Túnel de viento

Túnel de viento de la NASA con el modelo a escala de un avión Un modelo de Cessna con burbujas llenas de helio que muestra las trayectorias de los vórtices de la punta de las alas

Los túneles de viento son tubos grandes por los que sopla aire y que se utilizan para reproducir la interacción entre el aire y un objeto que vuela por el aire o se mueve por el suelo. Los investigadores usan túneles de viento para aprender más sobre cómo volará una aeronave. La NASA utiliza túneles de viento para probar modelos a escala de aeronaves y naves espaciales. Algunos túneles de viento son lo suficientemente grandes como para contener versiones de vehículos de tamaño completo. El túnel de viento mueve el aire alrededor de un objeto, haciendo que parezca que el objeto está volando.

La mayoría de las veces, los ventiladores grandes y potentes aspiran aire a través del tubo. El objeto que se está probando se mantiene de forma segura dentro del túnel para que permanezca estacionario. El objeto puede ser un objeto de prueba aerodinámico, como un cilindro o un perfil aerodinámico, un componente individual, un modelo pequeño del vehículo o un vehículo de tamaño completo. El aire que se mueve alrededor del objeto estacionario muestra lo que sucedería si el objeto se moviera por el aire. El movimiento del aire se puede estudiar de diferentes formas; Se puede colocar humo o tinte en el aire y se puede ver mientras se mueve alrededor del objeto. También se pueden unir hilos de colores al objeto para mostrar cómo se mueve el aire a su alrededor. A menudo se pueden utilizar instrumentos especiales para medir la fuerza del aire ejercida contra el objeto.

Los primeros túneles de viento se inventaron a finales del siglo XIX, en los primeros días de la investigación aeronáutica, cuando muchos intentaron desarrollar con éxito máquinas voladoras más pesadas que el aire. El túnel de viento se concibió como un medio para invertir el paradigma habitual: en lugar de que el aire se detenga y un objeto se mueva a gran velocidad a través de él, se obtendría el mismo efecto si el objeto se detuviera y el aire pasara a gran velocidad por él. De esa manera, un observador estacionario podría estudiar el objeto volador en acción y podría medir las fuerzas aerodinámicas que se le imponen.

El desarrollo de túneles de viento acompañó al desarrollo del avión. Se construyeron grandes túneles de viento durante la Segunda Guerra Mundial. Las pruebas en túneles de viento se consideraron de importancia estratégica durante el desarrollo de aviones supersónicos y misiles durante la Guerra Fría.

Más tarde, el estudio del túnel de viento se hizo realidad: los efectos del viento en las estructuras u objetos artificiales debían estudiarse cuando los edificios se volvían lo suficientemente altos como para presentar grandes superficies al viento, y las fuerzas resultantes tenían que ser resistidas por las fuerzas internas del edificio. estructura. Se requería determinar tales fuerzas antes de que los códigos de construcción pudieran especificar la resistencia requerida de tales edificios y tales pruebas continúan usándose para edificios grandes o inusuales.

Alrededor de la década de 1960, las pruebas en el túnel de viento se aplicaron a los automóviles, no tanto para determinar las fuerzas aerodinámicas per se, sino más bien para determinar formas de reducir la potencia requerida para mover el vehículo en las carreteras a una velocidad determinada. En estos estudios, la interacción entre la carretera y el vehículo juega un papel importante, y esta interacción debe tenerse en cuenta al interpretar los resultados de la prueba. En una situación real, la calzada se mueve con relación al vehículo pero el aire está estacionario con respecto a la calzada, pero en el túnel de viento el aire se está moviendo con relación a la calzada, mientras que la calzada está estacionaria con respecto al vehículo de prueba. Algunos túneles de viento de prueba de automóviles han incorporado correas móviles debajo del vehículo de prueba en un esfuerzo por aproximarse a la condición real, y se utilizan dispositivos muy similares en las pruebas de túnel de viento de configuraciones de despegue y aterrizaje de aeronaves.

Las pruebas de equipos deportivos en el túnel de viento también han prevalecido a lo largo de los años, incluidos palos de golf, pelotas de golf, trineos olímpicos, ciclistas olímpicos y cascos de autos de carrera. La aerodinámica del casco es particularmente importante en los autos de carrera con cabina abierta (Indycar, Fórmula Uno). Las fuerzas de elevación excesivas en el casco pueden causar una tensión considerable en el cuello del conductor, y la separación del flujo en la parte trasera del casco puede provocar golpes turbulentos y, por lo tanto, visión borrosa para el conductor a altas velocidades.

Los avances en el modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD) en computadoras digitales de alta velocidad han reducido la demanda de pruebas en túneles de viento.

• 1 Medida de fuerzas aerodinámicas
• 2 Historia
  • 2.1 Orígenes
  • 2.2 Uso generalizado
  • 2.3 Segunda Guerra Mundial
  • 2.4 Después de la Segunda Guerra Mundial
• 3 Cómo funciona
  • 3.1 Medidas de presión
  • 3.2 Medidas de fuerza y ​​momento
• 4 Visualización de flujo
  • 4.1 Métodos cualitativos
  • 4.2 Métodos cuantitativos
• 5 Clasificación
  • 5.1 Túneles de viento aeronáuticos
    • 5.1.1 Túneles de alto número de Reynolds
    • 5.1.2 Túneles V / STOL
    • 5.1.3 Túneles de giro
  • 5.2 Túneles de automoción
  • 5.3 Túneles aeroacústicos
  • 5.4 Alta entalpía
  • 5.5 Canal Acuadinámico
  • 5.6 Prueba de líquidos de gran tamaño a baja velocidad
  • 5.7 Prueba de ventilador
  • 5.8 Ensayos de ingeniería eólica
• 6 Véase también
• 7 referencias
• 8 Lecturas adicionales
• 9 Enlaces externos

Medida de fuerzas aerodinámicas.

La velocidad y la presión del aire se miden de varias formas en los túneles de viento.

La velocidad del aire a través de la sección de prueba está determinada por el principio de Bernoulli. Medición de la presión dinámica, la presión estática y (solo para flujo compresible ) el aumento de temperatura en el flujo de aire. La dirección del flujo de aire alrededor de un modelo se puede determinar mediante mechones de hilo adheridos a las superficies aerodinámicas. La dirección del flujo de aire que se acerca a una superficie se puede visualizar montando roscas en el flujo de aire delante y detrás del modelo de prueba. Se pueden introducir humo o burbujas de líquido en el flujo de aire aguas arriba del modelo de prueba, y se puede fotografiar su trayectoria alrededor del modelo (ver velocimetría de imagen de partículas ).

Las fuerzas aerodinámicas en el modelo de prueba generalmente se miden con balanzas de vigas, conectadas al modelo de prueba con vigas, cuerdas o cables.

Históricamente, las distribuciones de presión en el modelo de prueba se han medido perforando muchos orificios pequeños a lo largo de la trayectoria del flujo de aire y utilizando manómetros de tubos múltiples para medir la presión en cada orificio. Las distribuciones de presión se pueden medir más convenientemente mediante el uso de pintura sensible a la presión, en la que la presión local más alta se indica mediante una menor fluorescencia de la pintura en ese punto. Las distribuciones de presión también se pueden medir convenientemente mediante el uso de cinturones de presión sensibles a la presión, un desarrollo reciente en el que se integran múltiples módulos de sensores de presión ultraminiaturizados en una tira flexible. La tira se fija a la superficie aerodinámica con cinta y envía señales que describen la distribución de la presión a lo largo de su superficie.

Las distribuciones de presión en un modelo de prueba también se pueden determinar realizando una encuesta de estela, en la que se usa un solo tubo de Pitot para obtener múltiples lecturas aguas abajo del modelo de prueba, o se monta un manómetro de múltiples tubos aguas abajo y se toman todas sus lecturas..

Las propiedades aerodinámicas de un objeto no pueden permanecer iguales para un modelo a escala. Sin embargo, al observar ciertas reglas de similitud, se puede lograr una correspondencia muy satisfactoria entre las propiedades aerodinámicas de un modelo a escala y un objeto de tamaño completo. La elección de los parámetros de similitud depende del propósito de la prueba, pero las condiciones más importantes a satisfacer suelen ser:

• Similitud geométrica: todas las dimensiones del objeto deben tener una escala proporcional;
• Número de Mach : la relación entre la velocidad del aire y la velocidad del sonido debe ser idéntica para el modelo escalado y el objeto real (tener un número de Mach idéntico en un túnel de viento y alrededor del objeto real no es igual a tener velocidades del aire idénticas)
• Número de Reynolds : debe mantenerse la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas. Este parámetro es difícil de satisfacer con un modelo a escala y ha llevado al desarrollo de túneles de viento presurizados y criogénicos en los que la viscosidad del fluido de trabajo se puede cambiar en gran medida para compensar la escala reducida del modelo.

En ciertos casos de prueba particulares, deben satisfacerse otros parámetros de similitud, como por ejemplo el número de Froude.

Historia

Orígenes

El ingeniero militar y matemático inglés Benjamin Robins (1707-1751) inventó un aparato de brazo giratorio para determinar la resistencia e hizo algunos de los primeros experimentos en teoría de la aviación.

Sir George Cayley (1773–1857) también usó un brazo giratorio para medir la resistencia y la sustentación de varios perfiles aerodinámicos. Su brazo giratorio medía 5 pies (1,5 m) de largo y alcanzaba velocidades máximas de entre 10 y 20 pies por segundo (3 a 6 m / s).

Otto Lilienthal usó un brazo giratorio para medir con precisión las aspas aerodinámicas de las alas con diferentes ángulos de ataque, estableciendo sus diagramas polares de relación de sustentación a arrastre, pero carecía de las nociones de arrastre inducido y números de Reynolds.

Réplica del túnel de viento de los hermanos Wright Túneles de viento de Eiffel en el laboratorio de Auteuil

Sin embargo, el brazo giratorio no produce un flujo de aire confiable que impacte la forma de prueba con una incidencia normal. Las fuerzas centrífugas y el hecho de que el objeto se mueva a su propio paso significan que el examen detallado del flujo de aire es difícil. Francis Herbert Wenham (1824-1908), miembro del Consejo de la Sociedad Aeronáutica de Gran Bretaña, abordó estos problemas inventando, diseñando y operando el primer túnel de viento cerrado en 1871. Una vez que se logró este avance, se extrajeron rápidamente datos técnicos detallados por el uso de esta herramienta. A Wenham y su colega John Browning se les atribuyen muchos descubrimientos fundamentales, incluida la medición de relaciones l / d, y la revelación de los efectos beneficiosos de una relación de aspecto alta.

Konstantin Tsiolkovsky construyó un túnel de viento de sección abierta con un ventilador centrífugo en 1897 y determinó los coeficientes de arrastre de placas planas, cilindros y esferas.

El inventor danés Poul la Cour aplicó túneles de viento en su proceso de desarrollo y perfeccionamiento de la tecnología de turbinas eólicas a principios de la década de 1890. Carl Rickard Nyberg utilizó un túnel de viento al diseñar su Flugan a partir de 1897.

En un conjunto clásico de experimentos, el inglés Osborne Reynolds (1842-1912) de la Universidad de Manchester demostró que el patrón de flujo de aire sobre un modelo a escala sería el mismo para el vehículo a gran escala si un determinado parámetro de 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 de flujo de fluidos, incluidas las formas de los patrones de flujo, la facilidad de transferencia de calor y la aparición de turbulencias. Esto comprende la justificación científica central para el uso de modelos en túneles de viento para simular fenómenos de la vida real. Sin embargo, existen limitaciones en las condiciones en las que la similitud dinámica se basa únicamente en el número de Reynolds.

El uso de los hermanos Wright de un simple túnel de viento en 1901 para estudiar los efectos del flujo de aire sobre varias formas mientras desarrollaban su Wright Flyer fue en cierto modo revolucionario. Sin embargo, se puede ver en lo anterior que simplemente estaban usando la tecnología aceptada en ese momento, aunque aún no era una tecnología común en Estados Unidos.

En Francia, Gustave Eiffel (1832-1923) construyó su primer túnel de viento de retorno abierto en 1909, propulsado por un motor eléctrico de 50 kW, en Champs-de-Mars, cerca del pie de la torre que lleva su nombre.

Entre 1909 y 1912, Eiffel realizó unas 4.000 pruebas en su túnel de viento, y su experimentación sistemática estableció nuevos estándares para la investigación aeronáutica. En 1912, el laboratorio de Eiffel se trasladó a Auteuil, un suburbio de París, donde su túnel de viento con una sección de prueba de dos metros todavía está operativo en la actualidad. Eiffel mejoró significativamente la eficiencia del túnel de viento de retorno abierto al encerrar la sección de prueba en una cámara, diseñar una entrada ensanchada con un enderezador de flujo de panal y agregar un difusor entre la sección de prueba y el ventilador ubicado en el extremo aguas abajo del difusor; este fue un arreglo seguido por una serie de túneles de viento construidos posteriormente; de hecho, el túnel de viento de baja velocidad y retorno abierto se denomina a menudo túnel de viento de tipo Eiffel.

Uso generalizado

Laboratorio de aviación alemán, 1935

El uso posterior de túneles de viento proliferó a medida que se establecieron la ciencia de la aerodinámica y la disciplina de la ingeniería aeronáutica y se desarrollaron los viajes aéreos y la energía.

En 1916, la Marina de los EE. UU. Construyó uno de los túneles de viento más grandes del mundo en ese momento en el Washington Navy Yard. La entrada tenía casi 11 pies (3,4 m) de diámetro y la parte de descarga tenía 7 pies (2,1 m) de diámetro. Un motor eléctrico de 500 hp accionaba las aspas del ventilador de tipo paleta.

En 1931, la NACA construyó un túnel de viento a gran escala de 30 por 60 pies en el Langley Research Center en Langley, Virginia. El túnel estaba propulsado por un par de ventiladores impulsados ​​por motores eléctricos de 4.000 CV. El diseño era un formato de circuito cerrado de doble retorno y podía acomodar muchos aviones reales de tamaño completo, así como modelos a escala. El túnel finalmente se cerró y, aunque fue declarado Monumento Histórico Nacional en 1995, la demolición comenzó en 2010.

Hasta la Segunda Guerra Mundial, el túnel de viento más grande del mundo, construido en 1932-1934, estaba ubicado en un suburbio de París, Chalais-Meudon, Francia. Fue diseñado para probar aviones de tamaño completo y tenía seis grandes ventiladores impulsados ​​por motores eléctricos de alta potencia. ONERA utilizó el túnel de viento Chalais-Meudon con el nombre S1Ch hasta 1976 en el desarrollo de, por ejemplo, los aviones Caravelle y Concorde. Hoy, este túnel de viento se conserva como monumento nacional.

Ludwig Prandtl era profesor de Theodore von Kármán en la Universidad de Göttingen y sugirió la construcción de un túnel de viento para las pruebas de las aeronaves que estaban diseñando. La calle de vórtice de turbulencia aguas abajo de un cilindro se probó en el túnel. Cuando más tarde se mudó a la Universidad de Aquisgrán, recordó el uso de esta instalación:

Recordé que el túnel de viento en Gotinga se inició como una herramienta para estudiar el comportamiento de Zeppelin, pero que había demostrado ser valioso para todo lo demás, desde determinar la dirección del humo de la chimenea de un barco, hasta si un avión dado volaría. Sentí que el progreso en Aquisgrán sería prácticamente imposible sin un buen túnel de viento.

Cuando von Kármán comenzó a consultar con Caltech, trabajó con Clark Millikan y Arthur L. Klein. Se opuso a su diseño e insistió en un flujo de retorno que hiciera al dispositivo "independiente de las fluctuaciones de la atmósfera exterior". Se completó en 1930 y se usó para las pruebas de Northrop Alpha.

En 1939, el general Arnold preguntó qué se necesitaba para hacer avanzar a la USAF y von Kármán respondió: "El primer paso es construir el túnel de viento correcto". Por otro lado, después de los éxitos del Bell X-2 y la perspectiva de una investigación más avanzada, escribió: "Estaba a favor de construir un avión así porque nunca creí que se pudieran obtener todas las respuestas de un viento". túnel."

Segunda Guerra Mundial

En 1941, EE. UU. Construyó uno de los túneles de viento más grandes en ese momento en Wright Field en Dayton, Ohio. Este túnel de viento comienza a 45 pies (14 m) y se estrecha a 20 pies (6,1 m) de diámetro. Dos ventiladores de 40 pies (12 m) fueron impulsados ​​por un motor eléctrico de 40,000 hp. Los modelos de aviones a gran escala podrían probarse a velocidades del aire de 400 mph (640 km / h).

El túnel de viento utilizado por los científicos alemanes en Peenemünde antes y durante la Segunda Guerra Mundial es un ejemplo interesante de las dificultades asociadas con la ampliación del alcance útil de los grandes túneles de viento. Utilizaba unas grandes cuevas naturales que aumentaron de tamaño mediante la excavación y luego se sellaron para almacenar grandes volúmenes de aire que luego podrían conducirse a través de los túneles de viento. Este enfoque innovador permitió la investigación de laboratorio en regímenes de alta velocidad y aceleró enormemente el ritmo de avance de los esfuerzos de ingeniería aeronáutica de Alemania. Al final de la guerra, Alemania tenía al menos tres túneles de viento supersónicos diferentes, con uno capaz de flujos de aire Mach 4,4 (calentado).

Un gran túnel de viento en construcción cerca de Oetztal, Austria, habría tenido dos ventiladores impulsados ​​directamente por dos turbinas hidráulicas de 50.000 caballos de fuerza. La instalación no se completó al final de la guerra y el equipo desmantelado se envió a Modane, Francia en 1946, donde se volvió a montar y todavía es operado allí por ONERA. Con su sección de prueba de 8 my una velocidad aerodinámica de hasta Mach 1, es la instalación de túnel de viento transónico más grande del mundo.

El 22 de junio de 1942, Curtiss-Wright financió la construcción de uno de los túneles de viento subsónicos más grandes del país en Buffalo, NY El 22 de junio de 1942 se vertió el primer hormigón para la construcción en un sitio que eventualmente se convertiría en Calspan, donde se encuentra el túnel de viento de propiedad independiente más grande en los Estados Unidos todavía opera.

Al final de la Segunda Guerra Mundial, EE. UU. Había construido ocho nuevos túneles de viento, incluido el más grande del mundo en Moffett Field cerca de Sunnyvale, California, que fue diseñado para probar aviones de tamaño completo a velocidades de menos de 250 mph y una vertical túnel de viento en Wright Field, Ohio, donde la corriente de viento es hacia arriba para probar modelos en situaciones de giro y los conceptos y diseños de ingeniería de los primeros helicópteros primitivos que volaron en los EE. UU.

Después de la segunda guerra mundial

Reproducir medios Prueba de túnel de viento NACA en un sujeto humano, que muestra los efectos de las altas velocidades del viento en el rostro humano

La investigación posterior sobre flujos de aire cercanos o superiores a la velocidad del sonido utilizó un enfoque relacionado. Se utilizaron cámaras de presión de metal para almacenar aire a alta presión que luego se aceleró a través de una boquilla diseñada para proporcionar un flujo supersónico. A continuación, se colocó la cámara de observación o de instrumentación ("sección de prueba") en el lugar adecuado en la garganta o boquilla para la velocidad deseada.

En los Estados Unidos, la preocupación por el retraso de las instalaciones de investigación estadounidenses en comparación con las construidas por los alemanes llevó a la Ley del Plan Unitario de Túneles de Viento de 1949, que autorizó gastos para construir nuevos túneles de viento en universidades y en sitios militares. Algunos túneles de viento alemanes en tiempo de guerra fueron desmantelados para su envío a los Estados Unidos como parte del plan para explotar los desarrollos tecnológicos alemanes.

Para aplicaciones limitadas, la dinámica de fluidos computacional (CFD) puede complementar o posiblemente reemplazar el uso de túneles de viento. Por ejemplo, el avión cohete experimental SpaceShipOne fue diseñado sin ningún uso de túneles de viento. Sin embargo, en una prueba, se unieron hilos de vuelo a la superficie de las alas, realizando un tipo de prueba de túnel de viento durante un vuelo real para refinar el modelo computacional. Cuando hay un flujo turbulento externo, la CFD no es práctica debido a las limitaciones de los recursos informáticos actuales. Por ejemplo, un área que todavía es demasiado compleja para el uso de CFD está determinando los efectos del flujo en y alrededor de estructuras, puentes, terreno, etc.

Preparación de un modelo en el túnel de viento Kirsten, un túnel de viento subsónico en la Universidad de Washington

La forma más eficaz de simular un flujo turbulento externo es mediante el uso de un túnel de viento de capa límite.

Existen muchas aplicaciones para el modelado de túneles de viento de la capa límite. Por ejemplo, comprender el impacto del viento en edificios de gran altura, fábricas, puentes, etc. puede ayudar a los diseñadores de edificios a construir una estructura que resista los efectos del viento de la manera más eficiente posible. Otra aplicación importante para el modelado de túneles de viento de la capa límite es para comprender los patrones de dispersión de los gases de escape para hospitales, laboratorios y otras fuentes emisoras. Otros ejemplos de aplicaciones de túneles de viento de la capa límite son las evaluaciones de la comodidad de los peatones y la deriva de la nieve. El modelado de túneles de viento se acepta como un método para ayudar en el diseño de edificios ecológicos. Por ejemplo, el uso del modelado de túneles de viento de capa límite se puede utilizar como crédito para la certificación de Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental (LEED) a través del Consejo de Edificación Ecológica de EE. UU.

Aspas del ventilador del túnel de viento transónico de 16 pies del Langley Research Center en 1990, antes de que fuera retirado en 2004

Las pruebas de túnel de viento en un túnel de viento de capa límite permiten simular el arrastre natural de la superficie de la Tierra. Para mayor precisión, es importante simular el perfil de velocidad media del viento y los efectos de turbulencia dentro de la capa límite atmosférica. La mayoría de los códigos y estándares reconocen que las pruebas en túneles de viento pueden producir información confiable para los diseñadores, especialmente cuando sus proyectos se encuentran en terrenos complejos o en sitios expuestos.

En los Estados Unidos, muchos túneles de viento han sido clausurados en los últimos 20 años, incluidas algunas instalaciones históricas. Se ejerce presión sobre los túneles de viento restantes debido al uso decreciente o errático, los altos costos de la electricidad y, en algunos casos, el alto valor de los bienes raíces sobre los que se asienta la instalación. Por otro lado, la validación de CFD todavía requiere datos de túnel de viento, y es probable que este sea el caso en el futuro previsible. Se han realizado estudios y se están realizando otros para evaluar las necesidades futuras de los túneles de viento militares y comerciales, pero el resultado sigue siendo incierto. Más recientemente, un uso cada vez mayor de vehículos no tripulados equipados con propulsión a chorro ["drones de investigación"] ha reemplazado algunos de los usos tradicionales de los túneles de viento. El túnel de viento más rápido del mundo a partir de 2019 es el túnel de viento LENS-X, ubicado en Buffalo, Nueva York.

Cómo funciona

Equilibrio externo de seis elementos debajo del túnel de viento Kirsten

El aire se sopla o aspira a través de un conducto equipado con un puerto de visualización e instrumentación donde se montan modelos o formas geométricas para su estudio. Normalmente, el aire se mueve a través del túnel mediante una serie de ventiladores. Para túneles de viento muy grandes de varios metros de diámetro, un solo ventilador grande no es práctico, por lo que en su lugar se usa una serie de múltiples ventiladores en paralelo para proporcionar suficiente flujo de aire. Debido al volumen y la velocidad del movimiento del aire requeridos, los ventiladores pueden funcionar con motores turbofan estacionarios en lugar de motores eléctricos.

El flujo de aire creado por los ventiladores que ingresa al túnel es en sí mismo muy turbulento debido al movimiento de las aspas del ventilador (cuando el ventilador está soplando aire hacia la sección de prueba - cuando está succionando aire de la sección de prueba aguas abajo, la turbulencia de las aspas del ventilador no es un factor), por lo que no es directamente útil para mediciones precisas. El aire que se mueve a través del túnel debe estar relativamente libre de turbulencias y ser laminar. Para corregir este problema, se utilizan paletas de aire verticales y horizontales estrechamente espaciadas para suavizar el flujo de aire turbulento antes de llegar al sujeto de la prueba.

Debido a los efectos de la viscosidad, la sección transversal de un túnel de viento es típicamente circular en lugar de cuadrada, porque habrá una mayor constricción del flujo en las esquinas de un túnel cuadrado que puede hacer que el flujo sea turbulento. Un túnel circular proporciona un flujo más suave.

El revestimiento interior del túnel suele ser lo más liso posible para reducir la resistencia y la turbulencia de la superficie que podrían afectar la precisión de la prueba. Incluso las paredes lisas inducen algo de arrastre en el flujo de aire, por lo que el objeto que se está probando generalmente se mantiene cerca del centro del túnel, con una zona de amortiguación vacía entre el objeto y las paredes del túnel. Existen factores de corrección para relacionar los resultados de las pruebas en el túnel de viento con los resultados al aire libre.

La iluminación generalmente está incrustada en las paredes circulares del túnel y brilla a través de las ventanas. Si la luz se montara en la superficie interior del túnel de manera convencional, la bombilla generaría turbulencias a medida que el aire soplara a su alrededor. Del mismo modo, la observación se suele realizar a través de ojos de buey transparentes en el interior del túnel. En lugar de ser simplemente discos planos, estas ventanas de iluminación y observación pueden curvarse para coincidir con la sección transversal del túnel y reducir aún más la turbulencia alrededor de la ventana.

Se utilizan varias técnicas para estudiar el flujo de aire real alrededor de la geometría y compararlo con los resultados teóricos, que también deben tener en cuenta el número de Reynolds y el número de Mach para el régimen de operación.

Medidas de presión

La presión en las superficies del modelo se puede medir si el modelo incluye tomas de presión. Esto puede ser útil para los fenómenos dominados por la presión, pero esto solo explica las fuerzas normales en el cuerpo.

Medidas de fuerza y ​​momento

Un coeficiente de sustentación típico frente a una curva de ángulo de ataque

Con el modelo montado en un equilibrio de fuerzas, se pueden medir los momentos de elevación, arrastre, fuerzas laterales, guiñada, balanceo y cabeceo en un rango de ángulo de ataque. Esto permite producir curvas comunes como el coeficiente de sustentación frente al ángulo de ataque (mostrado).

Tenga en cuenta que el equilibrio de fuerzas en sí mismo crea resistencia y turbulencia potencial que afectarán al modelo e introducirán errores en las mediciones. Por lo tanto, las estructuras de soporte suelen tener una forma suave para minimizar las turbulencias.

Visualización de flujo

Debido a que el aire es transparente, es difícil observar directamente el movimiento del aire. En cambio, se han desarrollado múltiples métodos de visualización de flujo tanto cuantitativos como cualitativos para realizar pruebas en un túnel de viento.

Métodos cualitativos

• Humo
• Inyección de dióxido de carbono
• Se pueden aplicar mechones, mini mechones o conos de flujo a un modelo y permanecer adheridos durante la prueba. Los mechones se pueden utilizar para medir los patrones de flujo de aire y la separación del flujo. Los mechones a veces están hechos de material fluorescente y se iluminan con luz negra para ayudar en la visualización.
• Las suspensiones de evaporación son simplemente una mezcla de algún tipo de polvo fino, talco o arcilla mezclados en un líquido con un bajo calor latente de evaporación. Cuando el viento se enciende, el líquido se evapora rápidamente, dejando atrás la arcilla en un patrón característico del flujo de aire.
• Aceite: cuando se aplica aceite a la superficie del modelo, puede mostrar claramente la transición de flujo laminar a turbulento, así como la separación del flujo.
• Pintura al temple: similar al aceite, la pintura al temple se puede aplicar a la superficie del modelo aplicando inicialmente la pintura en puntos espaciados. Después de ejecutar el túnel de viento, se puede identificar la dirección del flujo y la separación. Una estrategia adicional en el uso de pintura al temple es utilizar luces negras para crear un patrón de flujo luminoso con la pintura al temple.
• La niebla (generalmente de partículas de agua) se crea con un nebulizador piezoeléctrico ultrasónico. La niebla se transporta dentro del túnel de viento (preferiblemente del tipo circuito cerrado y sección de prueba cerrada). Se inserta una rejilla calentada eléctricamente antes de la sección de prueba, que evapora las partículas de agua en su vecindad, formando así láminas de niebla. Las hojas de niebla funcionan como líneas aerodinámicas sobre el modelo de prueba cuando se iluminan con una hoja de luz.
• Sublimación: si el movimiento del aire en el túnel es lo suficientemente no turbulento, una corriente de partículas liberada en el flujo de aire no se romperá a medida que el aire se mueve, sino que permanecerá unida como una línea fina y nítida. Varias corrientes de partículas liberadas de una rejilla de muchas boquillas pueden proporcionar una forma tridimensional dinámica del flujo de aire alrededor de un cuerpo. Al igual que con el equilibrio de fuerzas, estos tubos de inyección y boquillas deben tener una forma que minimice la introducción de un flujo de aire turbulento en la corriente de aire.
• Sublimación (definición alternativa): una técnica de visualización de flujo consiste en recubrir el modelo con un material sublimable donde una vez que se activa el viento en las regiones donde el flujo de aire es laminar, el material permanecerá adherido al modelo, mientras que, a la inversa, en las áreas turbulentas el material se evaporará del modelo. Esta técnica se emplea principalmente para verificar que los puntos de disparo colocados en el borde de ataque para forzar una transición estén logrando con éxito el objetivo previsto.

Las turbulencias y los vórtices de alta velocidad pueden ser difíciles de ver directamente, pero las luces estroboscópicas y las cámaras de película o las cámaras digitales de alta velocidad pueden ayudar a capturar eventos que son borrosos a simple vista.

También se requieren cámaras de alta velocidad cuando el sujeto de la prueba se mueve a alta velocidad, como la hélice de un avión. La cámara puede capturar imágenes en stop-motion de cómo la hoja corta las corrientes de partículas y cómo se generan los vórtices a lo largo de los bordes posteriores de la hoja en movimiento.

Métodos cuantitativos

• Pintura sensible a la presión (PSP): PSP es una técnica mediante la cual un modelo se recubre por pulverización con una pintura que reacciona a las variaciones de presión cambiando de color. Junto con esta técnica, las cámaras generalmente se colocan en ángulos de visión estratégicos a través de las paredes, el techo y el piso del túnel de viento para fotografiar el modelo mientras hay viento. Los resultados fotográficos se pueden digitalizar para crear una distribución completa de las presiones externas que actúan sobre el modelo y, posteriormente, mapear en una malla geométrica computacional para una comparación directa con los resultados CFD. Las mediciones de PSP pueden ser efectivas para capturar variaciones de presión en todo el modelo; sin embargo, a menudo se requieren tomas de presión suplementarias en la superficie del modelo para verificar la magnitud absoluta de los coeficientes de presión. Una propiedad importante de las pinturas PSP de buen comportamiento es que también deben ser insensibles a los efectos de la temperatura, ya que la temperatura dentro del túnel de viento podría variar considerablemente después de un funcionamiento continuo. Las dificultades comunes que se encuentran al usar PSP incluyen la incapacidad de medir con precisión los efectos del borde anterior y posterior en áreas donde hay una gran curvatura debido a las limitaciones en la capacidad de las cámaras para obtener un ángulo de visión ventajoso. Además, a veces se evita la aplicación de PSP en el borde de ataque porque introduce un espesor finito que podría causar una separación temprana del flujo, corrompiendo así los resultados. Dado que las variaciones de presión en el borde de ataque suelen ser de interés principal, la falta de resultados precisos en esa región es muy problemática. Una vez que se pinta un modelo con pintura sensible a la presión, se sabe que ciertas pinturas se adhieren y continúan funcionando durante unos meses después de su aplicación inicial. Finalmente, se sabe que las pinturas PSP tienen ciertas características de frecuencia en las que algunas requieren unos momentos para estabilizarse antes de lograr resultados precisos, mientras que otras convergen rápidamente. En el último caso, las pinturas que tienen la capacidad de reflejar cambios rápidos de presión se pueden utilizar para aplicaciones de PSP dinámico en las que la intención es medir características de flujo inestable.
• Velocimetría de imagen de partículas (PIV): PIV es una técnica en la que se emite una hoja láser a través de una hendidura en la pared del túnel donde un dispositivo de imágenes puede rastrear la dirección de velocidad local de las partículas en el plano de la hoja láser. A veces, esta técnica implica sembrar el flujo de aire con material observable. Esta técnica permite la medición cuantitativa de la velocidad y dirección del flujo a través de las áreas capturadas en el plano del láser.
• Medición de la deformación del modelo (MDM): MDM funciona colocando marcadores en ubicaciones geométricas conocidas en el modelo del túnel de viento y tomando fotografías del cambio en la ubicación del marcador a medida que se aplica el viento en el túnel. Al analizar el cambio en las posiciones del marcador desde diferentes ángulos de visión de la cámara, se puede calcular el cambio de traslación en la ubicación del marcador. Al recopilar los resultados de unos pocos marcadores, se puede calcular el grado en el que el modelo se está rindiendo de manera flexible debido a la carga de aire.

Clasificación

Hay muchos tipos diferentes de túneles de viento. Por lo general, se clasifican según el rango de velocidades que se alcanzan en la sección de prueba, de la siguiente manera:

• Túnel de viento de baja velocidad
• Túnel de viento de alta velocidad
• Túnel de viento subsónico y transónico
• Túnel de viento supersónico
• Túnel de viento hipersónico
• Túnel de viento de alta entalpía

Los túneles de viento también se clasifican por la orientación del flujo de aire en la sección de prueba con respecto a la gravedad. Por lo general, están orientados horizontalmente, como ocurre durante el vuelo nivelado. Una clase diferente de túneles de viento están orientados verticalmente para que la gravedad pueda equilibrarse mediante la resistencia en lugar de la elevación, y estos se han convertido en una forma popular de recreación para simular el paracaidismo :

• Túnel de viento vertical

Los túneles de viento también se clasifican según su uso principal. Para aquellos que se utilizan con vehículos terrestres como automóviles y camiones, el tipo de aerodinámica del piso también es importante. Estos varían desde pisos estacionarios hasta pisos móviles completos, siendo también importantes los pisos móviles más pequeños y algún intento de control del nivel de los límites.

Túneles de viento aeronáuticos

Las principales subcategorías en los túneles aeronáuticos de viento son:

Túneles de alto número de Reynolds

El número de Reynolds es uno de los parámetros de similitud que gobiernan la simulación de flujo en un túnel de viento. Para un número de mach menor que 0.3, es el parámetro principal que gobierna las características de flujo. Hay tres formas principales de simular un número de Reynolds alto, ya que no es práctico obtener el número de Reynolds a escala completa mediante el uso de un vehículo a escala completa.

• Túneles presurizados: aquí los gases de prueba se presurizan para aumentar el número de Reynolds.
• Túneles de gas pesado: Los gases más pesados ​​como el freón y el R-134a se utilizan como gases de prueba. El túnel de dinámica transónica en NASA Langley es un ejemplo de tal túnel.
• Túneles criogénicos: aquí el gas de prueba se enfría para aumentar el número de Reynolds. El túnel de viento transónico europeo utiliza esta técnica.
• Túneles a gran altitud: están diseñados para probar los efectos de las ondas de choque contra varias formas de aeronaves casi en el vacío. En 1952, la Universidad de California construyó los primeros dos túneles de viento a gran altitud: uno para probar objetos a 50 a 70 millas sobre la tierra y el segundo para pruebas a 80 a 200 millas sobre la tierra.

Túneles V / STOL

Los túneles V / STOL requieren un área de sección transversal grande, pero solo velocidades pequeñas. Dado que la potencia varía con el cubo de la velocidad, la potencia requerida para la operación también es menor. Un ejemplo de túnel V / STOL es el túnel Langley de 14 'x 22' de la NASA.

Girar túneles

Las aeronaves tienden a girar cuando se paran. Estos túneles se utilizan para estudiar ese fenómeno.

Túneles automotrices

Los túneles de viento para automóviles se dividen en dos categorías:

• Los túneles de flujo externo se utilizan para estudiar el flujo externo a través del chasis.
• Los túneles climáticos se utilizan para evaluar el rendimiento de los sistemas de puertas, sistemas de frenado, etc. en diversas condiciones climáticas. La mayoría de los principales fabricantes de automóviles tienen sus propios túneles de viento climáticos.

Wunibald Kamm construyó el primer túnel de viento a gran escala para vehículos de motor.

Para los túneles de flujo externo, se utilizan varios sistemas para compensar el efecto de la capa límite en la superficie de la carretera, incluidos los sistemas de correas móviles debajo de cada rueda y la carrocería del automóvil (sistemas de 5 o 7 cinturones) o un cinturón grande debajo de toda la superficie. coche u otros métodos de control de la capa límite, como palas o perforaciones para succionarlo.

Túneles aeroacústicos

Estos túneles se utilizan en los estudios del ruido generado por el flujo y su supresión.

Túnel de viento vertical T-105 en el Instituto Aerohidrodinámico Central, Moscú, construido en 1941 para pruebas de aviones

Alta entalpía

Un túnel de viento de alta entalpía está destinado a estudiar el flujo de aire alrededor de los objetos que se mueven a velocidades mucho más rápidas que la velocidad local del sonido ( velocidades hipersónicas ). La " entalpía " es la energía total de una corriente de gas, compuesta de energía interna debida a la temperatura, el producto de la presión y el volumen, y la velocidad del flujo. La duplicación de las condiciones de vuelo hipersónico requiere grandes volúmenes de aire caliente a alta presión; Los grandes depósitos calientes presurizados y los arcos eléctricos son dos técnicas utilizadas.

Canal acuadinámico

Los principios aerodinámicos del túnel de viento funcionan igualmente en embarcaciones, excepto que el agua es más viscosa y, por lo tanto, ejerce mayores fuerzas sobre el objeto que se está probando. Un canal en bucle se usa típicamente para pruebas acuadinámicas subacuáticas. La interacción entre dos tipos diferentes de fluidos significa que las pruebas de túnel de viento puro son solo parcialmente relevantes. Sin embargo, un tipo de investigación similar se realiza en un tanque de remolque.

Prueba de líquidos de gran tamaño a baja velocidad

El aire no siempre es el mejor medio de prueba para estudiar los principios aerodinámicos a pequeña escala, debido a la velocidad del flujo de aire y al movimiento de la superficie aerodinámica. Se realizó un estudio de las alas de la mosca de la fruta diseñado para comprender cómo las alas producen sustentación utilizando un tanque grande de aceite mineral y alas 100 veces más grandes que el tamaño real, con el fin de ralentizar los batidos de las alas y facilitar los vórtices generados por las alas de los insectos. para ver y comprender.

Prueba de ventilador

También se realizan pruebas en el túnel de viento para medir con precisión el movimiento del aire de los ventiladores a una presión específica. Al determinar las circunstancias ambientales durante la medición y, posteriormente, al revisar la estanqueidad, se garantiza la estandarización de los datos.

Hay dos formas posibles de medición: un ventilador completo o un impulsor en una instalación hidráulica. Dos tubos de medición permiten medir corrientes de aire más bajas (lt;30.000 m ³ / h) así como corrientes de aire más altas (lt;60.000 m ³ / h). La determinación de la curva Q / h del ventilador es uno de los principales objetivos. Para determinar esta curva (y definir otros parámetros) se miden datos técnicos, mecánicos y electrotécnicos del aire:

Técnica de aire:

• Diferencia de presión estática (Pa)
• Cantidad de aire movido (m ³ / h)
• Velocidad media del aire (m / s)
• Rendimiento específico (W / 1000 m ³ / h)
• Eficiencia

Electro técnico:

• Tensión (V)
• Corriente (A)
• Porque φ
• Potencia admitida (W) ventilador / impulsor
• Rotaciones por minuto (RPM)

La medición puede tener lugar en el ventilador o en la aplicación en la que se utiliza el ventilador.

Ensayos de ingeniería eólica

En ingeniería eólica, las pruebas de túnel de viento se utilizan para medir la velocidad alrededor y las fuerzas o presiones sobre las estructuras. Edificios muy altos, edificios con formas inusuales o complicadas (como un edificio alto con forma parabólica o hiperbólica), puentes colgantes de cables o puentes atirantados se analizan en túneles de viento de capa límite atmosférica especializados. Estos cuentan con una sección de ceñida larga para representar con precisión la velocidad del viento y el perfil de turbulencia que actúa sobre la estructura. Las pruebas en túnel de viento proporcionan las medidas de presión de diseño necesarias en el uso del análisis dinámico y el control de edificios altos.

Ver también

• Arsenal (Viena), centro de túnel de viento climático utilizado por la industria ferroviaria
• Diseño de automóviles
• Doriot Climatic Chambers, centro de túnel de viento climático operado por el ejército de los Estados Unidos
• Sting (accesorio)
• Túnel de agua, la versión orientada a la hidrodinámica de un túnel de viento
• Lista de túneles de viento

Referencias

Otras lecturas

• Jewel B. Barlow, William H. Rae, Jr., Allan Pope: Pruebas en túneles de viento de baja velocidad (3.a ed.) ISBN   978-0-471-55774-6

enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con túneles de viento.

• Video de visualización de niebla en túnel de viento
• Thierry Dubois (11 de mayo de 2017). "Los túneles de viento tienen futuro en la era digital, dicen los europeos". Semana de la aviación y tecnología espacial. Gracias a las técnicas de medición actualizadas, los túneles de viento siguen siendo indispensables.