Marco Teórico

Marco Teórico

¿Qué es un túnel de viento?:

Antes de la construcción del túnel de viento debemos conocer qué es, en que se basa su funcionamiento y partes esenciales del mismo.

Un túnel de viento es un entorno controlado en el que se pueden realizar distintas pruebas, 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 una caída libre parecida a la de un salto con paracaídas.

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 velocidades supersónicas, se suele usar un motor a reacción o bruscas diferencias de presiones para generar la corriente de aire, siendo los experimentos en este último caso de muy corta duración.

¿Qué principios físicos intervienen en un túnel de viento?:

Para saber cómo se ha de construir un túnel, hemos de conocer también los principios físicos que intervienen. 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 física que estudia el comportamiento del aire en movimiento se denomina aerodinámica.

El aire

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 como irrotacional y estacionario.

No viscoso → No provocará fricción ni rozamiento. No compresible → No se podrá variar la densidad de este. Irrotacional → No generará torbellinos ni poseerá momento angular. Estacionario → Sus propiedades deben mantenerse constantes en el tiempo.

Principio de Bernoulli

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, al no haber rozamiento, es la misma a lo largo de su recorrido.

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 presión que tenga el fluido. Por lo tanto, se deduce que:

2

�� ×ρ 2 + �� = cte ��(������á��������) + ��(������á��������) = ��(����������)

��

= velocidad del fluido P = presión en cierto punto (depende de la altura a la que se esté) ρ = densidad del fluido (cte)

Efecto Venturi

Derivado del teorema de Bernoulli, se deduce que al ser las únicas variables la velocidad y la presión del fluido, al aumentar la velocidad (presión dinámica), la presión estática deberá disminuir o viceversa.

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. Ésto será 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, tendrá una presión estática mayor, produciéndose la succión del mismo.

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, la velocidad del fluido aumentará: Área seccional x Velocidad = 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 comparación a otras zonas más profundas.

Debido a esto, al estrechar el túnel (reduciendo el área seccional de éste) conseguiremos una mayor velocidad de paso del aire, pero esto solo se aplica mientras el flujo de aire sea subsónico y el aire circule a una velocidad menor que la velocidad del sonido. 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,

aumentaremos su presión. Esto se produce porque a velocidades supersónicas los efectos se “invierten” debido a las ondas de choque que se producen a tales velocidades.

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 aumentar su velocidad.

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 unos0,0625��

2 0,0225��

2

2,72 kts (1,42 m/s). *La medición de la velocidad se realiza en nudos debido a que el anemómetro usado para medir velocidades estaba reglado para dichas unidades.

Flujo laminar y flujo turbulento

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 perturbaciones que aparezcan sean aquellas producidas por el objeto a estudiar.

El flujo laminar se produce cuando el aire circula en líneas paralelas y ordenadas de similar velocidad. Por otro lado, el flujo turbulento se forma cuando las fuerzas de inercia predominan frente a la viscosidad del fluido, haciendo que se mezclen las distintas ‘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.

��

= ρ���� µ ���� ν

�� = valor del número de reynolds (adimensional)

ρ = densidad del fluido

��

= velocidad del fluido �� = Diámetro hidráulico (�� es igual al lado en tubos de sección cuadrada) = viscosidad estática del fluidoµ ν = viscosidad dinámica del fluido (en el aire es de 0,0000174 μ [Pa·s] )

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

�� conseguir una corriente de unos 0,45 kts (0,23 m/s). No obstante, a la escala de nuestro túnel de viento, las pequeñas perturbaciones en el aire son despreciables y se obviarán los cálculos, ya que se podrá seguir observando los distintos fenómenos aunque existan pequeñas perturbaciones en el flujo del aire.

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 interiores sean lo más lisas posible para que no se produzcan estas perturbaciones.

Teoría de la sustentación

Se denomina sustentación a la fuerza que se produce cuando un cuerpo con una determinada forma atraviesa un fluido a cierta velocidad. Esta fuerza es perpendicular a la corriente de dicho fluido. Esta es la fuerza utilizada entre otras cosas por las alas de los aviones, que hacen posible el vuelo de estos, así como todo tipo de hélices, tanto las usadas en el aire como las acuáticas.

Las alas, con el objetivo de su estudio, suelen ser divididas en secciones a las que se denominan perfiles alares. Dentro de los perfiles alares se diferencian las siguientes partes:

Debido a la viscosidad real del aire y a la forma del perfil, la sustentación aparece cuando el aire es deflectado hacia abajo, tanto cuando pasa por el extradós como por el intradós. Esto genera debido al cambio en el momento lineal una fuerza hacia arriba en el punto en que el 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 perfil y variará según el ángulo de ataque y forma del perfil. Cuanto mayor sea el espesor y curvatura de un perfil aerodinámico mayor será la sustentación generada.

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, tardan el mismo tiempo en llegar al borde de salida. El aire que circula por el extradós entonces, debería llevar una velocidad mayor, ya que en un mismo intervalo de tiempo recorre una distancia mayor debido a la curvatura del ala. Esta diferencia de presiones generaría, (baja en el extradós y alta en el intradós) por efecto Venturi, la sustentación. 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 perfiles simétricos o con un intradós mayor que el extradós, aparece la sustentación.

Fórmula de la sustentación

�� = 1/2 × ρ × ��

2

L = fuerza de sustentación ρ = densidad del aire

= velocidad relativa al aire S = superficie alar CL = coeficiente de sustentación (depende del ángulo de ataque y de la forma del perfil. Se suele determinar de manera experimental en un túnel de viento)

Ángulo de ataque

Es la diferencia angular entre la cuerda aerodinámica del perfil y el viento relativo que envuelve al perfil cuando éste está en movimiento. 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 sustentación generada.

La capa límite

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. No obstante, según nos

alejamos del perfil, la velocidad del aire va aumentando hasta alcanzar la verdadera velocidad con la que el perfil se desplaza por el aire.

Cuando aumentamos el ángulo de ataque, el área de esta capa también crecerá y se comenzarán a formar torbellinos debido a la diferencia de presiones y velocidades dentro de 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 hace más ancha.

Flujo laminar y turbulento

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 del perfil en ángulos de ataque más pronunciados, aguantando mejor la presión adversa del aire fuera de los efectos del perfil, habilitando la generación de aún más sustentación. Por otro lado, un flujo turbulento, al ya contener perturbaciones, genera más rozamiento debido a la fricción del aire con la superficie del ala.

La pérdida

La pérdida de sustentación es debida a un excesivo ángulo de ataque que provoca el desprendimiento de la capa límite.

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 que la velocidad relativa entre el perfil y el aire colindante es 0, se levanta sobre el perfil. Entonces, este punto deja de seguir la forma del ala, dejando un vacío entre la capa límite y el perfil.

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, desde el borde de salida hacia el borde de ataque (como se muestra en la imagen). Al final, al traspasar un ángulo de ataque crítico, la separación de la capa límite es tal que llega al borde de ataque, negando por completo la sustentación (coincide con el CLmax).

¿Qué es el efecto magnus?

Se conoce como efecto magnus a la fuerza de sustentación que se crea al hacer rotar a un cilindro o cuerpo esférico dentro de una corriente de aire.

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 de sustentación.

Este es el efecto que permite a los futbolistas realizar disparos curvos entre otros. También es usado por algunos barcos a modo de vela.

¿Cómo se clasifican los distintos perfiles alares?

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 antigua Unión Sóvietica. Los aviones más complejos y modernos poseen perfiles alares que van cambiando según nos alejamos del encastre (parte donde el ala se une al fuselaje) del ala. Un ejemplo de ésto es el caza / entrenador F5 ‘Freedom Fighter’, cuyas alas comienzan siendo un NACA 65A004 en el encastre y pasan a ser un NACA 64A004 en la punta del ala.

He seleccionado para probar la funcionalidad del túnel dos perfiles muy diferentes. El TsAGI R-3a (izquierda) es un perfil asimétrico y con una gran curvatura en el extradós, pensado para el vuelo lento y para que sea difícil de entrar en pérdida. Por otro lado, el RAE 104 (derecha) es un perfil casi simétrico y delgado pensado para volar a más de Mach 2.

¿Qué son los dispositivos hipersustentadores?

Son dispositivos que modifican o se colocan en un perfil alar con el objetivo de aumentar la fuerza de sustentación generada durante las distintas fases de vuelo.

Flaps

Son una superficie hipersustentadora ubicada en el borde de salida del perfil que aumenta la curvatura. Aumenta la fuerza de sustentación a ángulos de ataque menores.

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 que el aire deja de poder seguir la curvatura antes.

Slats o flaps de borde de ataque

Son una superficie hipersustentadora ubicada en el borde de ataque de un perfil que evita el desprendimiento de la capa límite. Permite el mantener la capa límite pegada al perfil canalizando el aire en el borde de ataque hacia la superficie del perfil.

Aumenta el ángulo de ataque en el que se produce la pérdida, permitiendo generar más sustentación hasta la pérdida.

Abajo se observa una gráfica que muestra cómo afectan los flaps (TE: trailing edge / borde de salida)(LE: leading edge / borde de ataque) y los slats. Al lado, vídeos explicativos:

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 y mejorado. El conjunto de los planos, planificación y presupuesto se encuentran en los anexos de este trabajo, en sus apartados correspondientes.