Los túneles de viento son máquinas en las que un objeto se mantiene estacionario dentro de un tubo y se sopla aire a su alrededor para estudiar la interacción entre el objeto y el aire en movimiento. Se utilizan para probar los efectos aerodinámicos de aviones , cohetes , automóviles y edificios . Los diferentes túneles de viento varían en tamaño desde menos de un pie de ancho hasta más de 100 pies (30 m), y pueden tener aire que se mueve a velocidades que van desde una ligera brisa hasta velocidades hipersónicas.
Por lo general, grandes ventiladores mueven aire a través del túnel de viento, mientras el objeto que se está probando se mantiene estacionario. El objeto puede ser un objeto de prueba aerodinámico, como un cilindro o un perfil aerodinámico, un componente individual de un avión, un modelo pequeño del vehículo o, en los túneles más grandes, incluso un vehículo de tamaño completo. A partir de estas pruebas se pueden tomar diferentes medidas. Se pueden medir las fuerzas aerodinámicas sobre todo el objeto o sobre sus componentes individuales. La presión del aire en diferentes puntos se puede medir con sensores. Se puede introducir humo en la corriente de aire para mostrar el camino que sigue el aire alrededor del objeto. O bien, se pueden unir pequeños hilos a partes específicas para mostrar el flujo de aire en esos puntos.
Los primeros túneles de viento se inventaron a finales del siglo XIX, en los primeros días de la investigación aeronáutica, como parte del esfuerzo por desarrollar máquinas voladoras más pesadas que el aire. El túnel de viento revirtió la situación habitual. En lugar de que el aire se detuviera y un avión se moviera, un objeto se mantendría quieto y el aire se movería a su alrededor. De esta forma, un observador estacionario podría estudiar el objeto volador en acción y medir las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre él.
El desarrollo de los túneles de viento acompañó al desarrollo del avión. Durante la Segunda Guerra Mundial se construyeron grandes túneles de viento y, a medida que se desarrollaron aviones supersónicos, se construyeron túneles de viento supersónicos para probarlos. Las pruebas en túnel de viento se consideraron de importancia estratégica durante la Guerra Fría para el desarrollo de aviones y misiles.
También se estudian otros problemas con túneles de viento. Es necesario estudiar los efectos del viento en las estructuras hechas por el hombre cuando los edificios alcanzaron la altura suficiente para verse afectados significativamente por el viento. Los edificios muy altos presentan grandes superficies al viento y las fuerzas resultantes tienen que ser resistidas por la estructura interna del edificio o de lo contrario el edificio colapsará. La determinación de tales fuerzas fue necesaria antes de que los códigos de construcción pudieran especificar la resistencia requerida de dichos edificios y estas pruebas continúan utilizándose para edificios grandes o inusuales.
A partir de la década de 1960, [1] las pruebas en túnel de viento se aplicaron a los automóviles , no tanto para determinar las fuerzas aerodinámicas de la misma manera que en un avión, sino para aumentar la eficiencia del combustible de los vehículos al reducir la resistencia aerodinámica. 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 las pruebas. En el mundo real, el vehículo se mueve mientras la carretera y el aire están parados. En una prueba de túnel de viento, la carretera también debe pasar junto a un vehículo mientras el aire sopla a su alrededor. Esto se ha logrado con correas móviles debajo del vehículo de prueba para simular la carretera en movimiento, y se utilizan dispositivos muy similares en pruebas en túnel de viento de configuraciones de despegue y aterrizaje de aviones.
También se han estudiado equipos deportivos en túneles de viento, incluidos palos de golf, pelotas de golf, trineos, ciclistas y cascos de coches de carreras. La aerodinámica del casco es particularmente importante en los autos de carreras con cabina abierta como Indycar y Fórmula Uno. Unas fuerzas de elevación excesivas sobre el casco pueden provocar una tensión considerable en el cuello del conductor, y la separación del flujo en la parte posterior del casco puede provocar sacudidas turbulentas y, por tanto, una visión borrosa del conductor a altas velocidades. [2]
Los avances en el modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD) en computadoras digitales de alta velocidad han reducido la demanda de pruebas en túnel de viento, pero no la han eliminado por completo. Muchos problemas del mundo real aún no pueden modelarse con suficiente precisión mediante CFD como para eliminar la necesidad de realizar pruebas físicas en túneles de viento.
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 compresible ) 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 unidos a las superficies aerodinámicas. La dirección del flujo de aire que se acerca a una superficie se puede visualizar montando roscas en el flujo de aire delante y detrás del modelo de prueba. Se puede 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 sobre el modelo de prueba generalmente se miden con balanzas de vigas , conectadas al modelo de prueba con vigas, cuerdas o cables.
Históricamente, las distribuciones de presión en el modelo de prueba se han medido perforando muchos orificios pequeños a lo largo de la ruta del flujo de aire y utilizando 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 una presión local más alta se indica mediante una fluorescencia más baja de la pintura en ese punto. Las distribuciones de presión también se pueden medir cómodamente 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 adhesiva y envía señales que representan la distribución de la presión a lo largo de su superficie. [3]
Las distribuciones de presión en un modelo de prueba también se pueden determinar realizando un estudio de estela , en el que se utiliza un solo tubo Pitot para obtener múltiples lecturas aguas abajo del modelo de prueba, o se monta un manómetro de múltiples tubos aguas abajo y se toman todas sus lecturas. .
Las propiedades aerodinámicas de un objeto no pueden seguir siendo todas iguales para un modelo a escala. [4] 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 a satisfacer suelen ser:
En ciertos casos de prueba particulares, se deben cumplir otros parámetros de similitud, como por ejemplo el número de Froude .
El ingeniero militar y matemático inglés Benjamin Robins (1707-1751) inventó un aparato de brazo giratorio para determinar la resistencia [5] e hizo algunos de los primeros experimentos en teoría de la aviación.
Sir George Cayley (1773–1857) también utilizó un brazo giratorio para medir la resistencia y la sustentación de varios perfiles aerodinámicos. [6] Su brazo giratorio medía 5 pies (1,5 m) de largo y alcanzaba velocidades máximas de entre 10 y 20 pies por segundo (3 a 6 m/s).
Otto Lilienthal usó un brazo giratorio para medir con precisión los perfiles alares con diferentes ángulos de ataque , estableciendo sus diagramas polares de relación sustentación-resistencia , pero carecía de las nociones de resistencia inducida y números de Reynolds . [7]
Sin embargo, el brazo giratorio no produce un flujo confiable de aire que impacte la forma de prueba en una incidencia normal. Las fuerzas centrífugas y el hecho de que el objeto se mueve tras 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 inventando, diseñando y operando el primer túnel de viento cerrado en 1871. [8] [9] Una vez logrado este avance, Los datos técnicos detallados se extrajeron rápidamente mediante 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 relación de aspecto alta .
Konstantin Tsiolkovsky construyó un túnel de viento de sección abierta con un ventilador centrífugo en 1897 y determinó los coeficientes de resistencia aerodinámica 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 las turbinas eólicas a principios de la década de 1890.Carl Rickard Nyberg utilizó un túnel de viento cuando diseñó su Flugan a partir de 1897.
En una serie de experimentos clásicos, el inglés Osborne Reynolds (1842-1912) de la Universidad de Manchester demostró que el patrón de flujo de aire en 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 el inicio de la turbulencia. Esta es 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 únicamente en el número de Reynolds.
El uso que hicieron los hermanos Wright de un simple túnel de viento en 1901 para estudiar los efectos del flujo de aire sobre varias formas mientras desarrollaban su Wright Flyer fue en cierto modo revolucionario. [10] Sin embargo, de lo anterior se puede ver que simplemente estaban usando la tecnología aceptada de la época, aunque todavía 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, propulsado por un motor eléctrico de 67 hp (50 kW), en Champs-de-Mars, cerca del pie de la torre que lleva su nombre. .
Entre 1909 y 1912, Eiffel realizó alrededor de 4.000 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 todavía está operativo su túnel de viento con una sección de prueba de dos metros. [11] Eiffel mejoró significativamente la eficiencia del túnel de viento de retorno abierto al encerrar la sección de prueba en una cámara, diseñar una entrada abocinada con un enderezador de flujo en forma de panal y agregar un difusor entre la sección de prueba y el ventilador ubicado en el extremo aguas abajo del el difusor; este fue un arreglo seguido por una serie de túneles de viento construidos posteriormente; de hecho, el túnel de viento de baja velocidad y retorno abierto suele denominarse túnel de viento tipo Eiffel.
El uso posterior de 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 energía.
En 1916, la Marina de los EE. UU. 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 (370 kW) impulsaba las aspas del ventilador tipo paleta. [12]
En 1931, la NACA construyó un túnel de viento a gran escala de 30 por 60 pies (9,1 por 18,3 m) en el Centro de Investigación Langley en Langley, Virginia. El túnel estaba propulsado por un par de ventiladores impulsados por motores eléctricos de 4.000 hp (3.000 kW). El diseño tenía 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, su 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. [ cita necesaria ] Fue diseñado para probar aviones de tamaño completo y tenía seis ventiladores grandes impulsados por motores eléctricos de alta potencia. [13] El túnel de viento Chalais-Meudon fue utilizado por ONERA con el nombre S1Ch hasta 1976 para 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 las pruebas de los dirigibles que estaban diseñando. [14] : 44 En el túnel se ha probado la calle de turbulencias aguas abajo de un cilindro. [14] : 63 Cuando más tarde se mudó a la Universidad de Aquisgrán , recordó el uso de estas instalaciones:
Recordé que el túnel de viento de Göttingen se inició como una herramienta para estudiar el comportamiento de los Zeppelin, pero que había demostrado ser valioso para todo lo demás, desde determinar la dirección del humo de la chimenea de un barco hasta si un avión determinado volaría. Sentí que el progreso en Aquisgrán sería prácticamente imposible sin un buen túnel de viento. [14] : 76
Cuando von Kármán comenzó a consultar con Caltech, trabajó con Clark Millikan y Arthur L. Klein. [14] : 124 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 utilizó para las pruebas Northrop Alpha . [14] : 169
En 1939 , el general Arnold preguntó qué se necesitaba para hacer avanzar a la USAF y von Kármán respondió: "El primer paso es construir el túnel de viento adecuado". [14] : 226 Por otro lado, después de los éxitos del Bell X-2 y la perspectiva de investigaciones más avanzadas, escribió: "Yo estaba a favor de construir un avión así porque nunca creí que se pudieran obtener todas las respuestas sacadas de un túnel de viento." [14] : 302-03
En 1941, Estados Unidos 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 12 m (40 pies) eran accionados por un motor eléctrico de 40.000 hp. Los modelos de aviones a gran escala podrían probarse a velocidades del aire de 400 mph (640 km/h). [15]
Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania desarrolló diferentes diseños de grandes túneles de viento para ampliar sus conocimientos en aeronáutica. Por ejemplo, el túnel de viento de Peenemünde fue un diseño novedoso que permitió la investigación del flujo de aire de alta velocidad, pero planteó varios desafíos de diseño con respecto a la construcción de un túnel de viento de alta velocidad a escala. Sin embargo, utilizó con éxito algunas grandes cuevas naturales a las que se les aumentó el tamaño mediante excavaciones y luego se sellaron para almacenar grandes volúmenes de aire que luego podrían conducirse a través de los túneles de viento. Al final de la guerra, Alemania tenía al menos tres túneles de viento supersónicos diferentes, uno de ellos capaz de generar flujos de aire (calentados) de Mach 4,4.
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 fue reconstruido y todavía es operado allí por ONERA . Con su sección de prueba de 26 pies (8 m) y una velocidad del aire de hasta Mach 1, es la instalación de túnel de viento transónico más grande del mundo. [dieciséis]
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 lugar que con el tiempo se convertiría en Calspan, donde todavía funciona el túnel de viento. [17]
Al final de la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos 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 (400 km). /h) [18] y un túnel de viento vertical en Wright Field, Ohio, donde la corriente de viento asciende para probar modelos en situaciones de giro y los conceptos y diseños de ingeniería de los primeros helicópteros primitivos volados en Estados Unidos. [19]
.jpg/1280px-Theodore_von_K%C3%A1rm%C3%A1n_230419-F-F3405-0001_(restored).jpg)
Investigaciones posteriores sobre flujos de aire cercanos o superiores a la velocidad del sonido utilizaron un enfoque similar. Se utilizaron cámaras de presión metálicas para almacenar aire a alta presión que luego se aceleraba a través de una boquilla diseñada para proporcionar un flujo supersónico. Luego se colocó la cámara de observación o instrumentación ("sección de prueba") en la ubicación adecuada en la garganta o boquilla para la velocidad del aire deseada.
En Estados Unidos, la preocupación por el retraso de las instalaciones de investigación estadounidenses en comparación con las construidas por los alemanes llevó a la Ley del Plan Unitario de Túneles de Viento de 1949, que autorizó gastos para construir nuevos túneles de viento en universidades y emplazamientos militares. Algunos túneles de viento alemanes en tiempos de guerra fueron desmantelados para su envío a Estados Unidos como parte del plan para explotar los desarrollos tecnológicos alemanes. [20]
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 fue diseñado sin ningún tipo de túneles de viento. Sin embargo, en una prueba, se colocaron hilos de vuelo en la superficie de las alas, realizando una prueba tipo 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 todavía es demasiado compleja para el uso de CFD es la determinación de los efectos del flujo sobre y alrededor de estructuras, puentes y terreno.
La forma más eficaz de simular un flujo turbulento externo es mediante el uso de un túnel de viento de capa límite.
Existen muchas aplicaciones para el modelado de túneles 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 del 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 de túneles de viento de capa límite son las evaluaciones del confort de los peatones y la acumulación de nieve. El modelado de túneles de viento se acepta como método de ayuda en el diseño de edificios ecológicos . Por ejemplo, el uso del modelado de túneles 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.
Las pruebas en túnel de viento en un túnel de viento de capa límite permiten simular la resistencia natural de la superficie de la Tierra. Para mayor precisión, es importante simular el perfil de velocidad media del viento y los efectos de la turbulencia dentro de la capa límite atmosférica. La mayoría de los códigos y normas reconocen que las pruebas en túneles de viento pueden producir información confiable para los diseñadores, especialmente cuando sus proyectos se realizan en terrenos complejos o en sitios expuestos.
En Estados Unidos, muchos túneles de viento fueron desmantelados entre 1990 y 2010, incluidas algunas instalaciones históricas. Se ejerce presión sobre los túneles de viento restantes debido al uso cada vez menor o errático, los altos costos de la 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 todavía requiere datos del túnel de viento, y es probable que así sea en el futuro previsible. Se han realizado estudios y otros están en marcha para evaluar las necesidades futuras de túneles de viento militares y comerciales, pero el resultado sigue siendo incierto. [21] Más recientemente, un uso cada vez mayor de vehículos no tripulados instrumentados propulsados por aviones, o drones de investigación, ha reemplazado algunos de los usos tradicionales de los túneles de viento. [22] El túnel de viento más rápido del mundo a partir de 2019 es el túnel de viento LENS-X, ubicado en Buffalo, Nueva York. [23]
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. Normalmente, 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 se utiliza una serie de múltiples ventiladores en paralelo para proporcionar suficiente flujo de aire. Debido al gran volumen y velocidad del movimiento del aire requerido, los ventiladores pueden funcionar con motores turbofan 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 hacia la sección de prueba, cuando succiona aire 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 muy espaciadas para suavizar el flujo de aire turbulento antes de llegar al objeto 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 del 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 liso posible para reducir la resistencia y la turbulencia de la superficie que podrían afectar la precisión de las pruebas. 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 amortiguación 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 integrada en las paredes circulares del túnel y entra 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 ventanillas transparentes en el interior del túnel. En lugar de ser simplemente discos planos, estas ventanas de iluminación y observación pueden curvarse para adaptarse a la sección transversal del túnel y reducir aún más la turbulencia alrededor de la ventana.
Se utilizan diversas técnicas para estudiar el flujo de aire real alrededor de la geometría y compararlo con resultados teóricos, que también deben tener en cuenta el número de Reynolds y el número de Mach para el régimen de operación.
La presión a través de las superficies del modelo se puede medir si el modelo incluye tomas de presión. Esto puede resultar útil para fenómenos dominados por la presión, pero sólo tiene en cuenta las fuerzas normales del cuerpo.
Con el modelo montado en una balanza de fuerzas, se pueden medir los momentos de sustentación, resistencia, 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 (como se muestra).
El propio equilibrio de fuerzas crea resistencia y turbulencias potenciales que afectarán al modelo e introducirán errores en las mediciones. Por lo tanto, las estructuras de soporte suelen tener una forma suave para minimizar la turbulencia.
Debido a que el aire es transparente, es difícil observar directamente el movimiento del aire. En cambio, se han desarrollado múltiples métodos de visualización de flujo, tanto cuantitativos como cualitativos, para realizar pruebas en un túnel de viento.
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.
Las cámaras de alta velocidad también son necesarias cuando el sujeto de la prueba se mueve a alta velocidad, como la hélice de un avión. La cámara puede capturar imágenes en stop-motion de cómo la pala corta las corrientes de partículas y cómo se generan vórtices a lo largo de los bordes posteriores de la pala en movimiento.
Hay muchos tipos diferentes de túneles de viento. Normalmente se clasifican según el rango de velocidades que se alcanzan en la sección de prueba, de la siguiente manera:
Los túneles de viento también se clasifican según la orientación del flujo de aire en la sección de prueba con respecto a la gravedad. Normalmente están orientados horizontalmente, como ocurre 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 :
Los túneles de viento también se clasifican en función de su uso principal. Para aquellos que se utilizan 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 pisos móviles más pequeños y algún intento de control del nivel límite.
Las principales subcategorías en los túneles de viento aeronáuticos son:
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 del flujo. Hay tres formas principales de simular un número de Reynolds alto, ya que no es práctico obtener un número de Reynolds a escala real mediante el uso de un vehículo a escala real. [ cita necesaria ]
Los túneles V/STOL requieren una gran sección transversal, pero sólo pequeñas velocidades. Como la potencia varía con el cubo de la velocidad, la potencia requerida para la operación también es menor. Un ejemplo de túnel V/STOL es el túnel Langley de la NASA de 14 por 22 pies (4,3 por 6,7 m). [25]
Los aviones tienen tendencia a girar cuando entran en pérdida . Estos túneles se utilizan para estudiar ese fenómeno.
Los túneles de viento para automóviles se dividen en dos categorías:
Wunibald Kamm construyó el primer túnel de viento a gran escala para vehículos de motor. [26]
Para los túneles de flujo externo se utilizan varios sistemas para compensar el efecto de la capa límite sobre 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 toda la superficie de la carretera. coche u otros métodos de control de la capa límite, como palas o perforaciones para succionarla. [27]
Estos túneles se utilizan en los estudios del ruido generado por el flujo y su supresión.
Un túnel de viento de alta entalpía está destinado a 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 por la 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; Dos técnicas utilizadas son grandes depósitos calientes presurizados y arcos eléctricos. [28]
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. Normalmente se utiliza un canal de bucle para pruebas acuadinámicas subacuáticas. La interacción entre dos tipos diferentes de fluidos significa que las pruebas puras en túnel de viento sólo son parcialmente relevantes. Sin embargo, se realiza un tipo de investigación similar en un tanque de remolque .
El aire no siempre es el mejor medio de prueba para estudiar principios aerodinámicos a pequeña escala, debido a la velocidad del flujo de aire y al movimiento del perfil aerodinámico. Se realizó un estudio de las alas de la mosca de la fruta diseñado para comprender cómo las alas producen sustentación utilizando un gran tanque de aceite mineral y alas 100 veces más grandes que el tamaño real, para ralentizar el aleteo y facilitar los vórtices generados por las alas del insecto. para ver y comprender. [29]
También se realizan pruebas en túnel de viento para medir con precisión el movimiento del aire de los ventiladores a una presión específica. Al determinar las circunstancias ambientales durante la medición y al revisar la estanqueidad después, se garantiza 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 m 3 /h) y corrientes de aire más altas (< 60.000 m 3 /h). La determinación de la curva Q/h del ventilador es uno de los objetivos principales. Para determinar esta curva (y definir otros parámetros) se miden datos técnicos, mecánicos y electrotécnicos del aire:
Técnico de aire:
Electrotécnico:
La medición puede realizarse en el ventilador o en la aplicación en la que se utiliza el ventilador.
En ingeniería eólica , las pruebas en túnel de viento se utilizan para medir la velocidad alrededor y las fuerzas o presiones sobre las estructuras. [30] En túneles de viento especializados en la capa límite atmosférica se analizan edificios muy altos, edificios con formas inusuales o complicadas (como un edificio alto con forma parabólica o hiperbólica), puentes colgantes de cables o puentes atirantados. Estos cuentan con una larga sección contra el viento para representar con precisión la velocidad del viento y el perfil de turbulencia que actúa sobre la estructura. Las pruebas en túnel de viento proporcionan las mediciones de presión de diseño necesarias en el uso del análisis dinámico y el control de edificios altos.
