo de. Por otra parte, la investigación en el campo de la Energía Fotovoltaica está especialmente dirigida al abaratamiento de costes mediante los sistemas de concentración. La estructura de seguimiento del concentrador fotovoltaico parabólico presenta características muy distintas a las de panel plano. En los sistemas de concentración, las estructuras no sólo deben soportar cargas máximas sin sufrir daño (rotura o deformación permanente) sino que deben asegurar que bajo las cargas corrientes la estructura sufre niveles de deformación compatibles con el alineamiento de los elementos ópticos y los receptores. Todo esto hace que actualmente estas estructuras de concentración sean de considerables dimensiones, en parte por el peso que tienen que soportar, pero mayoritariamente porque deben resistir las cargas de viento a las que se ven sometidas, lo cual incide directamente en el coste de las mismas. Se hace por tanto necesaria la realización de ensayos en túnel aerodinámico con el fin de diseñar y estudiar una alternativa para la estructura de seguimiento de manera que los esfuerzos a los que se vea sometida por efecto del viento sean menores, consiguiéndose estructuras más ligeras y que conlleven por tanto un menor coste de producción.

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ENTRENAMIWENTO DEPORTIVO

La mejora del rendimiento deportivo depende en gran manera de la capacidad para minimizar la resistencia aerodinámica. Este aspecto es muy importante en diferentes

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deportes, ya sean estos de pelota o distintas especialidades de atletismo, el ciclismo, esquí, etc. La mejor técnica para conseguir conocer y minimizar dicha resistencia son los ensayos en túnel aerodinámico. Estos ensayos permiten la simulación prácticamente total de todas las variables que influyen en la práctica del deporte, con lo que se convierte en un instrumento sumamente eficaz para la mejora de la técnica.

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INDUSTRIA AUTOMOTRIZ

Cuando nos hablan de la aerodinámica de un carro pensamos siempre en sus formas redondas, en las líneas fluidas y en un resultado estético proporcional a los avances que, se cree, la carrocería genera en velocidad. Al tenor de la ley de la gravedad, la forma perfecta de un cuerpodesplaza en el aire es la de una gota. Al tenor de las necesidades de la Fórmula 1, los requisitos poco tienen que ver con esta premisa pues se buscan otros resultados del paso del aire por encima de una carrocería. En el pasado, los carros tuvieron este perfil redondo adelante y que moría como una flecha atrás. Hoy son casi al revés. En un carro de Fórmula 1, los ingenieros buscan cosas diferentes: poca resistencia al avance, alto efecto del paso de la corriente de aire por la carrocería que genera un enorme peso adicional para pegar la máquina al piso con los alerones sin castigar mucho la velocidad y enfriar el motor canalizando el flujo por los radiadores sin mayor reacción. Es decir, por un lado, necesitan cortar el aire con el menor gasto posible de potencia del motor. Por el otro, buscan obtener gran apoyo. O sea, dos parámetros opuestos que deben convivir en perfecta armonía.

10. PROBLEMAS QUE SE ENFRENTAN CON LAS MEDICIONES EN UN TÚNEL AERODINÁMICO Limitaciones por efecto de escala Estas limitaciones están dadas por la reducción del tamaño del modelo a la hora de su comprobación y análisis. Por ejemplo: un modelo de 1:4 de escala, debe ser probado a 4 veces la velocidad real. Lo cual demuestra que a medida que el modelo sea menor, mayor deberá ser la velocidad empleada en la sección de prueba, la cual puede estar limitada por la velocidad máxima del túnel con el que se cuenta. Estas limitaciones se anulan si se emplea un túnel presurizado.

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Tamaño del modelo Los investigadores aerodinámicos deben hallar un compromiso entre el tamaño del modelo y el del túnel. La decisión está más bien dictada por consideraciones de costo. Una vez que los números de Reynolds y Mach reales no puedan ser reproducidos, los datos experimentados son afectados por los efectos de escala, algunas veces estos últimos son despreciables. Para el caso de flujos transónicos y de baja velocidad, el efecto de escala si es considerado. Problemas de interferencia (fenómeno de bloqueo) La interferencia en la sección de prueba debido al bloqueo del flujo por el modelo es un problema que debe ser tratado con los ajustes necesarios y correcciones de los datos obtenidos. El bloqueo del flujo ocurre durante las pruebas con modelos relativamente grandes en la sección de túneles de tamaño limitado. Este bloqueo se define como el radio de la sección frontal del modelo al área de la sección de prueba. Se necesitan radios de bloqueo menores del 10% de la sección a pesar de que muchas veces esto se excede con creces. Para las pruebas aerodinámicas, este bloqueo no debe ser mayor que el 5%. La presencia del modelo en la sección de prueba tiene como resultado que al bloquear el flujo aumenta la presión en las paredes del túnel. Por esta razón, los túneles de sección abierta se emplean a menudo. Las correcciones por bloqueo son todavía un factor activo de investigación.

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TERMOFLUIDOS:

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11. PROCEDIMIENTO

P: presioá n medidá N/m2 p: densidád del liqúido mánomeá trico (874.29 kg/m3) g: ácelerácioá n de lá grávedád (9.81 m/s2) h: diferenciá de áltúrá l: lectúrá úbtenidá en ún túbo ∝ : ángúlo de inclinácioá n micrománometricá Párá obtener lá velocidád del flúido úsámos lá sigúiente relácioá n: P=

ρ∗V 2 2

V = √❑ V: velocidad del fluido (m/s) ρ : Densidad del aire (0.95 kg/m3) -

MEDICION DE PRESION frecuencia(Hz)

Longitud (l)(mm) K=0.4

50

34

40

39

38

40

40

60

35

39

38

37

39

39

Para una frecuencia de 50 Hz:

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TERMOFLUIDOS:

TUNEL DE VIENTO UCSM

Velocidad en (Km/h)

longitud(l) presión

Velocidad

0.034

116.64

15.67

56.41

0.040

137.23

17.00

61.19

0.039

133.80

16.78

60.42

0.038

130.37

16.57

59.64

0.040

137.23

17.00

61.19

0.040

137.23

17.00

61.19

Para una frecuencia de 60 Hz:

Velocidad en (Km/h)

longitud(l) presion

Velocidad

0.035

120.07

15.90

57.24

0.039

133.80

16.78

60.42

0.038

130.37

16.57

59.64

0.037

126.94

16.35

58.85

0.039

133.80

16.78

60.42

0.039

133.80

16.78

60.42

-

MEDICION DE PRESION PARA DIFERENTES PERFILES Perfil plano, circulo plano

frecuencia(Hz)

longitud(l) K=0.4

60

39 mm Perfil :esfera

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TERMOFLUIDOS:

frecuencia(Hz)

TUNEL DE VIENTO UCSM

longitud(l) ) K=0.4

60

40 mm

Perfil: alabe frecuencia(Hz)

longitud(l) K=0.4

60

41 mm

12. CONCLUSIONES El túnel de viento es un instrumento clave en el estudio de las acciones del

-

viento sobre un objeto, ya sea éste un avión, una estructura o la propia superficie terrestre. Los resultados de los experimentos indican que en el rango de variación de

-

velocidades

analizado,

los

parámetros

adimensionales

permanecen

prácticamente constantes. Finalmente, se puede decir que a partir de este estudio, al menos para este

-

rango de velocidad, las simulaciones de capa límite atmosférica en el túnel de viento de la UCSM mantienen sus características de flujo medio y turbulento 13. REFERENCIAS http://cef.uca.edu.sv/descargables/tesis_descargables/tunel.pdf http://earchivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/15901/pfc_alberto_munoz_mejias_2012.pdf? sequence=1 http://www.guzlop-editoras.com/web_des/ener01/eolica/pld0442.pdf http://digeset.ucol.mx/tesis_posgrado/Pdf/Carlos_Jeronimo_Silva_T.pdf http://www.exploralaciencia.profes.net/ArchivosColegios/Ciencia/Archivos/5%20experi encias%20ciencia/CF_RJC_Tunelvientoaerog.pdf

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