visualizaciÓn de flujo por medio de humo en el tÚnel de
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VISUALIZACIÓN DE FLUJO POR MEDIO DE HUMO EN EL TÚNEL DE VIENTO TVIM 460-30-3.6
LUIS FERNANDO BARRERO GUINAND
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA,
DEPARTAMENTO DE MECÁNICA BOGOTÁ, D.C.
2003
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VISUALIZACIÓN DE FLUJO POR MEDIO DE HUMO EN EL TÚNEL DE VIENTO TVIM 460-30-3.6
LUIS FERNANDO BARRERO GUINAND
Proyecto de grado para optar por el título de ingeniero mecánico
Asesor: ALVARO PINILLA SEPÚLVEDA
I.M., M,Sc., Ph.D.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA,
DEPARTAMENTO DE MECÁNICA BOGOTÁ, D.C.
2003
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Agradecimientos:
A mi familia sin cuyo apoyo los resultados no hubieran sido iguales.
A mi novia por su ayuda incondicional.
A todo el Departamento de Ingeniería Mecánica.
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RESUMEN
En este trabajo se hicieron los estudios necesarios para implementar un sistema
que permitiera ver el flujo de aire alrededor de un cuerpo localizado en la zona de pruebas
del túnel de viento TIVM 460-30-3.6 del Departamento de Ingeniería Mecánica de la
Universidad de Los Andes.
La visualización de flujo aplicada a este túnel de viento de baja velocidad se hizo en tres
grandes etapas:
La primera consistió en investigar las diferentes maneras de producir el humo que pudiera
ser utilizado para tal efecto, buscando características de poca o ninguna toxicidad, baja
viscosidad para poder dirigirlo por tubería, pocos residuos, etc. Y probarlos cada uno en el
túnel de viento para poder ver su comportamiento en tuberías y sometidos a fuertes
aceleraciones. Para ello se analizaron tres opciones que fueron el hielo seco, el humo
pirotécnico y el humo comercial.
En segunda instancia se implementó un sistema que permitiera dirigir el humo escogido
dentro de la zona de pruebas del túnel de viento.
Por último, se realizaron pruebas de visualización con ayuda de perfiles utilizados en
trabajos anteriores para obtener una colección de fotografías y de videos en donde se
pueden ver los principales fenómenos aerodinámicos como entrada en pérdida, vórtices y
demás, para poder comparar varios perfiles.
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CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN 0
1. OBJETIVOS 2
1.1 OBJETIVOS GENERALES 2
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2
2. MARCO TEÓRICO 3
2.1 NÚMERO DE REYNOLDS 3
2.2 LA CAPA LÍMITE 4
2.3 PERFILES AERODINÁMICOS 4
2.4 ENTRADA EN PÉRDIDA 4
2.5 FLUJO EN TUBERÍA 5
2.5.1 FLUJO LAMINAR 6
2.5.2 FLUJO TURBULENTO 6
2.6 PROPIEDADES FÍSICAS DE VARIAS OPCIONES EN HUMOS 8
2.6.1 HIELO SECO 8
2.6.2 PIROTÉCNICOS 11
2.6.3 HUMOS COMERCIALES 12
2.6.3.1 EL INTERCAMBIADOR DE CALOR 13
2.6.3.2 LA BOMBA 13
2.6.3.3 CONTROL 14
3. INSTRUMENTACIÓN 15
3.1 TÚNEL DE VIENTO 15
4. INVESTIGACIÓN EN HUMOS 17
4.1 HIELO SECO 17
4.2 PIROTÉCNICOS 19
4.3 HUMO COMERCIAL 21
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5. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA 24
5.1 ELABORACIÓN DEL MARCO 24
5.2 TUBERÍA 26
5.3 FOTOGRAFÍA 32
6. ARCHIVO FOTOGRÁFICO 34
6.1 PLACA PLANA 34
6.2 PERFIL GOTTINGER 417 A 35
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 37
8. ANEXOS 38
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LISTA DE FIGURAS
Pág
FIGURA 1. VISUALIZACIÓN DE FLUJO AYUDADA POR COMPUTADOR. 1
FIGURA 2. VISUALIZACIÓN DE FLUJO AYUDADA POR COMPUTADOR. 1
FIGURA 3. PERFILES AERODINÁMICOS. 5
FIGURA 4. FLUJO A LA ENTRADA DE UN TUBO. 6
FIGURA 5. DIAGRAMA DE MOODY. 7
FIGURA 6. FACTORES DE FRICCIÓN EN CAMBIOS DE DIÁMETRO 8
FIGURA 7. DIAGRAMAS DE FASE DEL AGUA Y DEL CO2 9
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LISTA DE TABLAS
PÁG.
TABLA 1. PROPIEDADES FÍSICAS DEL CO2 11
TABLA 2. CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR DEL TÚNEL DE VIENTO 15
TABLA 3. CARACTERÍSTICAS DEL EXTRACTOR DE GASES 15
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LISTA DE FOTOGRAFÍAS
PÁG
FOTO 1. HIELO SECO A VARIAS TEMPERATURAS 9
FOTO 2. VARIADOR Y CAJA DE CONTROL DEL TÚNEL DE VIENTO 16
FOTO 3. EMBUDO PLÁSTICO 17
FOTO 4. EXTRACCIÓN DEL HUMO 18
FOTO 5. HUMO DEL HIELO SECO CON SALIDA DE 1 IN 18
FOTO 6. BOMBA DE HUMO PIROTÉCNICO 19
FOTO 7. HUMO PIROTÉCNICO BLANCO 19
FOTO 8. HUMO PIROTÉCNICO NARANJA 19
FOTO 9. VENTILADOR CONTAMINADO 20
FOTO 10. VENTILADOR CONTAMINADO 20
FOTO 11. VENTILADOR CONTAMINADO 20
FOTO 12. EMBUDO CONTAMINADO 21
FOTO 13. EMBUDO CONTAMINADO 21
FOTO 14. MÁQUINA COMERCIAL 22
FOTO 15. ESTRUCTURA INTERNA MÁQUINA COMERCIAL 22
FOTO 16. ESTRUCTURA INTERNA MÁQUINA COMERCIAL ADQUIRIDA 23
FOTO 17. MARCO FABRICADO CON MÁQUINA MONTADA 25
FOTO 18. MEDICIÓN DE TEMPERATURA DE LA BOQUILLA 26
FOTO 19. MONTAJE COMPLETO 27
FOTO 20. PRIMEROS RESULTADOS 28
FOTO 21. MONTAJE EN ZONA DE PRUEBAS ABIERTA 28
FOTO 22. VISUALIZACIÓN DEL AIRE ENTRANDO A LA ZONA DE PRUEBAS 29
FOTO 23. CONEXIÓN DE LA TUBERÍA 30
FOTO 24. SALIDA DEL HUMO Y CONDENSACIÓN 31
FOTO 25. PRIMERAS VISUALIZACIONES EN EL TÚNEL 31
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FOTO 26. SOPORTE PARA LOS PERFILES 32
FOTO 27. MONTAJE COMPLETO 33
FOTO 28. PLACA PLANA α=0, F= 20HZ 34
FOTO 29. PLACA PLANA α=15, F = 20 HZ 34
FOTO 30. DETALLE BORDE DE ATAQUE 34
FOTO 31. DETALLE BORDE DE FUGA 34
FOTO 32. PERFIL GOTTINGER 417 A α=0, F= 20HZ 35
FOTO 33. PERFIL GOTTINGER 417 A α=-15, F= 20HZ 35
FOTO 34. PERFIL GOTTINGER 417 A α=-15, F= 20HZ 36
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LISTA DE ANEXOS
Anexo 1. Manual de instrucciones Fogstorm 700
Anexo 2. Reporte de toxicidad del Líquido de Humo
Anexo 3. Calibración del túnel de viento y números de Reynolds.
Anexo 4. Relación de costos
Anexo 5. CD con videos 1, 2 y 3
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SÍMBOLOS UTILIZADOS
L = Fuerza de sustentación (Lift).
D = Fuerza de arrastre (Drag).
Cl = Coeficiente de sustentación.
Cd = Coeficiente de arrastre.
Cp = Coeficiente de presión.
c = Cuerda.
M = Número de Mach.
Re = Número de Reynolds.
L0 = Longitud.
D0 = Diámetro.
K = Factor de fricción.
hf = Perdida de cabeza.
P = Presión.
ε = Rugosidad.
α = Ángulo de ataque.
τ = Esfuerzo cortante.
ν = Viscosidad cinemática.
µ = Viscosidad dinámica.
ρ = Densidad.
V = Velocidad del flujo.
Fv = Fuerzas inerciales.
Fx = Fuerzas viscosas.
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INTRODUCCIÓN
El túnel de viento ha sido desde los principios de la aeronáutica, hace ya 100 años,
una herramienta fundamental en el estudio de la aerodinámica.
Gracias a los estudios realizados en él, se han podido diseñar aviones que vuelen más
lejos, vehículos terrestres que consumen menos combustible y viajan más rápido, altos
edificios y puentes que resisten más las cargas que el viento ejerce sobre ellos e incluso
ha mejorado el rendimiento en deportes como el automovilismo o el ski.
Sin embargo, un túnel de viento no sirve de nada si no se tienen los instrumentos
necesarios para hacer unas buenas mediciones y observaciones; poder medir las fuerzas
aerodinámicas de arrastre y sustentación con la ayuda de balanzas aerodinámicas es de
gran utilidad.
En la Universidad de Los Andes ya se han realizados estos experimentos con buenos
resultados en el túnel de viento TIVM 460-30-3.6, cuyo diseño y construcción estuvo a
cargo del ingeniero Jaime Luis Ramírez en su proyecto de grado titulado “Diseño y
Construcción de un Túnel de Viento de Baja Velocidad” cuando optaba por el titulo de
Ingeniero Mecánico. Varias modificaciones y reparaciones se han hecho desde entonces
y han permitido buenas mediciones.
También es de gran importancia poder ver que es lo que sucede alrededor del cuerpo que
se está analizando para así aplicarlo a diferentes opciones: obtener una primera
impresión del flujo de aire alrededor de un modelo a escala o de un prototipo sin la
necesidad de hacer cálculos, servir como inspiración para el desarrollo de nuevas y
mejores teorías en dinámica de fluidos o verificar una teoría o un modelo.
La visualización de este flujo de aire es complicada simplemente porque el aire es
invisible, se debe establecer entonces qué es lo que se quiere observar, si el flujo sobre la
superficie del cuerpo o alrededor de él, y para cada necesidad hay varias opciones.
Para la primera se usan pequeños filamentos o “tufts” adheridos a la superficie en prueba
y para la segunda existe una gran cantidad de posibilidades desde las más simples hasta
las que involucran luz ultravioleta y rayos láser.
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Entre los simples y más populares se sitúa la visualización con humo que es el propósito
de este trabajo.
El desarrollo de la visualización con humo ha sido importante en el sentido en que se
buscan humos no tóxicos, muy densos y que no se disipen cuando se aceleran. Para este
caso se han examinado por lo menos tres formas diferentes de producir humo que
incluyen el hielo seco, los humos pirotécnicos y los humos “comerciales”. Cada uno trae
sus ventajas y desventajas como lo veremos más adelante.
La visualización de flujo se ha desarrollado al punto de poderlo hacer mediante el uso de
poderosos computadores o CAV (por sus iniciales en inglés Computer Aided
Visualization) que han llevado este estudio un paso más allá, algunas de las imágenes
obtenidas se pueden ver a continuación.
Figura 1. Visualización ayudada por computador
Figura 2. Visualización ayudada por computador
FLUID FLOW VISUALIZATION Frits H. Post, Theo van Walsum Delft University of Technology, The Netherlands* Published in: Focus on Scientific Visualization, H. Hagen, H. Müller, G.M. Nielson (eds.), Springer Verlag, Berlin, 1993, pp. 1-40 (ISBN 3-540-54940-4)
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1. Objetivos
1.1 Objetivos generales
El objetivo principal de este trabajo era hacer la investigación y posteriormente la
implementación de un sistema que, por medio de humo, permitiera la visualización del
flujo de aire sobre una superficie como un perfil aerodinámico, todo esto trabajando en el
túnel de viento de la Universidad referenciado como el TVIM: 460-30-3.6.
1.2 Objetivos específicos
Para cumplir el objetivo general es necesario hacer una investigación de las
maneras más comunes de producir humo, buscando buenas características de densidad y
de poca o ninguna toxicidad.
Luego de obtener la mejor opción es necesario el diseño de un sistema que
permita la introducción de este humo de una manera controlada a la zona de pruebas del
túnel de viento.
Construir e implementar el sistema diseñado anteriormente.
Lograr unas muestras fotográficas y en video de lo que puede llegar a observar
con el sistema operando por completo.
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2. MARCO TEÓRICO
El marco teórico que necesita este trabajo incluye el número de Reynolds, el concepto de
capa límite, el funcionamiento de los perfiles aerodinámicos y la entrada en pérdida, el
flujo por tuberías y finalmente las características físicas de los diferentes humos.
2.1 Número de Reynolds.
El número de Reynolds proviene del estudio adimensional de la relación entre las
fuerzas inerciales de un fluido alrededor de un cuerpo y las fuerzas viscosas del mismo.
Gracias al teorema de PI-Buckingham, se relacionan estas dos magnitudes, y el resultado
es un número sin dimensiones físicas que muestra el comportamiento de un flujo a cierta
velocidad sobre cierta geometría.
Las fuerzas inerciales requeridas para acelerar una unidad de volumen, de un flujo
estacionario, desde un punto donde la velocidad es U a uno donde sea UU ∂+ es:
xUUFx∂∂
= **ρ
De la misma manera, la fuerza viscosa neta en cualquier lugar se deriva de la ley de flujo
viscoso de Newton, ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
=yUµτ donde τ es el esfuerzo cortante en el fluido, µ es la
viscosidad y el último factor es la variación de la velocidad con respecto a una altura y.
2
2
*yU
yFv
∂∂
=∂∂
= µλ
Siendo estas las dos fuerzas, el número de Reynolds es la división de éstas dos
cantidades y se calcula de la siguiente manera:
µρ
µ
ρ
µ
ρ DV
DVD
V
yU
xUU
FvFx **
*
*
*
**Re
2
2
2
2 ==
∂∂
∂∂
==
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2.2 La Capa Límite.
Cuando un fluido pasa alrededor de un cuerpo, una delgada capa de éste se
mantiene pegada al cuerpo y es un lugar en donde predominan las fuerzas viscosas, lo
que lleva a una separación del flujo.
Poder controlar la dimensión de esta capa límite puede llevar a una disminución
significativa del arrastre (fuerza aerodinámica) generada por la presión alrededor del
cuerpo y a su vez aumenta el generado por la viscosidad. Al separarse la capa límite del
cuerpo lo que se generan son vórtices alrededor del cuerpo y producen una pérdida
significativa en la fuerza de sustentación y un aumento dramático en el arrastre. A bajas
velocidades del fluido y bajo número de Reynolds la separación de la capa límite sucede
muy rápidamente generando un arrastre mayor al que se obtendría a velocidades mucho
más altas, es por esto que el estudio de perfiles a bajo número de Reynolds difiere tanto
de los que se hacen a uno elevado. En este caso, se trabaja con número de Reynolds
bajos (menores a 100.000), por lo que la visualización de este fenómeno cobra mucha
importancia.
2.3 Perfiles Aerodinámicos
Es también de suma importancia conocer los términos que se utilizan al hablar de
perfiles aerodinámicos que expondremos a continuación ya que nos permiten ubicarnos
espacialmente sobre ellos.
Se le llama borde de ataque (Leading Edge) al que enfrenta el fluido, por lo tanto es la
primera parte del perfil que recibe el flujo, el borde final del perfil se conoce como borde
de fuga (Training Edge) y es por donde “sale” el flujo. La cuerda (Chord) es la línea recta
que une estos dos puntos.
La línea de curvatura media (Mean Camber Line) es aquella que una los puntos medios
entre la superficie superior e inferior del perfil. La curvatura (Camber) es la distancia
máxima entre la cuerda y la línea de curvatura media, medida perpendicularmente desde
la cuerda.
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Sustentación (Lift) es la fuerza aerodinámica resultante que es perpendicular al la
velocidad del fluido y el arrastre (Drag) es aquella es paralela a la velocidad del fluido.
El ángulo de ataque (α) es al ángulo que se forma entre la velocidad del fluido, y la
cuerda.
Para ilustrar mejor estas definiciones se exponen en la figura siguiente.
Figura 3. Perfiles aerodinámicos
2.4 Entrada en pérdida
Como se dijo anteriormente, en el momento en que la capa límite se separa del
cuerpo, aumenta el arrastre y disminuye la sustentación.
Esto sucede, dependiendo del número de Reynolds entre 16 y 20 grados de ángulo de
ataque que reduce la circulación y se dice que el perfil entre en pérdida.
A bajos números de Reynolds, esta separación de la capa límite sucede muy cercana al
borde de ataque y lo que se vería sería una zona por donde no fluye el fluido o donde
aparecen vórtices.
2.5 Flujo en tubería
Las fuerzas que actúan en un fluido que fluye por una tubería y llenando por
completo un tubo horizontal son la inercia, la viscosa, la presión y la elástica. Siendo ε la
rugosidad superficial del tubo, ya sea por análisis de similitud o dimensional se llega
a: )/,/,(Re, 000 DDLMfC p ε= que para fluidos incompresibles se puede escribir
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como:22
22 VKVCp p ρ
==∆ donde K es el factor de fricción dado
por )/,/(Re, 000 DDLfK ε= y ε/D0 es la rugosidad relativa del tubo.
La caída de presión o de cabeza se puede expresar como g
KVphf 2
2
=∆
=γ
;
en la práctica se utiliza el factor de fricción f, definido como f0
0
LKD
= ó
g
VDfL
gKVhf 22
2
0
02
== en donde )/(Re, 0Dff ε=
A la entrada de una tubería, el flujo se comporta como se muestra a continuación:
Figura 4. Flujo a la entrada de un tubo
2.5.1 Flujo Laminar
En este tipo de flujo, la resistencia es debido solo a las fuerzas viscosas asi que es
independiente de la rugosidad relativa y aplicando esto a la ecuación de movimiento, el
factor de fricción se convierte en Re64
=f .
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2.5.2 Flujo Turbulento
Cuando el número de Reynolds es superior a 4.000 el factor de fricción se calcula
con la ecuación de Colebrook:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−=
fD
f Re/51.2
7.3/
log21 010
ε
El resultado de graficar esta ecuación es el gráfico de Moody y al analizar esta ecuación
se determina que si la rugosidad relativa tiende a cero (0) el factor de fricción depende
solo del número de Reynolds. Se le llama a un tubo liso, aquel cuya relación (ε/D)/3.7 es
pequeña en comparación con 2.51/(Re *√f). Por otro lado, si 2.51/(Re *√f) tiende a cero, el
factor de fricción depende de la rugosidad relativa, y se la llama a éste un tubo rugoso.
Para el caso del cobre que trataremos más adelante, la rugosidad superficial de un tubo
comercial, limpio y nuevo la rugosidad está tabulada como de 1.524*10-6 m.1
Figura 5. Diagrama de Moody
http://www1.ceit.es/asignaturas/heattransf/Figura%208.3.pdf
1 Tomado de “Pipe Friction Manual”, Hydraulic Institute, 3rd ed., 1961
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Los factores de resistencia al flujo dados por codos, ampliaciones o reducciones están
tabulados y se muestran a continuación:
Figura 6. Factores de fricción en cambios de diámetro
Marks´ Standard Handbook for Mechanical Engineers” 10th Ed. Avallone, Baumeister III. 1996
2.6 Propiedades Físicas de Varias Opciones en Humos 2.6.1. Hielo Seco
La primera forma de producir humo que se utilizó fue la del hielo seco, que no es
otra cosa que dióxido de carbono solidificado, es decir a altas presiones y a muy bajas
temperaturas.
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La característica más importante de este elemento es su capacidad de sublimarse, es
decir pasar de sólido a gas directamente, a presión y temperatura atmosféricas. Esta se
puede ver claramente examinando detalladamente la siguiente figura en donde se ven los
diagramas de fase tanto del agua como del CO2 respectivamente.
Figura 7. Diagramas de fase del agua y del CO2
http://onsager.bd.psu.edu/~jircitano/phase.html
Vemos entonces que el punto triple del CO2 se encuentra a 5.1 atm y -56.6ºC y por debajo
de esta temperatura y presión, el sólido pasará directamente a su estado gaseoso
creando un humo blanco muy denso, más que el aire, que lo hace quedarse en la parte
baja del recipiente que lo contiene.
Podemos ver esto en la siguiente fotografía:
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Foto 1. Hielo seco a varias temperaturas
La cantidad de humo que se produce, es decir, la cantidad de sólido que se sublima es
proporcional a la temperatura del medio en que se encuentra, es por esto que se calienta
agua y en ella se introduce el hielo. Podemos ver este efecto claramente en la fotografía
anterior; los tres vasos que se encuentran en el primer plano, de izquierda a derecha cada
vez agua más caliente, vemos como en el tercer vaso, la cantidad de humo formado es
mayos que en los dos primeros. En la olla que se encuentra al fondo, el agua es aun más
caliente (punto de ebullición a la altura de Bogotá) y se ve claramente como el humo se
desborda de esta.
El hielo seco tiene varias características que lo hacen especial, primero abordemos el
tema de la seguridad:
En primera instancia es importante no tener un contacto prolongado con la piel ya que su
extremadamente baja temperatura (-78.5ºC ó -109.3ºF) producirían quemaduras graves
en la piel, por lo mismo no es apto para la ingestión y es necesario el uso de guantes
gruesos como en cuero o carnaza.
Otro punto importante es la ventilación necesaria, el aire que respiramos es nitrógeno en
un 78%, un 21% es oxígeno y solamente el 0.035% es dióxido de Carbono (CO2), se ha
comprobado que si este valor aumenta a un 5% este gas es tóxico e incluso, en
concentraciones mayores y prolongadas, puede llegar a ser mortal. Por lo tanto es muy
importante tener un sitio bien ventilado para poder manipularlo, además hay que recordar
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que este gas en más pesado que el aire, entonces es importante tener en el sitio unos
“sifones o desagües” por donde pueda evacuarse el gas.
En cuanto al almacenamiento, es importante tenerlo lo más aislado térmicamente posible
del exterior, ya que como vimos, su tasa de sublimación depende de la temperatura del
ambiente. Por lo tanto se recomienda guardarlo en una nevera de icopor e introducir esta
ya sea en la nevera o el congelador hasta el momento en que se vaya a usar; esto no
detendrá la sublimación pero si la hará mucho más lenta.
En cuanto a las propiedades físicas del hielo seco, las podemos resumir en la siguiente
tabla:
Tabla 1. Propiedades físicas del CO2 PROPIEDADES FÍSICAS
Densidad Crítica 28.9855 lb/ft³ (464.3 kg/m3)
Presión Crítica 1066.3 psia (7.3519 MPa)
Temperatura Crítica 87.8°F (31ºC)
Densidad del Gas 0.1234 lb/ft³@32°F (1.9767 kg/m3 @ 0ºC)
Densidad del Líquido 63.69 lb/ft³@0°F (1020.216 kg/m3 @ -17.7ºC)
Calor Latente de Vaporización 241 Btu/lb @ 0°F (560.19 J/kg)
Peso molecular 44.004
Temperatura de Sublimación -109.3°F ó -78.5°C
Solubilidad en Agua 79ft³ CO2 gas/ft³ (con H2O @ 32°F)
2.23 m3 CO2 gas / m3 H2O @ 0ºC
Punto Triple -69°F (-56.11ºC) 75.1 psia (517.8 kPa)
Viscosidad del Gas 0.015 Cp @32°F (0.015 mPa.s @ 0ºC)
Viscosidad del Líquido 0.14 Cp @ 0°F (0.15 mPa.s @ -17.7ºC)
Formula Química CO2
Familia Química Inorgánico
Sublimación Una libra de Hielo Seco se sublima en 8.3 pies cúbicos de gas
carbónico, 10% cada 24 horas aproximadamente
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2.6.2 Pirotécnicos
La pirotecnia fue la segunda opción que se consideró al momento de generar
humo para visualizar el flujo en el túnel de viento de la Universidad. Para esto se buscó la
posible composición de una mezcla que al agregarle energía produjera una buena
cantidad de humo y lo más importante de todo, que no fuera tóxico.
La palabra pirotecnia significa “Ciencia del Fuego” y en principio cubre todos los químicos
que se queman para producir una explosión, fuego, luz, color, ruido o humo. Luego de
esta primera definición se hace una siguiente división entre explosivos, fuegos artificiales
y pirotécnicos; los primeros son para producir explosiones y los segundos se usan a
manera de entretenimiento y los terceros crean fuego, luz, humo, calor pero no
explosiones entre ellos se cuentan las granadas de humo, los fósforos. Por obvias
razones, utilizaremos los terceros.
La gran mayoría de los pirotécnicos y algunos explosivos funcionan por procesos de
combustión en los cuales se combinan un combustible, oxígeno y calor para obtener
ciertos productos (calor, luz, humo o gas). Se pueden iniciar por diferentes medios entre
los que se incluyen llama directa, fricción, impacto, shock eléctrico, alta temperatura
ambiente o incluso por rayo láser.
La pólvora negra es uno de los principales productores de humo. Es además la forma más
antigua de pirotecnia y se remonta al imperio Chino hace más de mil años. Sus primeras
composiciones eran de partes másicas iguales de carbón, azufre y nitrato de potasio
(KNO3). Posteriormente se optimizaron estas cantidades y ahora estas proporciones son
del 15:10:75 en peso, respectivamente. El principal problema es que es un explosivo, y
que se puede iniciar fácilmente con fuego directo o chispa. Aunque sus componentes
sean baratos, abundantes no tóxicos y ambientalmente seguros, el peligro de una
explosión en el laboratorio de la Universidad no se debe ni siquiera contemplar.
Otra opción para crear humo es el fósforo, uno de los principales constituyentes de los
fósforos. Lo hay de dos formas, “rojo” y “blanco” dependiendo de la forma de su
organización molecular; el blanco tiene una organización tetrahedral formada por cuatro
átomos y es el que se usa principalmente para la creación de humo. Sin embargo, se
debe manipular con extrema precaución ya que se enciende a temperatura ambiente.
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Maneras adicionales de crear humo es con azúcar pulverizada mezclada con un oxidante
como cloruro de potasio y existe la posibilidad de agregar color a esta mezcla, y generar
humo de colores.
2.6.3 Humos Comerciales
Llamaremos en este trabajo, “humo comercial” aquel se hace por medio de
glicerina, y otros aceites minerales mezclados con agua a los que se les calienta y pasa a
presión por una boquilla que vaporiza el líquido. Se le llama comercial porque es
vástamente utilizado en espectáculos artísticos, discotecas y demás, por lo que es fácil la
consecución de estos productos en el mercado.
Ya que el proceso es relativamente sencillo se puede, aunque no es muy recomendable,
fabricar caseramente un sistema de éstos; el líquido no sería más que una mezcla de
glicerina y agua destilada que en diferentes proporciones crea diferentes efectos.
Ya vimos las partes fundamentales del proceso, ahora veamos una por una cómo
funciona una máquina comercial de humo.
Estas máquinas de humo constan de varios subsistemas que pueden variar entre una
máquina y otra, pero los principales son:
∗ Intercambiador de calor
∗ Bomba
∗ Sistema de control
2.6.3.1 Intercambiador de Calor.
Los intercambiadores de calor varían de un fabricante a otro y sus características
de materiales y recorrido del fluido, así como su potencia hacen más difícil su elección. En
cuanto a materiales se refiere, el más utilizado es el aluminio por sus características de
costo, factor de conductividad térmica, facilidad de manufactura, etc. El aluminio se
calienta rápido pero también se enfría rápido y el resultado son grandes expulsiones de
humo por cortos periodos de tiempo.
También se utiliza acero aleado con níquel, que ofrece un periodo de tiempo de expulsión
más largo por lo que se demora más en enfriarse; pero también más en calentarse.
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La potencia requerida por el intercambiador es la que generalmente citan los
manufactureros para vender sus máquinas y aunque es muy importante, no es la principal
especificación que se debe tener en cuenta para la adquisición de un sistema de éstos.
La importancia de la buena fabricación y escogencia del intercambiador de calor radica en
que si nos es lo suficientemente potente, el líquido no se calentará lo suficiente y el
resultado será que no se alcanza a vaporizar el líquido y éste sale por la boquilla. Por el
contrario, si el intercambiador calienta demasiado la mezcla, ésta puede llegar a
quemarse y cambiar sus propiedades hasta poder cambiar su composición química y
alterar su toxicidad. Para esto es necesario controlar la temperatura y se hace por medio
de un termostato.
2.6.3.2 Bomba.
La bomba es la encargada de llevar y pasar el líquido por el intercambiador de
calor y por eso debe estar especificada correctamente para cumplir su misión. Si la
bomba no hace pasar lo suficiente o si por el contrario pasa mucho líquido, los resultados
no van a ser los óptimos.
Dependiendo del uso que se la vaya a dar al humo, las bombas varían en un gran rango
de posibilidades; que van desde pequeñas bombas de pistón como las utilizadas en los
limpiaparabrisas de los automóviles hasta bombas industriales de diafragma operadas por
medio de aire comprimido que pueden pasar el líquido por varios intercambiadores de
calor al tiempo e incluso bombas peristálticas a las que se puede controlar la velocidad
del flujo.
2.6.3.3 Control
Existen innumerables formas de controlar la salida del humo por la boquilla. Las
hay desde manuales, en donde se hace por medio de una jeringa hasta automáticas en
donde se puede programar el tiempo y la cantidad de humo necesario.
Las primeras usan en vez de bomba, una jeringa donde se introduce el líquido y cuando el
intercambiador está en la temperatura óptima, la presión en la jeringa, determinará la
cantidad de humo que sale por la boquilla.
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15
3. INSTRUMENTACIÓN
3.1 Túnel de viento TVIM: 460-30-3.6
El túnel de viento de baja velocidad de la Universidad de los Andes fue construido
en el año 2001 por el entonces estudiante de Ingeniería mecánica Mauricio Acevedo, en
su trabajo de grado titulado “Puesta en marcha del Túnel de Viento de Baja Velocidad
TVIM: 460-30-3.6”. La referencia del túnel quiere decir Túnel de Viento Ingeniería
Mecánica 460 por la medida en milímetros del diámetro de la sección de pruebas, 30 por
la velocidad máxima del flujo de aire en la zona de pruebas en metros por segundo y 3.6
por la potencia del motor.
A través de los años este ha venido siendo modificado y estudiado ampliamente como en
el proyecto de grado del ingeniero Augusto José Amaya López titulado “Instrumentación y
estudio del túnel de viento de baja velocidad TIVM 460-30-3.6”, posteriormente se
reemplazaron las aspas del rotor por unas de un extractor industrial de gases pero sin
reemplazar el motor con las siguientes características técnicas.
Tabla 2. Características del motor del túnel de viento
Marca Tipo Polos Rpm
SIEMENS Trifásico
220/440V
4 1800
Las características de extractor industrial se relacionan a continuación.
Tabla 3. Características del extractor de gases
REFERENCIA DIAMETRO
(mm) CAUDAL
(m3/s) POTENCIA
(KW) INTENSIDAD
(A) PESO (Kg.)
2CC1 714 - 5YB6 710 8,37 3,58 14(220V) -
7(440V) 46
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16
Puesto que la parte aerodinámica del rotor fue cambiada por completo, las
especificaciones técnicas del túnel también cambiaron, y se debieron hacer nuevas
mediciones de la velocidad del viento2.
La operación del túnel es sencilla; todo funciona con un variador de velocidad que asocia
una frecuencia a la velocidad angular del eje del motor. A continuación se vé una foto de
la caja de control del túnel.
Foto 2. Variador y caja de control del túnel de viento
2 Ver anexo 3, Calibración del túnel de viento y números de Reynolds
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17
4. INVESTIGACIÓN EN HUMOS
4.1 Hielo seco
Teniendo a mano todas las características del hielo seco, se debe pensar
entonces en una forma para llevar este humo dentro de la zona de pruebas del túnel, para
ello se pensó en una técnica que se utiliza extensamente en escenas teatrales que
consiste en dirigir el humo por una manguera impulsado por un pequeño ventilador, para
lo que se adquirió un ventilador de computador de 12V y 0.09 A, con 2.5 cm de ancho y
un diámetro de 7.5 cm de cual se le acopló un embudo del mismo diámetro con una salida
de 1.5 cm y un largo total de 9 cm.
Foto 3. Embudo plástico
A la salida del embudo, se instalaron varios tubos endotraqueales de 7.5 mm de diámetro
con el fin de dirigir con estos el humo hacia la zona de pruebas. Sin embargo estas
pruebas fueron infructuosas ya que:
∗ La presión con que se empujaba el humo dentro de la tubería no era muy
grande
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18
∗ La relación de reducción del embudo era muy grande, del orden de 5, valor tan
grande que ni siquiera aparecen datos sobre el factor de fricción (K) que debe
ser mayor de 0.453
∗ Las pérdidas de presión son muy grandes dentro de un tubo tan pequeño, que
sumado a la poca o nula presión que se estaba ejerciendo sobre el humo
solamente lograban agitar el humo sin alcanzar a introducirlo por el tubo
endotraqueal.
Para solucionar estos inconvenientes, se decidió aumentar la potencia del ventilador, para
cual se utilizó un secador comercial de pelo de 1500 Watts al que se le acopló una
manguera corrugada de una pulgada de diámetro y con este si se consiguió dirigir el
humo hacia donde se quería. En las siguientes fotografías vemos cómo se dirige el humo
a través de la manguera corrugada y en la segunda, el contraste del humo con un fondo
negro.
Foto 4. Extracción del humo Foto 5. Humo del hielo seco con salida de 1 in
Es importante recalcar que el secador que se utilizó, no debía tener elementos que
calentaran el aire que sale por la boca ya que cambiaría las propiedades del humo y se
disiparía más rápidamente.
3 “Marks´ Standard Handbook for Mechanical Engineers” 10th Ed. Avallone, Baumeister III. 1996 pág 3-51
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19
4.2 Pirotécnicos
Pequeñas bombas de humo con estas características se consiguieron en el mercado; se
trata de esferas de unos tres centímetros de diámetro con una mecha que al consumirse
produce un denso humo de varios colores.
Foto 6. Bomba de humo pirotécnico
Al alumbrar la mecha, tenemos seis segundos de generación continua de humo que como
ya se mencionó anteriormente, se puede obtener hasta con colores; las siguientes
fotografías muestra una bomba de humo de color blanco y una de color naranja.
Foto 7. Humo pirotécnico blanco Foto 8. Humo pirotécnico naranja
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20
Una vez obtenidas las granadas de humo, se decidió utilizar la misma técnica que con el
hielo seco para llevar el humo hasta la zona de pruebas del túnel de viento, es decir con
ventilador que lo impulsara.
Los resultados fueron iguales que anteriormente, la fricción contra las paredes del tubo
endotraqueal, y las perdidas de presión en el cuello del embudo, sólo permitían la salida
de una ínfima proporción de humo.
Sin embrago, un resultado interesante que arrojó este experimento fue la constatación de
la gran cantidad de depósitos sólidos que se posaron no solo sobre las paredes del
embudo sino también de las aspas del ventilador. A continuación vemos las fotografías de
los depósitos sólidos en el ventilador:
Foto 9. Ventilador contaminado Foto 10. Ventilador contaminado
Foto 11. Ventilador contaminado
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21
Además de la contaminación del ventilador, el embudo también sufrió una severa
contaminación, a continuación tenemos las fotografías.
Foto 12. Embudo contaminado
Foto 13. Embudo contaminado
Esta contaminación tan evidente, sumada al extremado mal olor producido por este
artefacto, fue lo que sin hacer más pruebas, sacó de la imagen la posibilidad de utilizar
este tipo de pirotécnicos en el túnel de viento de la Universidad.
4.3 Humo Comercial
Las primeras aproximaciones a este tipo de humo se hicieron con una máquina de
humo de fabricación nacional que en vez de bomba, utilizaba una jeringa para llevar el
líquido hacia el intercambiador de calor que no era más que una tubo de cobre enrollado
alrededor de unas resistencia eléctricas.
Con este sistema se obtuvieron buenos resultados en el túnel de viento ya que al ser
acelerado por el flujo, el humo no se disipaba y se mostraba constante a lo largo de todo
el túnel de viento.
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A continuación vemos la apariencia externa de la primera máquina de humo que se utilizó,
así como su estructura interna en la segunda fotografía.
Foto 14. Máquina comercial Foto 15. Estructura interna máquina comercial
Con esta máquina, se realizaron pruebas para saber si el humo que ésta producía,
podría ser visto en el túnel, y se demostró que era viable seguir investigando la posibilidad
de implementar un sistema de visualización de flujo por medio de este tipo de humo. En el
video numero 1 se ve como es introducido el humo por la parte de admisión del túnel de
viento, y se alcanza a ver como este pasa de un lado al otro de la zona de pruebas. Si
bien no parece ser un humo muy denso, hay que tener en cuenta las condiciones de luz
del momento; para el momento de tomar fotografías, la zona de pruebas del túnel de
viento debe ser oscurecida para poder ver bien el humo.
Se cotizaron varias máquinas de humo de diferentes constructores y se tomó la decisión
de adquirir una máquina marca AmericanDJ de referencia Fogstorm 700 de 700 vatios de
potencia del intercambiador de calor, las especificaciones y el manual de operación se
adjuntan en el anexo número 1.
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En la siguiente fotografía, se aprecia la estructura interna de la máquina. Se ve también el
control remoto que posee esta máquina que indica cuando esta lista para producir el
humo.
Foto 16. Estructura interna máquina comercial adquirida
Con la máquina lista, era el momento de iniciar la implementación de un sistema
que permitiera llevar el humo dentro de la zona de pruebas del túnel de viento.
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5. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA
Una vez adquirida la máquina AmericanDJ Fogstorm 700, era el momento para
adaptar esta al túnel de viento, para esto, se debía construir un marco que fuera capaz de
sostener tanto la máquina como la tubería que se utilizaría.
5.1 Elaboración del marco
Para lo anterior se midieron las zonas aledañas al túnel de viento y más específicamente
a la zona de prueba, lo que implicaría una longitud del túnel menor y por lo tanto menos
pérdidas de presión.
Al realizar estas mediciones, se encontró que todo el sistema debía caber en un
paralelepípedo de lados 130x70x100 en centímetros. En donde la longitud total de la zona
de pruebas es de 100 cm, la altura desde el piso hasta el tomacorriente es de 130 cm y la
distancia entre la pared y la zona de pruebas es de 70 cm.
Además de esto, para que el humo pudiera ser introducido a la zona de pruebas, se debía
medir la altura entre el piso y la parte superior de la misma que resultó ser de 113 ± 7 cm.
La poca precisión en esta medición es debida a la cantidad de arreglos por los que ha
pasado el túnel de viento y para alinear y poner vertical todo el sistema se han necesitado
pequeños tacos de madera.
Con estas medidas a la mano, se decidió hacer un marco en aluminio, que pudiera
contener la máquina de humo y sostener la tubería que llevaría el humo.
El marco tiene como medidas 30cm de ancho, 40 de largo y 120 de alto y en la parte más
alta, y gracias a las agarraderas que posee la máquina, se puede atornillar al marco, en la
siguiente fotografía se ve la estructura construida con la zona de admisión del túnel en el
fondo, lo que da una idea de su tamaño.
La uniones se hicieron con remaches de aluminio o remaches “pop”, el resultado es un
marco resistente y liviano con gran movilidad para poderlo aplicar a otras visualizaciones.
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25
Foto 17. Marco fabricado con máquina montada
Se utilizaron perfiles en L de una pulgada, lo que facilitaba el remachado y por la
naturaleza del material, su manufactura es sencilla y no se requirieron herramientas
diferentes a una segueta, lima y remachadora.
Por razones de estabilidad, se instalaron en la parte baja de la estructura, vigas a 45º
para crear estructuras triangulares que repartieran el peso de una manera.
Puesto que además del peso de la máquina, la estructura debía soportar el peso de la
tubería, se ubicó la máquina en uno de los extremos de la estructura con el fin de
balancear la estructura con el peso de los tubos.
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26
5.2 Sistema de tubería.
Como ya se dijo anteriormente, el humo sale vaporizado por una boquilla con
hueco diminuto, era entonces necesario modificar esto para poder dirigir el humo con la
menor cantidad de pérdidas posibles por lo que se instalaron varios acoples a esta
boquilla.
Primero, y puesto que la boquilla principal tiene una rosca macho, se buscó el acople
necesario para pasar de esta a una rosca macho de ¼ de pulgada, y de allí se conectaba
un tubo de cobre del mismo calibre.
Se utilizó tubo de cobre ya que las altas temperatura de la boquilla, con la que sale el
humo, sumado al confinamiento del mismo, calentaban demasiado la tubería; al punto que
la primera que se utilizó, tubería plástica para transporte de aire comprimido, fue
totalmente inoficiosa; la temperatura de la boquilla puede llegar a los 193ºC. Como se
aprecia en la fotografía.
Foto 18. Medición de temperatura de la boquilla
Sin embargo, cuando todo el montaje estuvo listo, las perdidas de presión eran tan
importantes que al accionar la máquina, el humo se volvía a condensar y lo único que
obteníamos a la salida, no era otra cosa que el líquido de humo que se le agrega a la
máquina.
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27
Luego de este primer fallo, se tomó la decisión de utilizar una tubería con un diámetro
más grande, y se notó que en el momento de no poner ningún acople entre la salida de la
máquina y la entrada del tubo, se tenían buenos resultados. Es de anotar que las paginas
de Internet consultadas, especializadas en humos recomiendan, si es necesario
redireccionar el flujo de humo, utilizar un diámetro mínimo de 4 pulgadas en PVC, es por
esto que debimos utilizar tubería en cobre (para resistir la alta temperatura).
Con tubo de ¾ de pulgada los resultados fueron excelentes y no solo se obtuvo que el
humo saliera por el otro costado, sino que se perforaron pequeños agujeros en un
costado del tubo y se vieron las primeras líneas de humo que se podían introducir a la
zona de pruebas del túnel de viento.
El sistema completo se ve de la siguiente manera:
Foto 19. Montaje completo
Los primeros resultados se pueden observar en la fotografía siguiente:
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Foto 20. Primeros resultados
Teniendo en cuenta las medidas de la zona de pruebas, y la distancia entre ésta y la zona
de pruebas, es necesario un metro de tubo de cobre, del cual 45 cm entran al túnel y el
resto lo dirige hacia él. En la siguiente fotografía, se ve el montaje con la zona de pruebas
abierta.
Foto 21. Montaje en zona de pruebas abierta
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Sin embargo, con un tubo de ¾ de pulgada dentro de la zona de pruebas, se modifica el
flujo y crea grandes turbulencias detrás de él por lo que veamos encima de los perfiles a
probar puede que no sean totalmente verídicos.
El número de Reynolds que se calculó para cada rango de velocidad para el tubo de ¾ de
pulgada varía entre 1200 y 16.0004 por lo que detrás de una forma circular, el flujo es
turbulento y la capa límite se ha separado.
Por esta razón se buscó disminuir el impacto de este fenómeno y se buscó utilizar tubería
de menor diámetro teniendo en cuenta que se debían equilibrar las pérdidas de presión y
la turbulencia causada en el túnel de viento.
Sin embargo las primeras visualizaciones se pudieron obtener con esta configuración: en
la siguiente fotografía se ve cómo entra el aire a la zona de pruebas cuando ésta se
encuentra abierta.
Foto 22. Visualización del aire entrando a la zona de pruebas
4 Ver anexo 2; calibración del túnel de viento y cálculos de Reynolds
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30
Para disminuir el efecto del tubo de ¾ repulgada, se buscó entonces hacer todo el
sistema en tubería de ½ pulgada; también se buscó la manera de hacer un acople que
permitiera pasar el humo directamente por la tubería y que además dejara la posibilidad
de enroscar una gran variedad de aditamentos en un futuro.
Con esto en mente se adquirieron los aditamentos necesarios para realizar esta conexión
que se ve en la siguiente fotografía.
Foto 23. Conexión de la tubería
Con este tubo de ½ pulgada, tenemos una buena salida de humo por el extremo aunque
las variaciones de presión hacen que la condensación del líquido sea importante, en la
siguiente foto vemos cómo sale el humo y además alcanzamos a ver algo de
condensación.
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5.3 Fotografía
El paso siguiente sería el acondicionamiento de la zona de pruebas para obtener
imágenes de gran calidad fotográfica; esto implica oscurecer la zona de pruebas con el fin
de crear un gran contraste para poder visualizar mejor el humo ya que con la luz del día
este se veía poco y se confundía con el fondo blanco de la pared.
Además de esto, era necesario iluminar sólo la parte interna de la zona de pruebas para
contrastar mejor el humo con el fondo negro.
Para esto, se recubrió la parte superior de ésta con cartulina negra a la que se le recortó
un círculo que permitiera la entrada de la luz artificial provista por una lámpara, que se
apuntó directamente sobre el perfil.
La luz artificial se debió utilizar ya que por el material en que está hecha la zona principal,
y como no se podía perforar ya que modificaría el flujo en la misma, el flash de la cámara
producía un reflejo tan importante que las fotografías obtenidas no mostraban ningún dato
relevante.
Además de esto para la grabación de video, era necesaria una fuente alterna de luz.
Los perfiles que se iban a estudiar se montaron en la base que ya existía de trabajos
anteriores, solamente se modificó el soporte sobre el que descansa el vástago vertical de
tal forma que pudiera estar todo el sistema dentro de la zona de pruebas y así evitar
agujeros que modificaran el flujo; para tal fin se construyó, con los perfiles en L, una forma
en H a la que se pudiera acoplar el vástago y que resistiera las fuerzas aerodinámicas
resultantes, los tres perfiles se unieron con soldadura epóxica. El soporte se muestra en la
fotografía siguiente.
Foto 26. Soporte para los perfiles
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El montaje completo se ve así.
Foto 27. Montaje completo
Con todo el montaje listo, se procedió a tomar varias fotografías y videos de distintos
perfiles a distintos ángulos de ataque y números de Reynolds y así obtener una buena
colección que permitiera comprobar datos numéricos experimentales.
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6. ARCHIVO FOTOGRÁFICO
6.1 Placa Plana
Foto 28. Placa plana α=0, f= 20Hz Foto 29. Placa plana α=15, f = 20 Hz
Foto 30. Detalle borde de ataque Foto 31. Detalle borde de fuga
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6.2 Perfil Gottinger 417 A
Foto 32. Perfil Gottinger 417 A α=0, f= 20Hz
Foto 33. Perfil Gottinger 417 A α=-15, f= 20Hz
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Foto 34. Perfil Gottinger 417 A α=-15, f= 20Hz
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7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El sistema diseñado para la visualización de flujo ha resultado conveniente para
los diferentes experimentos realizados en el laboratorio de Ingeniería mecánica y en
particular para ver como se separa el flujo a grandes ángulos de ataque a bajas
velocidades.
La toma de un archivo fotográfico puede llegar a ser muy extensa y se deben
planificar los diferentes experimentos a realizar; teniendo en cuenta que había 4 perfiles
diferentes, 30 ángulos de ataque y 55 diferentes velocidades del viento y por ende
números de Reynolds, la cantidad de experimentos puede superar los 6000.
Es de particular importancia el montaje que se debe hacer para tomar buenas
fotografías, es decir crear un medio contrastante y a la vez iluminar bien la zona de
pruebas y no olvidar eliminar el flash de la cámara ya que las paredes de la zona de
pruebas en plexiglás lo reflejan todo y no se alcanzan a obtener fotografías de calidad.
Para la toma de videos no es necesario modificar el montaje.
Es necesario para futuras pruebas, crear un sistema de extracción de aire en la
zona donde se encuentra el túnel de viento ya que al realizar estos experimentos, todo el
laboratorio resultaba lleno de humo que aunque no es tóxico, si es incómodo para el resto
de la gente que allí trabaja.
También es necesario encontrar una mejor forma de sujetar el modelo de prueba
ya que a altas velocidades de viento éste puede salir despedido hacia atrás y dañar las
aspas de la hélice.
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45
TALERO TOVAR, Alejandro. Perfiles alares a bajos números de Reynolds. 2003
http://onsager.bd.psu.edu/~jircitano/phase.html
http::/www.americandj.com
http::/www.dryiceinfo.com
http::/www.howstuffworks.com
http://www.polyfoam.com/dry_ice_makers.html
http://www.rombox.com/oz/dryice.html
http::/www.rosco.com
http://www.seal-fla.com/Eric_Fog/Eric_Fog.htm
http://chemistry.about.com/library/weekly/aa010603c.htm
http://www.vectorsite.net/ttpyro.html
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38
ANEXOS
Anexo 1. Manual de Instrucciones de la máquina de humo Fogstorm 700 Tomado de Americandj.com
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39
Anexo 2. Reporte de toxicidad del Líquido de Humo Tomado de Americandj.com
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Anexo 3. Calibración del túnel de viento y números de Reynolds.
Con ayuda del variador de velocidad en la caja de control del túnel de viento, se
fue aumentando la velocidad del viento, y con la ayuda de un anemómetro de turbina, se
midió la variación de la velocidad de la siguiente, manera:
∗ 20 segundos esperando la estabilización del flujo
∗ 20 segundos midiendo la velocidad máxima registrada
∗ 20 segundos midiendo la velocidad mínima registrada.
De esta manera se lograron obtener los siguientes resultados.
Frecuencia (Hz)
Vel Min (m/s)
Vel Max (m/s)
V Prom (m/s)
Re Tubo 3/4
Re Tubo 1/2
5 1,01 1,13 1,07 1217,326 792,8237 1,61 1,67 1,64 1865,809 1215,168
10 2,51 2,60 2,56 2906,794 1893,14213 3,12 3,42 3,27 3720,241 2422,92615 3,92 4,04 3,98 4527,999 2949,00517 4,38 4,57 4,48 5091,155 3315,77820 5,30 5,50 5,40 6143,517 4001,16223 5,89 6,19 6,04 6871,637 4475,37425 6,67 6,87 6,77 7702,150 5016,27227 7,23 7,49 7,36 8373,386 5453,43630 8,07 8,40 8,24 9368,863 6101,77233 9,10 9,51 9,31 10586,190 6894,59535 9,66 10,01 9,84 11189,164 7287,30237 9,92 10,31 10,12 11507,717 7494,77040 10,86 11,27 11,07 12588,521 8198,67843 11,85 12,31 12,08 13743,275 8950,74845 12,26 12,86 12,56 14289,365 9306,40747 12,80 13,42 13,11 14915,094 9713,93350 13,44 14,09 13,77 15660,279 10199,25953 13,34 14,16 13,75 15643,214 10188,14555 13,81 14,16 13,99 15910,571 10362,269
Con los resultados anteriores, se pudo calcular una velocidad promedio en la zona de
pruebas, y se realizó el siguiente gráfico.
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41
Relación entre la frecuencia del variador y la velocidad del viento
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
5 7 10 13 15 17 20 23 25 27 30 33 35 37 40 43 45 47 50 53 55
Frecuencia (Hz)
Velo
cida
d (m
/s)
Vel Min (m/s) Vel Max (m/s) V Prom (m/s)
En la tabla anterior, se ven también tabulados los cálculos del número de Reynolds
para la tubería de ¾ y ½ de pulgada, se observa la reducción de este número cuando se
usa la tubería más delgada, lo que diminuye el impacto del tubo en el flujo de aire en la
zona de pruebas.
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42
Anexo 4. Relación de Costos.
Descripción PrecioHielo Seco 5kg 16.000,0Hielo Seco 5kg 16.000,0Hielo Seco 3kg 13.000,0Bombas pirotécnicas 5.000,0Ventilador 3" 12V 16.000,0Adaptador AC/DC 16.000,0Perfiles Aluminio 72.000,0Acoples 7.800,0tubo cobre 1/4 4.000,0tubo cobre 3/4, codos 26.000,0Tubo cobre 1/2, codos 16.000,0Maquina 280.000,0Líquido (1 galón) 80.000,0Total con máquina 567.800,0Total sin máquina 207.800,0
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ANEXO 5. CD con videos 1, 2 y 3
Anexo a este documento se encuentra un CD con los videos 1, 2 y 3 que se
relacionan a continuación:
∗ El primer video muestra el paso del humo de una máquina comercial a través de la
zona de pruebas ingresando desde la zona de admisión del túnel; se ve claramente
éste aunque la zona de pruebas no esté acondicionada correctamente.
∗ El segundo video, muestra la visualización del flujo de aire con la zona de pruebas
completamente acondicionada. El experimento es con una placa plana a 15º de
ángulo de ataque y con una velocidad promedio de viento de 5.4 m/s.
∗ El tercer video muestra la visualización del flujo de aire sobre la misma placa plana
pero desde varios ángulos de cámara, especialmente el borde de fuga y el borde
de ataque.
• Be sure to save the packing carton in the unlikely event the unit may have to be returned for service
• Do not spill water or other liquids into or on to your fogger. Besure that all the fog fl uid is kept inside the fl uid reservoir
• Be sure that the local power outlet match that or the required voltage for your fog machine
• Do not remove the top cover under any conditions. There are nouser serviceable parts inside
• Disconnect the unit’s main power when left unused for long peri-ods of time
• Never connect this unit to a dimmer pack• Do not attempt to operate this unit, if it becomes damaged in anyway• Never operate this unit when it’s cover is removed• To reduce the risk of electrical shock or fi re, do not expose this
unit rain or moisture• Do not attempt to operate this unit if the power cord has been fray-
ed or broken. Do not attempt to remove or break off the groundprong from the electrical cord. This prong is used to reduce the risk of electrical shock and fi re in case of an internal short
• Disconnect from main power before making any type of connection• Never block the ventilation holes. Always be sure to mount this
unit in an area that will allow proper ventilation. Allow about 6” (15cm) between this device and a wall
• This unit is intended for indoor use only, use of this product out-doors voids all warranties
• Always mount this unit in a safe and stable matter• Please route your power cord out of the way of foot traffi c. Power
cords should be routed so they are not likely to be walked on, pinched by items placed upon or against them
• Cleaning -The fixture should be cleaned only as recommended bythe manufacturer. See page 7 for cleaning details
• The unit should only be serviced by qualified service personnel when:
A. The power-supply cord or the plug has been damaged. B. Objects have fallen, or liquid has been spilled into the unit. C. The unit has been exposed to rain or water. D. The appliance does not appear to operate normally or exhibits a marked change in performance.
Fog Storm™ Series Safety Precautions Fog Storm™ Series Description
©American DJ Supply® - Fog Storm™ Series Instruction Manual Page 3
The new Fog Storm™ Series fog machines included a revolutionary new heating element that has been specially designed to prevent excessive particle build up that can cause premature fogger failure. Each of the fog machines in this series include a wide-angle spray nozzle and long-life pump that was specially designed for high per-formance fogger output. Each of the fog machines also includes a 25 foot (eight meters) remote control, that may be removed for periods on non-use. An optional wireless remote control is also available from American DJ® for each of the fog machines and increases the func-tionality of the fogger greatly.
©American DJ Supply® - Fog Storm™ Series Instruction Manual Page 4
Fog Storm™ Series Set-Up
1. Open the shipping carton and carefully remove the unit from the shipping carton.
2. Be sure to remove all the packing material especially around the nozzle.
3. Set the fog machine on a flat dry surface. Locate the included bracket from the package and install it using the supplied hard-ware to the side casing. Note: The bracket is an optional accesso-ry and may not be used if desired, however if you intend to sus-pend the unit from truss the bracket must be used.
4. Remove the fluid reservoir and fill it with American DJ® branded fog juice only and replace the reservoir.
5. Place the feeder tube with the filter deep in side the reservoir and tighten the cap.
6. Firmly attache the remote control unit to the rear remote control socket on the unit.
7. Plug the unit in to a matching power supply. Wait approximately five minitues for the fogger to reach normal operating temperature.
8. Follow the operating instructions on the next page for proper operation.
Fog Storm™ Series Operating Instructions
Always be sure to maintain an adequate supply of American DJ® Brand Fog Juice™ in the fluid reservoir. Running the fog machine dry will cause pump failure and or clogging. This is the largest cause of failure in fog and haze machines. Only American Fog Juice™ is recommended and not all fog juice is created equal.
Remote Operation: The remote control comes connected to the fog machine but can be removed to access the 25 foot cord. Once the machine is plugged in and turned on, a red power L.E.D. on the remote will glow indicating the unit is receiving power. The unit has a warm up time of five (5) minutes. After the unit has warmed up, a GREEN L.E.D. on the remote will light indicating the unit is ready to emit fog. To emit fog, simply press the green button on the remote for desired length of time. If the GREEN L.E.D. is on and fog does not come out after holding the button down for 30 seconds, check the fluid tank and hose to make sure there is fluid going through the hose.
Optional Timer: You can also operate the fog output automatically by purchasing the optional timer remote. The timer function allows haze to be emitted at designated intervals. The remote has three (3) L.E.D.s that indicate different functions; The YELLOW L.E.D. will indicated the timer is turned on and is activated. The RED L.E.D. indi-cates power is on. The GREEN L.E.D. indicates fog output is avail-able. The remote also contains two rotary knobs. The Duration knob serves two functions 1) Turns the timer on and off. 2) Sets the timers duration (Length of fog output). The interval knob sets the amount of time in between fog output from 30 seconds to 10 minutes. Turing these knobs in a clockwise direction will increase there values, turn-ing them in a counter-clockwise direction will decrease their values.
Caution: Before removing or replacing the remote control unit disconnect the power supply.
If you experience low fog output, pump noise, or no fog output at all, disconnect and discontinue use immediately. Do not attempt to con-tinue pushing the remote control’s activation button as this may dam-age the fog machine. Check fluid level, the external fuse or breaker, remote connection, and be sure the wall outlet is sending power. If all of the above appear to be okay, and the unit fails to operate cor-rectly, the unit will require service. Return the machine to an American DJ® authorized dealer or service center.
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Fog Storm™ Series Trouble Shooting
To help prevent the unit from clogging, use American DJ® Clean Machine™ liquid. Clean Machine is recommended when storing your fogger for more than 1 week, or at least once a month as normal maintenance under regular usage. Clean Machine removes particle build up in the heater and gives longer life to the fog machine. Clean Machine is like a tune up for your fog machine! Clean Machine is available in gallon or quart bottles.
Fog Storm™ Series Clean Machine
The Fog Strom™ series fog machines carries a one year (365 days) limited warranty. Please fill out the enclosed warranty card to validate your purchase. All returned service items whether under warranty or not, must be freight pre-paid and accompany a return authorization (R.A.) number. The R.A. number must be clearly written on the out-side of the return package. A brief description of the problem as well as the R.A. number must also be written down on a piece of paper and included in the shipping container. If the unit is under warranty, you must provide a copy of your proof of purchase invoice. You may obtain a R.A. number by contacting customer support at (800) 322-6337.
Fog Storm™ Series Warranty Registration
MODEL - Fog Storm 700™VOLTAGE*: 120v~50/60Hz or 230v~50HzWEIGHT: 8 Lbs. / 3.5 KgsDIMENSIONS: 9.5" x 6” x 5.25” / 240 x 150 x 130 mmFUSE: 120v=10A/30mm or 230v=5A/30mmWARM UP TIME: 5 MinutesTANK CAPACITY: 1 Liter RemovableOUTPUT: 3500 cubic feet per minuteFLUID TYPE: Water Base American DJ Fog Juice™DUTY CYCLE: Not to exceed 6 hours turned on. HEATER: 700 watt*Voltage is preset at the factory and may not be changed
©American DJ Supply® - Fog Storm™ Series - Instruction Manual Page 7
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1 YEAR LIMITED WARRANTY
A. American DJ® hereby warrants, to the original purchaser, American DJ® hereby warrants, to the original purchaser, American DJ® ® products to be ® products to be ®
free of manufacturing defects in material and workmanship for a period of one year (365 days) from the date of purchase. This warranty shall be valid only if the product is purchased within the United States of America, including possessions and territories. It is the owner’s responsibility to establish the date and place of purchase by acceptable evidence, at the time service is sought.
B. For warranty service, send the product only to the American DJ® factory. All shipping ® factory. All shipping ®
charges must be pre-paid. If the requested repairs or service (including parts replacement) are within the terms of this warranty, American DJ® will pay return shipping charges only to a ® will pay return shipping charges only to a ®
designated point within the United States. If the entire instrument is sent, it must be shipped in its original package. No accessories should be shipped with the product. If any acces-sories are shipped with the product, American DJ® shall have no liability whatsoever for loss ® shall have no liability whatsoever for loss ®
of or damage to any such accessories, nor for the safe return thereof.
C. This warranty is void if the serial number has been altered or removed; if the product is modifi ed in any manner which American DJ® concludes, after inspection, affects the reli-® concludes, after inspection, affects the reli-®
ability of the product; if the product has been repaired or serviced by anyone other than the American DJ® factory unless prior written authorization was issued to purchaser by ® factory unless prior written authorization was issued to purchaser by ®
American DJ®; if the product is damaged because not properly maintained as set forth in the instruction manual.
D. This is not a service contract, and this warranty does not include maintenance, cleaning or periodic check-up. During the period specifi ed above, American DJ® will replace defective ® will replace defective ®
parts at its expense, and will absorb all expenses for warranty service and repair labor by reason of defects in material or workmanship. The sole responsibility of American DJ® under ® under ®
this warranty shall be limited to the repair of the product, or replacement thereof, including parts, at the sole discretion of American DJ®. All products covered by this warranty were manufactured after January 1, 1990, and bear identifying marks to that effect.
E. American DJ® reserves the right to make changes in design and/or improvements upon ® reserves the right to make changes in design and/or improvements upon ®
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F. No warranty, whether expressed or implied, is given or made with respect to any acces-sory supplied with products described above. Except to the extent prohibited by applicable law, all implied warranties made by American DJ® in connection with this product, including ® in connection with this product, including ®
warranties of merchantability or fi tness, are limited in duration to the warranty period set forth above. And no warranties, whether expressed or implied, including warranties of merchant-ability or fi tness, shall apply to this product after said period has expired. The consumer’s and or Dealer’s sole remedy shall be such repair or replacement as is expressly provided above; and under no circumstances shall American DJ® be liable for any loss or damage, ® be liable for an®