may-2012 diseño y construcción de un túnel de viento

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA

“JOSE SIMEON CAÑAS”

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TÚNEL DE VIENTO

TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA

FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

PARA OPTAR AL GRADO DE

INGENIERO MECÁNICO

POR:

FRANCISCO ERNESTO CHICAS MOLINA

MAYO 2012

ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A.

RECTOR

ANDREU OLIVA DE LA ESPERANZA, S.J.

SECRETARIA GENERAL

CELINA PÉREZ RIVERA

DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

CARLOS GONZALO CAÑAS GUTIÉRREZ

COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

MARIO WILFREDO CHÁVEZ MOLINA

DIRECTOR DEL TRABAJO

ROBERTO CORDOVA

LECTOR

ISMAEL SÁNCHEZ

i

RESUMEN EJECUTIVO

Un túnel de viento es un equipo que genera una corriente de aire, limitado por un

conducto de sección específica y/o variable a lo largo del mismo, para lograr condiciones

especiales en el flujo y simular el movimiento de objetos con el fin de analizar fenómenos

aerodinámicos, como fuerzas y líneas de corriente, entre otros. En el túnel de viento

también es posible analizar el rendimiento y funcionamiento de ventiladores generando

sus curvas características.

Las clasificaciones básicas de un túnel de viento son: de acuerdo a su arquitectura básica

(circuito abierto - circuito cerrado); de acuerdo a la velocidad (subsónico - transónico -

supersónico - hipersónico); de acuerdo a la presión (atmosférico, densidad variable); de

acuerdo al tamaño (ordinarios - escala real). Existen otros túneles que son únicos en su

categoría (meteorológicos, túneles de choque, chorro plasmático, tiro caliente).

Las posibilidades de uso de un túnel de viento pueden dividirse principalmente en 3 ramas

que son:

Aerodinámica y teoría de fluidos: medición de caudal, distribución velocidad y presión,

número de Reynolds, visualización de flujo, arrastre sobre cuerpos esféricos y perfiles

especiales, gradiente de presiones sobre perfiles aerodinámicos, medición de fuerzas de

arrastre y sustentación sobre perfiles aerodinámicos, investigación del desarrollo de la

capa límite en objetos mediante la medición de la distribución de carga total, efecto de las

corrientes de aire sobre automóviles, trenes, edificios, esculturas, corrientes de aire sobre

líneas de transmisión, antenas, vallas publicitarias, avisos informativos, semáforos,

evaluación de equipos para deportes, termodinámica y transferencia de calor, procesos

químicos (balances de materia y energía, convección libre y forzada, manejo de carta

sicométrica, procesos de secado de productos vegetales, dispersión de contaminantes).

La segunda es calibración: generación de curvas de ventiladores, calibración de medidores

de flujo, velocidad y presión.

ii

La tercera es el diseño de ventiladores, álabes y hélices: se logra mediante la combinación

de las 2 primeras ramas, en donde es necesario implementar las técnicas de medición y

adquisición de datos relevantes de la teoría aerodinámica y combinarlo con el

rendimiento y eficiencia mostrada por un ventilador, turbina de viento, hélice y cualquier

otro equipo sometido a diseño.

El túnel de viento es ahora indispensable para el desarrollo moderno aeronáutico. Es difícil

contemplar la posibilidad de diseñar objetos aerodinámicos, sin primero medir las

propiedades de sustentación y arrastre, estabilidad y habilidades de control en un túnel

de viento. Hacer pruebas en el túnel, y luego pruebas reales, es el orden más conveniente.

El diseño y construcción de un túnel de viento como proyecto de tesis tiene puntos

positivos que lo hacen muy atractivo:

− Se presta como un estudio dirigido sistemáticamente que corresponde a una

necesidad o problema concreto en el área de la mecánica de los fluidos. Este

implica un proceso de observación, exploración, descripción, interpretación y

explicación.

− A nivel nacional se cuenta con muy poca información sobre el tema. Por tal motivo

es importante crear un aporte sobre el tema, y brindar la posibilidad de abrir

mucho más esta información para el progreso y desarrollo del país. Un túnel de

viento es símbolo de tecnología, de estudio, análisis, diseño, lo cual permitiría que

tanto la academia como la industria se nutran cada vez más de conocimiento.

− A nivel de docencia el proyecto, serviría en gran medida para realizar estudios

aerodinámicos, generando y motivando el espíritu investigativo y de diseño en

estudiantes y profesores. Sería un primer paso, a una rama que aún no ha sido

explotada en la universidad y es cuestión de arriesgarse a desarrollar un tema

realmente complejo, en donde se cruza la teoría y la experimentación.

− A nivel personal es un reto ambicioso, por la cantidad de conceptos y la

complejidad que lleva el manejar un proyecto de tal magnitud. El objetivo es lograr

un diseño que satisfaga las necesidades que serán listadas más adelante.

INDICE

RESUMEN EJECUTIVO ..................................................................................................... i

INDICE DE TABLAS ........................................................................................................ vii

INDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... ix

SIGLAS .......................................................................................................................... xi

SIMBOLOGÍA ............................................................................................................... xiii

PRÓLOGO .................................................................................................................. xvii

CAPÍTULO 1 : INTRODUCCIÓN AL TÚNEL DE VIENTO ................................................. 1

1.1 Justificación ............................................................................................................. 1

1.2 Antecedentes .......................................................................................................... 2

1.3 Objetivos ................................................................................................................. 3

1.3.1 Objetivo general ................................................................................................. 3

1.3.2 Objetivos específicos .......................................................................................... 3

1.4 Alcances y limitaciones ........................................................................................... 4

CAPÍTULO 2 : TEORÍA AERODINÁMICA Y NÚMEROS ADIMENSIONALES. .................... 5

2.1 Teoría de capa límite .............................................................................................. 5

2.2 Números adimensionales. ...................................................................................... 6

2.3 Introducción y definición de análisis dimensional. ................................................. 7

2.4 Dimensiones y unidades. ........................................................................................ 8

2.5 Semejanza geométrica, cinemática y dinámica. ..................................................... 9

2.6 Parámetros adimensionales. ................................................................................ 11

2.7 El teorema п de Buckingham. ............................................................................... 12

CAPÍTULO 3 : DISEÑO DEL TÚNEL DE VIENTO ........................................................... 15

3.1 Descripción general del túnel de viento. .............................................................. 15

3.2 Criterios de diseño de las secciones del túnel de viento ...................................... 19

3.3 Cámara de pruebas ............................................................................................... 19

3.3.1 Definición y función .......................................................................................... 19

3.3.2 Parámetros y cálculo de pérdidas ..................................................................... 19

3.4 Difusor ................................................................................................................... 23



3.5 Mallas de seguridad y mallas correctoras velocidad ............................................ 26



3.6 Cámara de ajustes ................................................................................................. 28



3.7 Acondicionador de flujo ........................................................................................ 29


3.7.2 Parámetros y cálculo de pérdidas .................................................................... 30

3.8 Diseño del cono de contracción ........................................................................... 31



3.9 Modelo ................................................................................................................. 33


3.10 Selección de la propulsión .................................................................................... 34

3.11 Ecuación de energía y definición de pérdidas totales del sistema. ..................... 34

CAPÍTULO 4 : FABRICACIÓN DEL TUNEL DE VIENTO ................................................. 39

4.1 Partes existentes .................................................................................................. 39

4.1.1 Cámara de pruebas .......................................................................................... 39

4.1.2 Ventilador ......................................................................................................... 40

4.1.3 Motor................................................................................................................ 41

4.1.4 Variador de frecuencia ..................................................................................... 42

4.2 Fabricación de partes no existentes..................................................................... 42

4.2.1 Cono de contracción y cámara de ajustes ....................................................... 42

4.2.2 Difusor .............................................................................................................. 47

4.2.3 Acondicionador de flujo ................................................................................... 50

4.2.4 Estructura de soporte ....................................................................................... 50

4.2.5 Panel de control ............................................................................................... 51

CAPÍTULO 5 : DISEÑO DE LA BALANZA AERODINÁMICA ........................................... 53

5.1 Diseño ................................................................................................................... 56

5.2 Soporte de modelos ............................................................................................. 59

5.3 Sensor de fuerza por resistencia (FSR) ................................................................. 61

5.4 Sistemas electrónicos ........................................................................................... 61

5.5 Calibración ............................................................................................................ 61

5.6 SELECCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN. ............................................................... 63

5.7 Presión .................................................................................................................. 63

5.8 Velocidad .............................................................................................................. 64

5.9 Medición de flujo en conductos ........................................................................... 66

5.10 Caudal ................................................................................................................... 68

CAPÍTULO 6 : EXPERIMENTOS EN UN TÚNEL DE VIENTO PEQUEÑO .......................... 69

6.1 Consejos prácticos para realizar experimentos en el túnel de viento ................. 70

6.2 Plantear un experimento ..................................................................................... 71

6.3 Puntos claves a considerar en pruebas aerodinámicas ....................................... 71

6.4 Práctica de laboratorio. Medición del coeficiente de arrastre de una esfera. .... 72

CAPÍTULO 7 : CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................. 77

7.1 Conclusiones ......................................................................................................... 77

7.2 Recomendaciones ................................................................................................ 78

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 79

ANEXOS

ANEXO A. MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ANEXO B. HOJAS TÉCNICAS DEL VENTILADOR ANEXO C. LISTADO PARÁMETROS DEL VARIADOR DE FRECUENCIA ANEXO D. HOJAS TÉCNICAS DEL VARIADOR DE FRECUENCIA GE AF-300 ANEXO E. HOJAS TÉCNICAS DEL PANEL DE CONTROL ANEXO F. HOJAS TÉCNICAS DEL CONTACTOR SIEMENS ANEXO G. HOJAS TÉCNICAS DEL MEDIDOR FLUKE 975 ANEXO H. FACTORES DE CORRECCIÓN DE DENSIDAD DEL AIRE ANEXO I. HOJAS TÉCNICAS DEL SENSOR DE FUERZA FSR-400 ANEXO J. HOJAS TÉCNICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL LM-392 ANEXO K. PLANOS ILUSTRATIVOS DEL TÚNEL DE VIENTO

vii

INDICE DE TABLAS

Tabla 3.1 Ventajas y desventajas de los tipos de túneles de viento. [Barlow, 1999, 27) .... 18

Tabla 3.2 Selección de la geometría de la cámara de pruebas. ........................................... 20

Tabla 3.3. Resultados de los coeficientes de pérdidas fricciónales. ..................................... 22

Tabla 3.4 Resultados de coeficientes de pérdidas (ejemplo). .............................................. 37

Tabla 4.1. Resultados para la cámara de pruebas ................................................................ 39

Tabla 4.2. Iteraciones del factor de fricción cámara de pruebas ......................................... 40

Tabla 4.3. Resultado de pérdidas en la cámara de pruebas. ................................................ 40

Tabla 4.4. Características del ventilador. .............................................................................. 41

Tabla 4.5. Características del motor. .................................................................................... 41

Tabla 4.6. Características del variador de frecuencia ........................................................... 42

Tabla 4.7. Resultados del difusor. ......................................................................................... 47

Tabla 4.8. Resultados del acondicionador de flujo. .............................................................. 50

Tabla 5.1 Rango De Coeficientes Recomendados Para Fuerzas Aeronáuticas. .................... 58

Tabla 5.2. Características principales del medidor Fluke 975V ............................................ 65

Tabla 6.1. Datos obtenidos en la prueba de medición del coeficiente de arrastre. ............ 73

ix

INDICE DE FIGURAS

Figura 2.1. Comportamiento de la velocidad bajo el efecto de capa limite. ........................ 5

Figura 2.2. Capa límite laminar y turbulenta. ....................................................................... 6

Figura 3.1. Configuración típica del túnel de viento cerrado. ............................................ 16

Figura 3.2. Configuración típica de túnel de viento abierto. .............................................. 17

Figura 3.3. Difusor de salida ................................................................................................ 24

Figura 3.4. Nomenclatura sobre las mallas ......................................................................... 27

Figura 3.5. Coeficientes de pérdida para diferentes geometrías del acondicionador ....... 31

Figura 3.6. Pérdidas del túnel de viento. ............................................................................ 35

Figura 4.1. Esquema del conjunto motor-ventilador. ......................................................... 41

Figura 4.2. Variador de frecuencia AF-300. ........................................................................ 42

Figura 4.3. Medida limitantes del cono de contracción. .................................................... 43

Figura 4.4. Plantilla cono de contracción A. ....................................................................... 44

Figura 4.5. Plantilla cono de contracción B. ........................................................................ 45

Figura 4.6. Ensamble cono de contracción. ........................................................................ 46

Figura 4.7. Proceso de fabricación del difusor. ................................................................... 49

Figura 5.1. Sensor de fuerza por resistencia FSR-400 ......................................................... 54

Figura 5.2. Divisor de voltaje para el FSR-400 .................................................................... 55

Figura 5.3. Grafica Fuerza-Voltaje de salida ....................................................................... 56

Figura 5.4. Esquema de fuerzas aerodinámicas ................................................................. 58

Figura 5.5. Áreas de proyección para determinación de fuerzas aerodinámicas. ............. 59

Figura 5.6. Gráfica F vs V utilizada en la balanza aerodinámica ......................................... 62

Figura 6.1. Anillo piezometrico de múltiples tubos. ........................................................... 63

Figura 6.2. Medidor tubo de Pitot ...................................................................................... 65

Figura 6.3. Anemómetro Fluke 975 .................................................................................... 66

Figura 6.4. Patrón de Regla Logarítmica de Tchebycheff ................................................... 67

xi

SIGLAS

ASHRAE : American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.

NASA : National Aeronautics and Space Administration.

SEL : Sistema de Ecuaciones Lineales.

xiii

SIMBOLOGÍA

A : Área mojada (m2)

�� : Área transversal del conducto en la cámara de pruebas

�� : Relación de áreas ��/��

�� : Base de la cámara de pruebas (m)

� : Coeficiente de resistencia.

D : Fuerza de arrastre (N)

Dh : Diámetro hidráulico (m)

� : Diámetro hidráulico

� : Diámetro hidráulico local de la contracción �� : Diámetro hidráulico de la cámara de ajustes.

�� : Diámetro del alambre

f : Factor de fricción

�� : Factor de fricción promedio entre las cámaras de pruebas y de ajustes.

hf : Pérdidas de energía debido a la fricción

�� : Factor de Número de Reynolds

�� : Coeficiente de pérdidas de expansión

�� : Coeficiente de pérdidas del factor de fricción

�� : Factor de mallado

xiv

� : Longitud de la sección. (m)

�� : Longitud de la celda del acondicionador de flujo

�� : Longitud de la contracción

P : Perímetro mojado (m)

��,� : Presión en el punto (Pa)

�� : Presión del ventilador (Pa)

�� : Presión de velocidad, lectura del tubo Pitot. (Pa)

� : Radio hidráulico de la sección

� : Radio hidráulico de la sección final (m)

� : Relación de aspecto

!" : Número Reynolds de la celda

� : Número de Reynolds

�� : Relación de ancho alto

Rh : Radio hidráulico (m)

# : Área frontal del perfil

#$ : Área proyectada del perfil

% : Velocidad (m/s)

% : Velocidad de flujo (m/s)

%� : Velocidad del fluido en la cámara de pruebas (m/s)

xv

%� : Velocidad media local

&� : Ancho de una celda de mallado

'�,� : Nivel de altura (Pa o Kg/ms2)

(� : Porosidad (Rangos usuales para un túnel de viento de 0.5 a 0.8)

)� : Coeficiente )

*� : Densidad de mallado

+� : Solidez

Δ : Espesor del material de la celda

Δ��-� : Pérdidas de energía debido a la fricción y a las pérdidas menores (Pa)

. : Peso específico (kg/m2s2)

/ : Envergadura del modelo (m)

0 : Viscosidad dinámica (kg/m-s)

* : Densidad del aire (kg/m3)

Π : Parámetro adimensional

xvii

PRÓLOGO

Diseñar y construir un túnel de viento para prueba de perfiles aerodinámicos y modelos

de máquinas que interactúen con el aire en movimiento, es el desafío que este

documento pretende abordar y resolver.

Este diseño se enfoca en las pruebas que puedan realizar los estudiantes de la

universidad, es decir con fines inicialmente académicos. Las pruebas consisten en montar

modelos a escala de perfiles alabes u objetos de geometrías simples (esferas, conos,

cubos), para visualizar el campo de flujo, y medición de fuerzas aerodinámicas, entre otras

pruebas que pueden ser realizadas, pero que no son contempladas en este proyecto.

Debido a la naturaleza didáctica del diseño, el tamaño de modelos debe adecuarse a las

capacidades de los estudiantes, y se debe tener presente que el tamaño del mismo

condicionará en forma directa el tamaño del túnel. Sin embargo el análisis dimensional

permite realizar estudios a escala de estos modelos.

El análisis dimensional para prueba de perfiles aerodinámicos no será objeto de estudio

de este proyecto, pero es un tema que puede ser desarrollado usando ésta poderosa

herramienta.

Es importante anotar que antes de realizar pruebas para la industria y análisis complejos

con resultados confiables, es necesario realizar experimentaciones y adquirir cierta

experiencia para que en un momento dado obtener análisis y resultados que sirvan para el

desarrollo industrial.

1

INTRODUCCIÓN AL TÚNEL DE VIENTO CAPÍTULO 1 :

1.1 Justificación

La Universidad Centroamericana José Simeón Cañas estimulará la formación de grupos de

investigación que aborden el conocimiento de la realidad nacional desde diversos ángulos:

científico, tecnológico, social, cultural, económico. En estos equipos se propiciará la

participación de profesores y estudiantes de las diferentes carreras, privilegiando la

interdisciplinariedad y la formación misma de investigadores.

Con esto se pretende simplemente ilustrar que al implementar en el laboratorio de

mecánica de fluidos de la universidad, un túnel de viento que permita la realización de

investigaciones, diseños, prácticas de laboratorio para estudiantes, proyectos de tesis,

trabajos en conjunto con la industria y muchos más, se abre la posibilidad de generar un

pequeño centro de investigación, y enriquecer las actividades académicas que allí se

desarrollen.

Al agregar el túnel de viento al laboratorio, se da un gran paso para ampliar su rango de

servicios. El túnel de viento servirá como herramienta en la enseñanza y para la

experimentación de modelos aerodinámicos y otras máquinas que interactúan con el aire

en movimiento.

La universidad cuenta con un laboratorio de mecánica de fluidos muy completo (red de

pérdidas en accesorios y tuberías, canal de pendiente variable, banco de pruebas de

bombas centrífugas), agregar un túnel de viento es un avance tecnológico a su haber.

En la universidad es necesario desarrollar este proyecto de construcción del túnel de

viento ya que en el medio se encuentran muy pocas posibilidades de realizar pruebas y

mediciones aerodinámicas. La universidad cuenta con la infraestructura y respaldo para

sostener e impulsar este servicio, que estaría a disposición de estudiantes, profesores y

eventualmente a disposición de la industria.

2

1.2 Antecedentes

La facultad de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad Centroamericana José Simeón

Cañas se ha caracterizado por contar con equipo de laboratorio de alto nivel que facilita la

comprensión y desarrollo de las cátedras impartidas en dicha facultad.

Actualmente no se cuenta con un equipo capaz de llevar a cabo experimentos

relacionados a las fuerzas que ejerce el aire en movimiento sobre modelos a escala o

prototipos conceptuales, tanto mecánicos como arquitectónicos.

En El Salvador, no se cuenta con un equipo didáctico o comercial de esta naturaleza. Es un

área con poco o nada de estudio a nivel nacional.

Por tanto se pretende fabricar un túnel de viento subsónico abierto, y desarrollar una

prueba de laboratorio que muestre los efectos de las fuerzas de arrastre sobre un modelo

de ensayo.

Las aplicaciones de este tipo de pruebas, ayudan a los investigadores a desarrollar diseños

eficientes de estructuras, medios de transporte, edificaciones, y demás objetos que por su

uso o naturaleza están expuestos a vientos o se mueven a velocidades subsónicas

impactando al aire quieto.

3

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo general

Diseñar un túnel de viento en el que se puedan realizar tareas:

− Académicas, con el fin de enriquecer conceptos importantes, y demostrar

fenómenos que ocurren en la mecánica de fluidos

− Industriales, con el fin de elaborar y analizar las condiciones de operación de

modelos de ventiladores, sopladores, turbinas eólicas y cualquier otro equipo en el

que interactúe aire en movimiento.

1.3.2 Objetivos específicos

− Pre-diseñar las secciones del túnel de viento, realizando bosquejos iniciales,

cálculos previos y soluciones a problemas de integración de cada una de las partes

principales del túnel.

− Integrar la solución para cumplir condiciones de diseño de un túnel de viento en

concordancia con las partes existentes de un proyecto anterior.

− Dar dimensiones finales a las partes del túnel de acuerdo a los resultados

obtenidos.

− Realizar el diseño de la balanza aerodinámica para la medición de fuerzas

involucradas en los fenómenos aerodinámicos.

− Seleccionar la instrumentación y puntos de medición.

− Documentar una práctica de laboratorio que se pueda realizar con el túnel de

viento.

− Redactar un documento donde se resuma el trabajo realizado, incluyendo planos

constructivos, manual de operación y mantenimiento.

4

1.4 Alcances y limitaciones

Se prevén las siguientes:

− La potencia del ventilador está previamente dada.

− Las dimensiones y materiales de la Cámara de Pruebas están previamente dados.

− Se dispone de poco material bibliográfico.

− El tamaño de los modelos a ensayar, está limitado al 80% del ancho de la cámara

de pruebas.

5

TEORÍA AERODINÁMICA Y NÚMEROS ADIMENSIONALES. CAPÍTULO 2 :

2.1 Teoría de capa límite

La capa molecular de aire en íntimo contacto con la superficie permanece adherida a ésta,

después existe un desplazamiento entre las diferentes capas, que conforme están a más

distancia de la superficie, tienen una velocidad mayor hasta un punto en el que la

velocidad de la capa de aire correspondiente es el de la corriente libre. La distancia que

existe entre la superficie del perfil y el punto donde la velocidad es la de corriente libre, se

denomina capa límite.

El espesor de la capa límite es la distancia del punto de velocidad cero, a otro donde la

velocidad es el 99% de la corriente libre.

Figura 2.1. Comportamiento de la velocidad bajo el efecto de capa limite.

En los puntos próximos al borde de ataque, la capa límite es laminar, conforme el aire se

va moviendo alejándose del borde de ataque, las fuerzas de rozamiento disipan cada vez

más la energía de la corriente de aire como se observa en la Figura 2, haciendo que el

espesor de la capa límite aumente paulatinamente, hasta que a una cierta distancia del

borde de ataque, la capa limite empieza a sufrir unas perturbaciones de tipo ondulatorio,

que acarrean un aumento de espesor de la capa límite, y una destrucción de la corriente

laminar que existía, pasando a ser turbulenta.

6

Figura 2.2. Capa límite laminar y turbulenta.

La capa límite tiene una propiedad fundamental y muy útil, es que a través de ella se

transmite la presión que existe en la corriente libre de aire hasta la pared, esto permite

entre otras cosas la medida de la velocidad, ya que se puede medir la presión estática.

Dentro de la capa límite no se puede aplicar la ecuación de Bernoulli, porque debido a los

rozamientos tiene lugar una pérdida de energía, que no se computa en dicho teorema.

Una forma didáctica de ilustrar el concepto de capa límite es por ejemplo cuando se

observan las gotas de agua en la ventanilla de un avión, ya que estas no son barridas por

el aire, sino que se desplazan lentamente.

La turbulencia se define como un movimiento en tres dimensiones dependiente del

tiempo, en donde el vórtice de estiramiento genera fluctuaciones en la velocidad

esparcidas por todas las longitudes de onda entre un mínimo determinado por las fuerzas

viscosas y un máximo determinado por las condiciones de capa límite del flujo. Es el

estado usual del movimiento de un fluido excepto a bajos números de Reynolds.

2.2 Números adimensionales.

Las fuerzas presentes en un fenómeno en el cual un cuerpo se mueve a través de un

fluido, se pueden distinguir como debidas a la viscosidad del medio, a su elasticidad, a su

inercia y a la fuerza de gravedad. Se puede decir que son proporcionales a determinadas

variables, así:

7

23!456�!78!4976~*;�%�23!456<7=9>=6~0%; 23!456�!?46<!�6�~*;@?23!456!;á=B796~*6�;�

Donde * es la densidad, ; es una dimensión característica del fenómeno, % es la velocidad, ? es la aceleración de la gravedad y 6 es la velocidad de las ondas mecánicas en el fluido

que está intrínsecamente relacionado con la elasticidad de este.

Se puede relacionar dichas fuerzas para determinar en este caso particular condiciones

aerodinámicas, y dichas relaciones se le atribuyen a quienes inicialmente tomaron la

iniciativa de definirlas:

CúE!4>�! !F8>;�= G 2H��IJH�2�H�JK��

CúE!4>�!L69M G 2H��IJH�2�Ná��HJ�

CúE!4>�!24>3�! G 2H��IJH�2OI��P�P

El número de Reynolds es el que llega a tener más importancia en los fenómenos

aerodinámicos de bajas velocidades, cuando las fuerzas de inercia llegan a cierto nivel más

altas que las fuerzas viscosas, el flujo entra en inestabilidad y se presentan los fenómenos

de turbulencia, además el número de Reynolds está implicado en las fuerzas de fricción

interna del fluido y por eso es importante la descripción de pérdidas.

2.3 Introducción y definición de análisis dimensional.

Los parámetros adimensionales profundizan de manera significativa nuestra comprensión

de los fenómenos de flujo de fluidos en forma parecida al caso de un gato hidráulico,

donde la relación de los diámetros de pistón determina la ventaja mecánica, un numero

adimensional que es independiente del tamaño total del gato. Permiten aplicar resultados

experimentales limitados en número a situaciones en que se tengan diferentes

dimensiones físicas y, a veces diferentes propiedades de fluido. Los conceptos de análisis

8

dimensional presentados, más una comprensión de la mecánica del tipo de flujo en

estudio, hacen posible realizar esta generalización de datos experimentales.

La consecuencia de tal generalización es múltiple, ya que ahora se puede describir el

fenómeno en su totalidad sin estar restringido a la discusión del experimento

especializado que se realizó. Así es posible realizar menor número de experimentos,

aunque de carácter altamente selectivo, para describir las facetas escondidas del

problema y lograr así importantes ahorros de tiempo y dinero. Los resultados de una

investigación se pueden también presentar a otros ingenieros y científicos en una forma

más compacta y significativa para facilitar su uso. Igualmente importante es el hecho que,

a través de tales presentaciones, incisivas y ordenas de información, los investigadores

pueden descubrir nuevas características y áreas faltantes de conocimientos del problema

en estudio. Este avance dirigido de nuestra comprensión de un fenómeno seria

perjudicado si no se contara con las herramientas de análisis dimensional. Muchos de los

parámetros adimensionales pueden verse como la razón de un par de fuerzas de fluidos,

cuya magnitud relativa indica la importancia relativa de una de las fuerzas con respecto a

otra. Si algunas fuerzas en una situación de flujo particular son mucho menores que otras,

es posible despreciar el efecto de las fuerzas más pequeñas y tratar el fenómeno como si

fuera determinado completamente por las fuerzas mayores. Esto significa que se pueden

utilizar procedimientos matemáticos experimentales más sencillos, aunque no

necesariamente más fáciles, para resolver el problema.

Para situaciones con varias fuerzas de la misma magnitud, tales como fuerzas de inercia,

de viscosidad y gravitacionales, se requieren técnicas especiales. Después de una

discusión de dimensiones, análisis dimensional y parámetros adimensionales, se

presentan estudios de similitud dinámica y de modelos.

2.4 Dimensiones y unidades.

Las dimensiones de la mecánica son fuerza, masa longitud y tiempo; ellas están

relacionadas con la segunda ley de movimiento de Newton,

9

maF = (Ec. 2.1)

Para todos los sistemas físicos, probablemente sería necesario introducir dos dimensiones

adicionales, una que trate con la electromagnética y la otra con los efectos térmicos. Para

el trabajo de comprensibilidad en este documento, no es necesario incluir una unidad

térmica porque las ecuaciones de estado unen la presión, la densidad y la temperatura.

La segunda ley de movimiento de Newton en forma dimensional es:

2−= MLTF (Ec. 2.2)

Que muestra que solo tres de las dimensiones son independientes. F es la dimensión de

fuerza, M la dimensión de masa, L la dimensión de longitud y T la dimensión de tiempo.

Un sistema común. Empleado en análisis dimensional es el sistema MLT.

2.5 Semejanza geométrica, cinemática y dinámica.

Semejanza geométrica.

Entre el modelo y el prototipo existe semejanza geométrica cuando las relaciones entre

todas las dimensiones correspondientes u homólogas en modelo y prototipo son iguales.

Tales relaciones pueden escribirse

.

mod

rel

prototipo

elo LL

L=

r

p

m LL

L=

(Ec. 2.3)

=prototipo

elo

A

Amod 2.

2

2

mod2

rrel

prototipo

eloLL

L

L==

(Ec. 2.4)

Semejanza cinemática.

Entre modelo y prototipo existe semejanza cinemática si:

− La trayectoria de las partículas móviles homologas son geométricamente

semejantes

10

− Las relaciones entre las velocidades de las partículas homologas son iguales.

A continuación se escriben las siguientes relaciones útiles:

r

r

P

m

v

m

pp

mm

v

m

T

L

T

T

L

L

TL

TL

V

V=== :

/

/ (Ec. 2.5)

r

r

P

m

p

m

pp

mm

p

m

T

L

T

T

L

L

TL

TL

a

a22

2

2

2

:/

/=== (Ec. 2.6)

r

r

P

m

p

m

pp

mm

p

m

T

L

T

T

L

L

TL

TL

Q

Q 3

3

3

3

3

:/

/=== (Ec. 2.7)

Semejanza dinámica.

Entre dos sistemas de semejanza geométrica y semejanza cinemática, existe una

semejanza dinámica si las relaciones entre las fuerzas homólogas en modelo y prototipo

son las mismas.

Las condiciones requeridas para la semejanza completa se obtienen a partir del segundo

principio del movimiento de Newton, ΣF=Σma. Las fuerzas que actúan pueden ser

cualquiera de las siguientes, o una combinación de las mismas: fuerzas viscosas, fuerzas

debidas a la presión, fuerzas gravitatorias, fuerzas debidas a la tensión superficial y fuerzas

elásticas.

Entre modelo y prototipo se desarrolla la siguiente relación de fuerzas:

( )

( ) p

m

p

m

M

M

fuerzas

fuerzas=

∑∑

elásticas superf., tensión ias,gravitator presión, de viscosas,

elásticas superf., tensión ias,gravitator presión, de viscosas,

(Ec. 2.8)

22

23

3

mod )(r

rrr

r

r

Pp

mm

pp

mm

prototipo

elor

T

LL

T

L

L

L

aM

aM

fuerza

fuerzaF ρ

ρ

ρ=×=== (Ec. 2.9)

11

222

rrrrrrr VAVLF ρρ == (Ec. 2.10)

Esta ecuación expresa la ley general de la semejanza dinámica entre modelo y prototipo y

se le conoce con el nombre de ecuación newtoniana.

2.6 Parámetros adimensionales.

RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA A LAS DE PRESION (NUMERO DE EULER)

p

V

L

VL

L

LVL

pL

TLL

pA

Ma2

2

22

2

224

2

23 )/(/ ρ

ρ

ρ

ρ

ρρ===

×= (Ec. 2.11)

RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA A LAS VISCOSAS (NUMERO DE REYNOLS)

µ

ρ

µ

ρ

µ

VL

LL

V

VL

Ady

dV

Ma

rA

Ma=

=

=

2

22

(Ec. 2.12)

RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA A LAS GRAVITATORIAS. (NUMERO DE FROUDE)

Lg

V

gpL

VL

Mg

Ma2

3

22

==ρ

(Ec. 2.13)

La raíz cuadrada de esta relación, Lg

Vse llama NUMERO DE FROUDE.

RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA A LAS ELÁSTICAS.

(NUMERO DE CAUCHY. NÚMERO DE MACH)

E

V

EL

VL

EA

Ma 2

2

22 ρρ== (Ec. 2.14)

12

A la raíz cuadrada de esta relación,ρ/E

V, se llama NÚMERO DE MACH.

RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA A LAS DE TENSION SUPERFICIAL. (NUMERO DE

WEBER)

σ

ρ

σ

ρ

σ

222 LV

L

VL

L

Ma== (Ec. 2.15)

2.7 El teorema п de Buckingham.

El teorema П de Buckingham demuestra que, en un problema físico que incluye n

cantidades en las que hay m dimensiones, las cantidades se pueden ordenar en n-m

parámetros adimensionales independientes. Sean 1A ,

2A , 3A ,……., nA las cantidades

implicadas, tales como la presión, viscosidad, velocidad, etc. Se sabe que todas las

cantidades son esenciales a la solución, por lo que debe existir alguna relación funcional

0).....,,.........,,( 321 =nAAAAF

Si 1Π ,

2Π , 3Π ,…, representan algunas agrupaciones adimensionales de la cantidades 1A ,

2A , 3A ,……, entonces con m dimensiones implicadas, existe una ecuación de la forma:

f (1Π ,

2Π , 3Π ,……., mn−Π ) = 0 (Ec. 2.16)

El método para determinar los parámetros Π, consiste en selecciona m de las cantidades

A, con diferentes dimensiones, que contengan entre ellas las m dimensiones y usarlas

como variables repetitivas, junto con una de las otras A cantidades para cada Π. Por

ejemplo, sea que 1A ,

2A , 3A contengan M, L, T no necesariamente en cada una, sino en

forma colectiva.

Entonces el primer parámetro Π está compuesto como

13

43211111 AAAA

zYx=Π (Ec. 2.17)

El segundo como

53212222 AAAA

zYx=Π

(Ec. 2.18)

y así hasta

n

zYx

mn AAAA mnmnmn −−−=Π − 321 (Ec. 2.19)

En estas ecuaciones se determinarán los exponentes para que cada Π sea adimensional.

Las dimensiones de las cantidades A se sustituyen y los exponentes de M, L, T se fijan

iguales a cero respectivamente, estos producen tres ecuaciones con tres incógnitas para

cada parámetro Π, con lo que se pueden determinar los exponentes x, y, z del parámetro

Π.

Si solo están implicadas dos dimensiones, dos de las cantidades A se escogen como

variables repetitivas y se obtienen dos ecuaciones con los dos exponentes incógnitos para

cada término de Π.

En muchos casos la agrupación de términos A es tal que el arreglo adimensional es

evidente por inspección. El caso más simple es aquel cuando dos cantidades tienen las

mismas dimensiones.

EJEMPLO:

El caudal que pasa por un tubo capilar horizontal se piensa que depende de la caída de

presión por unidad de longitud, el diámetro y la viscosidad. Encuentre la forma de la

ecuación.

Solución: las cantidades son listadas por sus dimensiones:

Caudal Q L³Tֿ¹

Caída de presión por

14

Unidad de longitud Δp/l MLֿ²Tֿ²

Diámetro D L

Viscosidad µ MLֿ¹Tֿ¹

Entonces:

0,,, =

∆µD

l

pQF

(Ec. 2.20)

Se usan tres dimensiones, y con cuatro cantidades habrá un parámetro Π:

µ1

1

1 z

y

xD

l

pQ

∆=Π

(Ec. 2.21)

Sustituyendo en las dimensiones tenemos:

000112213 111 )()( TLMTMLLTMLTLzyx ==Π −−−−−

(Ec. 2.22)

Los exponentes de cada dimensión deben ser iguales en cada lado de la ecuación.

Para L, tenemos:

0123 111 =−+− zyx

Igualmente para M y T

011 =+y

012 11 =−−− yx

Resolviendo el SEL, obtenemos el valor de los exponentes así:

11 =x , 11 −=y , 41 −=z

Entonces:

lpD

Q

/4∆=Π

µ

(Ec. 2.23)

Después de resolver para Q

µ

4D

l

pCQ

∆=

(Ec. 2.24)

15

DISEÑO DEL TÚNEL DE VIENTO CAPÍTULO 3 :

3.1 Descripción general del túnel de viento.

Existen básicamente dos tipos de túneles de viento (circuito abierto y cerrado) y dos

configuraciones para la cámara de pruebas (sección abierta y cerrada). En general, el tipo

de túnel de viento que se decida construir, depende de las bases disponibles y del

propósito al cual va a ser empleado. [Barlow, 1999, 68]

Estos tipos de túnel presentan básicamente las mismas partes, descritas a continuación:

a. Cámara de pruebas.

b. Difusor

c. Primera esquina, presenta acondicionadores de flujo.

d. Sección de área constante

e. Malla de seguridad del ventilador.

f. Segunda esquina, presenta acondicionadores iguales al de la primera esquina.

g. Transición de sección rectangular a circular.

h. Ventilador (sistema de propulsión).

i. Retorno o segundo difusor.

j. Tercera esquina, con acondicionadores de flujo.

k. Sección de área constante

l. Intercambiador de calor.

m. Cuarta esquina, con acondicionador de flujo iguale a la tercera esquina.

n. Difusor de ángulo pronunciado.

o. Cámara de ajustes.

p. Mallas acondicionadoras de flujo.

q. Contracción.

16

Figura 3.1. Configuración típica del túnel de viento cerrado.

Túnel de viento de circuito cerrado.

En la cámara de pruebas, se genera una corriente de aire de velocidad controlada, el

sistema de propulsión (ventilador y el equipo regulador), se encarga de hacer circular el

aire. Consta así mismo de difusores cuya función es uniformizar la corriente de aire. La

contracción disminuye la sección de forma suave hasta la cámara de pruebas, acelerando

la corriente hasta la velocidad que ha de tener en ella, y cumpliendo funciones

importantes desde el punto de vista de la calidad de la corriente, como son el disminuir el

nivel de turbulencia y el mejorar la uniformidad del perfil de velocidades y la dirección de

la corriente. Al ser un túnel de circuito cerrado, es necesario forzar a la corriente a realizar

giros, pero de manera ordenada, sin elevar más allá de lo razonable la pérdida de carga ni

introducir perturbaciones en la corriente.

Túnel de viento de circuito abierto.

En este caso el flujo que sale no recircula directamente por el túnel. Generalmente

presenta las mismas partes que en el túnel de circuito cerrado. Se definen en túneles tipo

soplador, donde son impulsados por un ventilador centrífugo, y tipo succión donde se

emplea un ventilador axial, según se observa en la figura 3.2. [Barlow, 1999, 69]

17

Figura 3.2. Configuración típica de túnel de viento abierto.

18

En la Tabla 3.1 se muestra las principales características de las principales clases de

túneles de viento.

Tabla 3.1 Ventajas y desventajas de los tipos de túneles de viento. [Barlow, 1999, 27)

Tipo de túnel Circuito Abierto Circuito Cerrado

Ventajas

Menor costo de construcción

A través del uso de esquinas y mallas, la calidad del flujo se puede controlar y es independiente de otras actividades dentro del edificio y condiciones climáticas.

Requiere de menos energía para un tamaño definido de la cámara de pruebas y velocidad. (esto es significativo si el tiempo de operación es elevado)

Menor ruido cuando se encuentra en operación.

Desventajas

Para un tamaño dado y una velocidad definida el túnel requiere de mayor energía para funcionar.

En general los túneles de viento de circuito abierto tienden a ser ruidosos.

El costo de construcción es mayor debido a los ductos de retorno y a los acondicionadores en las esquinas.

Si se usa continuamente para visualización de flujo, se debe implementar un sistema de purgado para evacuar la recirculación de humos.

Si se trabaja por tiempos prolongados es necesario adecuar un sistema de refrigeración.

19

3.2 Criterios de diseño de las secciones del túnel de viento

El procedimiento es definir las funciones principales de cada sección y algunas

recomendaciones para los valores de ciertos parámetros definidos por autores expertos

en el tema, tanto para cumplir lineamientos de túnel de viento, como para prueba de

ventiladores.

3.3 Cámara de pruebas

3.3.1 Definición y función

Lo primero en determinarse es la cámara de pruebas ya que es el núcleo y el objetivo

aerodinámico del proyecto. En este se busca que el flujo de aire sea paralelo y de

velocidad constante. En la cámara de pruebas es donde se instala el modelo u objeto, y se

determina visualmente los cambios en el flujo, y físicamente las fuerzas aerodinámicas.

Por tal motivo debe presentar ciertas características, debe ser transparente, para

visualizar el flujo y debe ser dimensionada de tal forma que sea capaz de evitar el

desprendimiento de capa límite.

3.3.2 Parámetros y cálculo de pérdidas

Se puede diseñar y calcular secciones circulares, rectangulares y octogonales, entre otras.

Para cada una se tienen consideraciones especiales.

Circular: conveniente para una configuración circular de todo el sistema, uniformidad de

flujo, medición de velocidades y presiones bajo estándares definidos. Desventajas, al

momento de colocar el modelo, ya que hacer una puerta en un conducto circular presenta

dificultades, al menos mayores que en una sección de caras planas.

La sección de tipo octogonal, presenta caras planas, facilitando el montaje y desmontaje

del modelo.

20

La sección rectangular, es la más empleada en los diseños, por su facilidad de manufactura

sobre todo cuando es a gran escala. Existen muchas relaciones y consideraciones

geométricas para dimensionar dichas secciones. La tabla 3.2 evalúa de manera crítica cada

una de estas secciones.

Tabla 3.2 Selección de la geometría de la cámara de pruebas.

Características Tipo de Sección

Circular Rectangular Octogonal

Es modular 0 2 2

Accesibilidad para montaje y desmontaje del modelo

0 2 2

Transparencia, para la visualización 2 2 2

Facilidad de manufactura 2 2 1

Bajo costo producción 2 1 1

Recomendado por autores 0 2 1

Bajo coeficiente de pérdidas 2 2 2

Sumatoria de puntuación 8 13 11

Ponderación: 0 = No es aceptable; 1 = Aceptable; 2 = Completamente aceptable

La cámara de pruebas depende directamente de la aplicación y del tamaño del modelo. Se

confirma el propósito y la aplicación del túnel es institucional, siendo un túnel de viento

pequeño de baja velocidad.

Las relaciones geométricas de la cámara de pruebas son: relación de aspecto, y relación

ancho alto definidas así:

� G /�� G 0.8 �� G 1.5 (Ec. 3.1)

� : Relación de aspecto

�� : Relación de ancho alto

/ : Envergadura del modelo (m)

�� : Base de la cámara de pruebas (m)

21

Para el cálculo de las perdidas el modelo a seguir es el de Darcy-Weisbach, el cual se

puede utilizar para calcular la pérdida de energía en secciones largas y rectas de

conductos, tanto para flujo laminar como turbulento.

La ecuación 3.2 presenta la fórmula de Darcy-Weisbach para cálculo de pérdidas, aplicable

a tuberías y canales de sección transversal cualquiera.

M� G � �4 � %�2? (Ec. 3.2)

hf : Pérdidas de energía debido a la fricción

f : Factor de fricción

L : Longitud (m)

V : Velocidad media (m/s)

Rh : Radio hidráulico (m)

[Cengel,2006,324]

El radio hidráulico se define en la ecuación 3.3.

� G �� G X��4X� G �4 � G 4 � (Ec. 3.3)

A : Área mojada (m2)

P : Perímetro mojado (m)

Dh : Diámetro hidráulico (m)

[Cengel,2006,324]

Estas son las fórmulas particulares de las tres geometrías a evaluar.

22

Circular : � G

Rectangular : � G �Y�YZ� Octogonal : � G ��[ ∗ ��]^��_`ab c El factor de fricción luego de aproximadamente 6 iteraciones converge a una solución

confiable, según la ecuación 3.4. Se asume esta fórmula ya que es esperan valores para el

Número de Reynolds mayores a 100.000 [Mataix,1982, 213]

Ecuación 3.4. Función iterativa para determinar el factor de fricción derivada de la

ecuación propuesta por Karman-Prandtl.

� G d2 ;>?�e� �f�� g 0.8h-� (Ec. 3.4)

� G *%�0 (Ec. 3.5)

0 : Viscosidad dinámica (kg/m-s)

� : Número de Reynolds

[Cengel,2006,342]

Como resultado se obtiene que los valores de las pérdidas sean similares, teniendo en

cuenta dimensiones semejantes.

Tabla 3.3. Resultados de los coeficientes de pérdidas fricciónales.

Sección � (m) i

Circular 0.5 0.0348

Rectangular 0.48 0.0365

Octogonal 0.462 0.0382

23

Según se observa en la Tabla 3.3, los valores de los coeficientes de pérdidas, son muy

semejantes a dimensiones relativamente semejantes, por lo tanto las pérdidas no son un

criterio de alto peso en la selección de la cámara de pruebas.

3.4 Difusor


El propósito del difusor es disminuir la velocidad del flujo con la menor pérdida de energía

posible. Menor pérdida de energía significa máxima recuperación de presión.

Generalmente es deseable reducir la velocidad en la menor distancia posible, sin caer en

la separación del flujo.

El flujo a través de un difusor depende de su geometría, definida por su relación de áreas

y el ángulo de difusión (2θ ).

Comúnmente la sección de entrada al difusor es rectangular y la salida circular, para

calcular el ángulo equivalente utilizaremos R1 como la mitad del diámetro hidráulico a la

entrada del difusor, R2 la mitad del diámetro de la circunferencia a la salida del difusor y L

la longitud que los separa. De esta forma el ángulo equivalente a de un cono difusor está

dado por la ecuación 3.6.

El valor de 2θ no debe exceder 5º y la relación de áreas (�� ) no debe ser mayor a 2.5.

24

Figura 3.3. Difusor de salida

�� arctan �� arctan�12�� 1� �� (Ec. 3.6)

�� : Radio hidráulico de la sección final (m)

�� : Radio hidráulico de la sección

� : Longitud de la sección. (m)

�� : Diámetro hidráulico

�� : Relación de áreas ��/��

[Barlow, 1999, 81]

Es importante conservar la estabilidad del flujo en el difusor, de lo contrario la

recuperación de presión fluctuará con el tiempo al igual que la velocidad a pesar de

mantener una entrada de potencia constante. Para relaciones de áreas o ángulos mayores

deberá utilizarse pantallas para corregir el flujo.

25


Para determinar el coeficiente de pérdidas del difusor, es necesario hacer ciertas

suposiciones, y una de ellas es que el coeficiente de pérdidas puede ser descompuesto por

la suma del coeficiente de pérdidas del factor de fricción, y el coeficiente de pérdidas de

expansión., indicado por la ecuación 3.7.

�P G �� u �� (Ec. 3.7)

�� : Coeficiente de pérdidas del factor de fricción

�� : Coeficiente de pérdidas de expansión

[Barlow, 1999, 82]

�� G v1 g 1��w �8=!8j (Ec. 3.8)

[Barlow, 1999, 82]

�� G ��j� p�� g 1�� q� (Ec. 3.9)

[Barlow, 1999, 82]

Como se optó por una sección rectangular el coeficiente de pérdidas debido a la

geometría está dado por la ecuación 3.10.

26

�� G

xyyyyzyyyy{ 0.09623 g 0.004152j�6460 � j � 1.5K

0.1222 g 0.04590j u 0.02203j� u [email protected]] g 0.000028j^ u 0.00002337j[�6461.5K � j � 5Kg0.01322 u 0.05866j�646j � 5K

(Ec. 3.10)

[Barlow, 1999, 82]

3.5 Mallas de seguridad y mallas correctoras velocidad


Una malla en principio reduce la velocidad del flujo. Las mallas que no sean montadas

firmemente, pueden pandearse notablemente, perturbando la capa limite. [Bradshaw]

Las mallas hacen los perfiles de velocidad más uniformes mediante la caída de presión

estática, la cual es proporcional a la velocidad al cuadrado, y por lo tanto reduce el

espesor de la capa límite. Una malla también refracta el flujo incidente hacia la normal

local y reduce la intensidad de turbulencia en todo el campo de flujo.


Para determinar el coeficiente de pérdidas que genera una malla, se establece la ecuación

3.11.

�� G ��+� u +�(�� (Ec. 3.11)

�� : Factor de mallado

27

1.0 Alambre metálico nuevo. 1.3 Promedio de alambres metálicos circulares.

2.1 Hilo de ceda �� : Factor de Número de Reynolds

+� : Solidez

(� : Porosidad (Rangos usuales para un túnel de viento de 0.5 a 0.8)

Barlow, 1999, 86

Figura 3.4. Nomenclatura sobre las mallas

La porosidad de una malla está en función del diámetro del alambre y densidad de la

malla como indica la ecuación 3.12 y ecuación 3.13. La porosidad es cero cuando es

completamente sólida y 1 cuando está en el límite de desvanecimiento. Los valores típicos

para la malla de un túnel de viento son de 0.5 a 0.8.

28

(� G �1 g ��*�� (Ec. 3.12)

*� G 1&� (Ec. 3.13)

�� : Diámetro del alambre

*� : Densidad de mallado

&� : Ancho de una celda de mallado

[Barlow, 1999, 86]

Donde, la solidez se define como:

+� G 1 g (� (Ec. 3.14)

[Barlow, 1999, 86]

El factor �� toma dos valores dependiendo del número de Reynolds:

�� G xz{0.785 p ��241 u 1q-] u 1.01; �6460 � �� 400

1; �646 �� 400

(Ec. 3.15)

�� : Número de Reynolds del alambre

�� G *%��0 (Ec. 3.16)

3.6 Cámara de ajustes

29


Esta cámara, es un espacio requerido para estabilizar el flujo, y es donde se albergan las

mallas de seguridad y el acondicionador de flujo. Su longitud recomendada es de 0.5 veces

su diámetro hidráulico. La cámara de ajustes reduce principalmente las variaciones de

velocidad en la dirección del flujo, y presenta muy baja influencia en la variación de la

velocidad de las líneas aerodinámicas debido a que la caída de presión a través de esta

cámara es baja.


La forma de calcular sus pérdidas es igual que la de la cámara de pruebas definida en el

apartado 3.3.2, considerándose simplemente pérdidas friccionales en un conducto no

circular.

3.7 Acondicionador de flujo


Su objetivo es proporcionar un flujo espaciado, relativamente uniforme y estable de aire

en la cámara de pruebas del túnel de viento, como ya se había mencionado

anteriormente. El acondicionador de flujo debe ser montado en marcos para facilitar su

montaje y desmontaje en caso de realizar mantenimiento de limpieza o simplemente

quitarlas. Puede emplearse marcos de madera o cauchos especiales. No existe un método

de diseño exacto, sin embargo existen varias “reglas de diseño” que pueden emplearse.

Prandtl sugiere utilizar celdas con una relación largo diámetro de 6 a 8 y una porosidad

rondando el 0.8.

�� G 6 (Ec. 3.17)

�� : Longitud de la celda del acondicionador de flujo

30

� : Diámetro hidráulico de una celda del acondicionador de flujo

[Barlow, 1999, 90]


Los parámetros que definen las perdidas dentro del acondicionador de flujo están

relacionados al número de Reynolds de la celda, a la porosidad de la malla conformada

por las celdas, el espesor de la pared de la celda en la dirección del flujo. Las ecuaciones

3.18 y 3.19, definen estas pérdidas.

�� G )� p�� u 3q p 1(�q� u p 1(� g 1q� (Ec. 3.18)

)� Gxyzy{0.375 p Δ�q

e.] !"-e.��646 !" � 2750.214 p Δ�q

e.] �646 !" � 275

(Ec. 3.19)

Δ : Espesor del material de la celda

)� : Coeficiente )

!" : Número Reynolds de la celda

Si bien la teoría descrita por [Barlow,1999,90] es válida, [Scheiman, 1981] recomienda

valores de ��, para geometrías definidas asumiendo ciertos parámetros. En la Figura 3.5

se definen las constantes de perdida generadas por el acondicionador de flujo.

31

Figura 3.5. Coeficientes de pérdida para diferentes geometrías del acondicionador

Con estos valores de la constante de pérdidas se tiene que el seleccionado es de forma

hexagonal ya que presenta la menor perdida.

Los investigadores Mehta y Bradshau sugieren un total de 25000 celdas necesarias en el

acondicionador de flujo. [Barlow, 1999, 91] sin embargo esto solo puede lograse en

túneles de viento de amplias dimensiones.

3.8 Diseño del cono de contracción


Tiene básicamente dos funciones:

1. Incrementar la velocidad del aire, lo cual permite que la instalación del

acondicionador de flujo y mallas sea en una zona de baja velocidad, reduciendo así

las pérdidas, ya que éstas dependen directamente de la velocidad al cuadrado.

2. Reduce la variación de velocidad.

El diseño de la contracción se centra en el logro de la uniformidad y estabilidad del flujo al

momento de salir, evitando la separación de flujo (espesor de capa límite al mínimo),

también es deseable una longitud de contracción no muy larga.

32

El diseño de la contracción está limitado por dos restricciones opuestas. La primera

restricción establece que la longitud de la contracción debe ser lo suficientemente larga

para no generar disturbios en la uniformidad del flujo a medida de la sección transversal

cambia. En contraposición está el requerimiento que establece que la contracción debe

ser lo más corta posible para minimizar el crecimiento de la capa limite antes de llegar a la

cámara de pruebas. Por tal motivo el diseño de la contracción requiere de un balance

entre estas dos restricciones. Reshotko sugiere una relación largo ancho para el diseño de

la contracción de 1.25. [McLeod, 2000, 11]. Así teniendo un diámetro hidráulico de 1000

mm, se tiene que la longitud aproximada es de 1250 mm.


El diseño de la contracción es realizado tradicionalmente a “ojo”, y en algunos casos bajo

adaptaciones a métodos de aproximación, ajustándose a formas experimentalmente

exitosas. La experiencia ha demostrado que el radio de curvatura debe ser menor a la

salida que a la entrada.

Aquí se presenta una rudimentaria forma de calcular el coeficiente de pérdidas,

considerando únicamente las pérdidas por fricción según la ecuación 3.20.

∆�� G � � *%��2� � $�e (Ec. 3.20)

�� : Longitud de la contracción

� : Diámetro hidráulico local de la contracción �� %� : Velocidad media local

[Barlow, 1999, 98]

El coeficiente de pérdidas estaría entonces definido por la ecuación 3.21.

33

�� G �� p ��q� ��̂�̂ � p ��q�e (Ec. 3.21)

�� : Factor de fricción promedio entre la cámara de pruebas y la cámara de

ajustes.

�� : Diámetro hidráulico de la cámara de ajustes.

[Barlow, 1999, 98]

Como la integral de la ecuación 3.21 es siempre menor a 1, el coeficiente de pérdidas de la

contracción basado en la presión dinámica de la cámara de pruebas, es menor que el

coeficiente de perdía de la cámara de pruebas para una relación de longitud-radio

hidráulico. Un valor típico para esta integral es de 0.32, de esta manera la ecuación 3.21

puede ser reescrita como:

�� G 0.32�� p ��q (Ec. 3.22)

[Barlow, 1999, 98]

3.9 Modelo


El modelo al ser insertado en la cámara de pruebas genera una obstrucción al flujo y su

coeficiente de pérdidas puede ser evaluado utilizando la siguiente formula:

��KP�NK G 12* ∗ %�� ∗ �� (Ec. 3.23)

D : Fuerza de arrastre (N)

%� : Velocidad del fluido en la cámara de pruebas (m/s)

�� : Área transversal del conducto en la cámara de pruebas

34

3.10 Selección de la propulsión

Un ventilador es una bomba que genera diferencias de presión y causa un flujo de aire. El

impeler trabaja sobre el aire, impartiendo energía estática y cinética, dependiendo del

tipo de ventilador. [ASHRAE, 2000, 18.1]

El ensayo de ventiladores tiene por objeto determinar la capacidad del aparato para

transferir la potencia del aire que mueve. El ventilador se hace funcionar y un régimen de

giro constante, tomando valores de diferentes caudales movidos, según sea la pérdidas de

carga que debe vencerse. La curva característica de un ventilador se obtiene dibujando en

unos ejes de coordinadas los distintos valores de caudal-presión. Obtenidos mediante

ensayo en un laboratorio.

Las condiciones esenciales de selección es el determinar la presión estática máxima que

estaría generándose en el sistema y el caudal necesario.

La presión total a vencer en el sistema está definida por los accesorios y velocidad del

sistema.

3.11 Ecuación de energía y definición de pérdidas totales del sistema.

Ya se tienen los coeficientes de pérdida del sistema, con base en ellos se determina las

pérdidas en función del caudal. Luego se procede a solucionar la curva característica del

sistema.

35

Figura 3.6. Pérdidas del túnel de viento.

La ecuación 3.24 de energía entre el punto 1 y 2 se expresa así:

��. u '� u %��2? u ��. G ��. u '� u %��2? u Δ��-�. (Ec. 3.24)

��,� : Presión en el punto (Pa)

* : Densidad del aire (kg/m3).

'�,� : Nivel de altura (Pa o Kg/ms2).

Δ��-� : Pérdidas de energía debido a la fricción y a las pérdidas menores (Pa).

�� : Presión del ventilador (Pa).

. : Peso específico (kg/m2s2)

36

Las alturas se consideran iguales por lo tanto se anulan, la velocidad en 1, se considera

cero, y la presión en 1 y en 2 es la atmosférica. Obteniendo como resultado de la presión

del ventilador.

��. G %��2? u Δ��-�. (Ec. 3.25)

Estas son las pérdidas totales del sistema:

Δ��-�. G p 12?q�� (Ec. 3.26)

u : Componente tanto de pérdida friccional como dinámica.

m : Componentes totales que generan pérdidas del sistema.

��. G %222?u v 12?w� �3�32E3G1 �2

(Ec. 3.27)

En la tabla 3.4 se resumen los resultados obtenidos para un determinado túnel de viento

de tipo cerrado a manera de ejemplo. Los cálculos fueron realizados considerando una

temperatura ambiente de 100 F, y una velocidad de 100 mph.

37

Tabla 3.4 Resultados de coeficientes de pérdidas (ejemplo).

Sección �� Porcentaje

total de pérdida

Cámara de pruebas 0.0093 5.1

Difusor 1 0.0391 21.3

Esquina 1 0.0460 25.0

Cilindro 1 0.0026 1.4

Esquina 2 0.0460 25.0

Cilindro 2 0.0020 1.1

Difusor 2 0.0160 8.9

Esquina 3 0.0087 4.7

Esquina 4 0.0087 4.7

Cilindro 3 0.0002 0.1

Contracción 0.0048 2.7

Sumatoria 0.1834 100.0

De estos resultados se hace evidente que la mayor pérdida en el túnel de viento se da en

las esquinas.

39

FABRICACIÓN DEL TUNEL DE VIENTO CAPÍTULO 4 :

4.1 Partes existentes

El primer paso para la fabricación del túnel de viento fue evaluar las partes existentes

proporcionadas por la universidad. Esto sirvió de base para dimensionar secciones

faltantes así como para elaborar un diseño didáctico, que permitiera a los alumnos

observar y cualificar los fenómenos del aire en movimiento. Este diseño didáctico, permite

además modificar y/o agregar componentes modificando así los resultados esperados de

las pruebas de laboratorio que a futuro se realizarán en este túnel de viento.

4.1.1 Cámara de pruebas

Se cuenta con una cámara de pruebas formada por 4 placas planas de acrílico con espesor

de 0.75 pulgadas. La medida interior de su área transversal es de 1 x 1.5 pies, y cuenta con

2 pies de largo, como se muestra en el plano 12-SEC-MEC-2-3. Esta sección cuenta con una

tapa, también fabricada en acrílico, que permite la observación clara y directa de los

experimentos. Con estas dimensiones procedemos a evaluar el número de Reynolds de la

cámara de pruebas, así como su relación de áreas, y coeficiente de pérdidas. Partiendo de

una velocidad de 58.3 ft/s que fue la máxima obtenida en las pruebas de calibración,

obtenemos los siguientes resultados.

Tabla 4.1. Resultados para la cámara de pruebas

Densidad del aire a 20C, 1 Atm 0.07518 [ lbm/ft^3 ]

Factor de corrección para 30C, 700 msnm 0.889 [ adimensional ]

Densidad del aire corregida 0.06683502 [ lbm/ft^3 ]

Viscosidad dinámica 1.2270E-05 [ lbm/ft.s ]

Ancho 1.5 [ ft ]

Alto 1 [ ft ]

Largo 2 [ ft ]

Diámetro hidráulico sección rectangular 1.2 [ ft ]

Velocidad del aire 58.3 [ ft/s ]

Número de Reynolds 381074 [ adimensional ]

40

El número de Reynolds resulta ser bajo, comparado contra los alcanzados en túneles de

viento para el desarrollo de vehículos (1,000,000 – 1,500,000), sin embargo es aceptable

para un túnel de viento didáctico. [Barlow, 1999, 63]

Se procede al cálculo del factor de fricción, obteniendo:

Tabla 4.2. Iteraciones del factor de fricción cámara de pruebas

f_(n-1) f_n

f_0 1 f_1 0.009313 0.009313

f_2 0.014408 0.014408

f_3 0.013774 0.013774

f_4 0.013837 0.013837

f_5 0.013831 0.013831

f_6 0.013831 0.013831

Se procede a calcular la potencia requerida, así como las pérdidas en la cámara de

pruebas.

Tabla 4.3. Resultado de pérdidas en la cámara de pruebas.

Potencia requerida 9932.784427 [ lbm . ft^2 / s^3 ]

1 lbf 32.174 [ lbm . ft /s ]

1 hp 550 [ lbf .ft /s ]

1 psi 144 [ lbf / ft^2 ]

Potencia requerida 0.56 [ hp ]

k 0.023052394

DP 2.618347217 [ lbm /ft.s^2 ]

DP 0.000565145 [ psi ]

4.1.2 Ventilador

Se utilizará un ventilador axial de tipo industrial. El diámetro de sus aspas es de 18

pulgadas, y su caudal es de hasta 5218 cfm a descarga libre y utilizando un motor con una

potencia igual a 1.25 hp. El ventilador es de marca Dayton y modelo 4C661B, como se

muestra en la figura 4.1.

41

Tabla 4.4. Características del ventilador.

MARCA DAYTON

MODELO 4C661B

CAUDAL 5218 cfm

NIVEL DE SONIDO 94 dB

Figura 4.1. Esquema del conjunto motor-ventilador.

4.1.3 Motor

El motor proporcionado en conjunto con el ventilador era incorrecto para su uso en el

túnel de viento, por ser monofásico, por lo tanto no se puede variar la velocidad de este.

Fue sustituido por un motor trifásico con las siguientes características:

Tabla 4.5. Características del motor.

MARCA XXX-XXX MODELO XXX-XXX

SALIDA 2 HP TIPO DHC

FASES 3 POLOS 4

VOLTAJE 220 VAC CICLOS 60 Hz

AMPERAJE 6 A RPM 1720

42

4.1.4 Variador de frecuencia

Se cuenta con un variador de frecuencia para regular la velocidad del motor y así obtener

diferentes velocidades en el ventilador. El voltaje y capacidad de manejar una potencia de

hasta 2 hp son características correctas para el conjunto motor-ventilador a utilizar en

este túnel de viento. Sus características son:

Tabla 4.6. Características del variador de frecuencia

MARCA GENERAL ELECTRIC

MODELO AF - 300

VOLTAJE 230 – 460 VAC

POTENCIA 2 HP

Figura 4.2. Variador de frecuencia AF-300.

4.2 Fabricación de partes no existentes

4.2.1 Cono de contracción y cámara de ajustes

Partiendo de la medida de la cámara de pruebas, queda definida el área de salida �� G 18.0 12.078�, considerando una relación contracción de 5:1, determinamos el

43

área a la entrada �� G 36 3078� con un diámetro hidráulico de 24 in, podemos

calcular su longitud � G 1.25 24 G 3078 adicional a esto se agregaron 6.0 in a la

entrada y 6.0 in a la salida lo cual permite darle estabilidad al flujo de aire, obteniendo en

total 36.0 in para el cono de contracción.

La cámara de ajustes se sitúa frente al cono de contracción, para esto se extendió la

longitud en 10.0 in más, fuera de la región de contracción. Esto permite ubicar una malla

acondicionadora de flujo con celdas de hasta 10.0 in de longitud.

Figura 4.3. Medida limitantes del cono de contracción.

El material para su fabricación debe tener las siguientes características:

− Bajo factor de fricción f

− Flexible

− Maleable

− Adherencia a la resina de poliéster

44

− Presentación en forma de lámina o placas, de al menos 36 in x 46 in.

− De bajo costo

Estas características se encuentran en una gama de materiales tales como: Placas de

nylon, placas de poliuretano, láminas de acero, láminas de acero galvanizado, láminas de

PVC, etc.

Se selecciona la lámina de PVC, ya que aparte de cumplir con las características

adecuadas, resulta fácil de unir bordes y esquinas, utilizando nada más que pegamento.

Se necesita un medio de sujeción, lo suficientemente rígido para dar soporte y forma al

cono de contracción, para esto se ha de fabricar 3 marcos metálicos de tubo estructural

de 1” calibre 18, con medidas interiores excedidas en 0.25 in, para dar espacio a la lámina

de PVC que tiene un espesor de 0.125 in.

Tomando como límites de acotamiento las medidas presentadas en la figura 4.3, se

procede a dibujar una curva suave semejante a la de otros conos de contracción

empleados en túneles de viento, obteniendo así los siguientes resultados:

Figura 4.4. Plantilla cono de contracción A.

45

Figura 4.5. Plantilla cono de contracción B.

Estas medidas resultantes se trasladan cuidadosamente a las láminas de PVC para ser

recortadas. Se unen a los marcos de la cámara de ajustes y cámara de pruebas, a la

entrada y salida respectivamente, como se muestra en el plano 12-SEC-MEC-1-3. Luego

unen por las esquinas con pegamento PVC a lo largo de toda la curva, dando forma así al

cono de contracción. Se aplica una capa de fibra de vidrio y resina de poliéster a todo el

exterior, aproximadamente 4 galones de resina. Una vez la resina ha terminado de curar,

se prepara con masilla automotriz y se procede a pintar en un taller de pintura

automotriz.

La figura 4.6, muestra el ensamble del cono de contracción.

46

Figura 4.6. Ensamble cono de contracción.

47

4.2.2 Difusor

Las áreas de entrada y salida del difusor se encuentran definidas por las dimensiones de la

cámara de pruebas y del ventilador axial, respectivamente. Queda por resolver la longitud

L, para esto estamos limitados a no superar el ángulo j� en 2.5 grados.

Se obtienen los siguientes resultados:

Tabla 4.7. Resultados del difusor.

Diámetro Sección Circular 1.542 [ ft ]

Área Sección Circular 1.867 [ ft^2 ]

Ancho Sección Rectangular 1.5 [ ft ] Alto Sección Rectangular 1 [ ft ] Área Sección Rectangular 1.5 [ ft^2 ]

Diámetro hidráulico sección rectangular 1.2 [ ft ]

Relación de Áreas 1.244 [ adimensional ]

R1 0.600 [ ft ]

R2 0.771 [ ft ]

L 4.667 [ ft ]

Angulo del difusor 0.037 [ rad ]

2.096 [ grados ]

FACTORES DE PERDIDAS Ke 0.121 [ adimensional ]

kf 0.010 [ adimensional ]

kex 0.005 [ adimensional ]

Ktotal 0.015 [ adimensional ]

Con una longitud de 4.66 ft, se tiene un ángulo j� � 2° lo cual es aceptable.

48

Para su fabricación se busca un material de características similares al utilizado en la

fabricación del cono de contracción, para este se utilizará lámina de acero galvanizada

calibre 30.

Se necesita crear un cono truncado con extremos perimetrales de 60.00 in (cámara de

pruebas), 58.12 in (acople al ventilador) y 56.00 in de longitud, sin embargo las láminas de

acero galvanizado se producen en medidas comerciales de 36 x 72 in, por lo que se

procede a unir dos piezas creando una sola de ellas, 72 x 71 in aproximadamente. Al cono

truncado de lámina se unen el marco rectangular y circular, a la entrada y salida

respectivamente, esto dará forma al difusor, debido al bajo espesor de la lámina, esta se

abolla y maltrata fácilmente, por lo que llevará un recubrimiento de fibra de vidrio y resina

de poliéster. Una vez que la resina ha curado completamente se procede a prepararlo

para pintura automotriz, utilizando masilla para vehículos. La evolución del proceso se

muestra en las siguientes fotografías. Figura 4.7

49

Figura 4.7. Proceso de fabricación del difusor.

50

4.2.3 Acondicionador de flujo

Se optó por construir un acondicionador de flujo con celdas de sección transversal

circular, ya que esta presenta bajas pérdidas y se puede fabricar utilizando tubos de PVC

comerciales.

Tabla 4.8. Resultados del acondicionador de flujo.

Densidad del aire a 20 C y 1 Atm 0.07518 [ lbm/ft^3 ] Factor de corrección para 30 C y

700 msnm 0.889 [ adimensional]

Densidad del aire corregida 0.06683502 [ lbm/ft^3 ]

Viscosidad dinámica 1.2270E-05 [ lbm/ft.s ]

Velocidad del aire 4 [ ft/s ]

Espesor de la celda 0.050 [ in ]

Lado de la celda 1 [ in ]

Largo Celda 6 [ in ]

Ancho de la celda 1 Densidad de la malla (pm) 1.00 [ 1 / in ]

Porosidad de la malla (Bs) 0.90

Diámetro hidráulico 1 [ in ]

Reynolds de la celda 90.78 [ adimensional]

Factor Lambda 4.1134E-02 [ adimensional]

K 0.466187035 [ adimensional]

El material empleado para su fabricación es tubería PVC de 3/4 “.

4.2.4 Estructura de soporte

Una vez definidas las dimensiones de cada sección se hace necesario diseñar un medio

para soportar y acoplar cada una de ellas. Este soporte también debe ser accesible a

modificaciones y proporcionar una altura adecuada que permita la observación adecuada

de los fenómenos producidos en la cámara de pruebas.

51

Para dar la altura y soporte adecuados se utilizará una serie de marcos construidos con

tubo de acero estructural de 1” x 1” calibre 18, unidos en ángulo recto por soldadura,

terminados con dos capas de pintura.

Estos soportes se acoplaran a cada una de las secciones por medios estrictamente

mecánicos, con el fin de aceptar modificaciones.

Los soportes horizontales le dan rigidez y complementan la estructura, para esto se

selecciona perfil estructural U 50 mm x 50 mm de 3.08 kg/ml y 50 mm x 25 mm de 2.45

kg/ml, ambos con perforaciones que facilitan la sujeción mecánica entre ellos y los marcos

de soporte vertical.

La estructura se monta sobre rodos de 4” para su fácil desplazamiento dentro del

laboratorio.

4.2.5 Panel de control

Se requiere un panel para alojar las protecciones eléctricas, el variador de frecuencia y

elementos de control. Este panel debe ser robusto y compacto.

Para determinar la protección adecuada, se debe tomar la mayor corriente que maneja el

variador de frecuencia. En este caso el dato de placa del variador AF-300 indica 12 A. Por

lo tanto se escoge un interruptor termo magnético de 3 polos a 12 A.

Los comandos de control serán:

− Encendido/apagado principal del sistema

− Piloto de encendido

− Botón de encendido/apagado del ventilador

− Controlador de frecuencia

52

El encendido/apagado del sistema cierra el circuito que activa la bobina de un contactor

de 3 polos, llevando así energía hasta el variador de frecuencia y al piloto de encendido.

Para esto se necesita una maneta on/off de dos posiciones.

El piloto de encendido tiene la función de alertar que el sistema está energizado.

Con el botón de encendido/apagado se inicia la marcha del ventilador, iniciando así el

flujo del aire a través del túnel de viento.

El control manual de la frecuencia del variador se hace mediante un potenciómetro de 0 a

5 k Ohm de 22 W.

Estos componentes serán conectados mediante cables según diagrama mostrado en el

plano 12-PC-ELE-3-3.

53

DISEÑO DE LA BALANZA AERODINÁMICA CAPÍTULO 5 :

La balanza aerodinámica es un instrumento preciso y confiable para la medición de las

fuerzas y momentos actuantes sobre un modelo en un túnel de viento. A diferencia de las

balanzas comunes, que sirven para medir fuerzas actuando en una dirección conocida, las

balanzas de túnel de viento deben medir no tan sólo fuerzas aerodinámicas cuya dirección

de la resultante es desconocida, sino que también momentos alrededor de ciertos ejes,

debido a esa resultante.

La principal característica de una balanza de túnel de viento es la cantidad de

componentes a medir, dependiendo del ensayo a considerar, este número puede variar

de uno a seis. Dependiendo de su localización, las balanzas de túnel de viento pueden ser

clasificadas en 2 grupos:

− Balanzas externas ubicadas fuera del modelo y dentro de la cámara de pruebas.

− Balanzas internas ubicadas en el interior del modelo o sus soportes.

En las balanzas de primer grupo, la fuerza aerodinámica total y momentos son separados

en sus componentes con la ayuda de varios sistemas mecánicos. Estas balanzas suelen

denominarse balanzas mecánicas. El modelo es instalado en la cámara de pruebas del

túnel con la ayuda de soportes como pueden ser vigas o alambres, que lo vinculan a la

balanza. [Barlow,1999,383]

En estas balanzas llamadas comúnmente externas las componentes de fuerzas y

momentos son usualmente determinados en un sistema de ejes “balanza” paralelo al

sistema de ejes del túnel de viento. El diseño de una balanza externa incluye la

incorporación de un dispositivo que cambie la actitud del modelo tanto en ángulo de

incidencia como de deslizamiento. La desventaja de las balanzas mecánicas de túnel de

viento es el comparativamente elevado peso de sus elementos, debido a la inercia de los

sistemas de medición tales balanzas no pueden ser usadas en túneles de tamaños

pequeños.

54

Las balanzas de los túneles de viento localizadas dentro del modelo fueron desarrolladas

debida a la necesidad de excluir las fuerzas actuando sobre los soportes. A velocidades

supersónicas el flujo alrededor del modelo es menos afectado por los soportes en la forma

de cantiléver. En las balanzas internas, se opta por instalarlas entre la unión del modelo al

soporte o en el mismo soporte. Cuando la balanza es instalada dentro del modelo, solo las

fuerzas actuantes sobre el modelo son medidas y el soporte solo causa perturbaciones en

el flujo en la cola del modelo. Cuando la balanza es instalada en el soporte mismo, está es

protegida del flujo por un carenado cilíndrico o cónico.

Se necesita un elemento para convertir la fuerza ejercida sobre el modelo, a una señal

medible y cuantificable.

El elemento capaz de realizar esta conversión es el FSR serie 400, que es un sensor de

fuerza por resistencia, están fabricados sobre una robusta película de polímero (PFT).

Estos dispositivos presentan una disminución de la resistencia con el aumento de la fuerza

aplicada a la superficie del sensor. Esta sensibilidad a la fuerza lo hace óptimo para su uso

en controles que requieren contacto humano, en dispositivos electrónicos, tales como la

electrónica de automoción, sistemas médicos, en aplicaciones industriales y robótica.

Figura 5.1. Sensor de fuerza por resistencia FSR-400

Sus características son:

− Rango de acción de 0.1 a 10N.

55

− Lectura de fuerza de alta repetición.

− Bajo costo

− Fácil instalación e integración a los equipos.

Para una conversión simple de fuerza a voltaje, el dispositivo FSR se combina con una

resistencia de medición en una configuración de divisor de voltaje, como se muestran en

la figura 5.2. El voltaje de salida está descrito por la ecuación 5.1:

%K G �%Z � u �� (Ec. 5.1)

Figura 5.2. Divisor de voltaje para el FSR-400

En la configuración mostrada, el voltaje de salida %K aumenta con fuerza creciente. Si ��

y � se intercambian, el voltaje de salida %K se reducirá con el aumento de la fuerza.

La resistencia de medición, � se eligen para maximizar el rango sensibilidad a la fuerza

deseada y para limitar la corriente. Dependiendo de los requisitos de impedancia del

circuito de medición, el divisor de voltaje podría ser seguido por un amplificador

operacional.

56

Una familia de curvas de fuerza vs %K se muestra en la figura 5.3. Se utilizó un FSR estándar

en una configuración de divisor de tensión con varias resistencias �, utilizado un voltaje %Z de +5V.

Figura 5.3. Grafica Fuerza-Voltaje de salida

Las ventajas de los FRS los hacen particularmente adecuados para mediciones de fuerzas

aerodinámicas, estas ventajas son:

− Dimensiones y peso muy pequeño.

− Baja inercia, que permite no tan solo medir cargas estáticas sino que también

dinámicas.

− Posibilidad de mediciones remotas.

5.1 Diseño

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

V

100xFuerza [N]

57

Los requerimientos básicos de una balanza de túnel de viento son los mismos que los

exigidos para un instrumento de medición:

− alta sensibilidad

− linealidad

− baja histéresis

− repetibilidad

Estas características en una balanza las determinan sus elementos sensibles a las cargas

actuantes. A fin de obtener una alta sensibilidad, es decir una apreciable señal eléctrica.

Todos estos requisitos se cumplen utilizando dispositivos FSR.

Para conseguir que la mayor parte de la componente a medir sea tomada por el elemento

de medición, este elemento debe poseer baja rigidez en la dirección de ésta componente

y la mayor rigidez posible en la dirección de las componentes que no mide.

Para alcanzar linealidad y reproducibilidad en las mediciones, la balanza debe formar un

conjunto integrado entre sus partes, donde no ocurra desplazamiento relativo entre ellas,

excepto aquellos causados por deformaciones elásticas; esto también se refiere a la

conexión entre modelo y balanza.

También es importante obtener baja interacción de los componentes y baja sensibilidad a

la temperatura. La disminución de la interacción se logra disminuyendo los

desplazamientos del modelo causado por la deformación de los elementos sensores y por

el sistema de soporte. Una elevada rigidez de la balanza deberá ser lograda,

particularmente en aquellos elementos que transmiten los esfuerzos. La interacción

depende en un mayor grado de la precisión y disposición geométrica de los elementos

elásticos y el correcto montaje de los FSR.

Esto se realiza con el fin de que los errores introducidos por los elementos localizados

simétricamente se compensen mutuamente. Además, el diseño de la balanza debe

asegurar una precisa coincidencia de los ejes del modelo y la balanza.

58

El diseño de una balanza de túnel de viento empieza con definir las componentes que

deseamos medir y sus valores límites, para esto determinamos los tipos de los ensayos

que se realizarán y el tamaño de los modelos permitidos que puedan ensayarse en el túnel

de viento. Por tratarse de la primera experiencia en el diseño y fabricación de una balanza

se limitó el número de componentes a medir en dos, sustentación, y resistencia o arrastre,

según se observa en la Figura 5.5.

Figura 5.4. Esquema de fuerzas aerodinámicas

Los valores máximos y apreciación de estas componentes se determinan con la ayuda de

la tabla 5.1 adaptándose según limitaciones propias.

Tabla 5.1 Rango De Coeficientes Recomendados Para Fuerzas Aeronáuticas.

Max. Min.

CL +4.0 -2.0

CD +1.0 -1.0

� G 12%�*#$�$ (Ec. 5.2)

59

� : Sustentación (kg)

% : Velocidad de flujo (m/s)

#$ : Área proyectada del perfil (Figura 5.5)

Figura 5.5. Áreas de proyección para determinación de fuerzas aerodinámicas.

Estos valores son obtenidos en modelos de alas o completos que tienen una envergadura

del 80% o en paneles que tienen una altura de hasta el 70% del diámetro de la cámara del

túnel, tomando la presión dinámica máxima que puede ser obtenida en el túnel se obtiene

las cargas de diseño en un determinado sistema de unidades.

G 12%�*#� (Ec. 5.3)

: Arrastre o resistencia

# : Área frontal del perfil (Figura 5.5)

� : Coeficiente de resistencia.

5.2 Soporte de modelos

60

A pesar de los diferentes diseños de balanzas, existen elementos que son comunes a la

mayoría. Estos son:

− Soporte para modelo

− Plataforma o estructura flotante para mantener el soporte y para tomar las fuerzas

actuando sobre el modelo

− Sistema mecánico para separar mecánicamente las componentes de las fuerzas

transferidas a la plataforma flotante

− Elementos sensores de fuerza o dinamómetros entre el sistema y puntos

vinculados a “tierra”.

− Mecanismos de cambio del ángulo de ataque y deslizamiento del modelo.

La finalidad del soporte del modelo es sostener y posicionar correctamente el modelo en

la cámara de ensayo del túnel de viento, y debe reunir las siguientes características:

− Muy buena rigidez

− Baja interferencia en el flujo alrededor del modelo

− Facilidad de montaje y desmontaje del modelo

− Posibilidad de variar el ángulo de incidencia

Entre las opciones disponibles de montajes de soportes podemos mencionar:

− Montaje con cables o cintas

− Columna simple

− Columna simple con horquilla

− 2 columnas lado a lado más un cable

− 2 columnas una tras la otra

− 3 columnas

− Montaje de punta de ala

− Montaje de medio modelo en el piso

− Bayoneta

61

En muchos soportes con partes expuestas al flujo de aire se cubren o revisten con un

carenado con forma aerodinámica.

El diseño del soporte se detalla en el plano 12-BA-MEC-1-2

5.3 Sensor de fuerza por resistencia (FSR)

Estos elementos son los encargados de sensar las fuerzas a medir y transformarlas en una

señal eléctrica que se puede apreciar en un dial o pantalla digital, están compuestas de

dos partes, una parte es una resistencia elástica que absorbe las cargas y varía de forma

proporcional a esta y la otra parte consiste en un elemento plástico para dar soporte a la

resistencia y los medios de conexión eléctrica. De esta forma se puede obtener una

variación de una señal eléctrica proporcional a la fuerza aplicada.

5.4 Sistemas electrónicos

La cadena de medición de datos permite captar el cambio en la resistencia de los FSR. Está

compuesta por cables, resistencias de comparación, y el amplificador operacional,

dispuestos en una configuración conocida como Divisor de Voltaje, Figura 5.2.

El circuito electrónico utilizado se muestra en el plano 12-BA-ELE-2-2

5.5 Calibración

La calibración de la balanza tiene como objetivo los siguientes propósitos:

− Verificar el rango de carga disponible

− Determinar la curva de calibración de cada componente

− Conocer la iteración de la balanza

− Precisar la sensibilidad de cada componente

− Medir su deflexión bajo carga

− Documentar la repetitividad de las mediciones

62

La calibración básicamente es un proceso que simula, sobre la balanza, las cargas

aerodinámicas en cada componente, se registra las lecturas en los sensores de fuerza por

resistencia y luego se calcula la curva de calibración de cada FSR, se procesa la inversa de

las curvas y se obtiene una función algebraica que permite estimar según las mediciones,

en el conjunto de sensores, la carga en cada componente.

La figura 5.6 muestra la gráfica de F vs V, utilizada en la balanza aerodinámica construida

para este proyecto, utilizando un FSR-400, amplificador operacional LM-392 y una

resistencia de 10k Ohm.

2 G �% u 0.81� �e.��100 (Ec. 5.4)

Figura 5.6. Gráfica F vs V utilizada en la balanza aerodinámica

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

V

100*Fuerza [N]

63

5.6 SELECCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN.

El primer paso después de terminado el túnel de viento es el determinar las características

del flujo. Primero es necesario aclarar las magnitudes de las variables y definir los

instrumentos de medición, tanto para las pruebas como para la calibración.

Se asume que el flujo de aire es turbulento y por lo tanto no es estrictamente estable o

invariable en el tiempo. [Barlow, 1999, 136].

5.7 Presión

En la medición de presión se distinguen 3 categorías básicas, estándar, galgas mecánicas, y

transductores electromecánicos. Los instrumentos estándar son usados para las

calibraciones más precisas. Los manómetros de columna liquida son los más precisos y

comunes. Los instrumentos de galgas mecánicas son más económicos y los dispositivos

más usados para medir presión. Y los transductores electromecánicos cada vez se hacen

más comunes.

El anillo piezométrico de múltiples tubos es una opción muy conveniente para establecer

condiciones de presión adecuados para ser medidos.

Figura 5.7. Anillo piezometrico de múltiples tubos.

64

5.8 Velocidad

La medición de velocidad se realiza mediante anemómetros. Existen diferentes tipos de

anemómetros como el de deflexión de plaquetas, el de propulsor o paleta rotatoria, el de

cucharas, el térmico y el láser (Doppler), entre otros. [ASHRAE, 1997, 14.15]

También se emplea el tubo Pitot. Este es usado para medir la presión total. El tubo Pitot

estático es el más común y sirve para medir la presión total y la presión estática. [Barlow,

1999, 154]. Se determina la velocidad en un punto del campo de flujo. La ecuación para

determinar la velocidad del aire por medio de la medición de la presión de velocidad está

dada por:

% G �2��* (Ec. 5.5)

% : Velocidad (m/s)

�� : Presión de velocidad, lectura del tubo Pitot. (Pa)

* : Densidad del aire (kg/m3).

65

Figura 5.8. Medidor tubo de Pitot

La universidad cuenta con un equipo para la medición de la velocidad de flujo en

conductos, marca Fluke, modelo 975V. Sus características principales son:

Tabla 5.2. Características principales del medidor Fluke 975V

Parámetros medidos

Rango Resolución

de la pantalla

Porcentaje de exactitud de la lectura

Temperatura -20 ° a 50 °C

-5 ° a 122 °F

0,1° F

0,1° C

±0,9 °C /±1,62 °F de 40 °C a 50 °C

±0,5 °C /±1,00 °F de 5 °C a 40 °C

±1,1 °C /±1,98 °F de -20 °C a 5 °C

Humedad relativa

10 al 90% de HR sin

condensación

0,1% ±3% HR de 10% HR a 90% de HR Incluye 1% de histéresis

Velocidad del aire

50 a 3000 pies/min 0,25 a 15 m/s

1 pie/min 0,001 m/s

±4% o 4 pies/min* ±4% o 0,02 m/s* cualquiera que sea mayor

* Especificación de precisión sólo válida para lecturas de velocidad inferiores a 50 pies/min o 0,25 m/s.

66

5.9 Medición de flujo en conductos

Ya que la velocidad en cada sección de un conducto no es uniforme, y la lectura del tubo

Pitot solo mide la velocidad en un punto, debe determinarse un promedio de velocidades

(la más baja en las cercanías de las paredes y la mayor en el centro de conducto). Para

determinar estas velocidades en el plano transversal se debe hacer referencia a la regla

logarítmica de Tchebycheff. Esta regla proporciona la mejor precisión ya que la posición

de los puntos toma en cuenta el efecto friccional de las paredes y la caída de velocidad

cerca de las paredes del conducto. La explica muy claramente las distribuciones de puntos

de medición tanto para conductos circulares como rectangulares. [ASHRAE, 1997, 14.16]

Figura 5.9. Anemómetro Fluke 975

67

Figura 5.10. Patrón de Regla Logarítmica de Tchebycheff

Para un conducto rectangular, el plano transversal debe contener un mínimo de 25 puntos

de medición. Para conductos con lados menores a 450mm, los puntos deben colocarse en

el centro de áreas igualmente distribuidas, con no más de 150mm de separación, y un

mínimo de 2 puntos por lado. Para conductos mayores a los 1400 mm, la distancia

máxima entre puntos es de 200mm [ASHRAE, 1997, 14.17]

Si es posible los puntos de medición deben localizarse al menos 7.5 diámetros chorro

abajo y 3 diámetros chorro arriba de cualquier perturbación, como esquinas u otros

componentes que alteren la uniformidad del flujo, los acondicionadores de flujo mejoran

considerablemente la precisión de las mediciones, y permite reducir las distancias

recomendadas para realizarlas. [ASHRAE, 1997, 14.17]

68

5.10 Caudal

A pesar de que existen métodos para la medición de caudales, todos estos implican

cambios en la disposición del sistema, entorpeciendo las condiciones para mantener el

flujo lo más uniforme posible durante las pruebas aerodinámicas. Estos son los métodos,

aunque la intención no es implementarlos en el túnel. Venturi, placa orificio, tobera;

Flujometros de área variable (rotatorios); contadores de desplazamiento positivo;

Flujometro de turbina.

69

EXPERIMENTOS EN UN TÚNEL DE VIENTO PEQUEÑO CAPÍTULO 6 :

La llave para tener experimentos exitosos en un túnel de viento pequeño, es el tener un

entendimiento claro del papel que desempeña el Número de Reynolds. A pesar de que se

ha dicho que hay casos en donde el Número de Reynolds no presenta ningún efecto; esto

no es realmente cierto. Este hecho radica en que los efectos relevantes del Número de

Reynolds sean obtenibles en un túnel pequeño.

Los túneles pequeños son usualmente usados para instrucción en métodos de

experimentación. Esto es realizado adecuadamente aun si los experimentos no son muy

útiles para predecir comportamientos en dispositivos de formas similares a Número de

Reynolds más grandes. Existen dispositivos suficientemente pequeños tal que las

propiedades aerodinámicas son medibles directamente a un Número de Reynolds

apropiado en túneles de viento pequeños. Dispositivos como: objetos deportivos y

aviones pequeños, son un ejemplo de ello.

Un túnel de viento pequeño es muy útil para estudiar patrones de flujo, y cómo esos

patrones pueden ser afectados por variaciones paramétricas bajo ciertas modificaciones

geométricas. Estos estudios se realizan por medio de métodos de visualización, para los

cuales no se necesita alcanzar grandes números de Reynolds.

Las mediciones de distribución de presiones en perfiles aerodinámicos pueden ser

instructivas inclusive a bajo números de Reynolds. Para un perfil determinado la forma de

distribución no cambia directamente con el número de Reynolds, siempre y cuando el

ángulo de ataque esté por debajo de los límites de desprendimiento (stall).

El incremento del arrastre sobre un modelo, está bien representado a bajos números de

Reynolds.

La calibración de un tubo Pitot es un ejemplo claro, de una calibración de instrumentos

que es adecuada para realizarse en un túnel de dicha magnitud.

70

Muchos experimentos concernientes a la corrección del capa limite en las paredes, son

adecuados para realizarse en un túnel pequeño. Estos tienden a ser poco afectados por el

número de Reynolds.

El proceso o secuencia del desprendimiento sobre un ala puede ser invariable a los

cambios en el número de Reynolds, a pesar de que el desprendimiento total es

inusualmente retardado por números de Reynolds elevados.

Indicadores claves del número de Reynolds son los puntos de transición de capa limite, de

laminar a turbulento, y el comportamiento de las líneas de separación, a medida que el

comportamiento sobre el modelo cambia. Esto también puede observarse en un túnel de

viento pequeño.

Las llamadas pruebas cualitativas son ideales para un túnel de viento pequeño.

6.1 Consejos prácticos para realizar experimentos en el túnel de viento

− Definir claramente el problema y su propósito. No importa si existe un programa

definido, debe revisarse nuevamente y verificar su propósito. Los resultados

esperados deben tener asociados cierta precisión, la cual es la mínima para lograr

los objetivos propuestos. Esta precisión debe ser parte de la definición del

problema.

− Se debe tomar ventaja de experimentos realizados, teorías y computaciones.

Aprender de los experimentos es un proceso iterativo. Usualmente una serie de

experimentos construidos uno sobre otro es el recurso más efectivo.

− Identificar claramente las variables que surgen del experimento, incluyendo los

rangos de los parámetros que pueden brindar información para resolver el

problema.

− Identificar posibles provisiones al modelo y facilidades compatibles. Esto requiere

de un diseño conceptual. Se requiere identificar cualquier corrección de frontera

del túnel u cualquier otra corrección que se pueda implementar. Tenga en cuenta

71

que significancia estadística y significancia parcial de precisión de cualquier dato

arrojado son completamente diferentes. Cada uno es importante en su ámbito.

− Prepare calendarios o cronogramas de ejecución y las implicaciones de cambios en

el mismo. Involucrarse en estas decisiones puede ser el grado al cual replica,

aleatoria y el bloqueo puede contribuir al enriquecimiento de los datos a obtener.

− Compare los recursos necesarios y los disponibles. Prepare una guía clara para

conducir el experimento.

− Al inicio del experimento, monitoree todos los procesos y adquisición de datos.

Incluya evaluación de procesos de precisiones logradas en las mediciones.

− Conduzca el análisis de datos para proveer evaluaciones cuantitativas de la

precisión de las mediciones obtenidas. Esta información debe ser parte del

paquete de resultados aerodinámicos, para luego definir el grado de

incertidumbre.

6.2 Plantear un experimento

Un experimento en un túnel de viento debe ser llevado a cabo solo si: se desea un nuevo

descubrimiento; o si al experimento ya planeado, se le desea hacer un cambio razonable

para obtener resultados con un mejor grado de precisión. Debido al costo del modelo y al

costo de operación del túnel, es preferible que este cambio sea algo innovador y que de

gran valor cognoscitivo.

Es importante documentar organizada y debidamente cada uno de los experimentos, así

se ahorrara tiempo y dinero.

6.3 Puntos claves a considerar en pruebas aerodinámicas

a. Verifique todas las curvas de calibración de equipos nuevos, antes durante y

después de la prueba. Siempre calibre de acuerdo al rango completo y use siempre

un número determinado de cargas, no una sola carga asumiendo que la calibración

es lineal.

72

b. Tome suficientes puntos de medición, así la pérdida o la mala obtención de un

punto no afecte la tendencia o comportamiento de la curva.

c. Siempre repita el punto cero e inicial al final de la ejecución. Asegúrese de que

haya un adecuado balanceo.

d. Tome puntos en ejecuciones básicas cada 0.5 grados cercanos al fenómeno de

desprendimiento “Stall” u otros puntos de interés. Realice ejecuciones de rutina

con lectura cada 1 y 2 grados en cercanías al desprendimiento.

e. Asegúrese de que los modelos estén correctamente diseñados, si es posible

emplee una plantilla.

f. Planee variaciones en el modelo suficientemente amplias para que permita realizar

interpolaciones en vez de extrapolaciones.

g. Siempre que sea posible investigue como han hecho otras personas el tipo de

experimento que desea realizar y benefíciese de esa experiencia.

h. Sea claro en todas las instrucciones y presentación de datos.

6.4 Práctica de laboratorio. Medición del coeficiente de arrastre de una esfera.

Objetivo

Medir las variables que depende el coeficiente de resistencia al avance (�) utilizando los

accesorios del túnel de viento.

Consideraciones teóricas

− Resistencia al avance teórica de modelos.

− Teoría de la similitud, semejanza dinámica y estática.

− Análisis dimensional.

Preparación del túnel

Instalar la balanza y el modelo de prueba verificando que su eje longitudinal quede

paralelo a las paredes del túnel y sujetarlo con el tornillo de fijación.

Verificar que el medidor de velocidad y el manómetro

73

Encender el túnel de viento y por medio del variador de frecuencia ajustar la velocidad del

aire.

Registrar los datos obtenidos en el cuadro de datos.

Al finalizar la prueba, se desconecta el túnel de viento, y la balanza aerodinámica.

Datos obtenidos del Modelo a prueba

Tabla 6.1. Datos obtenidos en la prueba de medición del coeficiente de arrastre.

Datos del modelo

Longitud (L) = ________ m

Área frontal (S) = ________ m2

Peso = ________ Kg

Datos adicionales

Temperatura ambiente = _______ oC

Presión atmosférica = _______ mmHg

Densidad del aire ( ) = _______ Kg /m3

Viscosidad del aire ( ) = _______ Pa- s

Peso específico del fluido manométrico ( ) = _______ N/m3

Memoria de cálculo

Diferencia de presiones

74

. : Peso específico del fluido manométrico

∆M : Diferencia de alturas tomada del

Presión dinámica

� G *%�2 ��6� V : Velocidad del aire en el túnel

* : Densidad del aire

Velocidad calculada

%J G �2∆�*b �E= � ∆� : Diferencial de presión


Numero de Reynolds

! G *%J�0

%J : Velocidad del aire calculada

L : Longitud del modelo


0 : Viscosidad del aire

Coeficiente de arrastre

75

� G 22�II��I�*#%�

F : Fuerza de arrastre


S : Área frontal del modelo

V : Velocidad del aire en el túnel

Fuerza de arrastre

2 G �%K�� g 0.81� �e.��100 �C�

77

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CAPÍTULO 7 :

7.1 Conclusiones

El proyecto promete en conjunto con el soporte institucional, realizar trabajos que

combinen los aspectos teóricos y prácticos, brindando apoyo a la labor docente,

investigativa y de la industria.

Según lo abarcado en el proyecto, no solo es indispensable el definir parámetros como

tamaños, relaciones de forma, velocidades, entre otros, sino también parámetros que

aseguren un ambiente de pruebas acorde al deseado, el cual pretende un flujo paralelo,

continuo y bajos niveles de turbulencia en la cámara de pruebas.

A pesar de los avances tecnológicos y el desarrollo computacional para analizar el

comportamiento de los fluidos, aún es necesario emplear métodos experimentales. Los

requerimientos para hacer pruebas en la mecánica de fluidos se han incrementado

significativamente en los últimos años. El punto es que se debe centrar el diseño en

mejorar las condiciones de flujo. Para esto existen varios puntos clave que ayudan a

mejorarlo como: definición de número de mallas a emplear y su geometría,

acondicionador de flujo, diseño suavizado y estudiado de la contracción, cámara de

pruebas con parámetros importantes geométricos como ángulos de salida, y relaciones de

forma. Muchos autores han brindado grandes aportes gracias a su experiencia, por tanto,

resulta conveniente el retomar dichas recomendaciones y a partir de ellas generar nuevas

propuestas mejoras y nuevos diseños.

Los parámetros aerodinámicos condicionados a unas formas iniciales, permite definir los

rangos los máximos que rigen el diseño de la balanza aerodinámica.

78

7.2 Recomendaciones

Es claro que el diseño debe ser llevado a cabo, y su construcción es de vital importancia

tanto para la universidad como para el desarrollo local. Por tal motivo, el proyecto debe

continuarse y desarrollarse un plan de pruebas de laboratorio.

El diseño del sistema de adquisición de datos no está definido, se recomienda continuar

con el desarrollo e implementación de dicho sistema automatizado.

El recinto donde será instalado el túnel de viento, debe contar con la capacidad de tomar

aire fácilmente y expulsarlo de forma libre, preferiblemente hacia afuera del recinto y sin

obstrucciones de ningún tipo.

El túnel de viento deberá energizarse desde una conexión de 4 puntos: 3 fases de voltaje y

1 tierra física, para evitar cualquier descarga estática provocada por el aire en

movimiento.

79

BIBLIOGRAFÍA

ASHRAE, HVAC Fundamentals Handbook, 1997. Georgia Atlanta. USA. Páginas 851

BARLOW, Jewel B. Rae, William H. Pope, Alan. Low-speed wind tunnel testing. Tercera

edición. John Wiley & sons, Inc. New York. USA 1999. Páginas 713. ISBN 0-471-55774-9

CENGEL, Yunus A. Cimbala, John M. Mecánica de fluidos, Fundamentos y aplicaciones.

Primera edición. McGraw Hill/Interamericana editores. Mexico 2006. Páginas 956. ISBN

970-10-5612-4

McLEOD, Matthew S., “On the design and testing of a high-aspect-ratio channel for

turbulent flow measurements”, Department of Mechanical Engineering, thesis, Montreal,

McGill University, July 24, 2000

MATAIX, Claudio, Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. Segunda edición. Ediciones

del Castillo SA, España 1982. Páginas 660 .ISBN 84-219-0175-3

Sitios WEB

NASA1. Wind tunnels of NASA, (NASA SP ; 440). 2001.

<http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/SP-440/contents.htm>

Peter Bradshaw, and Rabi Mehta.

http://www-htgl.stanford.edu/bradshaw/tunnel/screen.html

Wind Tunnels - References

<http://www.hypersphere.org/wind/references.shtml>

ANEXO A

MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

Manual de Operación y MantenimientoTúnel de Viento

Mayo 2012

A-1

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA“JOSE SIMEON CAÑAS”

MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

TUNEL DE VIENTO

POR:FRANCISCO ERNESTO CHICAS MOLINA

MAYO 2012ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A.


Mayo 2012

A-2

Información importante para el usuario

Audiencia

Este manual deberá ser leído y analizado por cualquier persona quevaya a operar el túnel de viento o vaya a estar relacionado conalgún elemento del sistema.

Alumnos, Instructores de laboratorio, Profesores y personal demantenimiento, es recomendable que tengan pleno conocimiento delo que indica este manual.

Ningún conocimiento previo es necesario para operar el equipo sinembargo es necesario seguir todas las instrucciones de este manual.

Personal de servicio deberá tener conocimiento de electricidad ymecánica para operaciones de mantenimiento.

Normas

Los componentes utilizados en su construcción cumplen con lasnormas internacionales UL, NEMA, AMCA, CE y CSAInternational.

Recomendaciones

La información de este manual será importante para el buen uso deltúnel de viento. Se recomienda leer el manual completo antes deiniciar su operación.

Consultar el manual del fabricante de los equipos que integran elpanel eléctrico para futuras referencias. Por esta razón las personasresponsables del mantenimiento y uso de este equipo deberán estarfamiliarizadas con equipo eléctrico y los manuales de los elementosque lo integran.

Las señales que el variador de frecuencia necesita son aisladaseléctricamente.

El personal de mantenimiento debe estar familiarizado con sistemassimilares de ventilación, laboratorio y/o sistemas eléctricos ymecánicos.

El usuario deberá tomar conciencia de que el sistema contiene partesmovibles y eléctricas que pueden causar daño si se manejaninadecuadamente o bajo condiciones riesgosas para el usuario.


Mayo 2012

A-3

Ninguna responsabilidad aceptará la Universidad Centroamericana“José Simeón Cañas” por el uso inadecuado del equipo o poracciones negligentes hacia el equipo bajo cualquier circunstancia.

A lo largo del manual se hacen repetidas referencias a posiblesdaños o lesiones que puede ocasionar el mal uso, así como dañosque pueden provocar el deterioro mismo del equipo.

Se recomienda a toda la audiencia tomar precauciones en el uso delequipo y operarlo de la forma en que este manual lo indica paraevitar situaciones de daño al equipo, que puede ser en ocasionesirreparable o lesiones a alumnos, operadores o personal demantenimiento.

Simbología

A continuación describimos la diferente simbología que se usará enel manual.

ATENCIÓN: Provee informaciónacerca de prácticas o circunstanciasque puedan provocar accidentes,daños al equipo o pérdidaseconómicas

Este símbolo nos ayuda a:

Identificar un riesgoEvitar un riesgoReconocer las consecuencias de no seguirlas recomendaciones descritas en estemanual


Mayo 2012

A-4

ALTA TENSIÓN: Provee alerta de queesa parte del equipo está operando en altatensión. Extremar precauciones paraevitar accidentes, daños al equipo opérdidas económicas

Este símbolo nos ayuda a:

Reconocer elementos del equipo queoperan en alta tensión.Identificar riesgos de choque eléctricoReconocer consecuencias de percanceseléctricos.

Mantenga este manual en un lugar accesible para futurasreferencias.


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A-5

Índice General

Información importante para el usuario ................................................................................ 2

Audiencia .......................................................................................................................... 2

Normas .............................................................................................................................. 2

Recomendaciones.............................................................................................................. 2

Simbología ........................................................................................................................ 3

Índice General ....................................................................................................................... 5

Objetivo ............................................................................................................................. 7

Descripción general ........................................................................................................... 7

Descripción detallada ........................................................................................................ 7

Teoría de operación ........................................................................................................... 8

Panel de control ..................................................................................................................... 9

Objetivo ............................................................................................................................. 9

Descripción general ........................................................................................................... 9

Controles generales ........................................................................................................... 9

Variador de frecuencia .................................................................................................... 10

Arranque del equipo ............................................................................................................ 12

Objetivo ........................................................................................................................... 12

Secuencia de operación ................................................................................................... 12

Mantenimiento .................................................................................................................... 13

Objetivo ........................................................................................................................... 13

Limpieza.......................................................................................................................... 13

Mantenimiento del ventilador ......................................................................................... 13

Rodamientos.................................................................................................................... 14

Mantenimiento preventivo al panel de control ................................................................ 14

Diagnóstico de problemas ............................................................................................... 15

Historial de servicio ........................................................................................................ 16


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A-6


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Vista general

ObjetivoEste capítulo describe las partes del túnel de viento.

Descripción general

El túnel de viento abierto, está diseñado para hacer pruebasdemostrativas de laboratorio, por tal motivo su construcción estáelaborada a partir de materiales locales y de fácil modificación, ureemplazo. Como toda máquina requiere de limpieza, calibración,ajustes y mantenimiento, para su buen funcionamiento.

Descripción detallada

Las partes que componen el túnel de viento se muestran en la figura1.

Figura 1. Componentes principales del túnel de viento.


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A-8

Teoría de operación

El túnel de viento genera una corriente de aire a una velocidadcontrolada y en un reciento controlado, la cámara de pruebas. Estacorriente de aire ejercerá fuerzas sobre un modelo, estas fuerzas sonlas que se pretende medir, para determinar el comportamiento delmodelo.

También es posible montar diferentes instrumentos dentro de lacámara de pruebas para su calibración, o para visualizar fenómenosasociados a los fluidos.

El aire es succionado por el ventilador a través del acondicionadorde flujo, esto corrige el sentido de las líneas de flujo paralelas entreellas, el flujo aumenta la velocidad a medida pasa por la sección decontracción hasta llegar a la cámara de pruebas. Luego pasa por eldifusor donde pierde velocidad antes de llegar al ventilador.


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Panel de control

Objetivo

Este capítulo describe el funcionamiento y las características delpanel de control usado en el equipo diseñado para la universidadcentroamericana “José Simeón Cañas”.

Descripción general

El gabinete contiene elementos eléctricos y electrónicos dentro de él.Este gabinete resguarda los controles manuales. El panel de controlestá regido por la NEMA 12 contra polvo y salpicadura de agua.

ATENCIÓN: El gabinete no protege contra otras condiciones que nosean las descritas por la NEMA 12. Asegúrese de que el panel noeste expuesto a la intemperie o a elementos que lo puedan afectar.

El gabinete utilizado para el panel de control del túnel de viento, estáfabricado en fibra de vidrio prensada, con sellos y aislamientos deacuerdo a la norma NEMA 12/IP56. En dicho gabinete se localizanlas secciones:

De potencia, formada por la alimentación general y sus diferenteselementos eléctricos

De control, en donde se encuentra el variador de frecuencia, y losbotones para el arranque/paro del ventilador y ajuste de frecuencia.

Controles generales

A continuación se explicaran los controles e indicadores que seencuentran en el panel de control del túnel de viento:

ENERGIZADO: Este es un indicador luminoso color amarillo, quepermite saber al usuario que el sistema se encuentra alimentado porla acometida.

NOTA: Si esta lámpara se encuentra iluminada no necesariamentelas tres fases de la línea están activas, debido a que dicha lámpara esalimentada por 220VAC y solo necesita dos fases para iluminarse.

ARRANQUE/PARO VENTILADOR: Botón pulsador iluminado encolor verde que permite al usuario habilitar o apagar el ventilador. Elsistema solo podrá habilitarse si se encuentra energizado (verindicador luminoso de energizado). Si el botón se pulsa una vez, éste


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A-10

se ilumina color verde de manera sólida y el ventilador se pondrá enmarcha, al pulsarlo nuevamente el botón se apaga y el sistema quedainhabilitado.

ENCENDIDO PRINCIPAL: Es un selector que permite aislar dealimentación eléctrica hacia el variador de frecuencia.

INTERRUPTOR PRINCIPAL: Para aislar el panel de laalimentación eléctrica el interruptor principal deberá estar en laposición OFF y para conectar el panel a la alimentación eléctrica elinterruptor principal deberá estar colocado en ON.

Cuando se realiza mantenimiento al panel de control así como alsistema en general, es necesario desactivar el interruptor principal.

AJUSTE DE FRECUENCIA: Para variar la velocidad del ventiladorse utiliza esta perilla girándola en sentido de las manecillas del relojpara disminuir la velocidad hasta 0 rpm ó 0 Hz. Girando al contrariose aumenta la velocidad hasta la frecuencia seleccionada en laparametría del variador.

Variador de frecuenciaLos parámetros del variador de frecuencia se pueden cambiar haciendo uso del tecladoincorporado en él.

La descripción del teclado se ilustra en la siguiente figura:


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A-11

Figura 2. Descripción de panel de control del variador de frecuencia.

El proceso de cambio de parámetros del variador de frecuencia, se ilustra en el siguientediagrama:

Este es el estado en el cual las señales de operación (FWD,REV) están apagadas. Los números en la pantalla aparecenintermitentes.

Este botón intercambia entre modo de Operación (STOP) ymodo de Programación de parámetros.

Cada vez que se presione, en la pantalla se indicará primero lafunción y luego el valor del parámetro que tiene esa función.

Si se está mostrando la función, estas teclas cambiarán entrefunciones, si se está mostrando un valor de parámetro, lasteclas cambiarán este valor.

Al presionarlo el valor del parámetro cambiado esalmacenado, y se avanza hacia la siguiente función.

Para cambiar el valor de otro parámetro, repetir el proceso.

Al finalizar la programación, presionando esta tecla se regresael variador de frecuencia al modo de STOP


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A-12

Figura 3. Proceso de cambio de parámetros del variador de frecuencia.

Arranque del equipo

Objetivo

Conocer la forma correcta de puesta en marcha y configuración deltúnel de viento, así como su modificación durante la operación.

Secuencia de operación

Asegurase de que las guardas de seguridad estén en buenascondiciones y debidamente colocadas en su lugar.

Asegurarse que no hay objetos sueltos al interior del túnel de viento,ya que estos serán succionados por el ventilador.

Colocar los instrumentos y modelos a ensayar en la cámara depruebas.

Energizar el sistema mediante el accionamiento del interruptorprincipal.

Encender el variador de frecuencia, llevando el selector a la posición“ON”, se iluminará el piloto de encendido en el panel, y el variadorde frecuencia mostrará, en número rojos intermitentes, la frecuenciaen la que está programado en ese momento.

Seleccione la frecuencia a la que va a operar el túnel de viento,utilizando la perilla “AJUSTE DE FRECUENCIA” Girando en elsentido de las agujas del reloj, se disminuye la frecuencia yviceversa. Esta frecuencia se puede ajustar con el túnel de viento enmarcha.

Para poner en marcha el motor del ventilador, se debe pulsar elbotón “ARRANQUE/PARO VENTILADOR” el botón se iluminaráy el ventilador permanecerá encendido, hasta que el botón se pulsenuevamente.


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A-13

Mantenimiento

Objetivo

Proporciona al usuario información para el correcto mantenimientodel tune de viento, así como el panel de control del sistema.

Antes de iniciar cualquier operación de mantenimiento desconecte laenergía del panel de control. Sobre todo si se va a intervenir elventilador.

Limpieza

La limpieza del túnel de viento, tanto interior como exterior, es degran importancia para conservar la higiene, y el buen estado delsistema del equipo.

El departamento de mantenimiento de la universidad deberá realizarpuntualmente limpieza para evitar acumulamiento de polvo, tierra,etc. que deteriore el funcionamiento del equipo, especialmente en lasaspas del ventilador, y exteriores de las secciones. Se puede realizarcon agua y un paño limpio o bien con solvente “mineral spirit” y unpaño.

Mantenimiento del ventilador

La tensión de la banda deberá revisarse después de 48 horas deoperación y regularmente después de esto, dependiendo de lafrecuencia de operación.

Al apretar la banda firmemente hacia adentro en el punto medioentre las dos poleas, deberá ceder la distancia que tiene de ancho labanda. Demasiada tensión puede dañar los baleros. Las bandasdeben de estar lo suficientemente apretadas para evitar que sepatinen.

No opere el ventilador a velocidades mayores de las que aparecen enla placa del ventilador.

Se aconseja lavar las aspas del ventilador al mismo tiempo que serevisa la tensión correcta para las bandas. Esto removerá cualquierresiduo acumulado que podría causar un desequilibrio.


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A-14

Rodamientos

Los baleros están lubricados de fábrica y sellados, y no requierennueva lubricación. Si tiene que reemplazar los baleros de la flecha,hágalo con baleros iguales a los del equipo original.

Para mayor información referirse al manual del fabricante. Dayton.

Mantenimiento preventivo al panel de control

a) Mantenga limpia y seca el área.

b) El lugar debe ser libre de aceite, humedad, pelusa, polvo,suciedad. Un ambiente contaminado da origen a la formación deadherencias semi-viscosas sobre las caras de los polos de laarmadura esto retarda la desconexión o puede provocar cortos enlos contactos.

c) Debe evitarse la aplicación de presiones demasiado altas en elaire comprimido al limpiar. el limpiar por este método provocala penetración de partículas pequeñas con aristas filosas enalgunos de los materiales aislantes.

d) Reemplace los contactos que se hayan quemado.

e) Las bobinas deben de trabajar a su voltaje nominal.

f) Compruebe que todos los mecanismos de los contactos tenganmovimientos libres.

g) Mantenga apretados los contactos de todas las conexiones.

h) Una conexión floja provoca pérdidas por el tiempo que seinvierte en localizar la falla. Un mal contacto origina un aumentoen la resistencia y a su vez un aumento en la temperatura.

i) Observar lo siguiente:

Abuso de la capacidad de conducción.

Envejecimiento acelerado de aislamiento por fenómenoseléctrico y/o ataque ambiental.

Daños ocultos ocurridos a los aislamientos durante lainstalación.

Mantener cuidado con gases o sustancias corrosivos delimpieza.


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A-15

Diagnóstico de problemas

Problema. Posible Causa. Solución.

El panel noenciende.

Panel desconectado. Verifique que el interruptor este en laposición de ON (encendido).

Acometida incorrecta. Verifique que la tensión del panel sea lacorrecta de acuerdo a la especificación.

Los elementoseléctricoscomocontactos nooperan ovibran alhacerlo.

No tienen energía. Verifique la existencia de voltaje en loscomunes de los módulos, revise que noexistan cables machucados y que lasterminales estén buen ajustadas.

El voltaje no es eladecuado.

Verifique que la bobina sea de la tensiónadecuada, así como el voltaje dealimentación.

El motor noarranca.

Fusibles fundidos. Verifique que los fusibles se encuentren enbuenas condiciones y activados, reemplacede ser necesario.

Alimentación defectuosa. Verifique que el voltaje de alimentaciónsea el adecuado.

Conexión inadecuada. Verifique que el motor esté conectadocorrectamente.Verifique los datos de placa del motor.

Se dispara elinterruptorprincipal.

Motor sobrecargado. Verificar las condiciones generales delmotor: ventilador en buenas condiciones,baleros lubricados, flecha y/o transmisiónen buenas condiciones operacionales; paraeliminar cualquier forma de obstruccióndel motor.


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A-16

Historial de servicio

Esta sección del manual tiene el propósito de llevar un registro delos problemas que se presentan en el sistema, así como losmantenimientos preventivos o correctivos.

Tabla de registro de servicios

#

Tipo demantenimiento(Preventivo oCorrectivo)

Descripción del incidente. Técnico

ANEXO B

HOJAS TÉCNICAS DEL VENTILADOR

ANEXO C

LISTADO PARÁMETROS DEL VARIADOR DE FRECUENCIA

ANEXO D

HOJAS TÉCNICAS DEL VARIADOR DE FRECUENCIA GE AF-300

ANEXO E

HOJAS TÉCNICAS DEL PANEL DE CONTROL

ANEXO F

HOJAS TÉCNICAS DEL CONTACTOR SIEMENS

ANEXO G

HOJAS TÉCNICAS DEL MEDIDOR FLUKE 975

ANEXO H

FACTORES DE CORRECCIÓN DE DENSIDAD DEL AIRE

ANEXO I

HOJAS TÉCNICAS DEL SENSOR DE FUERZA FSR-400

ANEXO J

HOJAS TÉCNICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL LM-392

ANEXO K

PLANOS ILUSTRATIVOS DEL TÚNEL DE VIENTO

K-1

DESCRIPCIÓN DESIGNACIÓN

CONJUNTO TUNEL DE VIENTO 12-TV-MEC-1-2

CONJUNTO TUNEL DE VIENTO 12-TV-MEC-2-2

CONJUNTO SOPORTES DE TUNEL DE VIENTO 12-TVS-MEC-1-2

CONJUNTO SOPORTES DE TUNEL DE VIENTO 12-TVS-MEC-2-2

ENSAMBLE CONO DE CONTRACCIÓN 12-SEC-MEC-1-3

ENSAMBLE CÁMARA DE PRUEBAS 12-SEC-MEC-2-3

ENSAMBLE DIFUSOR 12-SEC-MEC-3-3

ESQUEMATICO PANEL DE CONTROL 12-PC-ELC-1-3

ESQUEMATICO PANEL DE CONTROL 12-PC-ELC-2-3

DIAGRAMA CABLEADO PANEL DE CONTROL 12-PC-ELC-3-3

BALANZA AERODINAMICA 12-BA-MEC-1-2

BALANZA AERODINAMICA 12-BA-MEC-2-2

CIRCUITO ELECTRONICO BALANZA AERODINAMICA 12-BA-ELE-1-2

CIRCUITO DIVISOR DE VOLTAJE PARA FSR-400 12-BA-ELE-2-2

300PL09

200PL09

400MC

R-1

400PO

T-1

15 1/2"

13 15/32"

100MP

C03

CO

NTA

CTO

R P

RIN

CIP

AL 3 P

OLO

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CA

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G 4 X

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CA

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TIPO

DE

CA

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DE

SIG

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CIO

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PUNTO DE CONTACTO PARA MEDIRLA FUERZA DE ARRASTRE

PUNTO DE CONTACTO PARA MEDIRLA FUERZA DE SUSTENTACION

SOPORTE

BASE DE SUJECIÓN

MODELO

PUNTO DE CONTACTO PARA MEDIRLA FUERZA DE ARRASTRE

PUNTO DE CONTACTO PARA MEDIRLA FUERZA DE SUSTENTACION

MODELO

SOPORTE

BASE DE SUJECIÓN

UNION DEENSAMBLE

8765

1234

8765

1234

F1F2

may-2012 diseño y construcción de un túnel de viento

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