La lista de las instalaciones para pruebas de túnel de viento

Introducción

Los túneles de viento son instalaciones que permiten la simulación en el mundo real de cómo el aire pasa alrededor de un objeto. Los modelos de prueba en túneles de viento proporcionan los datos para verificar o mejorar las simulaciones por computadora. Los diseñadores e ingenieros utilizan dichas pruebas para estudiar y evaluar la aerodinámica y los fenómenos de flujo de fluidos. Los túneles de viento les permiten validar la eficiencia y la durabilidad de cualquier cosa, desde elementos arquitectónicos hasta automóviles y aviones.

Mapa Mundial de Instalaciones para Pruebas en Túnel de Viento

Lista de instalaciones de ensayo en túneles aerodinámicos por países

¿Qué es un túnel de viento?

Un túnel de viento es una configuración de prueba en forma de conducto o tubo en la que potentes ventiladores eléctricos pueden generar aire que fluye a una velocidad conocida. El flujo de aire constante pasa por modelos u objetos de tamaño completo para investigar el flujo y el efecto de las corrientes de aire y optimizar su diseño.

El aire en el túnel se mueve alrededor del objeto de prueba estacionario para simular el mismo movimiento relativo en la vida real, mientras se miden las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre el objeto, como el arrastre y la sustentación.

El modelo u objeto a menudo se coloca en una mesa giratoria o en una plataforma móvil giratoria para permitir estudios del impacto del viento desde múltiples direcciones.

Los túneles de viento están hechos para probar y predecir la carga de viento para todo tipo de estructuras que se mueven por el aire o se ven afectadas por la fuerza del viento: puentes, embarcaciones, aeronaves, edificios, turbinas eólicas y numerosas estructuras en alta mar, o partes y componentes de estas. Incluso objetos como paracaídas, remolques de vehículos o pelotas de tenis se prueban en túneles de viento.

Las características del flujo de aire alrededor del objeto probado se pueden visualizar mediante técnicas de visualización de flujo que incluyen fotografiar o grabar en video el humo o el tinte inyectados, o el aceite que fluye sobre el objeto.

Las pruebas de túnel de viento verifican los cálculos de los ingenieros e identifican áreas de mejora en sus diseños. Las ventajas de la técnica del túnel de viento incluyen:

• Resultados precisos para minimizar las suposiciones

• Circunstancias de flujo bien controladas

• Ajuste de variables a voluntad, y economía

• Fácil reproducción de las condiciones experimentales.

• Generación de datos precisos para validar las simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) y las mediciones de campo.

¿Cómo funciona el túnel de viento?

Sin entrar en demasiados detalles lo mejor es ver este vídeo explicativo de cómo funcionan los túneles de viento.

Historia del túnel de viento: ¿Cuándo comenzó?

En un ensayo para probar las velas de los molinos de viento, el ingeniero civil británico John Smeaton en 1759 declaró la necesidad de viento artificial. Smeaton desarrolló los conceptos y datos que se convirtieron en la base del coeficiente de presión de Smeaton, la ecuación de elevación utilizada por los hermanos Wright. A fines del siglo XIX, aparecieron los túneles de viento cuando muchos intentaron desarrollar máquinas voladoras exitosas.

A Frank H. Wenham (1824-1908), miembro del Consejo de la Sociedad Aeronáutica de Gran Bretaña, generalmente se le atribuye el diseño y la operación del primer túnel de viento en 1871. El túnel fue construido por John Browning, un óptico, y ubicado en Penn's Obras de ingeniería marina en Greenwich, Inglaterra. El túnel tenía 3,7 metros (12 pies) de largo y 45,7 centímetros (18 pulgadas) cuadrados. Otro túnel de viento temprano documentado fue construido por los hermanos Wright a fines de 1901 para las pruebas de vuelo de sus planeadores.

Incluso si el primer túnel de viento en Gran Bretaña fue operado por un eyector de aire comprimido, los siguientes túneles de viento utilizaron el aire movido por un ventilador dispuesto aguas arriba de la sección de prueba del túnel de viento. El cambio a succión es un paso importante en el desarrollo del túnel de viento. Cuando el ventilador se dispone aguas abajo de la sección de prueba y ya no interfiere con el modelo, lo que garantiza la calidad del flujo.

Estructura del túnel de ciento: ¿Cómo funciona?

Los tres criterios principales que se utilizan comúnmente para definir los túneles de viento son la velocidad máxima alcanzable, la uniformidad del flujo y el nivel de turbulencia. Por lo tanto, el objetivo de diseño de un túnel de viento, en general, es obtener un flujo controlado en la cámara de prueba, logrando los parámetros de rendimiento y calidad de flujo necesarios.

Hay cinco partes básicas del túnel de viento: la cámara de sedimentación, el cono de contracción, la sección de prueba, el difusor y la sección de conducción. Durante una prueba, el objeto de prueba se coloca en la sección de prueba del túnel y se hace que el aire fluya a través de él. Se utilizan varios tipos de instrumentación para determinar las fuerzas en el modelo.

En algunas pruebas de túnel de viento, las fuerzas aerodinámicas y los momentos en el modelo se miden directamente. El modelo se monta en el túnel en una máquina especial llamada equilibrio de fuerza. La salida de la balanza es una señal que está relacionada con las fuerzas y los momentos en el modelo. Las balanzas se pueden utilizar para medir tanto las fuerzas de sustentación como las de arrastre.

La balanza debe calibrarse contra un valor conocido de la fuerza antes y, a veces, durante la prueba. Las mediciones de fuerza generalmente requieren alguna reducción de datos o procesamiento posterior a la prueba para tener en cuenta los efectos del número de Reynolds o el número de Mach en el modelo durante la prueba.

Cuatro propiedades del aire afectan la forma en que fluye por un objeto: viscosidad, densidad, compresibilidad y temperatura. Con el modelo montado en una balanza de fuerzas, se pueden medir los momentos de elevación, arrastre, fuerzas laterales, guiñada, balanceo y cabeceo en una variedad de ángulos de ataque.

Tipos de túneles de viento

El tipo, el tamaño y la fuerza del viento en un túnel dependen del tamaño y el carácter del objeto para la prueba y las condiciones de flujo deseadas. Algunos túneles de viento pueden acomodar modelos a escala real pero, por razones prácticas y de costo, la mayoría están construidos para adaptarse a modelos miniaturizados.

Túneles de viento de circuito abierto (tipo eiffel)

Los túneles de viento de circuito o retorno abierto no recirculan el aire directamente. Más bien, el aire se extrae del entorno del laboratorio, pasa a través de la sección de prueba y regresa al laboratorio a través del escape del túnel.

El túnel de viento del tipo Eiffel es abierto y sin recirculación de aire. El ventilador está al final del túnel en un difusor de salida. En este procedimiento, la conducción del flujo ocurre por medio de una cámara de alisado con un rectificador y tamices, y una boquilla. Debe su nombre a Gustave Eiffel, quien en 1909 construyó un pequeño túnel de viento al pie de la Torre Eiffel para estudiar el efecto del viento en puntos fijos más precisos.

Túneles de viento de circuito cerrado (tipo prandtl)

En el túnel de retorno cerrado, el aire es conducido desde la salida de la sección de prueba de regreso al ventilador por una serie de paletas giratorias. Al salir del ventilador, el aire regresa a la sección de contracción y regresa a través de la sección de prueba.

Construido en la Universidad de Göttingen, en Alemania, por Ludwig Prandtl en 1909. Después de ser aspirado aguas abajo de la sección de prueba, el aire es guiado a través de cuatro curvas sucesivas y luego readmitido aguas arriba del colector. Este tipo de túnel de viento llamado túnel de viento de Prandtl, o túnel de viento de Göttingen, conduce a una mejor eficiencia de combustible y proporciona condiciones de prueba controladas (presión, temperatura, humedad).

Los túneles de viento modernos suelen ser una combinación de estos tipos, el circuito cerrado de Prandtl y el circuito abierto de Eiffel con un difusor.

Clasificación del túnel de viento

Los túneles de viento generalmente se clasifican por la cantidad de velocidad que pueden producir como de baja velocidad (túneles de viento de baja velocidad (LSWT)) o de alta velocidad. Se clasifican además como:

• Túneles de viento subsónicos (80 por ciento de la velocidad del sonido): estos se dividen además en "subsónicos incompresibles" (entre Mach 0 y aproximadamente 0,3) y "subsónicos compresibles" (entre aproximadamente Mach 0,3 y aproximadamente 0,8).

• Túneles de viento transónicos, entre Mach 0,8 y 1,2, sobre la velocidad del sonido.

• Túneles de viento supersónicos, entre Mach 1 y 4, hasta 6 veces la velocidad del sonido.

• Túneles de viento hipersónicos: Mach es mayor que 4 - 5 - hasta 12 veces la velocidad del sonido.

• Túneles de viento de hipervelocidad: más de 12 veces la velocidad del sonido.

Túneles de viento especializados

• Los túneles de viento de alta entalpía están diseñados 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). La "entalpía" es la energía total de una corriente de gas, compuesta de energía interna debido a la temperatura, el producto de la presión y el volumen, y la velocidad del flujo.

• Los túneles de viento de entrada a la atmósfera o los túneles de viento de plasma utilizan plasma para simular el calentamiento aerodinámico y un estado de número de Mach alto al volver a entrar en la atmósfera. Reproduce las condiciones de reingreso calentando el gas a varios miles de grados centígrados, con flujos de aire siete veces la velocidad del sonido y con presiones de estancamiento de hasta 50 atmósferas. Los números de Reynold variables indican el flujo de fluido constante o turbulento que pasa por el objeto o en el túnel.

• Los túneles de viento climáticos tienen la capacidad de recrear condiciones climáticas tales como radiación solar, temperatura y humedad, por ejemplo, lluvia, nevadas y formación de hielo. Se utiliza para probar cosas como turbinas eólicas, cables de puentes o ventiladores en calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).

• Los tubos de choque o los túneles de viento de purga producen un flujo de aire mediante la descarga rápida de un tanque de almacenamiento de alta presión o mediante la succión de un depósito al vacío. Pueden replicar y dirigir ondas expansivas que simulan explosiones reales y sus efectos. Los tubos de choque se utilizan para investigar fenómenos de flujo comprimible y reacciones de combustión en fase gaseosa.

Aplicaciones de túnel de viento

Los diseñadores e ingenieros utilizan el modelado y las pruebas en túneles de viento para simular y evaluar la aerodinámica alrededor de los objetos y para validar la eficiencia y la durabilidad de cualquier cosa, desde elementos arquitectónicos hasta automóviles y aeronaves.

Pruebas de vehículos terrestres: baja velocidad (subsónica)

• Simule las condiciones de conducción del mundo real para estudiar la aerodinámica de los vehículos con el objetivo de reducir la resistencia aerodinámica, aumentar la eficiencia y reducir las emisiones de CO2.

• Estudiar la acústica de los vehículos para reducir el ruido aerodinámico, tanto en el exterior como en el interior del vehículo.

• Los túneles de flujo externo se utilizan para estudiar el flujo externo a través del chasis, la fuerza de frenado del viento

• Los túneles climáticos se utilizan para evaluar el enfriamiento del motor, el nivel de confort interior, el rendimiento de los sistemas de puertas, los sistemas de frenado, etc., en diversas condiciones climáticas.

Pruebas de aeronaves: baja y alta velocidad

• Pruebas de túnel de viento de aeronaves de baja velocidad para medir las características aerodinámicas de las aeronaves: propiedades de sustentación y arrastre, así como la estabilidad de las aeronaves y los componentes del motor. Estas pruebas de túnel de viento se utilizan para pruebas de estabilidad estática y medición de presión.

• Las características aerodinámicas de las aeronaves a velocidades de despegue y aterrizaje, etc.

• Las ondas de choque para aviones de alta velocidad se visualizan usando agua como fluido de trabajo.

• Comprender la aeroacústica mediante la exploración del ruido aerodinámico, es decir, el movimiento de fluidos turbulentos y las fluctuaciones de la presión acústica, es decir, la generación de ruido externo a través de las fuerzas aerodinámicas que interactúan con las superficies.

• Los sistemas de rociado de agua se aplican para la prueba de formación de hielo.

Pruebas de naves espaciales: alta velocidad (supersónica, hipersónica, hipervelocidad)

• Túneles de viento de entrada a la atmósfera o túneles de viento de plasma para caracterizar el comportamiento aerodinámico y el calentamiento de materiales y estructuras mediante simulación de entrada en vehículos espaciales como cohetes, satélites, vehículos de lanzamiento, naves espaciales.

• Simulación del quemado deseado durante la reentrada atmosférica para estimar el riesgo de que los escombros lleguen al suelo.

• Túneles de viento de alta entalpía para pruebas de calentamiento de sistemas de protección térmica para vehículos de reingreso.

Pruebas estructurales: baja velocidad (subsónica)

• Las pruebas de túnel de viento se utilizan para predecir las cargas de viento y las respuestas de una estructura, componentes estructurales y revestimiento a una variedad de condiciones de viento.

• Ingeniería eólica para medir la velocidad del aire alrededor o dentro, fuerzas o presiones sobre estructuras de ingeniería civil, así como las respuestas inducidas por el viento, especialmente en estructuras grandes, altas o sensibles al viento, como rascacielos y edificios altos, grupos de edificios, largas -techos, túneles, puentes, estructuras en alta mar.

• Pruebas de túnel de viento para puentes para evaluar vigas, torres y cables, realizados en vigas, torres y cables, por separado o juntos. También se realizan pruebas de túnel de viento para guardarraíles, barreras o señales de tráfico, respectivamente.

• Túneles de viento climáticos para estudiar los efectos combinados del viento y otros parámetros climáticos como la lluvia, la arena, el sol, la nieve o la temperatura en los elementos de construcción

Adquisición de datos y sensores

Los ingenieros utilizan los túneles de viento para probar las fuerzas contra la presión del viento. Realizar mediciones precisas de presiones y fuerzas en el modelo de prueba permite al ingeniero predecirlas en el avión a escala real y mejorar su rendimiento aerodinámico.

Para realizar estas mediciones, los ingenieros deben usar sensores y equipos de acondicionamiento de señales para almacenar y analizar los datos. En otras palabras, se necesitan sistemas modernos de adquisición de datos.

Sensores de túnel de viento

Para las pruebas de túnel de viento, los ingenieros suelen utilizar sensores dinámicos como:

• Sensores de presión

• Micrófonos

• Sensores de fuerza

• Medidores de deformación

Los sensores del túnel de viento están organizados por clasificación de velocidad. Desde el uso subsónico de micrófonos de condensador para holografía acústica hasta sensores de impacto para estudiar la transición de la capa límite de los vehículos de reentrada hipersónicos. Los sensores suelen instalarse dentro de los túneles de viento o cerca del propio modelo.

Acondicionamiento de señal

El acondicionamiento de señales es un circuito electrónico que manipula una señal de manera que la prepara para la siguiente etapa de procesamiento. Muchas aplicaciones implican la medición ambiental o mecánica de sensores, como la temperatura y la vibración. Estos sensores requieren acondicionamiento de la señal antes de que un dispositivo de adquisición de datos pueda medir la señal de manera efectiva y precisa.

Una vez que la señal está correctamente acondicionada, está lista para ser almacenada por el sistema de adquisición de datos y preparada para el análisis utilizando el software de procesamiento de señales.

Referencias

• What Are Wind Tunnels? Parte de NASA Knows! (Grades 5-8) series, 25 de junio 2014

• A century of wind tunnels since Eiffel. Bruno Chanetz, El laboratorio aeroespacial francés ONERA. Comptes Rendus Mecanique 345(8). Julio 2017.

• What Is Wind Tunnel Testing? Boom Supersonic. 10 agosto, 2021.