Túnel de viento

túnel de viento de la NASA con el modelo de escala de un avión

Un modelo de Cessna con burbujas llenas de helio que muestran las líneas de los vórtices de alatip

Los túneles de viento son grandes tubos por los que pasa aire y se utilizan para replicar la interacción entre el aire y un objeto que vuela por el aire o se mueve por el suelo. Los investigadores usan túneles de viento para aprender más sobre cómo volará un avión. La NASA utiliza túneles de viento para probar modelos a escala de aeronaves y naves espaciales. Algunos túneles de viento son lo suficientemente grandes como para contener versiones de vehículos de tamaño completo. El túnel de viento mueve el aire alrededor de un objeto, haciendo que parezca que el objeto está volando.

La mayoría de las veces, los ventiladores grandes y potentes aspiran aire a través del tubo. El objeto que se está probando se mantiene seguro dentro del túnel para que permanezca estacionario. El objeto puede ser un objeto de prueba aerodinámico, como un cilindro o un perfil aerodinámico, un componente individual, un modelo pequeño del vehículo o un vehículo de tamaño completo. El aire que se mueve alrededor del objeto estacionario muestra lo que sucedería si el objeto se moviera por el aire. El movimiento del aire se puede estudiar de diferentes maneras; se puede colocar humo o tinte en el aire y se puede ver a medida que se mueve alrededor del objeto. También se pueden unir hilos de colores al objeto para mostrar cómo se mueve el aire a su alrededor. A menudo se pueden utilizar instrumentos especiales para medir la fuerza del aire ejercida contra el objeto.

Los primeros túneles de viento se inventaron a finales del siglo XIX, en los inicios de la investigación aeronáutica. cuando muchos intentaron desarrollar con éxito máquinas voladoras más pesadas que el aire. El túnel de viento se concibió como un medio para invertir el paradigma habitual: en lugar de que el aire se detuviera y un objeto se moviera a gran velocidad a través de él, se obtendría el mismo efecto si el objeto se detuviera y el aire pasara a gran velocidad. De esa manera, un observador estacionario podría estudiar el objeto volador en acción y podría medir las fuerzas aerodinámicas que se le imponen.

El desarrollo de los túneles de viento acompañó el desarrollo del avión. Grandes túneles de viento fueron construidos durante la Segunda Guerra Mundial. Las pruebas en túnel de viento se consideraron de importancia estratégica durante el desarrollo de aviones y misiles supersónicos durante la Guerra Fría.

Más tarde, el estudio del túnel de viento se hizo realidad: los efectos del viento en las estructuras u objetos hechos por el hombre debían estudiarse cuando los edificios eran lo suficientemente altos como para presentar grandes superficies al viento, y las fuerzas resultantes tenían que ser resistidas por la estructura interna del edificio. Se requería determinar tales fuerzas antes de que los códigos de construcción pudieran especificar la resistencia requerida de dichos edificios y dichas pruebas continúan utilizándose para edificios grandes o inusuales.

Alrededor de la década de 1960, las pruebas de túnel de viento se aplicaron a los automóviles, no tanto para determinar las fuerzas aerodinámicas per se, sino más bien para determinar formas de reducir la potencia requerida para mover el vehículo en las carreteras en un momento dado. velocidad. En estos estudios, la interacción entre la carretera y el vehículo juega un papel importante, y esta interacción debe tenerse en cuenta al interpretar los resultados de la prueba. En una situación real, la calzada se mueve en relación con el vehículo, pero el aire está estacionario en relación con la calzada, pero en el túnel de viento el aire se mueve en relación con la calzada, mientras que la calzada está estacionaria en relación con el vehículo de prueba. Algunos túneles de viento de pruebas automotrices han incorporado correas móviles debajo del vehículo de prueba en un esfuerzo por aproximarse a la condición real, y se utilizan dispositivos muy similares en las pruebas de túnel de viento de configuraciones de despegue y aterrizaje de aeronaves.

A lo largo de los años, también han prevalecido las pruebas en túneles de viento de equipos deportivos, incluidos palos de golf, pelotas de golf, trineos olímpicos, ciclistas olímpicos y cascos de autos de carreras. La aerodinámica del casco es especialmente importante en los coches de carreras con cabina abierta (Indycar, Fórmula Uno). Las fuerzas de elevación excesivas en el casco pueden causar una tensión considerable en el cuello del conductor, y la separación del flujo en la parte posterior del casco puede causar golpes turbulentos y, por lo tanto, visión borrosa para el conductor a altas velocidades.

Los avances en el modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD) en computadoras digitales de alta velocidad han reducido la demanda de pruebas en túneles de viento.

Medición de fuerzas aerodinámicas

La velocidad y la presión del aire se miden de varias formas en los túneles de viento.

La velocidad del aire a través de la sección de prueba está determinada por el principio de Bernoulli. Medición de la presión dinámica, la presión estática y (solo para flujo comprimible) el aumento de temperatura en el flujo de aire. La dirección del flujo de aire alrededor de un modelo se puede determinar mediante mechones de hilo adheridos a las superficies aerodinámicas. La dirección del flujo de aire que se acerca a una superficie se puede visualizar montando hilos en el flujo de aire por delante y por detrás del modelo de prueba. Se pueden introducir humo o burbujas de líquido en el flujo de aire aguas arriba del modelo de prueba, y se puede fotografiar su trayectoria alrededor del modelo (ver velocimetría de imágenes de partículas).

Las fuerzas aerodinámicas en el modelo de prueba generalmente se miden con balanzas de vigas, conectadas al modelo de prueba con vigas, cuerdas o cables.

Las distribuciones de presión en el modelo de prueba históricamente se han medido perforando muchos orificios pequeños a lo largo de la ruta del flujo de aire y usando manómetros de tubos múltiples para medir la presión en cada orificio. Las distribuciones de presión se pueden medir más convenientemente mediante el uso de pintura sensible a la presión, en la que la presión local más alta se indica mediante la fluorescencia reducida de la pintura en ese punto. Las distribuciones de presión también se pueden medir convenientemente mediante el uso de cinturones de presión sensibles a la presión, un desarrollo reciente en el que se integran múltiples módulos sensores de presión ultraminiaturizados en una tira flexible. La tira está unida a la superficie aerodinámica con cinta y envía señales que muestran la distribución de la presión a lo largo de su superficie.

Las distribuciones de presión en un modelo de prueba también se pueden determinar realizando un estudio de estela, en el que se usa un solo tubo de Pitot para obtener múltiples lecturas aguas abajo del modelo de prueba, o un tubo múltiple se monta un manómetro aguas abajo y se toman todas sus lecturas.

Las propiedades aerodinámicas de un objeto no pueden permanecer todas iguales para un modelo a escala. Sin embargo, observando ciertas reglas de similitud, se puede lograr una correspondencia muy satisfactoria entre las propiedades aerodinámicas de un modelo a escala y un objeto de tamaño real. La elección de los parámetros de similitud depende del propósito de la prueba, pero las condiciones más importantes que se deben satisfacer suelen ser:

• Similitud geométrica: todas las dimensiones del objeto deben ser escaladas proporcionalmente;
• Número de máquina: la relación de la velocidad del aire a la velocidad del sonido debe ser idéntica para el modelo escalado y el objeto real (tener el número de máquina idéntico en un túnel del viento y alrededor del objeto real es -no- igual a tener velocidades de aire idénticas)
• Número de Reynolds: se debe mantener la proporción de fuerzas inerciales a fuerzas viscosas. Este parámetro es difícil de satisfacer con un modelo escalado y ha llevado al desarrollo de túneles de viento presurizados y criogénicos en los que la viscosidad del fluido de trabajo se puede cambiar enormemente para compensar la escala reducida del modelo.

En ciertos casos de prueba particulares, se deben cumplir otros parámetros de similitud, como p. Número de Froude.

Historia

Orígenes

El ingeniero militar y matemático inglés Benjamin Robins (1707–1751) inventó un aparato de brazo giratorio para determinar la resistencia e hizo algunos de los primeros experimentos en la teoría de la aviación.

Sir George Cayley (1773–1857) también usó un brazo giratorio para medir la resistencia y sustentación de varios perfiles aerodinámicos. Su brazo giratorio medía 1,5 m (5 pies) de largo y alcanzaba velocidades máximas de entre 3 y 6 m/s (10 y 20 pies por segundo).

Otto Lilienthal usó un brazo giratorio para medir con precisión las superficies aerodinámicas de las alas con diferentes ángulos de ataque, estableciendo sus diagramas polares de relación sustentación-resistencia al avance, pero carecía de las nociones de resistencia inducida y números de Reynolds.

Replica del túnel de viento de los hermanos Wright

Los túneles de viento de Eiffel en el laboratorio de Auteuil

Sin embargo, el brazo giratorio no produce un flujo de aire confiable que impacte la forma de prueba con una incidencia normal. Las fuerzas centrífugas y el hecho de que el objeto se mueve en su propia estela hacen que el examen detallado del flujo de aire sea difícil. Francis Herbert Wenham (1824–1908), miembro del Consejo de la Sociedad Aeronáutica de Gran Bretaña, abordó estos problemas al inventar, diseñar y operar el primer túnel de viento cerrado en 1871. Una vez que se logró este avance, se extrajeron rápidamente datos técnicos detallados. por el uso de esta herramienta. A Wenham y su colega John Browning se les atribuyen muchos descubrimientos fundamentales, incluida la medición de las relaciones l/d y la revelación de los efectos beneficiosos de una alta relación de aspecto.

Konstantin Tsiolkovsky construyó un túnel de viento de sección abierta con un ventilador centrífugo en 1897 y determinó los coeficientes de arrastre de placas planas, cilindros y esferas.

El inventor danés Poul la Cour aplicó túneles de viento en su proceso de desarrollo y perfeccionamiento de la tecnología de turbinas eólicas a principios de la década de 1890. Carl Rickard Nyberg utilizó un túnel de viento al diseñar su Flugan desde 1897 en adelante.

En un conjunto clásico de experimentos, el inglés Osborne Reynolds (1842–1912) de la Universidad de Manchester demostró que el patrón de flujo de aire sobre un modelo a escala sería el mismo para el vehículo a escala real si un determinado parámetro de flujo fuera el mismo en ambos casos. Este factor, ahora conocido como número de Reynolds, es un parámetro básico en la descripción de todas las situaciones de flujo de fluidos, incluidas las formas de los patrones de flujo, la facilidad de transferencia de calor y la aparición de turbulencias. Esto comprende la justificación científica central para el uso de modelos en túneles de viento para simular fenómenos de la vida real. Sin embargo, existen limitaciones en las condiciones en las que la similitud dinámica se basa solo en el número de Reynolds.

Los hermanos Wright' El uso de un simple túnel de viento en 1901 para estudiar los efectos del flujo de aire sobre varias formas mientras se desarrollaba su Wright Flyer fue en cierto modo revolucionario. Sin embargo, de lo anterior se puede ver que simplemente estaban usando la tecnología aceptada en ese momento, aunque esta aún no era una tecnología común en Estados Unidos.

En Francia, Gustave Eiffel (1832-1923) construyó su primer túnel de viento de retorno abierto en 1909, impulsado por un motor eléctrico de 50 kW, en Champs-de-Mars, cerca del pie de la torre que lleva su nombre.

Entre 1909 y 1912, Eiffel realizó alrededor de 4000 pruebas en su túnel de viento y su experimentación sistemática estableció nuevos estándares para la investigación aeronáutica. En 1912, el laboratorio de Eiffel se trasladó a Auteuil, un suburbio de París, donde su túnel de viento con una sección de prueba de dos metros todavía está operativo. Eiffel mejoró significativamente la eficiencia del túnel de viento de retorno abierto encerrando la sección de prueba en una cámara, diseñando una entrada ensanchada con un enderezador de flujo de panal y agregando un difusor entre la sección de prueba y el ventilador ubicado en el extremo aguas abajo del difusor; este fue un arreglo seguido por una serie de túneles de viento construidos más tarde; de hecho, el túnel de viento de baja velocidad y retorno abierto a menudo se denomina túnel de viento tipo Eiffel.

Uso generalizado

Laboratorio de aviación alemán, 1935

El uso posterior de los túneles de viento proliferó a medida que se establecieron la ciencia de la aerodinámica y la disciplina de la ingeniería aeronáutica y se desarrollaron los viajes aéreos y la potencia.

La Marina de los EE. UU. en 1916 construyó uno de los túneles de viento más grandes del mundo en ese momento en el Washington Navy Yard. La entrada tenía casi 11 pies (3,4 m) de diámetro y la parte de descarga tenía 7 pies (2,1 m) de diámetro. Un motor eléctrico de 500 hp impulsaba las aspas del ventilador tipo paleta.

En 1931, la NACA construyó un túnel de viento a escala real de 30 pies por 60 pies en el Centro de Investigación Langley en Langley, Virginia. El túnel funcionaba con un par de ventiladores impulsados por motores eléctricos de 4000 hp. El diseño era un formato de circuito cerrado de doble retorno y podía acomodar muchos aviones reales de tamaño completo, así como modelos a escala. El túnel finalmente se cerró y, aunque fue declarado Monumento Histórico Nacional en 1995, la demolición comenzó en 2010.

Hasta la Segunda Guerra Mundial, el túnel de viento más grande del mundo, construido entre 1932 y 1934, estaba ubicado en un suburbio de París, Chalais-Meudon, Francia. Fue diseñado para probar aviones de tamaño completo y tenía seis grandes ventiladores impulsados por motores eléctricos de alta potencia. ONERA utilizó el túnel de viento Chalais-Meudon con el nombre de S1Ch hasta 1976 en el desarrollo de, por ejemplo, los aviones Caravelle y Concorde. Hoy, este túnel de viento se conserva como monumento nacional.

Ludwig Prandtl fue profesor de Theodore von Kármán en la Universidad de Göttingen y sugirió la construcción de un túnel de viento para probar las aeronaves que estaban diseñando. La calle de vórtices de turbulencia aguas abajo de un cilindro se probó en el túnel. Cuando más tarde se mudó a la Universidad de Aquisgrán, recordó el uso de esta instalación:

Recordé que el túnel de viento en Göttingen se inició como una herramienta para estudios de comportamiento de Zeppelin, pero que había demostrado ser valioso para todo lo demás, desde determinar la dirección del humo de la pila de un barco, hasta si un avión dado volaría. El progreso en Aachen, sentí, sería prácticamente imposible sin un buen túnel de viento.

Cuando von Kármán comenzó a consultar con Caltech, trabajó con Clark Millikan y Arthur L. Klein. Se opuso a su diseño e insistió en un flujo de retorno que hiciera que el dispositivo fuera "independiente de las fluctuaciones de la atmósfera exterior". Se completó en 1930 y se usó para las pruebas Northrop Alpha.

En 1939, el general Arnold preguntó qué se requería para hacer avanzar a la USAF, y von Kármán respondió: "El primer paso es construir el túnel de viento adecuado". Por otro lado, después de los éxitos del Bell X-2 y la perspectiva de una investigación más avanzada, escribió: "Estaba a favor de construir un avión así porque nunca creí que se pudieran obtener todas las respuestas". de un túnel de viento."

Segunda Guerra Mundial

En 1941, EE. UU. construyó uno de los túneles de viento más grandes de la época en Wright Field en Dayton, Ohio. Este túnel de viento comienza a 45 pies (14 m) y se estrecha hasta 20 pies (6,1 m) de diámetro. Dos ventiladores de 40 pies (12 m) eran accionados por un motor eléctrico de 40 000 hp. Los modelos de aviones a gran escala podrían probarse a velocidades de aire de 400 mph (640 km/h).

El túnel de viento utilizado por científicos alemanes en Peenemünde antes y durante la Segunda Guerra Mundial es un ejemplo interesante de las dificultades asociadas con la ampliación del rango útil de los grandes túneles de viento. Usó algunas cuevas naturales grandes que aumentaron de tamaño mediante la excavación y luego se sellaron para almacenar grandes volúmenes de aire que luego podrían enrutarse a través de los túneles de viento. Este enfoque innovador permitió la investigación de laboratorio en regímenes de alta velocidad y aceleró en gran medida la tasa de avance de los esfuerzos de ingeniería aeronáutica de Alemania. Al final de la guerra, Alemania tenía al menos tres túneles de viento supersónicos diferentes, con uno capaz de flujos de aire Mach 4.4 (calentado).

Un gran túnel de viento en construcción cerca de Oetztal, Austria, habría tenido dos ventiladores accionados directamente por dos turbinas hidráulicas de 50 000 caballos de fuerza. La instalación no se completó al final de la guerra y el equipo desmantelado se envió a Modane, Francia en 1946, donde se volvió a montar y ONERA todavía lo opera allí. Con su sección de prueba de 8 m y una velocidad aerodinámica de hasta Mach 1, es la instalación de túnel de viento transónico más grande del mundo.

El 22 de junio de 1942, Curtiss-Wright financió la construcción de uno de los túneles de viento subsónicos más grandes del país en Buffalo, Nueva York. El primer hormigón para la construcción se vertió el 22 de junio de 1942 en un sitio que eventualmente se convertiría en Calspan, donde todavía funciona el túnel de viento de propiedad independiente más grande de los Estados Unidos.

Al final de la Segunda Guerra Mundial, EE. UU. había construido ocho nuevos túneles de viento, incluido el más grande del mundo en Moffett Field cerca de Sunnyvale, California, que fue diseñado para probar aviones de tamaño completo a velocidades de menos de 250 mph. y un túnel de viento vertical en Wright Field, Ohio, donde la corriente de viento es ascendente para la prueba de modelos en situaciones de giro y los conceptos y diseños de ingeniería para los primeros helicópteros primitivos que volaron en los EE. UU.

Después de la Segunda Guerra Mundial

La investigación posterior sobre flujos de aire cercanos o superiores a la velocidad del sonido utilizó un enfoque relacionado. Se utilizaron cámaras de presión de metal para almacenar aire a alta presión que luego se aceleró a través de una boquilla diseñada para proporcionar un flujo supersónico. Luego, la cámara de observación o instrumentación ("sección de prueba") se colocó en la ubicación adecuada en la garganta o boquilla para la velocidad aerodinámica deseada.

Mary Jackson con un modelo de túnel de viento en Langley Research Center

En los Estados Unidos, la preocupación por el retraso de las instalaciones de investigación estadounidenses en comparación con las construidas por los alemanes condujo a la Ley del Plan Unitario de Túneles de Viento de 1949, que autorizó gastos para construir nuevos túneles de viento en universidades y sitios militares. Algunos túneles de viento alemanes en tiempos de guerra fueron desmantelados para su envío a los Estados Unidos como parte del plan para explotar los desarrollos tecnológicos alemanes.

Para aplicaciones limitadas, la dinámica de fluidos computacional (CFD) puede complementar o posiblemente reemplazar el uso de túneles de viento. Por ejemplo, el avión cohete experimental SpaceShipOne se diseñó sin utilizar túneles de viento. Sin embargo, en una prueba, se unieron hilos de vuelo a la superficie de las alas, realizando un tipo de prueba de túnel de viento durante un vuelo real para refinar el modelo computacional. Cuando hay un flujo turbulento externo, la CFD no es práctica debido a las limitaciones de los recursos informáticos actuales. Por ejemplo, un área que aún es demasiado compleja para el uso de CFD es la determinación de los efectos del flujo sobre y alrededor de estructuras, puentes, terreno, etc.

Preparando un modelo en el túnel del viento de Kirsten, un túnel de viento subsónico en la Universidad de Washington

La forma más eficaz de simular el flujo turbulento externo es mediante el uso de un túnel de viento de capa límite.

Hay muchas aplicaciones para el modelado de túnel de viento de capa límite. Por ejemplo, comprender el impacto del viento en edificios de gran altura, fábricas, puentes, etc. puede ayudar a los diseñadores de edificios a construir una estructura que resista los efectos del viento de la manera más eficiente posible. Otra aplicación importante para el modelado de túneles de viento de capa límite es la comprensión de los patrones de dispersión de gases de escape para hospitales, laboratorios y otras fuentes emisoras. Otros ejemplos de aplicaciones en túneles de viento de capa límite son las evaluaciones de la comodidad de los peatones y la acumulación de nieve. El modelado de túneles de viento se acepta como un método para ayudar en el diseño de edificios ecológicos. Por ejemplo, el uso del modelo de túnel de viento de capa límite se puede utilizar como crédito para la certificación de Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental (LEED) a través del Consejo de Construcción Ecológica de EE. UU.

Hojas de abanico del túnel de viento transónico de 16 pies del Centro de Investigación de Langley en 1990, antes de que se retirara en 2004

Las pruebas de túnel de viento en un túnel de viento de capa límite permiten simular la resistencia natural de la superficie terrestre. Para mayor precisión, es importante simular el perfil de la velocidad media del viento y los efectos de la turbulencia dentro de la capa límite atmosférica. La mayoría de los códigos y estándares reconocen que las pruebas en túneles de viento pueden producir información confiable para los diseñadores, especialmente cuando sus proyectos se encuentran en terrenos complejos o en sitios expuestos.

En los Estados Unidos, se han desmantelado muchos túneles de viento en los últimos 20 años, incluidas algunas instalaciones históricas. Se ejerce presión sobre los túneles de viento restantes debido a la disminución o el uso errático, los altos costos de electricidad y, en algunos casos, el alto valor de los bienes inmuebles sobre los que se asienta la instalación. Por otro lado, la validación de CFD aún requiere datos de túnel de viento, y es probable que este sea el caso en el futuro previsible. Se han realizado estudios y se están realizando otros para evaluar las necesidades futuras de los túneles de viento militares y comerciales, pero el resultado sigue siendo incierto. Más recientemente, un uso cada vez mayor de vehículos no tripulados instrumentados propulsados por chorro [”drones de investigación”] ha reemplazado algunos de los usos tradicionales de los túneles de viento. El túnel de viento más rápido del mundo a partir de 2019 es el túnel de viento LENS-X, ubicado en Buffalo, Nueva York.

Cómo funciona

Equilibrio externo de seis elementos debajo del túnel del viento de Kirsten

El aire se sopla o se aspira a través de un conducto equipado con un puerto de visualización e instrumentación donde se montan modelos o formas geométricas para su estudio. Por lo general, el aire se mueve a través del túnel mediante una serie de ventiladores. Para túneles de viento muy grandes de varios metros de diámetro, un solo ventilador grande no es práctico, por lo que en su lugar se utiliza una matriz de múltiples ventiladores en paralelo para proporcionar suficiente flujo de aire. Debido al gran volumen y la velocidad del movimiento del aire requerido, los ventiladores pueden funcionar con motores turboventiladores estacionarios en lugar de motores eléctricos.

El flujo de aire creado por los ventiladores que ingresan al túnel es en sí mismo altamente turbulento debido al movimiento de las aspas del ventilador (cuando el ventilador sopla aire en la sección de prueba, cuando succiona) aire fuera de la sección de prueba aguas abajo, la turbulencia de las aspas del ventilador no es un factor), por lo que no es directamente útil para mediciones precisas. El aire que se mueve a través del túnel debe estar relativamente libre de turbulencias y ser laminar. Para corregir este problema, se utilizan paletas de aire verticales y horizontales estrechamente espaciadas para suavizar el flujo de aire turbulento antes de llegar al sujeto de la prueba.

Debido a los efectos de la viscosidad, la sección transversal de un túnel de viento suele ser circular en lugar de cuadrada, porque habrá una mayor constricción de flujo en las esquinas de un túnel cuadrado que puede hacer que el flujo sea turbulento. Un túnel circular proporciona un flujo más suave.

El revestimiento interior del túnel suele ser lo más suave posible para reducir el arrastre de la superficie y las turbulencias que podrían afectar la precisión de la prueba. Incluso las paredes lisas inducen cierta resistencia al flujo de aire, por lo que el objeto que se está probando generalmente se mantiene cerca del centro del túnel, con una zona de amortiguamiento vacía entre el objeto y las paredes del túnel. Existen factores de corrección para relacionar los resultados de las pruebas en túnel de viento con los resultados al aire libre.

La iluminación suele estar incrustada en las paredes circulares del túnel y brilla a través de las ventanas. Si la luz se montara en la superficie interior del túnel de manera convencional, la bombilla generaría turbulencias a medida que el aire sopla a su alrededor. Del mismo modo, la observación se suele realizar a través de ojos de buey transparentes en el interior del túnel. En lugar de ser simplemente discos planos, estas ventanas de iluminación y observación pueden curvarse para coincidir con la sección transversal del túnel y reducir aún más las turbulencias alrededor de la ventana.

Se utilizan varias técnicas para estudiar el flujo de aire real alrededor de la geometría y compararlo con los resultados teóricos, que también deben tener en cuenta el número de Reynolds y el número de Mach para el régimen de operación.

Medidas de presión

La presión en las superficies del modelo se puede medir si el modelo incluye tomas de presión. Esto puede ser útil para fenómenos dominados por la presión, pero esto solo tiene en cuenta las fuerzas normales en el cuerpo.

Medidas de fuerza y momento

Un coeficiente de elevación típico frente al ángulo de la curva de ataque

Con el modelo montado en una balanza de fuerzas, se pueden medir los momentos de sustentación, arrastre, fuerzas laterales, guiñada, balanceo y cabeceo en un rango de ángulo de ataque. Esto permite producir curvas comunes como el coeficiente de sustentación versus el ángulo de ataque (mostrado).

Tenga en cuenta que el propio equilibrio de fuerzas crea arrastre y turbulencia potencial que afectará al modelo e introducirá errores en las mediciones. Por lo tanto, las estructuras de soporte suelen tener una forma suave para minimizar la turbulencia.

Visualización de flujo

Debido a que el aire es transparente, es difícil observar directamente el movimiento del aire en sí. En cambio, se han desarrollado múltiples métodos de visualización de flujo tanto cuantitativos como cualitativos para probar en un túnel de viento.

Métodos cualitativos

• Humo
• Inyección de dióxido de carbono
• Tufts, mini-tufts, o conos de flujo se pueden aplicar a un modelo y permanecer unidos durante las pruebas. Los tubos se pueden utilizar para medir los patrones de flujo de aire y la separación de flujo. Los tufts a veces están hechos de material fluorescente y están iluminados bajo luz negra para ayudar en la visualización.
• Las suspensiones evaporadoras son simplemente una mezcla de algún tipo o polvo fino, talco o arcilla mezclada en un líquido con un bajo calor latente de evaporación. Cuando el viento está encendido el líquido se evapora rápidamente, dejando atrás la arcilla en un patrón característico del flujo de aire.
• Aceite: Cuando el aceite se aplica a la superficie modelo puede mostrar claramente la transición de flujo laminar a flujo turbulento, así como la separación de flujo.
• Pintura Tempera: Al igual que el aceite, la pintura temposa se puede aplicar a la superficie del modelo aplicando inicialmente la pintura en puntos de salida espaciados. Después de ejecutar el túnel del viento, se puede identificar la dirección del flujo y la separación. Una estrategia adicional en el uso de la pintura tempa es utilizar las luces negras para crear un patrón de flujo luminoso con la pintura tempa.
• Fog (normalmente de partículas de agua) se crea con un nebulizador piezoeléctrico ultrasónico. La niebla se transporta dentro del túnel del viento (preferiblemente del circuito cerrado y el tipo de sección de pruebas cerradas). Una cuadrícula calentada eléctricamente se inserta antes de la sección de prueba, que evapora las partículas de agua en sus alrededores, formando así hojas de niebla. Las hojas de niebla funcionan como aerosoles sobre el modelo de prueba cuando se iluminan por una hoja de luz.
• Sublimación: Si el movimiento aéreo en el túnel no es suficientemente robusto, un flujo de partículas lanzado al flujo de aire no se romperá a medida que el aire se mueve a lo largo, pero permanecer juntos como una línea delgada aguda. Múltiples flujos de partículas liberados de una cuadrícula de muchas boquillas pueden proporcionar una forma tridimensional dinámica del flujo de aire alrededor de un cuerpo. Al igual que con el equilibrio de la fuerza, estos tubos de inyección y boquillas deben ser moldeados de manera que minimiza la introducción de flujo de aire turbulento en el flujo de aire.
• Sublimación (definición alternativa): Una técnica de visualización de flujo es cubrir el modelo en un material sublimatable donde una vez que el viento se encienda en regiones donde el flujo de aire es laminar, el material permanecerá unido al modelo, mientras que en las zonas turbulentas el material se evaporará del modelo. Esta técnica se emplea principalmente para verificar que los puntos de viaje colocados en el borde principal para forzar una transición están logrando con éxito el objetivo previsto.

Las turbulencias y los vórtices de alta velocidad pueden ser difíciles de ver directamente, pero las luces estroboscópicas y las cámaras de película o las cámaras digitales de alta velocidad pueden ayudar a capturar eventos que son borrosos a simple vista.

También se requieren cámaras de alta velocidad cuando el sujeto de la prueba se mueve a alta velocidad, como la hélice de un avión. La cámara puede capturar imágenes de stop-motion de cómo la hoja atraviesa las corrientes de partículas y cómo se generan vórtices a lo largo de los bordes de salida de la hoja en movimiento.

Métodos cuantitativos

• Pintura sensible de presión (PSP): PSP es una técnica por la que un modelo es recubierto con una pintura que reacciona a variaciones en la presión cambiando el color. En conjunto con esta técnica, las cámaras suelen colocarse en ángulos de visualización estratégicos a través de las paredes, el techo y el suelo del túnel del viento para fotografiar el modelo mientras el viento está encendido. Los resultados fotográficos pueden digitalizarse para crear una distribución completa de las presiones externas que actúan sobre el modelo, y posteriormente mapeado en una malla geométrica computacional para la comparación directa con los resultados de CFD. Las mediciones de PSP pueden ser eficaces para captar variaciones de presión en todo el modelo, sin embargo, a menudo requieren pulsaciones de presión suplementarias en la superficie del modelo para verificar la magnitud absoluta de los coeficientes de presión. Una propiedad importante de pinturas PSP bien comportadas es que también deben ser insensibles a efectos de temperatura ya que la temperatura dentro del túnel del viento podría variar considerablemente después de correr continuamente. Las dificultades comunes encontradas al utilizar PSP incluyen la incapacidad de medir con precisión los efectos de bordes de vanguardia y de seguimiento en áreas donde hay una alta curvatura debido a limitaciones en la capacidad de las cámaras para obtener un ángulo de visualización ventajoso. Además, la aplicación de PSP en el borde principal se evita a veces porque introduce un espesor finito que podría causar separación de flujo temprano por lo tanto los resultados corruptos. Dado que las variaciones de presión en el borde principal son típicamente de interés primario, la falta de resultados precisos en esa región es muy problemática. Una vez que se pinta un modelo con pintura sensible a la presión, se sabe que ciertas pinturas se adhieren y siguen realizando durante meses después de aplicar inicialmente. Finalmente, se ha sabido que las pinturas PSP tienen ciertas características de frecuencia donde algunos requieren unos momentos para estabilizarse antes de lograr resultados precisos, mientras que otros convergen rápidamente. En este último caso, se pueden utilizar pinturas que tienen capacidad para reflejar cambios rápidos en la presión para aplicaciones dinámicas de PSP donde la intención es medir características de flujo inestables.
• Particle Image Velocimetry (PIV): PIV es una técnica en la que se emite una hoja láser a través de una abertura en la pared del túnel donde un dispositivo de imagen es capaz de rastrear la dirección de velocidad local de partículas en el plano de la hoja láser. A veces esta técnica implica ver el flujo de aire con material observable. Esta técnica permite la medición cuantitativa de la velocidad y dirección del flujo a través de las áreas capturadas en el plano del láser.
• Medición de Deformación Modelo (MDM): MDM trabaja colocando marcadores en lugares geométricos conocidos en el modelo del túnel del viento y tomando fotografías del cambio en la ubicación del marcador como el viento en el túnel se aplica. Al analizar el cambio en las posiciones de marcadores desde diferentes ángulos de visualización de la cámara, se puede calcular el cambio de traducción en la ubicación del marcador. Recopilando los resultados de unos pocos marcadores, se puede calcular el grado en que el modelo está rindiendo flexiblemente debido a la carga del aire.

Clasificación

Hay muchos tipos diferentes de túneles de viento. Por lo general, se clasifican por el rango de velocidades que se alcanzan en la sección de prueba, de la siguiente manera:

• túnel de viento de baja velocidad
• túnel de viento de alta velocidad
• túnel de viento subsónico y transónico
• Tunel de viento supersónico
• túnel de viento hipersónico
• túnel de viento alto enthalpy

Los túneles de viento también se clasifican por la orientación del flujo de aire en la sección de prueba con respecto a la gravedad. Por lo general, están orientados horizontalmente, como sucede durante el vuelo nivelado. Una clase diferente de túneles de viento está orientada verticalmente para que la gravedad pueda equilibrarse mediante la resistencia en lugar de la sustentación, y se han convertido en una forma popular de recreación para simular el paracaidismo:

• Tunel de viento vertical

Los túneles de viento también se clasifican según su uso principal. Para aquellos que se usan con vehículos terrestres como automóviles y camiones, el tipo de aerodinámica del piso también es importante. Estos varían desde pisos estacionarios hasta pisos móviles completos, siendo también importantes los pisos móviles más pequeños y algún intento de control de nivel de límite.

Túneles de viento aeronáuticos

Las principales subcategorías en los túneles de viento aeronáuticos son:

Túneles del número de High Reynolds

El número de Reynolds es uno de los parámetros de similitud que rigen la simulación del flujo en un túnel de viento. Para un número de Mach inferior a 0,3, es el parámetro principal que gobierna las características de flujo. Hay tres formas principales de simular un número de Reynolds alto, ya que no es práctico obtener un número de Reynolds a gran escala mediante el uso de un vehículo a gran escala.

• túneles presurizados: Aquí los gases de prueba están presurizados para aumentar el número de Reynolds.
• túneles de gas pesado: Los gases más pesados como freón y R-134a se utilizan como gases de prueba. El túnel de dinámica transónica en la NASA Langley es un ejemplo de tal túnel.
• túneles criogénicos: Aquí el gas de prueba se enfría para aumentar el número de Reynolds. El túnel de viento transónico europeo utiliza esta técnica.
• túneles de alta altitud: Estos están diseñados para probar los efectos de las ondas de choque contra varias formas de aviones en el vacío cercano. En 1952 la Universidad de California construyó los dos primeros túneles de viento de alta altitud: uno para probar objetos a 50 a 70 millas sobre la tierra y el segundo para pruebas a 80 a 200 millas sobre la tierra.

Túneles V/STOL

Los túneles V/STOL requieren un área de sección transversal grande, pero solo velocidades pequeñas. Dado que la potencia varía con el cubo de la velocidad, la potencia requerida para la operación también es menor. Un ejemplo de un túnel V/STOL es el NASA Langley 14' 22' túnel.

Túneles giratorios

Las aeronaves tienden a girar cuando entran en pérdida. Estos túneles se utilizan para estudiar ese fenómeno.

Túneles de automoción

Los túneles de viento para automóviles se dividen en dos categorías:

• Los túneles de flujo externo se utilizan para estudiar el flujo externo a través del chasis
• Los túneles climáticos se utilizan para evaluar el rendimiento de sistemas de puertas, sistemas de frenado, etc. bajo diversas condiciones climáticas. La mayoría de los principales fabricantes de automóviles tienen sus propios túneles climáticos de viento

Wunibald Kamm construyó el primer túnel de viento a gran escala para vehículos motorizados.

Para los túneles de flujo externo, se utilizan varios sistemas para compensar el efecto de la capa límite en la superficie de la carretera, incluidos sistemas de correas móviles debajo de cada rueda y la carrocería del automóvil (sistemas de 5 o 7 correas) o una correa grande debajo de todo el automóvil, u otros métodos de control de la capa límite, como palas o perforaciones para absorberlo.

Túneles aeroacústicos

Estos túneles se utilizan en los estudios de ruido generado por el flujo y su supresión.

Tunel de viento vertical T-105 en el Instituto Aerohidrodinámico Central, Moscú, construido en 1941 para pruebas de aviones

Alta entalpía

Un túnel de viento de alta entalpía está diseñado para estudiar el flujo de aire alrededor de objetos que se mueven a velocidades mucho más rápidas que la velocidad local del sonido (velocidades hipersónicas). "Entalpía" es la energía total de una corriente de gas, compuesta de energía interna debida a la temperatura, el producto de la presión y el volumen, y la velocidad del flujo. La duplicación de las condiciones del vuelo hipersónico requiere grandes volúmenes de aire caliente a alta presión; grandes depósitos calientes presurizados y arcos eléctricos son dos técnicas utilizadas.

Canal acuadinámico

Los principios aerodinámicos del túnel de viento funcionan igualmente en las embarcaciones, excepto que el agua es más viscosa y, por lo tanto, ejerce mayores fuerzas sobre el objeto que se está probando. Un canal de bucle se usa típicamente para pruebas de acuadinámica bajo el agua. La interacción entre dos tipos diferentes de fluidos significa que las pruebas puras en túnel de viento son solo parcialmente relevantes. Sin embargo, se realiza un tipo de investigación similar en un tanque de remolque.

Pruebas de líquidos de gran tamaño a baja velocidad

El aire no siempre es el mejor medio de prueba para estudiar los principios aerodinámicos a pequeña escala, debido a la velocidad del flujo de aire y el movimiento de la superficie aerodinámica. Se realizó un estudio de las alas de la mosca de la fruta diseñado para comprender cómo las alas producen sustentación utilizando un tanque grande de aceite mineral y alas 100 veces más grandes que el tamaño real, para ralentizar los latidos de las alas y facilitar los vórtices generados por las alas de los insectos. para ver y entender.

Pruebas de ventiladores

También se realizan pruebas de túnel de viento para medir con precisión el movimiento del aire de los ventiladores a una presión específica. Determinando las circunstancias ambientales durante la medición y revisando la hermeticidad después, se asegura la estandarización de los datos.

Hay dos formas posibles de medición: un ventilador completo o un impulsor en una instalación hidráulica. Dos tubos de medición permiten medir corrientes de aire más bajas (< 30.000 m³/h) así como corrientes de aire más altas (< 60.000 m³/h). La determinación de la curva Q/h del ventilador es uno de los principales objetivos. Para determinar esta curva (y definir otros parámetros) se miden datos técnicos, mecánicos y electrotécnicos del aire:

Aire técnico:

• Diferencia de presión estatica (Pa)
• Cantidad de aire movido (m³/h)
• Velocidad media de aire (m/s)
• Eficiencia específica (W/1000 m³/h)
• Eficiencia

Electrotécnica:

• Tensión (V)
• Corriente (A)
• Cos φ
• Aficionado al poder (W) / impulsor
• Rotaciones por minuto (RPM)

La medición puede realizarse en el ventilador o en la aplicación en la que se utiliza el ventilador.

Ensayos de ingeniería eólica

En ingeniería eólica, las pruebas de túnel de viento se utilizan para medir la velocidad alrededor y las fuerzas o presiones sobre las estructuras. Los edificios muy altos, los edificios con formas inusuales o complicadas (como un edificio alto con forma parabólica o hiperbólica), los puentes colgantes de cables o los puentes atirantados se analizan en túneles de viento de capa límite atmosféricos especializados. Estos cuentan con una sección larga contra el viento para representar con precisión la velocidad del viento y el perfil de turbulencia que actúa sobre la estructura. Las pruebas de túnel de viento proporcionan las medidas de presión de diseño necesarias para el análisis dinámico y el control de edificios altos.