RESULTADOS Y CONCLUSIONES

Transcripción

1 RESULTADOS Y CONCLUSIONES La caracterización fluidodinámica del túnel de viento no sólo ha requerido la medida concreta de parámetros tales como el número de Reynolds, el nivel de turbulencia y el campo de velocidades del flujo en el túnel, sino que ha sido imprescindible realizar una experimentación preliminar para asegurar que la coordinación de la técnica PIV y el túnel de viento es la adecuada. Sin esta validación el resto de resultados no tendrían sentido. De este modo debe hablarse de resultados y conclusiones en dos ámbitos distintos: en la validación de la técnica de medida (simbiosis PIV-túnel) y en la validación del túnel de viento aislado. Elena García Ramírez 173

2 Resultados Experimentación preliminar Uno de los aspectos más importantes del uso de la PIV en túnel de viento es el sembrado, no sólo por lo imprescindible de las partículas sembradas, sino porque es éste el proceso menos intuitivo. Se han obtenido tanto el tipo de partículas apropiadas para el sembrado como el modo de realizarlo. Se deja una puerta abierta al estudio de la granulometría de las partículas, así como al estudio de las posibles interacciones entre éstas. Además se han estandarizado los procesos de calibración y de enfoque de las partículas. Configuración de túnel vacío Los resultados obtenidos en la medición del campo de velocidades en la configuración de túnel vacío son determinantes en ambos ámbitos de validación. Se ha obtenido el perfil de velocidades instantáneo en todos los puntos de un plano paralelo al flujo en 150 instantes de tiempo, correspondientes siempre a una frecuencia constante del ventilador (25 Hz). A partir de estos datos se ha mediado el campo de velocidades en el tiempo. Tanto los perfiles medios como aquellos instantáneos se presentan continuos y planos en la región central de la cámara de ensayos. La región de la capa límite ha sido analizada a partir del estudio experimental de Champagne, F.H, de donde se concluye que la turbulencia está totalmente desarrollada en la cámara de ensayos, dado que al adimensionalizar el campo de velocidades, éste coincide con la curva teórica que propone Champagne, F.H. El campo de velocidades medio temporal obtenido se ha comparado con los resultados numéricos realizados con Fluent bajo la hipótesis de viscosidad uniforme, obteniéndose un grado de coincidencia ampliamente aceptable. Elena García Ramírez 174

3 La medida del campo de velocidades instantáneo ha permitido el cálculo de las fluctuaciones de velocidad en el túnel de viento. A partir de éstas se calcula la intensidad turbulenta, parámetro fundamental en la validación de túneles de viento, dado que en este tipo de instalaciones no se debe superar el 1%. Se calcula la evolución de la turbulencia según la coordenada y obteniéndose un perfil coherente cualitativamente, pero excesivamente elevado. La media de este parámetro es del 2.96%, lo cual hace ver que el túnel tiene problemas en el diseño. De todos estos resultados se deducen dos puntos importantes: En primer lugar, se valida la técnica de medida. Al obtenerse medidas de flujo y velocidades que coinciden con otras obtenidas a partir de métodos ya validados, puede considerarse que, efectivamente, la simbiosis PIV-túnel de viento funciona. En segundo lugar, se concluye con que el flujo en el túnel está aceptablemente controlado, puesto que los perfiles de velocidad tienen la forma esperada. Sin embargo el nivel de turbulencia es excesivo, lo que induce una mejora del diseño que mejoraría a su vez el control del flujo. Configuración de túnel con cilindro Los resultados obtenidos en la medición del campo de velocidades para la configuración del túnel con cilindro son mucho más amplios que los anteriores por la importancia de esta configuración. Las captaciones se han realizado para un amplio rango de números de Reynolds ( ) y se han realizado varias sesiones de medidas. La imagen captada en cada caso ha sido siempre la misma, desvelando la evolución del flujo tanto aguas arriba del cilindro como aguas abajo. Se ha visualizado el desarrollo de la capa límite en torno al cilindro, así como la aparición de vórtices en la estela del mismo y el desprendimiento de éstos de la superficie del cilindro. Elena García Ramírez 175

4 Se han obtenido los campos de velocidades instantáneos para cada una de las frecuencias del ventilador. A partir de éstos se ha calculado el campo medio de velocidad y el campo fluctuante instantáneo. El número de medidas instantáneas para cada régimen ha sido siempre de 150; muestra que se considera suficientemente amplia como para tratar el flujo turbulento de forma estadística (como debe realizarse forzosamente). De este modo, se ha considerado que las variables fluidodinámicas (número de Reynolds y velocidad media) siguen una distribución normal y que tanto la media como la desviación típica de éstos son comparables a los parámetros estadísticos que aparecen en literatura. Se ha calculado a partir de los datos PIV el Reynolds medio de ingreso para cada una de las frecuencias del ventilador (de 5Hz a 40Hz), refiriendo este Reynolds al diámetro del cilindro y no a la dimensión característica de la sección de pruebas, puesto que estos resultados permanecen invariables en el caso de cambiar la sección de la cámara de ensayos. Se representa la relación existente entre el número de Reynolds y la frecuencia del ventilador en cada una de las sesiones de medidas, obteniéndose una curva admisiblemente constante. Uno de los resultados más importantes del proyecto aparece al estudiar la desviación máxima que sufre el número de Reynolds en cada frecuencia respecto a la media. Se estudia el cociente 2 σ, que representaría la desviación máxima del parámetro en cada µ caso. Es trascendental este estudio porque la dispersión de los valores está asociada fundamentalmente a la turbulencia del flujo en el túnel; podría pensarse que estuviese relacionada con errores de medida, pero este argumento es aún un punto de incertidumbre en la técnica PIV, aunque, teniendo en cuenta que es una técnica ampliamente aplicada en otros laboratorios que da soluciones de calidad, se tiende a pensar que el problema fundamental sea efectivamente el de la turbulencia. De este modo, el cociente µ 2σ es una medida adicional del nivel de turbulencia. Elena García Ramírez 176

5 Se observa que para frecuencias del ventilador menores a 25Hz, el parámetro anterior toma valores excesivos. Se toma como admisible un valor de 2σ en porcentaje menor µ del 9%. Así, la turbulencia en el túnel sólo es admisible para frecuencias del ventilador entre 25Hz y 40Hz. Debe hacerse notar que este resultado no es contradictorio con las conclusiones obtenidas a partir del cálculo del nivel de turbulencia en túnel vacío, puesto que estas medidas se realizaron para una frecuencia de 25Hz. En este caso la turbulencia era elevada, pero se admitía que el flujo estaba aceptablemente controlado, lo que no sucede en el caso del cilindro para frecuencias inferiores a 25Hz. Las causas de esta excesiva turbulencia son constructivas. Existe una turbulencia general (patente en túnel vacío y con cilindro) que es debida a varias causas: Inexistencia de una cámara de remanso anterior al convergente Irregularidades en el honeycomb Inexistencia de una malla tras el honeycomb. El perfil del convergente impide que el flujo exterior que circula cerca de los límites de éste pueda entrar en el túnel fácilmente Irregularidades en las paredes Para el caso del cilindro en el que se trabaja con frecuencias menores a 25Hz se deduce además otro problema: El ventilador y su disposición en el túnel no son adecuados para frecuencias bajas. En estos órdenes de magnitud la inercia del flujo no es suficiente por lo que el aire aspirado sufre un retroceso en el ventilador volviendo a entrar en el túnel y disturbando el flujo. A pesar de que se ha optado por una curva guía de 90º a la entrada del ventilador para impedir precisamente las recirculaciones del flujo, ésta no es suficiente cuando se trabaja con frecuencias de la soplante menores de 25 Hz. Los perfiles de velocidad medios obtenidos han sido comparados con otros trabajos experimentales anteriores. Elena García Ramírez 177

6 En primer lugar, se comparan con los resultados de Diaz.El trabajo realizado por Diaz sólo permite validar los perfiles obtenidos para unas condiciones de experimentación concretas, aquellas cuyo régimen de Reynolds es de Se representan los perfiles de velocidad a distintas distancias del eje del cilindro y se obtiene una similitud cualitativa muy aceptable entre éstos y los de Diaz. A pesar de la concordancia cualitativa anterior, se desea realizar una comparación más genérica y concreta. Así, se hace uso de los estudios de Champagne sobre la capa límite que se forma en torno a un cilindro. Este trabajo permite obtener conclusiones sobre los campos de velocidades en cualquiera de los regímenes de Reynolds con los que se ha trabajado, pues se basa en la adimensionalización de la velocidad media a distintas distancias del eje del cilindro y la comparación con una curva teórica obtenida a partir de la hipótesis de viscosidad uniforme. Se obtienen resultados muy satisfactorios al superponerse aceptablemente los puntos experimentales y los teóricos. Es fundamental resaltar el hecho de que los resultados obtenidos en la experimentación en el túnel con el cilindro son reproducibles, es decir, los perfiles de velocidad se repiten en cada Reynolds para las distintas sesiones de medida. Esto hace ver que, efectivamente, la técnica de medida funciona. Conclusiones Las conclusiones de este trabajo experimental pueden resumirse en los siguientes puntos: La coordinación de la técnica PIV y el túnel de viento es una herramienta potente para el estudio de este tipo de configuraciones, puesto que se ha evidenciado el campo de velocidades en cada punto, sin perder información, y los resultados obtenidos son comparables con literatura. Elena García Ramírez 178

7 Las medidas realizadas constituyen una base fundamental para análisis posteriores de la misma configuración. Con los datos ya extraídos, pueden estudiarse otros aspectos adicionales, tales como la vorticidad, el desprendimiento de los vórtices o el número de Sthouhal, sin necesidad además de compararlos con literatura. El túnel de viento del DIENCA posee características estructurales que introducen turbulencia y por lo tanto, empeoran el control del flujo. Aún así, los resultados obtenidos evidencian que al trabajar con frecuencias del ventilador de 25Hz a 40Hz, el flujo es reproducible. En general, se deduce que la técnica es fiable y potente para las medidas de velocidad de flujos en atmósfera controla. Así la combinación PIV y túnel de viento resulta muy eficaz para las medidas fluidodinámicas, en futuro también termodinámicas, de dispositivos de intercambio térmico. Elena García Ramírez 179

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