CAPÍTULO 1. El túnel de viento. 1.1 Introducción [Ref.1]

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1 CAPÍTULO 1 El túnel de viento 1.1 Introducción [Ref.1] Después de que el hombre se da cuenta que para volar necesita más que imitaciones rudimentarias del aleteo de las aves y comprende que debe aumentar su conocimiento en lo que hoy en día llamamos aerodinámica, crea aparatos e instrumentos que le permitan medir las fuerzas que experimentan los cuerpos dentro de fluidos en movimiento. Desde el siglo XVIII rondaba la idea de que estas fuerzas dependían de la velocidad relativa entre el cuerpo y el fluido, por ello se diseñaron brazos mecánicos que se desplazaban sobre rieles, sosteniendo distintos prototipos; el problema de este sistema era que el modelo se movía a través de un flujo turbulento, desordenado por el movimiento del brazo. Para obviar este obstáculo, se decidió dejar el modelo quieto y hacer que circulase el aire alrededor de él; y si a esta idea se coloca dentro de un conducto, se obtiene lo que hoy se conoce como un túnel de viento. Elena García Ramírez 11

2 1.2 Generalidades [Ref.1] Aunque hay muchas familias de túneles de viento, en general pueden definirse como conductos que llevan en alguna parte de su trayecto uno o varios ventiladores accionados por un motor, que se encarga de que el aire fluya de manera uniforme. La parte de interés para la experimentación es la cámara de ensayos, que debe ser transparente para permitir la observación e incluso filmación, en ella se instala el modelo y diferentes aparatos que miden las fuerzas que experimenta éste y las condiciones del aire que atraviesa esa sección. Resulta de interés que la cámara de ensayos sea de menor área que el resto del túnel, ya que por conservación de caudal genera una velocidad mayor cerca del modelo; ahorrando energía en el ventilador, que genera el mismo efecto en la cámara de ensayos con una potencia menor, que además reduce las pérdidas por fricción en las paredes y codos del túnel. Como una reducción brusca en el área de la sección genera desprendimientos y turbulencias, en la entrada de ésta se coloca una tobera convergente que reduce de manera gradual el área, al que se le llama contracción de manera similar, al terminar la cámara de ensayos hay un tramo llamado difusor, encargado de aumentar el área y disminuir la velocidad del aire. Aunque las velocidades con que se experimenta en los túneles de viento varían dentro de un amplio rango, solo se considerarán las menores a 100m/s, denominadas subsónicas, donde la compresibilidad del aire es despreciable. La atracción de los túneles de viento radica en que no es necesario someter a experimentación el prototipo sino a un modelo que guarde semejanza aerodinámica. Para conocer las fuerzas que se aplican al caso real, en un túnel subsónico, esta semejanza requiere que el número de Reynolds sea igual para el prototipo y el modelo, además debe existir una similitud geométrica, lo que hace que ambos tengan la misma escala de longitudes, tiempos y fuerzas. El tamaño del modelo define en muchos casos el tamaño de la sección; en teoría sería ideal que la sección tuviera el mayor ancho posible, sin embargo, por razones económicas, es aceptable que la envergadura del modelo sea como máximo cuatro quintas partes del ancho de la sección, de manera que el efecto de las paredes no se vea reflejado en las mediciones. Elena García Ramírez 12

3 Dentro de las variaciones en los túneles de viento, la principal diferencia es la posibilidad de la recirculación del aire. Pueden ser de circuito abierto donde el aire que entra, realiza un solo recorrido y es posteriormente expulsado o de circuito cerrado, donde el aire realiza siempre el mismo recorrido. Un túnel del primer tipo tiene la ventaja de ser relativamente más barato en su construcción, pero requiere de más aire disponible, más energía y es más ruidoso. Uno de tipo cerrado ahorra más energía (solo gasta la necesaria para restaurar las pérdidas por fricción), no necesita de tanto aire disponible pero resulta mucho más costosa su fabricación y montaje. Los túneles de viento pueden tener aplicaciones muy diversas. Los hay destinados al diseño de aeronaves, automóviles, bicicletas, edificios; los que simulan la propagación de contaminantes atmosféricos y los que sirven para visualizar el flujo. Es sobre este tipo de túnel, denominado túnel de humo, sobre el que se desarrolla este proyecto. 1.3 Partes constructivas [Ref.1] Las partes que, en el caso más general, se integran en un túnel de viento son las siguientes: Cámara de ensayos La cámara de ensayos es donde se instalarán los modelos a estudiar. El flujo en este elemento debe tener un perfil de velocidad lo más uniforme posible. La sección de la cámara es cuadrada. La cámara debe ser lo suficiente larga como para que el modelo pueda instalarse alejado de la entrada, y de este modo las mediciones no se vean afectadas por las irregularidades del flujo en el inicio de la cámara de ensayos. Debido a que el espesor de la capa límite aumenta a medida que el aire atraviesa la cámara de ensayos, se crea un área efectiva menor que la sección real. Para evitar esto, en ocasiones, se recomienda que las paredes tengan un pequeño ángulo de divergencia, de alrededor de medio grado. La longitud usual de una cámara de ensayos varía entre una y dos veces la dimensión mayor de la sección. No debe olvidarse hacer la sección transparente o colocar suficientes ventanas para su filmación y observación. Elena García Ramírez 13

4 Contracción La contracción tiene como fin reducir la intensidad turbulenta que no ha sido eliminada en la cámara de remanso, disminuir el espesor de la capa límite y acelerar el fluido. En el diseño de una contracción deben tenerse en cuenta dos aspectos relacionados con su geometría. En primer lugar, en la entrada y la salida de la contracción se produce un gradiente adverso de presión, opuesto al deseable, que puede generar un desprendimiento de la capa límite en la pared, disminuyendo la calidad del flujo sobre el modelo y aumentando la potencia. Debe tenerse también en cuenta que el flujo puede verse también alterado por las esquinas de la contracción, por lo que generalmente, éstas se biselan. Cámara de remanso y dispositivos manipuladores de turbulencia La cámara de remanso es una zona de área constante que se sitúa antes de la contracción y reduce la escala de la turbulencia en la cámara de ensayos, mediante platos perforados, paneles de abeja (honeycombs) y mallas. El plato perforado da uniformidad al flujo. El panel de abeja es una rejilla con celdas hexagonales que elimina las componentes de la velocidad perpendiculares a la dirección principal del flujo. La malla se coloca aguas abajo del panel de abeja, y se encarga de eliminar la turbulencia restante. Elena García Ramírez 14

5 Difusor Debido a que las pérdidas de energía a través de un conducto varían proporcionalmente con el cubo de la velocidad, el objetivo del difusor es reducir la velocidad expandiendo el fluido y recuperando la presión estática. Los difusores son muy sensibles a errores de diseño, pueden crear separación de la capa límite de manera intermitente o estable, que es difícil de detectar y puede causar vibración en el túnel, oscilación del ventilador y variación en la velocidad de la cámara de ensayos. El diseño del difusor resulta ser clave en el éxito del túnel, pues es necesario encontrar el punto óptimo para aumentar el área, sin permitir que la capa límite se desprenda. Curvas y codos Su función es cambiar la dirección del flujo. Pueden ir equipados con enderezadores de corriente para evitar que el flujo se desprenda de la pared interior por efecto de la aceleración centrífuga. Ventilador Situado aguas abajo de la cámara de ensayos (túnel aspirado), se encarga de hacer circular el aire a través del túnel. Elena García Ramírez 15

6 1.4 El túnel de viento del DIENCA [Ref.2] El túnel de viento adquirido por el DIENCA está enfocado a realizar pruebas a bajas velocidad, trabajando con flujos con números de Mach característicos inferiores a 0,5. El objetivo de la instalación es el de experimentar el comportamiento entorno a elementos sencillos (cilindros) de flujos de convección forzada externa en condiciones no estacionarias. Son precisamente los regímenes transitorios los que más se presentan en la práctica, como es el caso de intercambiadores de calor para automoción. Las metodologías de caracterización se basan en pruebas en régimen estacionario, limitándose la simulación de transitorios a una serie de estados estacionarios Características generales del equipo La configuración elegida para el túnel es aquella de circuito abierto. La elección es debida a consideraciones económicas y técnicas bien precisas. El circuito abierto permite reducir los costes de construcción, sin embargo, requiere de más aire disponible, más energía y es más ruidoso. Las dimensiones globales del equipo son de 5,3m de largo y 1,65m de ancho (Fig.1.1). Figura 1.1. Planta y alzado del equipo Elena García Ramírez 16

7 La instalación está constituida por una tobera de contracción o convergente (1 en Figura 1.2), dotado a la entrada de una estructura honeycomb. Hacer notar que en este túnel de viento no existe una cámara de remanso. A continuación se encuentra la cámara de ensayos (2). Entre la cámara de ensayos y el difusor (4) existe un tramo suficientemente largo (3) para evitar que las perturbaciones debidas al cambio de sección afecten a la zona de medidas. Los dos tramos cilíndricos (6 y 8) sirven para permitir el montaje de un medidor de flujo tipo diafragma (7). Después del segundo cambio de sección, el flujo viene desviado 90º mediante una curva (9) para ser introducido en la soplante (11). Figura 1.2. Partes constructivas del equipo Las dimensiones de la cámara de ensayos son longitud. 0,3 m 2 0,3 de sección y 0,6 m de La planta propulsora está formada por una soplante de tipo tangencial o centrífugo con un diámetro de 12¼ que trabaja en aspiración y mueve el fluido gracias a una transmisión en cinta de un motor eléctrico tipo Dayton TRI_VOLT. Se trata de un motor trifásico de potencia máxima de 2Hp (1.470KW) que se alimenta con una tensión alterna de 460V pudiendo alcanzar velocidades de 1740rpm. Elena García Ramírez 17

8 El control del motor se realiza a través de un convertidor (modelo Siemens MICROMASTER 420), con el que se maniobra directamente desde el PC mediante un software específico. De esta manera es posible generar curvas de alimentación que permiten crear condiciones de funcionamiento no estacionarias Proyecto de detalle del convergente La geometría del convergente es uno de los parámetros fundamentales que determina la calidad del flujo en la cámara de ensayos. Existen una gran cantidad de curvas generatrices realizadas por distintos expertos para el diseño del convergente. La geometría del convergente del túnel del DIENCA se ha obtenido a partir de la ecuación polinomial de quinto orden de Bell y Mehta oportunamente adimensionalizada y parametrizada. El procedimiento consiste en rescribir la ecuación de Bell y Mehta en función de la coordenada axial adimensionalizada ξ: ξ = x L C (1.1) donde L C es la longitud del tramo de convergente y x es la coordenada axial. El polinomio de Bell y Mehta establece la coordenada h dimensional del tramo del convergente: ( ξ 6ξ )( H i H o ) H i h = ξ + (1.2) de donde se obtiene la coordenada adimensional η = h Fig. 1.3, en función de ξ (línea de trazos). Indicando con: LC, cuyo perfil se muestra en la ϕ = 10ξ + 15ξ 6ξ (1.3) es posible generalizar la ecuación (1.2) como: donde α es una función de ξ. 1 α 1 α 1 α [ ϕ ( H H ) H ] α h = + i o i (1.4) Elena García Ramírez 18

9 En este caso se ha procedido teniendo en cuenta la regla de buena proyección, según la cual el radio de curvatura del convergente debe ser aproximadamente proporcional a la sección de paso de aire. Se ha elegido una función α(ξ) lineal. En particular la relación óptima resulta ser: ( ξ ) = 0.2 ξ En la Figura1.3 se muestra el perfil obtenido (línea negra). α (1.5) Figura 1.3. Perfil del tramo de convergente Proyecto de detalle de la cámara de ensayos La cámara de ensayos es en la práctica la parte más importante del equipo. Se trata de una sección cerrada de paredes transparentes. Son las necesidades experimentales las que han determinado el diseño de la misma. Con el objetivo de hacer posibles las mediciones de velocidad con técnica PIV, se ha elegido como material para las paredes el Plexiglas, cuya transparencia asegura la perfecta visibilidad del interior, consiguiendo así la visualización del flujo mediante partículas sembradas. Elena García Ramírez 19

10 Las dimensiones de la sección son de 0,3 x 0,3 m 2 internamente, siendo el espesor de la pared de 5 mm. Para garantizar la máxima flexibilidad de la instalación se ha pensado en dividir la cámara de ensayos en dos partes y disponer la base del banco de cilindros solamente en una de éstas. Esta elección, considerando la forma cuadrada de la sección, permite posicionar los cilindros tanto en vertical como en horizontal, simplemente cambiando la posición de la parte que sostiene los cilindros y manteniendo fija la otra. (Figura 1.4) Figura 1.4. Cámara de ensayos Con el objetivo de representar el mayor número posible de configuraciones, se evita el montaje directo de los cilindros sobre las paredes de la sección, prefiriendo adoptar un soporte base. Se trata de una base de aluminio de forma circular, que por razones de resistencia mecánica no viene fijada directamente al Plexiglas, sino en una cornisa también de aluminio, que permanece fijada a la sección. La forma circular y la posición de los orificios de fijación, permiten una rotación de la base respecto a la cornisa de 45º, dando lugar a dos configuraciones distintas (Figura 1.6). Las dimensiones de la cornisa y de la base se han establecido por cuestiones físicas. Para reducir al mínimo los efectos de bloqueo es necesario mantener las dimensiones de la zona ocupada por los cilindros en prueba por debajo de 0,8 veces las dimensiones de la sección. Siendo la dimensión característica de la sección de 0,3 m, la zona ocupada por los tubos debe mantenerse en el interior de un cuadrado de lado 0,24 m. Se ha Elena García Ramírez 20

11 elegido la fijación de una ventana de 0,25 x 0,25 m 2 en la pared del Plexiglas, realizando sobre la cornisa el espacio para la base cilíndrica de 0,19 m. Por razones de espacio, sobre la base no ha sido posible practicar más de 13 orificios para alojar otros tantos cilindros de diámetro externo 24 mm. La longitud L entre orificios ha sido elegida de forma que los resultados obtenidos puedan ser comparados con estudios anteriores para verificar así la bondad del equipo. En literatura se han encontrado resultados obtenidos por diversos autores, entre los cuales se obtienen como valores más frecuentes para la relación L/D, los valores 1.5, 2, 3 y 4. Por lo tanto, partiendo de un diámetro de los cilindros de 24 mm, se ha elegido como valor de L 36 mm, obteniendo para la configuración estándar A, relaciones L/D de 1.5, 3 y 6. Para la configuración B se obtienen los valores de 2.12, 4.24 y Se ha pensado en realizar oportunas modificaciones para poder montar cilindros de diámetro 18 mm, para obtener valores de la relación L/D de 2, 4 y 8 (para la configuración A) y valores de 2.83, 5.66 y (para la configuración B). A B Figura 1.5. Soporte base del banco de cilindros Elena García Ramírez 21

12 Todos los elementos de la cámara de ensayos están ensamblados mediante tornillos. Figura 1.6. Cámara de ensayos completa Elena García Ramírez 22