Túnel de viento subsónico y transónico

Los túneles de viento subsónicos se utilizan para operaciones con números de Mach bajos , con velocidades en la sección de prueba de hasta 480 km/h (~ 134 m/s, M = 0,4). Pueden ser de tipo retorno abierto (también conocido como tipo Eiffel ) o de retorno cerrado (también conocido como tipo Prandtl ). Estos túneles utilizan grandes ventiladores axiales para mover el aire y aumentar la presión dinámica, superando las pérdidas viscosas. Los principios de diseño de los túneles de viento subsónicos se basan en la ecuación de continuidad y el principio de Bernoulli , que permiten calcular parámetros importantes como el índice de contracción del túnel.

Los túneles de viento transónicos (0,75 < M < 1,2) están diseñados con principios similares a los de los túneles subsónicos, pero presentan desafíos adicionales, principalmente debido al reflejo de las ondas de choque de las paredes de la sección de prueba. Para mitigar esto, se utilizan paredes perforadas o ranuradas para reducir la reflexión de los impactos. En las pruebas transónicas, tanto el número de Mach como el número de Reynolds son críticos y deben simularse adecuadamente. Esto a menudo requiere el uso de instalaciones a gran escala y/o túneles de viento presurizados o criogénicos. Estos túneles son cruciales para estudiar las propiedades aerodinámicas de objetos a velocidades cercanas y superiores a la velocidad del sonido , como aviones y naves espaciales de alta velocidad durante las fases críticas del vuelo.

Túnel subsónico bajo

Los túneles de viento de baja velocidad se utilizan para operaciones con un número de Mach muy bajo , con velocidades en la sección de prueba de hasta 480 km/h (~ 134 m/s , M = 0,4). ^[1]^[2] Pueden ser del tipo de retorno abierto (también conocido como tipo Eiffel , ver figura ), o de flujo de retorno cerrado (también conocido como tipo Prandtl , ver figura ) con aire movido por un sistema de propulsión generalmente formado por grandes ventiladores axiales que aumentan la presión dinámica para superar las pérdidas viscosas .

Túnel de viento abierto

El principio de funcionamiento se basa en la continuidad y la ecuación de Bernoulli :

La ecuación de continuidad viene dada por:

$AV=constante\Rightarrow {\frac {dA}{A}}=-{\frac {dV}{V}}$

La ecuación de Bernoulli establece: -

$P_{total}=P_{static}+P_{dynamic}=P_{s}+{\frac {1}{2}}\rho V^{2}$

Poniendo a Bernoulli en la ecuación de continuidad se obtiene:

$V_{m}^{2}=2{\frac {C^{2}}{C^{2}-1}}{\frac {P_{settl}-p_{m}}{\rho }}\aprox 2{\frac {\Delta p}{\rho }}$

La relación de contracción de un túnel de viento ahora se puede calcular mediante: $C={\frac {A_{settl}}{A_{m}}}$

Túnel de viento cerrado

En un túnel de viento de retorno, el conducto de retorno debe diseñarse adecuadamente para reducir las pérdidas de presión y garantizar un flujo fluido en la sección de prueba. El régimen de flujo compresible: nuevamente con la ley de continuidad, pero ahora para flujo isentrópico se obtiene:

$-{\frac {d\rho }{\rho }}=-{\frac {1}{a^{2}}}{\frac {dp}{\rho }}=-{\frac { 1}{a^{2}}}{\frac {-\rho VdV}{\rho }}={\frac {V}{a^{2}}}dV$

El área-velocidad 1-D se conoce como:

${\frac {dA}{A}}=(M^{2}-1){\frac {dV}{V}}$

El área mínima A donde M=1, también conocida como área de garganta sónica , se da para un gas perfecto:

$\left({\frac {A}{A_{garganta}}}\right)^{2}={\frac {1}{M^{2}}}\left({\frac {2} {\gamma +1}}\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2}\right)\right)^{\frac {\gamma +1}{\gamma - 1}}$

túnel transónico

Los túneles de viento subsónicos altos (0,4 < M < 0,75) y los túneles de viento transónicos (0,75 < M < 1,2) están diseñados con los mismos principios que los túneles de viento subsónicos. La velocidad más alta se alcanza en la sección de prueba. El número de Mach es aproximadamente 1 con regiones de flujo subsónico y supersónico combinados. Las pruebas a velocidades transónicas presentan problemas adicionales, principalmente debido al reflejo de las ondas de choque en las paredes de la sección de prueba (consulte la figura a continuación o amplíe la imagen del pulgar a la derecha). Por lo tanto, se requieren paredes perforadas o ranuradas para reducir la reflexión de los impactos en las paredes. Dado que se producen importantes interacciones viscosas o no viscosas (como ondas de choque o interacción de la capa límite), tanto el número de Mach como el de Reynolds son importantes y deben simularse adecuadamente. Se utilizan instalaciones de gran tamaño y/o túneles de viento presurizados o criogénicos.

boquilla de Laval

Con una garganta sónica, el flujo se puede acelerar o ralentizar. Esto se desprende de la ecuación área-velocidad 1D. Si se requiere una aceleración al flujo supersónico, se requiere una boquilla convergente-divergente. De lo contrario:

Subsónico (M < 1) y luego convergente ${\frac {dA}{dx}}<0\Rightarrow$
Garganta sónica (M = 1) donde ${\frac {dA}{dx}}=0$
Supersónico (M >1) y luego divergente ${\frac {dA}{dx}}>0\Rightarrow$

Conclusión: el número de Mach está controlado por la relación de expansión ${\frac {A}{A_{garganta}}}$

Referencias

^ Rossiter, JE (1964). "Experimentos en túnel de viento sobre el flujo sobre cavidades rectangulares a velocidades subsónicas y transónicas". Informes y memorandos del Consejo de Investigaciones Aeronáuticas .
^ Mouton, Sylvain (octubre de 2007). "Investigaciones numéricas de interferencia de soporte de modelos en túneles de viento subsónicos y transónicos". ODAS 2007 - 8º Simposio Aeroespacial ONERA-DLR . Gotinga, Francia.