Túnel aerodinámico

Túnel aerodinámico
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Concepto:El túnel aerodinámico se emplea para probar la eficiencia aerodinámica de un automóvil. Las formas aerodinámicas reducen la resistencia al avance de un automóvil o un avión.


Túnel aerodinámico o Túnel de viento, se emplean para estudiar la eficiencia aerodinámica de un vehículo. Los diseños aerodinámicos reducen la resistencia al avance en los automóviles o aviones. En aeronáutica, aparato de investigación que simula las condiciones experimentadas por un objeto que se mueve a través del aire. En un túnel aerodinámico o de viento, el objeto permanece estacionario mientras se fuerza el paso de aire o gas por encima de él.

Historia

El ingeniero militar inglés Benjamín Robins (1707-1751) inventó un aparato de brazo giratorio para realizar experimentos de resistencia dentro de la teoría de la aviación.

George Cayley (1773-1857), también usó un brazo giratorio para medir la resistencia y sustentación de varios álabes. Su brazo giratorio era de 5 pies de largo y logró velocidades en la punta de entre 10 y 20 pies por segundo. Armado con los datos de las pruebas del brazo, Cayley construyó un planeador pequeño que se cree que haya sido uno de los primeros vehículos mas pesados que el aire que se empleó con éxito para llevar a un hombre en la historia. Sin embargo, el brazo giratorio no produce un flujo de aire que impacte las formas de la prueba a una incidencia normal. Las fuerzas centrífugas y el hecho de que el objeto está moviéndose a través de su propia estela significan que un examinen detallado del flujo de aire es difícil.

Francis HerbertWenham (1824-1908), un Miembro del Consejo de la Sociedad Aeronáutica de Gran Bretaña, arregló estos problemas, diseñando y operando el primer túnel aerodinámico en 1871. Un túnel de viento, conocido como "tubo aerodinámico" fue diseñado y construido por Ziolkovsky en 1897. Una vez que este descubrimiento vio la luz, datos técnicos detallados se extrajeron rápidamente. Se acredita a Wenham y a su colega Browning de muchos descubrimientos fundamentales, incluyendo la revelación de los efectos beneficiosos deuna proporción del aspecto alta.

Carl Rickard Nyberg usó un túnel aerodinámico al diseñar su Flugan en 1897. En experimentos, el inglés Osborne Reynolds (1842-1912) de la Universidad de Manchester demostraba que el patrón del flujo de aire sobre un modelo a escala sería elmismo para el vehículo real si cierto parámetro del flujo fuera el mismo en amboscasos. Este factor, ahora conocido como el Número de Reynolds, es un parámetro básicoen la descripción de todas las situaciones fluido-flujo, incluyendo las formas de los patrones del flujo, la facilidad de transmisión del calor, y la presencia de la turbulencia.

Los hermanos Wright en el año 1906 lograron volar su prototipo "Flyer" en la Playa de Kitty Hawk. Antes de realizar estos vuelos, hicieron varios ensayos con planeadores y modelos.

Para la determinación de los perfiles alares (forma del perfil del ala, el sentido transversal) estudiaron los modelos de Otto Liliental y realizaron ensayos en un túnel de viento de fabricación casera. Este túnel era muy simple y rústico, pero lo suficientemente útil como para poder determinar que ciertas formas de perfiles alares producían un esfuerzo perpendicular a la velocidad del viento y hacia arriba (Fuerza de sustentación), que ayudarían a elevar el aeroplano.

Posteriormente se usaron túneles aerodinámicos como parte de la ciencia aerodinámica y las disciplinas de ingeniería aeronáutica y se desarrollaron los viajes y el poder aéreo. Los túneles aerodinámicos estaban a menudo limitados por el volumen y la velocidad de la corriente de aire que podría entregarse. El túnel aerodinámico usado por los científicos alemanes en Peenemünde durante la Segunda Guerra Mundial es un ejemplo interesante de las dificultades asociadas con extender el rango útil de un túnel aerodinámico, donde se emplearon cuevas natural es que se aumentaron en tamaño mediante la excavación y entonces fueron selladas para guardar grandes volúmenes de aire que podría ser redireccionado a través de los túneles. Esta innovación permitió la investigación de los regímenes de velocidad altos y aceleraron la proporción y los esfuerzos de la ingeniería aeronáutica de Alemania, haciendo posible que este país fuera el primero en poner en servicio cazas a reacción. El primer túnel de viento supersónico fue construido en Alemania, con una potencia de 100.000 caballos de vapor. Después de la Segunda Guerra Mundial, fue desmantelado y trasladado a América.

Uso

Estos túneles se utilizan para estudiar los efectos del movimiento del aire en objetos como aviones, naves espaciales, misiles, automóviles, edificios o puentes.

Definición

Un túnel de viento o túnel aerodinámico es una herramienta experimental para estudiar los efectos del flujo de aire sobre objetos o cuerpos sólidos.

Se trata de una instalación con forma de tubo por donde circula una masa de aire alrededor del sólido u objeto de estudio.

Tipos

Existen 2 tipos de túneles de viento: Los abiertos y los cerrados.

Túnel Abierto

El aire entra del exterior al interior del túnel, y una vez lo ha recorrido vuelve a salir al exterior.

Partes del túnel abierto

  • Cámara de establecimiento: Su objetivo es enderezar y uniformizar el flujo de aire.

Cono de aceleración: Su función es comprimir el aire y acelerar la velocidad del flujo para conducirlo a la cámara de ensayos.

  • Cámara de ensayos: Lugar donde se encuentra el modelo que queremos estudiar y donde se realizan las mediciones.

Difusor: Una vez el aire ya ha salido de la cámara de ensayos, el difusor reduce la velocidad del flujo mediante su perfil divergente. Nos interesa que el aire salga a la menor velocidad posible ya que la velocidad de salida irá relacionada con las pérdidas energéticas del túnel. A menor velocidad, menores son las pérdidas. Ventilador: Es la fuerza que impulsa el flujo de aire.

Túnel Cerrado

A diferencia del anterior, el túnel cerrado recicla el aire de forma cíclica permitiendo así tener controladas las variables termodinámicas del aire: densidad, temperatura y presión. Este tipo es más complejo y costoso, ya que se tienen que instalar una serie de deflectores a lo largo del túnel para mantener controlado el flujo y evitar turbulencias.

Otros tipos

Según su tamaño: Existen túneles de viento de pequeñas dimensiones para provar maquetas a escala y existen túneles colosales que son capaces de albergar hasta un avión real como el National Full-Scale Aerodynamics Complex (NFAC) de la NASA.

F/A-18 real en tunel gigante (NFAC)

Según la velocidad que alcancen:

  • Túnel Subsónco (Mach < 1)
  • Túnel Transónico (Mach = 1)
  • Túnel Supersónico (Mach >1)
  • Túnel Hipersónico (Mach > 5)

Según como se impulse el aire:

  • Soplado: El ventilador se encuentra delante del modelo, proporciona más velocidad pero el flujo se vuelve turbulento.
  • Aspirado: El ventilador se encuentra detrás del modelo, proporciona menos velocidad pero el flujo es laminar.

Existen también un tipo de túneles aerodinámicos dispuestos verticalmente para el entrenamiento de paracaidistas.

Tamaño y Capacidad

El tamaño de los túneles aerodinámicos van desde unos pocos centímetros hasta los 12 m × 24 m del túnel del Ames Research Center en Moffet Field (California, EEUU), perteneciente a la NASA. Este enorme túnel de viento puede dar cabida a un avión real con una envergadura de 22 metros.

Cuanto mayor es la sección transversal del túnel, más difícil resulta crear y mantener flujos de aire de alta velocidad. Este problema es muy grande en los túneles supersónicos e hipersónicos, donde las necesidades de potencia son tan enormes que el tamaño del túnel tiene que ser mucho menor. Aunque en un túnel aerodinámico grande de baja velocidad se pueden emplear ventiladores movidos por un motor, las velocidades más altas requieren el uso de compresores de aire, la liberación de gas almacenado a presión o la descarga explosiva de gases. Los túneles aerodinámicos alimentados por una carga de gas sólo pueden funcionar durante un corto periodo de tiempo. En el túnel de hipervelocidad del Ames Research Center se obtienen velocidades muy grandes propulsando, mediante una carga explosiva, pequeñas maquetas de aviones o naves espaciales mientras que de forma simultánea otra carga explosiva lanza gas hacia el túnel en sentido opuesto. Con esas condiciones se pueden lograr velocidades relativas de casi 50.000 km/h durante un segundo.

Túneles Especiales

Durante el vuelo de naves espaciales supersónicas, el rozamiento genera una cantidad significativa de calor. Para estudiar esos efectos se emplean túneles aerodinámicos especiales en los que un chorro de gases calientes fluye sobre la maqueta del vehículo mientras una serie de instrumentos mide el movimiento del gas y la generación de calor.

En los túneles de baja velocidad a veces se inyecta humo para hacer visible el movimiento del aire sobre las alas de un avión. Otros túneles permiten simular grandes altitudes y observar su influencia sobre el rendimiento de un avión. Se han simulado altitudes de hasta 145 km. Estas pruebas de gran altitud también son muy importantes para predecir el rendimiento de un reactor en cualquier condición de vuelo. El túnel del Flight Propulsión Laboratory de la NASA, en Cleveland (Ohio), puede poner a prueba reactores reales con velocidades de hasta 3.900 km/h y altitudes de más de 30.000 metros. El Túnel Aerodinámico Transónico Europeo, que será empleado por compañías aeroespaciales y centros de investigación europeas, tendrá una capacidad similar.

Como funciona el túnel de viento.

El aire es soplado o aspirado a través de un conducto equipado con rejillas estabilizadoras al comienzo para garantizar que el flujo se comporte de manera laminar o con obstáculos u otros objetos si se desea que se comporte de forma turbulenta. Los modelos se montan para su estudio en un equipo llamado balanza a la cual están adosados los sensores que brindan la información necesaria para calcular los coeficientes de sustentación y resistencia, necesarios para conocer si es factible o no emplear el modelo en la vida real. Además son empleados otros dispositivos para registrar la diferencia de presiones en la superficie del modelo en cuestión. Los resultados prácticos deben ser comparados con los resultados teóricos, teniendo fundamentalmente en cuenta el Número de Reynolds y el Número Mach que constituyen los criterios de validación en las pruebas con modelos a escala.

Las mediciones que se realizan

Durante la prueba aerodinámica se emplean varias técnicas para analizar los datos recopilados, mayoritariamente se procesan por ordenador a través de la tecnología conocida como Computational Fluid Dynamics.

También existen técnicas de visualización del flujo como por ejemplo:

  • Pueden unirse hebras a la superficie de estudio para detectar la dirección del flujo de aire y su velocidad relativa.
  • Pueden inyectarse tintes o humo en el flujo de aire para observar el movimiento de las partículas al pasar por la superficie.
  • Pueden insertarse sondas en puntos específicos del flujo de aire para medir la presión estática o dinámica del aire.

Modelos que se prueban

En los túneles de viento se experimenta mayoritariamente con coches y aviones, sobre todo en la Fórmula 1 donde la aerodinámica es un factor crucial para configurar el monoplaza en óptimas condiciones para la carrera. No obstante en los túneles de viento también se prueban ciclistas, esquiadores, nadadores e incluso pájaros e insectos para estudiar su vuelo.

Fuentes


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