Tutora:RaquelAriza
EstetrabajohasidorealizadoenelprogramadeBachilleratodeInvestigacióndel IESArquitectoVenturaRodríguezdeBoadilladelMonte
Autor:PedroVallejoTomás
Tutora:RaquelAriza Curso 2022-2023
Trabajo regulado bajo licencia CCBY-NC-SA4.0
He de agradecer primero al centro IES Arquitecto Ventura Rodríguez por darme la oportunidad de realizar este proyecto, en especial a Raquel Ariza, tutora de este proyecto y que siempre estuvo dispuesta a ayudar y enseñarme el camino a seguir. También quiero hacer mención al resto de profesores del centro, que siempre buscaron la manera de aportar ideas y mejorar nuestras aptitudes.
También he de agradecer el apoyo de tanto familiares y amigos, que me aconsejaron y siempre estuvieron dispuestos a echar una mano. Quiero agradecerles ésto especialmente a mis padres, que siempre me apoyaron y quisieron poner de su parte, a la vez que animándome a seguir trabajando y aprendiendo.
Since I was a little kid I have always felt passionate about aviation and I really wanted to makeaprojectrelatedtothisfield.Theobjectiveofthisprojectistodesign,buildandtestthe reliability of a homemadewindtunnel,soitcanbeusedforeducationalpurposesandvarious experiments. The idea for thisworkcamefromtherealizationthatthereispracticallynoway of learning or experimenting in the aerodynamics field for the students. Moreover, this document containsthetheoreticalfundamentsoftheaerodynamicsthatneedtobeunderstood in order to design and build a wind tunnel. For the completion of this paper, it has been necessary to follow various methods in order to adapt for the different phases of research, design, building and testing of the tunnel. At first, before the design phase of the project, I had to learn about all the phenomena involvedinawindtunnel.Fortheplanning,designand construction process itself, I have used the technological method to make possible the replication and improvement of this experimenting tool. However, to test the viability and reliability of the design, it has been necessary to apply thescientificmethodandcontrastthe data obtained from my tunnel and other sources in similar experiments, which have proved that the design, although not perfect, is precise and can be used to make a variety of experiments on it. As a conclusion, I must invite anyone that wants to improve, replicate or use the tunnel for their experiments to do so, because it has come up as a cheap,simpleand reliabletooltoworkwith.
Keywords: wind tunnel, homemade, aviation, aerodynamics, experiments, tool, design, construction
Diseño, construcción y estudio de la viabilidad de un túnel de viento casero
El objetivo de este proyecto es el diseño y construcción de un túnel de viento casero, que posibilite el aprendizaje en el campo de la aerodinámica y mecánica de fluidos, tanto en las aulas como en casa. Por ello, en este documento se encuentran las instrucciones y se describen los factores a tener en cuenta a la hora de construir un túnel de viento propio. Además, se ha buscado que el diseño sea lo más simple y barato posible, para que éste sea accesible al mayor número de personas. Paralograrestosobjetivosseharecurridoalmétodo tecnológico. También sehanrealizadounaseriedeexperimentossencillos,paracomprobarsi el diseño final formaba una herramienta viable sobre la que poder aprender y extraer información. Estas pruebas han concluido satisfactoriamente, demostrando la eficacia del diseñocomoherramientadivulgativa.
Palabras clave: túnel de viento, casero, aerodinámica, divulgación, aprendizaje, experimentos, herramienta, diseño, construcción
Abstract: 7
Resumen: 8
Introducción: 11 Identificación: 12
MarcoTeórico: 13
¿Qué es un túnel de viento?: 13
¿Qué principios físicos intervienen en un túnel de viento?: 14
Teoría de la sustentación 17
¿Qué es el efecto magnus? 21
¿Cómo se clasifican los distintos perfiles alares? 22
¿Qué son los dispositivos hipersustentadores? 23
Construccióndeltúnel: 25
1. Marcar los tablones: 25 2. Cortar los tablones: 25 3. Montaje del cuerpo del túnel: 26 4. Creación de los canalizadores 27 5. Sellado 27 6. Pintura y ventana 27 7. Luces 28 8. Sistema de humo 29
Construcción de los perfiles para los experimentos 31
Evaluacióndeltúneldevientoyconclusiones: 32
Pruebas R-3a (simple) 33
R-3a con flaps 35
R-3a con flaps y slats 36
Perfil alar del F-104 37 Efecto Magnus y otros experimentos 38
Problemasencontrados: 40
Problemas en la selección de propulsión 40
Problemas en el sistema de humo 41
Longitud de las patas 42
Futuraslíneasdeinvestigación: 43
Referenciasconsultadas: 44
*Tantolosplanoscomolaplanificaciónypresupuestoseencuentranenlosanexos.
Desde que era pequeño me he sentido cautivado por la aviaciónytodoaquelloquerodealas artes del vuelo. Creo que no he sido el único. Desde que el hombre ha tenido la facultad de soñar ha deseado poder surcar el aire libremente. Prueba deéstosonaquellasleyendascomo la de Ícaro y Dédalo, y las hazañas de los pioneros del aire, que arriesgaron sus vidas creandosuspropiasmáquinasvoladorasensubúsquedadelvuelo. Sin embargo, no sería hasta el siglo XVIII que este sueño se convertiría en realidad, por medio de los globos de los hermanos Montgolfier Para elaño1903,trasañosdeestudio,los hermanos Wright hicieron historia consiguiendo elevarse en el aire controladamente en su precario “Wright Flyer”
Desde ese punto en adelante, la industria aeronáutica sufrió una serie de avances sin precedentes, que en tan solo 66 años elevarían este frágil sueño del vuelo desde unos pocos metros de altura, hasta la Luna. Todos estos avances vinieron de las más brillantes mentes; ingenieros como Kelly Johnson o pilotos como Chuck Yeager y Amelia Earhart entre muchos otros. Todos ellos, guiados por el deseo de llegar más alto y rápido que nadie, consiguieronloqueenunprincipioparecíaimposible.
“And on that glorious day, Gordo Cooper went higher, further and faster than any other, and for a brief moment, he became the best pilot anyone had ever seen ”
No obstante, la idea del vuelo siempre ha idodelamanodelacienciayexperimentación.Es por ello, por lo que desde la revolución científica en el siglo XVII se han usado túneles de vientoparaintentardesvelarlosmisteriosdelaireysucomportamiento.
UnodelosprimerosejemplosdetúneldevientoprovienedeOsborneReynolds,medianteel cual, desarrolló e ingenió muchas de sus teorías y fundamentos. En la actualidad, pese a las avanzadas simulaciones por ordenador, se siguen utilizando túneles devientoparaeldiseño y creación de todo tipo de vehículos, desde coches hasta el transbordador espacial, debido a susimplicidadygranprecisión.
Pedro Vallejo TomásDiseño, construcción y estudio de la viabilidad de un túnel de viento casero
El objetivo del proyecto es el diseño, construcción yestudiodelaviabilidaddeuntúnelde viento casero, que posibilite la enseñanza de la mecánica de fluidos y aerodinámica de una manerasencillaybaratatantoenlasaulascomoencasa. Asimismo, se describen los distintos fenómenos aerodinámicos involucrados en el diseño y que se pueden estudiar en él, así como las instrucciones que posibilitan la replicación y mejora de este diseño. Para la divulgación de este trabajo se ha creado una página web accesiblealpúblicocontodosloscontenidosdelmismo.
Para hacer viable la construcción y lareplicacióndeltúneldevientoporpartedeterceros,he seguido el método tecnológico, por el cual se han desarrollado los planos,presupuestoylas instrucciones de montaje. Por otro lado, para probar sieldiseñodesarrolladoeraefectivo,he realizado unos simples experimentos en los que he estudiado el comportamiento de unos perfiles alares, para más tarde, contrastar la información extraída de mi diseño con otras fuentes,yasícomprobarsiesunaherramientaefectivasobrelaqueexperimentar
Pedro Vallejo TomásAntes de la construcción del túnel de viento debemos conocer qué es, en que se basa su funcionamientoypartesesencialesdelmismo.
Un túnel de viento es un entorno controlado en el que se pueden realizar distintaspruebas, todas ellas relacionadas con las fuerzas provocadas por corrientes de aire al pasar por distintos objetos. Se suelen utilizar en las industrias aeronáuticas, aeroespaciales, de la automoción y en la arquitectura. Aunque también se usan con fines recreativos para simular unacaídalibreparecidaaladeunsaltoconparacaídas.
Su funcionamiento consiste en hacer pasar aire a cierta velocidad, presión y temperatura a través de un tubo en el que se sitúa el objeto que se desea estudiar Debido a que el espacio dentro del tubo es limitado, se suelen utilizar modelos a escala del objeto a estudiar. Para facilitar el estudio del comportamiento de la corriente de aire, es posible añadir humo o pequeñas tiras de algodón adheridas al modelo para visualizar con más facilidad el flujo de aire.
El flujo de aire se suele crear gracias a un motor conectado a una hélice en caso de que se desee un flujo lento. En el caso de que se desee un experimento a velocidadessupersónicas, se suele usar un motor a reacción obruscasdiferenciasdepresionesparagenerarlacorriente deaire,siendolosexperimentosenesteúltimocasodemuycortaduración.
Pedro Vallejo TomásDiseño, construcción y estudio de la viabilidad de un túnel de viento casero
¿Quéprincipiosfísicosintervienenenuntúneldeviento?:
Para saber cómo se ha de construir un túnel,hemosdeconocertambiénlosprincipiosfísicos queintervienen.
Los principios físicos que intervienen son aquellos de la mecánica de fluidos, ya que el aire de la atmósfera que rodea a la Tierra no deja de ser un conjunto de gases. La rama de la físicaqueestudiaelcomportamientodelaireenmovimientosedenominaaerodinámica.
Para la planificación del proyecto y su simplificación, consideramos el aire como un fluido ideal. De esta manera, despreciaremos su viscosidad, su compresibilidad y lo trataremos comoirrotacionalyestacionario.
Noviscoso→Noprovocaráfricciónnirozamiento. Nocompresible→Nosepodrávariarladensidaddeeste. Irrotacional→Nogenerarátorbellinosniposeerámomentoangular. Estacionario→Suspropiedadesdebenmantenerseconstanteseneltiempo.
También conocido como ecuación de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido a través de una línea de corriente. Afirma que la energía del fluido, alnohaberrozamiento,es lamismaalolargodesurecorrido.
Los componentes de la energía total del fluido serán: la energía cinética (en forma de velocidad), la gravitacional (cte: depende de la altura) y la energía de flujo, debido a la presiónquetengaelfluido.Porlotanto,sededuceque:
��
velocidaddelfluido
��(�������������)
P=presiónenciertopunto(dependedelaalturaalaqueseesté) =densidaddelfluido(cte)
Derivado del teorema deBernoulli,sededucequealserlasúnicasvariableslavelocidadyla presión del fluido, al aumentar la velocidad (presión dinámica), la presión estática deberá disminuiroviceversa.
Aprovechando este efecto, podremos hacer que el humo que utilizaremos para visualizar el comportamiento del aire no necesite una bomba para introducirse dentro del túnel. Éstoserá posible ya que al moverse el aire a cierta velocidad por dentro del túnel, su presión estática será menor y el humo al encontrarse fuera de la corriente, tendráunapresiónestáticamayor, produciéndoselasuccióndelmismo.
Además, en una estructura tubular el caudal (volumen que pasa por él cada unidad de tiempo) es constante. Al ser este caudal el producto del área seccional del tubo por la velocidad que posee el fluido que pasa por su interior, si disminuimos el área seccional del tubo,lavelocidaddelfluidoaumentará: ÁreaseccionalxVelocidad=Caudal(cte)
Esto se puede comprobar por ejemplo, cuando nos bañamos en un río. Si nos fijamos, al bañarnos en una zona con menor profundidad, notaremos que el agua es más rápida allí en comparaciónaotraszonasmásprofundas.
Debido a esto, al estrechar el túnel (reduciendo el área seccionaldeéste)conseguiremosuna mayor velocidad de paso del aire, pero esto solo se aplica mientras el flujo de aire sea subsónicoyelairecirculeaunavelocidadmenorquelavelocidaddelsonido.
Esto será cuando la velocidad sea menor a 1062km/h (mach 1) en una atmósfera ISA (International Standard Atmosphere) a nivel del mar, ya que en el caso de que la velocidad sea supersónica, al estrechar las secciones del tubo disminuiremos su velocidad y entonces,
Pedro Vallejo TomásDiseño, construcción y estudio de la viabilidad de un túnel de viento casero
aumentaremos su presión. Esto se produce porque a velocidades supersónicas los efectos se “invierten”debidoalasondasdechoquequeseproducenatalesvelocidades.
Gracias a estos efectos podemos hacer el túnel de viento más eficiente y conseguir velocidades mayores sin tener un motor muy potente. Esto se logra estrechando la sección de pruebas respecto a las entradas del aire, para así obligar al aire a aumentarsuvelocidad.
Aproximadamente, siguiendo mi diseño, si introducimos aire a 1 kts (0,51 m/s) en una sección de y la reducimos a aumentaremos la velocidad a unos 0,0625�� 2 0,0225�� 2 2,72kts(1,42m/s).
*La medición de la velocidad se realiza en nudos debido a que el anemómetro usado para medirvelocidadesestabaregladoparadichasunidades.
Pese a haber considerado el aire en un principio como irrotacional, en la vida real sí que es posible la formación de turbulencias cuando éste se desplaza. Por lo que a la hora de construir el túnel de viento debemos tomar medidas para la prevención de éstas, ya que dentro de la sección de pruebas deseamos un flujo constante y laminar, para que las únicas perturbacionesqueaparezcanseanaquellas producidasporelobjeto aestudiar.
El flujo laminarseproducecuandoelairecirculaenlíneasparalelasyordenadasdesimilar velocidad. Por otro lado, el flujo turbulento se forma cuando las fuerzas de inercia predominan frente a la viscosidaddelfluido,haciendoquesemezclenlasdistintas‘filas’que antes circulaban a una misma velocidad y por lo tanto comienzen a formarse torbellinos o turbulencias.
Con el objetivo de saber cuando un flujo es turbulento o laminar, se usa el número de reynolds.
Vallejo TomásDiseño, construcción y estudio de la viabilidad de un túnel de viento casero
=valordelnúmerodereynolds(adimensional) �� ��
=densidaddelfluido ρ
=velocidaddelfluido ��
=Diámetrohidráulico( esigualalladoentubosdeseccióncuadrada) �� ��
=viscosidadestáticadelfluido µ
=viscosidaddinámicadelfluido(enelairees de0,0000174μ[Pa·s]) ν
Cuando este valor adimensional es menor o igual a 2300 el flujo será laminar, mientras que cuando sea mayor o igual a 4000 el flujo será turbulento. Si el resultado se encuentra entre estos valores se considerará que el flujo está en una fase de transición entre flujo laminar y turbulento.
Si deseamos un = 2000 en nuestro túnel de diámetro hidráulico 0,15 m deberíamos �� �� conseguirunacorrientedeunos0,45kts(0,23m/s). No obstante, a la escaladenuestrotúneldeviento,laspequeñasperturbacionesenelaireson despreciables y se obviarán los cálculos, ya que se podrá seguir observando los distintos fenómenosaunqueexistanpequeñasperturbacionesenelflujodelaire.
Sin embargo, para evitar grandes perturbaciones habrá que colocar canalizadores que eviten que el aire se pueda desplazar en más de una dirección, debido a las turbulencias generadas por la hélice que moverá el aire. Además habrá que procurar que las paredes interioresseanlomáslisasposibleparaquenoseproduzcanestasperturbaciones.
Se denomina sustentación a la fuerza produce cuando un cuerpo con una determinada forma atraviesa un fluido a cierta velocidad. fuerza es perpendicular a la corriente de fluido.
Esta es lafuerzautilizadaentreotrascosas alas de los aviones, que hacen posibleelvuelo estos, así como todo tipo de hélices, tanto usadasenelairecomolasacuáticas.
Pedro Vallejo Tomás
Diseño, construcción y estudio de la viabilidad de un túnel de viento casero
Las alas, con el objetivo de su estudio, suelen ser divididas en secciones a las que se denominanperfilesalares.Dentrodelosperfilesalaressediferencianlassiguientespartes:
Debido a la viscosidad real del aire y a la forma del perfil,lasustentaciónaparececuandoel aire es deflectado hacia abajo, tanto cuando pasa por elextradóscomoporelintradós.Esto genera debido al cambio en el momento lineal una fuerza haciaarribaenelpuntoenqueel aire comienza a cambiar su dirección de movimiento, el cual es denominado centro de presiones (CP). Debido a esto, la posición del CP no es fija dentro del perfilyvariarásegún el ángulo de ataque y forma del perfil. Cuanto mayor sea el espesorycurvatura deunperfil aerodinámicomayorserálasustentacióngenerada.
No obstante, en internet tanto como en muchos libros, es común que debido a un intento de simplificar este fenómeno se recurra a una teoría incorrecta. Esta se basa en que tanto las partículas de aire que circulan por el extradós, como por el intradós,tardanelmismotiempo en llegar al borde de salida. El aire que circula por el extradós entonces, debería llevar una velocidadmayor,yaqueenunmismointervalodetiemporecorreunadistanciamayordebido a la curvatura del ala. Esta diferencia de presiones generaría, (baja enelextradósyaltaenel intradós)porefectoVenturi,lasustentación.
Sin embargo, pese a que la diferencia de presiones entre el extradós y el intradós si que aparece, no explica por qué en aviones sin curvatura en el perfil (como los de papel), con perfilessimétricosoconunintradósmayorqueelextradós,aparecelasustentación.
Fórmuladelasustentación
�� = 1/2 × ρ × �� 2 × �� ×�� ��
L=fuerzadesustentación
=densidaddelaire ρ
=velocidadrelativaalaire �� S=superficiealar CL = coeficiente de sustentación (depende del ángulo de ataque y de la forma del perfil. Se sueledeterminardemaneraexperimentalenuntúneldeviento)
Es la diferencia angular entre la cuerda aerodinámica del perfil y el viento relativo que envuelve al perfil cuandoésteestáenmovimiento.
A mayor ángulo de ataque, mayor será la sustentación generada, aunque esto será hasta cierto punto, ya que a ángulos de ataque críticos (punto en el que se produce el CLmax), el aire no será capaz de seguir la forma del perfil y dejará de desviarse hacia abajo por el extradós, limitando la fuerza de sustentacióngenerada.
La capa límite es un área en el que debido a la viscosidad del aire, la velocidad de la corriente de aire que envuelve al ala respecto a la del perfil es nula. Noobstante,segúnnos
Pedro Vallejo TomásDiseño, construcción y estudio de la viabilidad de un túnel de viento casero alejamos delperfil,lavelocidaddelairevaaumentandohastaalcanzarlaverdaderavelocidad conlaqueelperfilsedesplazaporelaire.
Cuando aumentamos el ángulo de ataque, el área de esta capa también crecerá y se comenzarán a formar torbellinos debido a la diferenciadepresionesyvelocidadesdentrode la propia capa límite. El aire inferior de esta capa irá más despacio respecto al perfil (más presión) que el que esté en los límites de esta capa y tenga casi la velocidad del viento relativo (menos presión). Tendiendo el aire con mayor presión y con una velocidad menor a mezclarse con las capas superiores más rápidas y con una presión menor La capa límite se hacemásancha.
El flujo laminar se produce cuando la viscosidad del fluido es capaz de mantener a éste pegado a la superficie del perfil y hacer que sus partículas se muevan en láminas (filas) ordenadas en las que las partículas circulan a una misma velocidad, que depende de la distancia al perfil. Cuanto más alejada esté la lámina de este perfil mayor será su velocidad. La capa límite cuando el flujo de aire es laminar, suele ser de unos pocos milímetros de grosor
El flujo turbulento es más energético y más ancho que el laminar, llegando hasta unos 30 milímetros de espesor, por lo tanto, puede seguir la curvatura delperfilenángulosdeataque más pronunciados, aguantando mejor la presión adversa del aire fuera de los efectos del perfil,habilitandolageneracióndeaúnmássustentación.
Por otro lado, un flujo turbulento, al ya contener perturbaciones, genera más rozamiento debidoalafriccióndelaireconlasuperficiedelala.
La pérdida de sustentación es debida a un excesivo ángulo de ataque que provoca el desprendimientodelacapalímite.
La capa límite se comienza a desprender debido a que cerca del borde de salida, con el aumento del ángulo de ataque, el punto en el quelavelocidadrelativaentreelperfilyelaire colindantees0,selevantasobreelperfil.Entonces,estepuntodejadeseguirlaformadelala, dejandounvacíoentrelacapalímiteyelperfil.
Entonces, en el vacío dejado debajo de este punto, se produce una intrusión del aire proveniente del intradós, que hace que esta separación se acentúe y avance por el extradós, desdeelbordedesalidahaciaelbordedeataque(comosemuestraenlaimagen).
Al final, al traspasar un ángulo de ataque crítico, la separación de la capa límite es tal que llegaalbordedeataque,negandoporcompletolasustentación(coincideconelCLmax).
Se conoce como efecto magnus a la fuerza de sustentación que se crea al hacer rotarauncilindro o cuerpoesféricodentrodeunacorrientedeaire.
Como hemos visto, la sustentación aparece cuando se deflecta aire hacia abajo aprovechando su viscosidad. Por ello, si se hace rotar un cilindro o esfera de tal manera que rote hacia abajo en el lado contrario al expuesto al flujo de aire, se conseguirá que éste sea deflectado hacia abajo (debido a la viscosidad del aire), generando una fuerza desustentación.
Pedro Vallejo Tomás
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Este es el efecto quepermitealosfutbolistasrealizardisparoscurvosentreotros.Tambiénes usadoporalgunosbarcosamododevela.
Con el objetivo de facilitar el trabajo de los ingenieros y diseñadores en los años 30, la NACA o National Advisory Committee for Aeronautics (futura NASA), creó un método de clasificación y catálogo de perfiles alares, en los que se describen las propiedades de cada uno junto a sus prestaciones. No obstante, la clasificación NACA no es un estándar a nivel mundial, ya que existen otras maneras de catálogo, como por ejemplo la procedente de la antiguaUniónSóvietica.
Los aviones más complejos y modernos poseen perfiles alaresquevancambiandosegúnnos alejamos del encastre (parte donde el ala seunealfuselaje)delala.Unejemplodeéstoesel caza / entrenador F5 ‘Freedom Fighter’, cuyas alas comienzan siendo un NACA 65A004en 64A004enlapuntadelala.
Diseño, construcción y estudio de la viabilidad de un túnel de viento casero
He seleccionado para probar lafuncionalidaddeltúneldosperfilesmuydiferentes.ElTsAGI R-3a (izquierda)esunperfilasimétricoyconunagrancurvaturaenelextradós,pensadopara el vuelo lento y para que seadifícildeentrarenpérdida.Porotrolado,elRAE104(derecha) esunperfilcasisimétricoydelgadopensadoparavolaramásdeMach2.
Son dispositivos que modifican o se colocanenunperfilalarconelobjetivodeaumentarla fuerzadesustentacióngeneradadurantelasdistintasfasesdevuelo.
Son una superficie hipersustentadora ubicada en el borde de salida del perfil que aumenta la curvatura. Aumenta la fuerza de sustentación a ángulosdeataquemenores.
Al aumentar la curvatura, el ángulo de ataque aumenta respecto al perfil sin flaps. Debido a esto, la pérdida se produce a ángulos de ataque menores, ya queelairedeja depoderseguirlacurvaturaantes.
Slatsoflapsdebordedeataque
Son una superficie hipersustentadora ubicada en el borde de ataque de un perfil que evita el desprendimiento de la capa límite. Permite el mantener lacapalímitepegadaalperfilcanalizandoel aireenelbordedeataquehacialasuperficiedelperfil.
Aumenta el ángulo de ataque en el que se produce la pérdida, permitiendo generar más sustentación hasta la pérdida.
Diseño, construcción y estudio de la viabilidad de un túnel de viento casero
Abajo seobservaunagráficaquemuestracómoafectanlosflaps(TE:trailingedge/bordede salida)(LE:leadingedge/bordedeataque)ylosslats.Allado,vídeosexplicativos:
Este es el diseño final que desarrollé una vez investigué los distintos fenómenos físicos que intervienen en un túnel de viento. A continuación se muestran los pasos seguidos en su construcción para que este diseño pueda ser replicado ymejorado.Elconjuntodelosplanos, planificación y presupuesto se encuentran en los anexos de este trabajo, en sus apartados correspondientes.
Pedro Vallejo Tomás
1.Marcarlostablones:
Con un lápiz y una regla marcamos las líneas por las que realizaremos los cortes para formar las piezas que conformarán el cuerpo del túnel. Seguimoselesquemacreado.
En la pieza nº 2 marcamos, usando un lápiz, el lugar donde estará situada la ventana que permitirá ver lo que ocurre en el interior del túnel. Será unorificiorectangularde11x18cm quesesituaráconunmargen11cmaizquierday derechaya2cmdelapartesuperioreinferior.
Cortamos los tableros usando la sierra de calar, siguiendo el esquema y el dibujo en las maderas.
Para hacer la ventana, taladramosunosagujerosen el lugar que se encuentran las esquinas. Luego, introducimos la sierra de calar en los agujeros hechos por el taladro y serramos siguiendo las líneasdelcontornodelaventana.
Para terminar la ventana, lijamos los bordes para eliminar imperfecciones y mejorar el acabado.
Para crear una tapa con la que poder acceder al interior del túnel, cortamos tres segmentos (piezas nº 4, 5 y 6). La nº 4 y 6 quedarán pegadas, mientrasquelanº5formarálatapa.
A la horadepegarlaspiezasentresí,usamoscolablanca,yaque se pueden realizar ajustes mientras se seca yademásproporciona unselladosuficiente.
sobre la nº 3. Usando una escuadra, queden adheridas lo más cercanamentea
Más tarde, colocamos las piezas nº extremos. Nos aseguraremos de que espacio para que la pieza nº 5 encaje holguras y pegarla
Las piezas nº 4 y 3 deberán quedar sobre y bajo lasnº1y2a modo de ‘sándwich’ para que el espacio interior tenga una seccióncuadradade15x15cm.
10 formamos las patas bajo el cuerpo del túnel,queservirándeapoyoparaéste.
Montamos ambos troncos de pirámide a modo de entrada y salida del aire.ÉstosproporcionaránelefectoVenturi.Losmontamosdelamisma manera que hicimos con el cuerpo deltúnel.Pegamoslaspiezasnº8y 7 de manera que terminen formando un tronco de pirámide, cuya base menortambiéndeberátenerunasecciónde15x15cm.
Una vez seca la cola blanca, lijamos los bordes de la sección menor para cuerpodeltúnel. Pegamoslostroncosdepirámideparalaentradaysalidadelaireenelcuerpodeltúnel.
Con el objetivo de disminuir las turbulencias generadas por la hélice que moverá el aire a través del túnel, cortamos en secciones tubulares de unos 3cm de largo, unas cañas de cartón. Las apilamos pegándolas entre sí, dentro del túnel, usando las paredes interiores del túnel como referencia. De esta manera, no habrá que pegar estos canalizadores alasparedes del túnel, permitiendo en el futuro sacarlos para modificar el túnel y trabajar con él más fácilmente.
Colocamos los canalizadores tras la entrada del aire sin pegarlos y taladramos unos agujeros en la sección de prueba, la ventana, para que los pinchos de brocheta pasen y sostenganlosexperimentos.
También hacemos un agujero en la parte inferior del cuerpodeltúnel,traslapatadelantera.Poréste pasaremosunapajitaquecanalizaráelhumo.
Para sellar el interior del túnelyevitarpérdidasdeaire,aplicamoscola blanca en los posibles huecos que puedan quedar ayudadeunpalillo.
Si elhuecofueramuygrande,lorecomendable seríarellenarloconunamasillaespecífica.
Pintamos de negro mateacrilíco(aunquetambiénserviríaunesmalte sintético) el interior del túnelparamejorarlavisibilidaddelhumoen su interior. Una vez seca la pintura, pegamos en el lado interior del túnel un recorte de la lámina de plástico transparente usando cola
Diseño, construcción y estudio de la viabilidad de un túnel de viento casero blancaparacrearlaventanaporlaqueobservaremosloqueocurreenelinterior. También pintamos tres líneas rojas respecto al punto de pivote del perfil (agujero desde al que se sostendrán y rotarán los objetos a estudiar), una a 0º otra a 15º y a 30º respecto a la horizontal,parasaber yvisualizarelángulodeataquedelperfil.
Colocamos las luces pegándolas con su propio adhesivo en el interior del túnel. Debemos cerciorarnos de que el conector quede en el lado opuesto a la entrada del aire y ligeramente fueradelcuerpoparasufácilconexión. Además, para evitar que la tira de leds se adhiera a la tapa superior, evitando que se pueda abrir, colocamos sobre el material adhesivo una tira de cinta celo o de carrocero del mismo tamaño.
Tras haber sopesado varios diseños, decidí usar una chimenea para modelos ferroviarios a escala para generar elhumo,yaqueeralamaneramássimpleyeconómica. El sistema de humo está formado por la chimenea (posee dos polos: uno es el propio tronco de ésta y otro es una pieza de metal en su parte inferior), doscables(positivoy negativo) y un potenciómetro (en mi caso uno usado tambiénparaelmodelismodelocomotoras).
Para su montaje a cada uno generará el estable, pintura en spray aislarla del calor de la chimenea usandounaro espumaqueveníaenelkityunaarandelade unos15mmdediámetro.
Pasamos los cables por unos agujeros en la tapa y los conectamos a los puertos en el potenciómetro ibertren. En vezdeusarelpotenciómetrodeibertren,esposibleusarcualquier otropotenciómetro,siemprequeéstenogeneremásde14V (límitedelgenerador). Para que el humo salga dentro de la sección de prueba, hacemos un agujero en la parte de abajo del cuerpo del túnel, a unos 5cm del borde de este. Por el agujero introducimos una pajitadeunos8cmdelongitud,detalmaneraquequede7,5cmasomandodentrodeltúnel.
No sería necesario usar una bomba para que el humo se introduzca porlapajita,yaquela presión dentro de la sección de pruebas es menor a la exterior (Efecto Venturi). Esta diferencia de presiones provoca una succión suficiente para mover el humo. Basta con posicionar el generador debajo de la pajita (con cierto margen para que pueda oxigenarse), paraqueelhumofluyahaciaelinteriordemaneracontinuada.
Pedro Vallejo Tomás
Para crear los perfiles utilizamos madera de balsa para hacer la forma del perfil deseado, dibujandosobreéstadosperfilesidénticos,paraluegorecortarlassiluetasconuncutter
Para conseguir la forma exacta de los perfiles deseados, usé recortes de imágenes reales de los perfiles y de aquéllas encontradas en laweb “Airfoil Tools” Noobstante,hayprogramas como “Catia” que permiten la creación y conocer las características de un perfil mediante simulacionesdelcomportamientodelaire.
Unimos los dos perfiles mediante madera de balsa a modo de larguero, manteniendo la simetría,perohaciendounamuescaenel perfildelladoderecho debrochetaquesostendráelaladentrodeltúnel.Lopegamostodoconcolablanca.
Forramos el ala conpapeldeunfolio, concola losperfiles.
Para probar la viabilidad del túnel como una herramienta para realizar experimentos relacionados con la aerodinámica, probé el comportamiento de una serie de perfiles alares y elcómoseobservaríandistintosefectosaerodinámicos. Paraello,construí3perfilesalares:
❖ El primero fue el R-3a sin superficieshipersustentadoras,conelquecomprobésila entrada enpérdidaseproducíaalosmismosángulosdeataquequelosencontradosen gráficas de laweb “Airfoil Tools”.Deestawebextraje tambiéneldiseñoyformadel perfil, por lo que su comportamiento debería ser similar alosdatosencontradosenla mismaweb.
❖ El segundo fue el R-3a, pero con superficies hipersustentadoras. Hice una primera prueba en la que solo añadí unos flaps simples a unos 30º de inclinación. En la segundapruebaañadíunosslats.
❖ El tercer perfil fueelpertenecientealapuntaalardelF-104,obtenidodeimágenesde referencia. El propósito de este perfil era comprobar ladiferenciadecomportamiento enunperfilmásdelgadoydemenorcurvatura,sinsuperficieshipersustentadoras.
Tabla de relación entre el coeficiente de sustentación (eje y) y el ángulo de ataque (eje x) encontradaen “Airfoil Tools”:
- Flujolaminarsobreelalaa0ºdeángulodeataque.
- Flujolaminaraunos12ºdeángulodeataque.
- Capalímiteturbulentaaunos15ºdeángulodeataque.
- Pérdidaaunos17ºdeángulodeataque.Capalímitedesprendida.
Como podemos observar más o menos el punto en el que se produce la pérdida coincide alrededor de los 15º con los datos de la gráfica, por lo que más o menoseltúnelescapazde replicaraescalalassituacionesqueseproducenenlarealidad.
Diseño, construcción y estudio de la viabilidad de un túnel de viento casero
- Flujo laminar sobre el perfil a 0º de ángulodeataque.Obsérvesecomoelflapestáen pérdida,peroelrestodelperfilno.
- Flujosobreelalaaunos15ºdeángulodeataque.
Pese a que en teoría los flaps deberían disminuir el ángulo de ataque al que se produce la pérdida,nofuicapazdeobservarlahastaalcanzarunos18ºdeinclinación.
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Flujolaminaraunos15ºdeángulodeataque.
- Pérdidaaunos30ºdeángulodeataque,aunqueseproduceantes.
Con este perfil alar se muestra como los slats consiguen mantener adherida la capa límite a mayoresángulosdeataque.Lapérdidaseproduceentornoalos20º.
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- Flujolaminarsobreelperfilaunos12ºdeángulodeataque.
- Flujoturbulentosobreelperfilaunos17ºdeángulodeataque.
- Entradaenpérdidadelperfilacasi30ºdeángulodeataque.
Este perfil alar, al poseer un espesor menor entrará en pérdida a ángulos de ataquemayores, aunquegeneraríaunamenorfuerzadesustentación.
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El aire es deflectado hacia abajo, generando sustentación. Obsérvese la diferencia entre el cilindro en rotación y el cilindro sin rotar. La flecha (↻) en el lateral del cilindro indica el sentidodegirodeéste.
En este experimento se pueden observar lasdiferenciasentrecómounoscochesgeneranmás resistencia al avance por el aire que otros. El Ford Mustang (superior), pese a ser bastante cuadrado, el aire no se despega de la superficie de éste yvuelveasutrayectoriaanteriortras atravesar al vehículo. Sin embargo, el Renault 4L (inferior) obliga al aire a chocar contra la luna delantera y al tenerunmaleterotancuadradoseformanturbulenciastraselcochequelo frenarían.ElsiguientecódigoQRcontieneelvídeodetodoslosexperimentos.
Como conclusión, creo que el túnel sí ha resultado ser una herramienta efectiva alahorade poder estudiar losdistintosfenómenos,inclusoseobtienendatosparecidosalosprovenientes de otras fuentes. Sin embargo, no está libre de fallos, que pese a tener una sencilla solución no he podido mitigar por falta de tiempo o por no aumentar la complejidad del proyecto. A continuaciónexplicolosmásimportantesycómosolucionarlos.
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Problemasenlaseleccióndepropulsión
Con el objetivo de conseguir unflujolaminaryrápidoenelinteriordeltúnel,probédistintos métodosdepropulsarelaireatravésdeltúnel. Las primeras pruebas consistieron en sacar el aire a ciertavelocidadporelconodesalida(el añadido con posterioridad, que al final no sería necesario). Esta es la tabla de velocidades y distintas hélices probadas en esta configuración. Las velocidades fueron medidas en la sección de pruebas usando un anemómetro. En esta tabla se muestran los distintos métodos depropulsiónprobadosylasrazonesparasuutilización(onoutilización).
*Elmotoreléctricofuereutilizadodeunmotoveleromultiplexeasygliderdel2004 ** EP significa que la hélice está invertida, evitando, por tanto, que el propio motor o taladradorabloqueeelflujoquegenera.
Configuraciónextractora→(Extraemosaireaciertavelocidad)
Al probar la configuración extractora, me di cuenta de que era muy poco eficienteyencaso de querer utilizarla, lo mejor sería usar un ventilador centrífugo para sacar el aire de la maneramáseficienteyconelmayorcaudalposible.
En el caso de contar con un potenciómetro, casi cualquier configuración de las probadas funcionaría, ya queenrealidad,paraqueluegoelhumoseavisible,lavelocidaddelairetiene que ser muy baja. De esta manera se solucionaría el que creo que es el mayor problema del túnel, que es la dificultaddeconseguirunavelocidadconcreta(miventiladorsolotienetres velocidades predeterminadas). Por otro lado, si más adelante se desea medir la fuerza de sustentaciónoresistenciageneradaporuncuerpo,síseríarecomendableelusarunmétodode propulsiónmáspotente.
En el sistema dehumo,enunprincipiotenía pensado hacer varias salidas a distintas alturas, para poder observar mejor cómo se producenlasturbulencias.
No obstante, a la hora de probar el sistema, no fui capaz de lograr que el humo saliera con suficiencia por todos los agujeros. El problema era que al dividirse en las distintas salidas, acababa saliendo muy poca cantidad por cada agujero de la pajita, creando un humo muy difuminado y en un gran área.Estassonlasdistintassalidasqueprobé:
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La solución fue el utilizar una única salida para el humo, lo cualhacequehayaquesermás preciso al colocar los experimentos dentro de la sección de pruebas. Probablemente, encaso decontarconunafuentequeproduzcamáshumoéstodejedeserunproblema.
Como en un principionoteníapensadoutilizarunventiladorcomométododepropulsión,las patas que soportaneltúneldevientosondemasiadocortas Debidoaésto,alutilizareltúnel hay que levantarlo unos centímetros más para que el túnel y las palas del ventilador queden alineados.Yolohemitigadoapoyandoeltúnelsobreunascajas.
Lo ideal, por otro lado, sería aumentar la longitud de las patas hasta los 15 cm de altura o utilizarotro métododepropulsión.
Desde el punto de vista práctico me he limitado a la construcción del túnel de viento y a la realización de unos simples experimentos en el mismo. Ésto hasidodebidoalacomplejidad resultante del trabajocompletosisehubieraampliado.Invitoaampliarloscontenidosdeeste proyectoacualquieraquelodesee.
Aquí enumero una serie delíneasdeinvestigaciónqueconsiderodeinterésenelcampodela aerodinámicaylaexperimentaciónentúnelesdeviento:
1. Mejora en el diseño del propio túnel de viento y optimización de éste para la realización de otros experimentos, resolviendo los problemas encontrados en su construcción. En este apartado recomendaría buscar una propulsión que permita regular lavelocidaddelaireconmayorprecisión,yaquemehasidodifícilcontrolarla durantelosexperimentos.
2. Medición experimental de tanto el coeficiente de sustentación como el coeficiente de rozamiento dedistintoscuerpos.Estosepodríarealizarconectandoloscuerposde estudio a un dinamómetro para conocer las fuerzas generadas y después despejar en las ecuaciones pertinenteslosdistintoscoeficientes.Estoseríademuchautilidadenel caso de que se quiera construir un avión radiocontrolado. También se podríaestudiar laestabilidadaerodinámicadecohetesoavionescaseros.
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