diseño de un túnel de viento

5/10/2018 Diseño de un túnel de viento - slidepdf.com

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DISEÑO DE UN TÚNEL DE VIENTO

La aerodinámica es la parte de la mecánica que se encarga de estudiar el movimiento relativo entre un sólido y el flui-

do gaseoso (generalmente aire) que lo rodea, determinando las presiones y fuerzas que se van a generar. Desde me-

diados del siglo pasado, la fluidodinámica se ha vuelto un punto clave en el diseño de cualquier vehículo e infraes-

tructura. El diseño de medios de transporte cada vez más veloces que deben moverse de la manera más eficiente po-

sible en el seno de un fluido (ya sea aire o agua) ha propulsado la necesidad del estudio de las propiedades funda-

mentales de estos movimientos, así como las necesidades de construir edificios más altos y seguros, o estadios y

macroestructuras cada vez más atractivas y resistentes contra fuertes vientos.

De aquí nace la necesidad de poder estudiar el impacto que los elementos tienen en estos ingenios. No resulta senci-

llo poder realizar este tipo de estudios. Desde el

punto de visto analítico, la complejidad de las

ecuaciones diferenciales que rigen el movimiento

de los fluidos hace inviable su resolución comple-

ta alrededor de cuerpos complejos, siendo nece-

sario despreciar muchos fenómenos normalmente

viscosos y turbulentos. De esta manera obtene-

mos aproximaciones sesgadas a la realidad. Lo

mismo ocurre con el empleo de rutinas de cálculo

matemáticas. Las necesidades de potencias de

cálculo para poder resolver un problema completo

con todos sus elementos hace imposible su em-

pleo masivo, quedando su utilización reducida a

la comparación de resultados para distinguir entre

soluciones mejores y peores. La imposibilidad de

modelar la rugosidad superficial del elemento aensayar hace que los cálculos en términos de re-

Jonathan Blanco

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Las herramientas de simulación numérica son fundamentales en ingeniería de fluidos, pero por las debilidades men-

cionadas no están aun en posición de poder desplazar a los ensayos aerodinámicos sobre el terreno.

A partir de aquí se abren dos modos de operación,

evaluaciones a posteriori sobre el terreno o experi-

mentación en laboratorio. Pensando solamente en

vehículos terrestres, la ventaja del túnel aerodiná-

mico es que no será necesario tener un modelo

terminado, propulsado, equipado y listo para ro-

dar de manera autónoma. Igualmente existirán

mayores dificultades con la instrumentación que

debe ser transportada en el vehículo. También

aparecerán dificultades derivadas de las irregulari-

dades del terreno. De esta manera, en un túnel, se

pueden testar maquetas de material compuesto o

incluso arcilla o madera, más baratas de fabricar y

modificables en el caso de no obtener los resulta-

dos deseados.

En la evolución de los estudios aerodinámicos en túnel, fueron los hermanos Wright los que usaron un primitivo túnel

de viento para estudiar el comportamiento de los perfiles de su Flyer I, si bien existían túneles anteriores.

Desde entonces hasta hoy diversos tipos de túneles se han ido creando con este objetivo, primero a base de gases

comprimidos y posteriormente con la incorporación de motores y compresores para acelerar el flujo en la cámara de

ensayos. Hoy en día existen instalaciones aerodínamicas de todo tipo y tamaño, desde pequeños túneles en universi-

dades y otros centros de investigación hasta macro-túneles donde poder estudiar vehículos a tamaño real… existentúneles criogénicos donde se emplean gases a baja temperatura o de agua. Y no solo se emplean para estudiar pro-

piedades aerodinámicas como fuerzas y momentos, sino para estudiar fenómenos de capital relevancia como la for-

mación de hielo en planos y superficies de control o en la entrada de las admisiones de los motores de los aviones.

También existen algunas instalaciones de túneles supersónicos donde estudiar el comportamiento de ondas de cho-

que para vehículos de muy alta velocidad. Gracias a ellos se ha optimizado la forma de los vehículos espaciales, dan-

do una respuesta a las elevadas necesidades de refrigeración en la violenta entrada en una atmósfera planetaria.

En lo que a la tecnología automovilística respecta, los

estudios aerodinámicos han estado siempre en la

punta de lanza de la lucha por la centésima. Las me-

joras iniciales en este campo son de las que mejorrelación rendimiento/coste tienen. Pequeñas inversio-

nes consiguen gran impacto en los tiempos del vehi-

culo. Seguir avanzando por este camino, como todo,

resulta cada vez más caro, aunque su eficacia queda

fuera de toda discusión, como ha demostrado el equi-

po BrawnGP en la pasada campaña de la categoría

reina del automovilismo.

El trabajo en túnel es entonces indispensable, amén

de

caro para una maqueta de un vehículo a escala real o incluso 1:2. Por lo que el uso de técnicas CFD se hacen indis-

pensables en el camino de eliminar aquellas soluciones no-optimas y seleccionar solo un número pequeño de confi-

guraciones a reproducir con absoluta precisión y probar en túnel.

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Semejanza de los ensayos aerodinámicos:

Para que un ensayo en túnel aerodinámico sea valido es necesario observar algunas precauciones. Por supuesto es

necesario asegurar una calidad de la vena fluida en la cámara de ensayos suficiente. Es suficiente estar por debajo de

la turbulencia atmosférica para túneles de uso general. Y en cuanto al espécimen de estudio, es necesario retener las

caracteristicas físicas mas importantes del diseño así como mantener el valor de un número adimensional conocido

como Número de Reynolds (Re).

El valor del Reynolds representa la relación existente entre los términos potenciales y los términos viscosos en el

experimento y debe conservarse.

De un primer vistazo a la formulación matemática de esta ecuación e identificando los términos:

Se observa que el empleo de maquetas a escala implica la necesidad de elevar la velocidad en el túnel en la misma

proporción. Desde un punto de vista energético puede ser interesante el reducir la escala, pues permite reducir la

sección del túnel. Como la velocidad en el túnel es proporcional al caudal de los ventiladores e inversamente propor-

cional a la sección, el reducir la sección puede resultar muy beneficioso para aumentar la velocidad en el túnel, si

bien perjudica por el aumento de las pérdidas que aparecerán como U 3, Por otra parte será necesaria una maqueta

para el ensayo que no se podrá emplear para nada más. La reproducción de los detalles en la maqueta será más

complicada y por último, la posible aparición de fenómenos de compresibilidad en aquellas regiones del túnel donde

se supere Mach 0.3 (Relación entre velocidad en la cámara de ensayos y velocidad local del sonido), desaconsejan el

empleo en la medida de lo posible de túneles a escala.

Por último, la variación de la densidad o viscosidad del fluido de trabajo también permiten ajustar el número de Rey-nolds del ensayo. Este es el fundamento de los túneles criogénicos (gas a baja temperatura) y de agua. Aunque lo

complicado de su construcción para asegurar la estanqueidad en todo el circuito desaconsejan su fabricación salvo

causas muy justificadas, y cargo a presupuestos nacionales.

Morfología de un túnel de viento:

Un túnel de viento es esencialmente un Venturi. Se trata de un conducto de sección variable en el que el fluido se

acelera en la parte convergente (donde la sección disminuye) y se decelera en la región divergente (aumento de sec-

ción). El venturi es un buen ejemplo del principio de Bernouilli que relaciona presión y velocidad en un fluido que no

sufre aporte de energía. Al aumentar la velocidad se produce una disminución de la presión estática, que se mide en

dirección perpendicular al flujo. La presión total, que es la suma de estática y dinámica, permanece constante y semide en la dirección del flujo. La densidad y la temperatura se mantienen esencialmente constantes en un túnel sub-

sónico (Velocidad en la cámara por debajo de 0.6 veces la velocidad local del sonido). Esto no ocurrirá en un túnel

transónico (Mach entre 0.6 y 1.5 típicamente).

Existen diferentes formas para los túneles aerodinámicos, que de una forma dicotómica se pueden agrupar en

Túnel abierto/cerrado

Cámara de ensayos abierta/cerrada

Túnel soplado/aspirado

Cada una de estas soluciones tiene sus ventajas y sus inconvenientes. La decisión sobre la morfología concreta de

un túnel para una aplicación resulta en ocasiones ardua y compromete el éxito de la instalación. A continuación sepresentan a grandes rasgos las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas.

LU

Re

ρ: Densidad del fluido.U: Velocidad de la corriente incidenteL: Longitud característica del espécimen de ensayo

µ: Viscosidad del fluido.

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Túnel abierto o cerrado:

Se dice que un túnel es cerrado cuando la salida del difusor está conectada con la contracción mediante un conduc-

to que se denomina “conducto de retorno”. Este tipo de túnel presenta menores pérdidas que un túnel abierto aunque

por el contrario resulta más caro al ser mas grande, mas complejo en su fabricación al necesitar un control térmico

exaustivo del fluido que circula por el tunel y que se calentará con el paso por los ventiladores.

<Túnel abierto> <Túnel cerrado>

Las pérdidas de presión mayores que aparecen en un túnel

abierto se deben al jet libre que aun se devuelve a la atmos-

fera con cierta velocidad. Con un diseño optimo del difusor

es posible minimizar esta velocidad y reducir así las pérdidas

globales de la instalación.

Cámara de ensayos abierta o cerrada:

Una cámara de ensayos abierta permite ensayar modelos mas

grandes, pues no existirá influencia de las paredes del túnel

(factor de bloqueo). Por el contrario será más difícil asegurar

un nivel bajo de turbulencia en la cámara de ensayo y aumen-

tarán las pérdidas por jet-libre tal y como sucede a la salida

del difusor.

Túnel soplado o aspirado:

Se define con estas palabras la posición de los ventila-

dores (1 o varios) en el túnel. Un túnel aspirado es aquel

en el que los motores están colocados después del difu-

sor. El fluido de trabajo llega a los motores después de

haber atravesado la cámara de ensayos. Por el contrarioun túnel soplado es aquel en el que la sección motriz

se encuentra aguas arriba de la cámara de ensayos.

Un túnel soplado genera mayor velocidad en la cámara

de ensayos que un túnel aspirado (que adolece de im-

portantes pérdidas debido al jet que se comentaba a la

salida del difusor). Pero como inconveniente es necesario realizar un mayor control del flujo con enderezadores de

corriente y uniformizadores después, para lograr la calidad de la vena fluida deseada en la cámara de ensayos.

Cualquier ensayo en un túnel aerodinámico, ya sea de un avión, un barco, o el estadio olímpico de Munich tienen en

común una peculiaridad. Es imprescindible tener un conocimiento exacto de la velocidad del fluido en el túnel. Dadoque en las ecuaciones del cálculo de los coeficientes aerodinámicos la velocidad entra elevada a la segunda potencia,

los errores en la medición de la velocidad tienen un fuerte impacto en la determinación de los coeficientes.

Existen diversos modos de conocer la velocidad del viento, tubos de pitot, anemometría de hilo caliente, anemometr-

ía laser… pero para poder emplear cualquier método es imprescindible que todos los anemómetros e instrumentos

de medición estén perfectamente calibrados, es decir, es necesario conocer las desviaciones en las mediciones de

estos instrumentos respecto a la velocidad real.

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No es posible asegurar por construcción la veracidad de las mediciones, dado que siempre van a existir diferencias

del teórico tanto por tolerancias de construcción como imperfección de los materiales. Es por esto que todo elemento

de medición debe ser comprobado en un túnel de viento de extremadamente baja turbulencia y dispersión en la velo-

cidad. Así, comparando la medida del instrumento contra la de otros dos equipos calibrados es posible certificar la

calidad de su medida.

Los túneles de calibración son pues un ejemplo muy interesante para ilustrar el mundo de los túneles de viento por

su complejidad, sus requisitos de calidad de la vena fluida y su utilización tanto para calibración como su funciona-

miento autónomo para la realización de ensayos. Como apoyo al resto de túneles de una instalación de ensayos per-

mitirá tener toda la instrumentación en perfecto estado de calibración reduciendo los tiempos muertos del túnel por

la necesidad de re-certificar la instrumentación. Este proceso de calibración puede llevar varias semanas mientras se

envía el equipo a un laboratorio autorizado, se calibra y se recepciona de vuelta. Desde el punto de vista operativo de

cualquier laboratorio de ensayos aerodinámicos, un túnel de calibración debería de estar presente, siempre y cuando

las dimensiones de las instalaciones así lo permitan.

Una vez que se ha presentado la importancia de este túnel como primero de la serie de instalaciones a realizar, debe-

mos entrar ya en materia dando una descripción general cualitativa del túnel que WIND TUNNEL DESIGN esta prepa-

rando.

La instalación de la figura consta de las siguientes partes:

1. Bancada de motores.

2. Cámara de tranquilización.

3. Acondicionadores de flujo.

4. Contracción Tridimensional.

5. Cámara de ensayos (1m x 1m).

6. Difusor.

Viendo por separado las funciones de cada una de las partes que constituyen un túnel de viento “clásico”, y centrán-

donos en las de mayor impacto en la instalación haremos referencia a:

7. Contracción: Cumple tres funciones fundamentales

Acelerar el flujo.

Uniformizar las condiciones del flujo a la salida

Reducir el espesor de la capa límite.

No resulta difícil de diseñar por cuanto si se realiza un estudio unidimensional de la corriente a lo largo de

este tramo, desaparecen completamente los principales problemas vinculados al diseño de una contracción,

como son la probable inestabilidad de la capa límite, puesto que los gradientes de presión serían favorables a

lo largo de la tobera.

Si, por otro lado, se realiza un análisis de flujo potencial con geometría axilsimétrica, se observa que la co-

rriente en las paredes a la entrada y a la salida tiene menor velocidad y, por tanto, existe una mayor presión,

que con el modelo unidimensional. Ello significa que existe un gradiente adverso de presiones. Si este gra-

diente es suficientemente grande como para que la capa límite se desprenda, se producirá una degradación

en la calidad de la corriente en la sección de ensayos, y se requerirá una mayor potencia, provocando mayor

ruido acústico. Es por ello que es imprescindible prestar mucha atención a las uniones de las paredes, donde

los ángulos rectos se convierten en líneas de muy baja velocidad.



Cámara de ensayos: Este es el elemento principal del túnel, ya que

en él es donde se van a ensayar los modelos o a realizar las mediciones o calibraciones. Es por ello por lo que

suele ser el punto de partida en el diseño del túnel y su elección vendrá determinada por factores como el

número de Reynolds al que se van realizar los ensayos o mediciones, las características del objeto de estudio,

el presupuesto para la construcción del túnel, los costes de operación, el lugar de ubicación y los usuarios o

clientes que van a operar dicho túnel. Su función principal es la de asilar la corriente del medio exterior paraasegurar su uniformidad.

Difusor: El difusor se encuentra tras la cámara de ensayos. Es un canal divergente cuya función es reducir la velo-

cidad de la corriente de aire a la salida del túnel. Puesto que éste es un túnel de circuito abierto, el difusor

descarga a la atmósfera. Dado que las pérdidas de potencia en cualquier punto del túnel varían proporcional-

mente al cubo de la velocidad, el propósito de éste es reducir la velocidad con la menor pérdida de energía

posible. Un mínimo en pérdidas de energía se corresponde con un máximo en recuperación de presión. Los

difusores son muy sensible a errores de diseño, que pueden provocar separaciones de la corriente, ya sean

intermitentes o estacionarias.

En el diseño se ha optado por un túnel de cámara de ensayos cerrada, soplado, y de circuito abierto. Es posible dar

un breve razonamiento de la motivación que ha llevado a la selección de la geometría:

Cámara de ensayos: Dado que el control de la turbulencia en la cámara debe ser muy elaborado, no es posible

recurrir a cámaras abiertas donde la cortadura que se produce en las regiones “frontera” entre el aire acelera-

do en el túnel y la atmósfera exterior ocasiona un considerable aumento de la vorticidad del fluido y con ello

se perjudican las condiciones en la cámara de ensayos.

Túnel soplado: Son túneles energéticamente más eficientes que uno aspirado, por lo que los costes de operación

del túnel se reducen. La deceleración del fluido en el difusor resulta más eficiente y por tanto se producen

menores pérdidas de carga.

Circuito abierto: El retorno se realiza a través de la sala donde va a estar instalado el túnel. Se abarata así el cos-

te de la instalación. Por otra parte se puede considerar que las condiciones ambiente se mantienen más esta-

bles al cargar y descargar el túnel a un recinto suficientemente grande.

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Estructura básica de un Túnel de Viento:

La instalación para lograr una velocidad en la cámara de ensayos de 150km/h puede ocupar un paralelepípedo de 2.5

x 2.5 x 10 metros sin contar la zona de control de motores y monitorización de resultados, que debe estar aislada de

la corriente del túnel.

En cumplimiento con la normativa europea, los requerimientos para un túnel de calibración en cuanto a las necesida-

des de uniformidad de flujo y geometría de la instalación están referidos a continuación:

1. Factor de bloqueo igual o inferior a 0.05

2. Uniformidad de flujo al 0.2% en la zona de colocación del anemómetro a calibrar.

3. Intensidad de turbulencia axial inferior al 2%.

0

10

20

30

40

50

60

70

P o r c e n t a j e

1Elementos

Contribución a las pérdidas

Cámara de Ensayos

Contracción

Difusor

Cámara de Tranquilización

Unif. Corriente

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Con la geometría descrita anteriormente, y tras el análisis de las pérdidas de carga que aparecerán en cada sección se

puede presentar un cuadro indicativo de los porcentajes de caída de presión en cada una de las secciones:

Se observa que el máximo responsable de las pérdidas es el difusor, de su correcto diseño dependerá la optimización

de funcionamiento del túnel. Los uniformadores de corriente son los siguientes elementos en generación de pérdidas,

pero dado que se trata de un túnel que puede realizar calibraciones no será posible reducir este número pues son los

encargado de reducir el nivel de turbulencia.

El túnel presentado como ejemplo tiene un difusor optimi-

zado para lograr una velocidad objetivo en la cámara de

ensayos de cerca de 150 km/h, por lo que es de unas di-

mensiones apreciables (cerca de la mitad de la longitud

total de la instalación). Es posible sin embargo diseñar un

túnel más corto (con la consiguiente pérdida de velocidad)

para acoplarlo a laboratorios o edificios más pequeños. Se

ha decidido una velocidad en la cámara de ensayos muy

superior a la necesaria para un mero proceso de calibra-

ción, pues se pretende que este túnel sea capaz de forma

autónoma en ensayos aerodinámicos de especímenes de

hasta 0.2m2 de área frontal, como elementos a escalas

pequeñas o cascos y otros equipos de motociclismo/

automoción. Por último, desde WIND TUNNEL DESIGN se

pretende fomentar la formación en fluidodinámica, tenien-

do este túnel una interesante aplicación en este campo. Por la potencia y tamaño de esta instalación la hacen absolu-

tamente ideal para el estudio de perfiles y obtención de sus distribuciones de presiones, reforzándose de esta manera

los conocimientos adquiridos en las sesiones teóricas.

En la actualidad WIND TUNNEL DESIGN está en proceso de construcción en España de un túnel de viento con cámara

de ensayos de 5x5x12m, que lo capacita para el estudio de vehículos completos a escala real. Con la colocación de

elementos perturbadores de la corriente aguas arriba, también es posible convertir este túnel en una instalación de

ensayos de capa límite terrestre con el que se pueden ensayar edificaciones, patrones de dispersión de contaminan-

tes y otras infraestructuras terrestres.

En otros artículos, también explicaremos muchas más cosas a cerca un Túnel de Viento, como infraestructura básica

de ensayo en un equipo de competición de coches, aplicaciones, ensayos varios, condiciones de ensayo, repetibilidad,

precisión, protocolo de actuación, seguridad, etc....

Por otra parte, también iremos describiendo el túnel de 5x5 metros antes mencionado, para que se os haga la boca

agua....

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