Túnel de viento subsónico y transónico

Los túneles de viento subsónicos se utilizan para operaciones a bajos números de Mach , con velocidades en la sección de prueba de hasta 480 km/h (~134 m/s, M = 0,4). Pueden ser de tipo de retorno abierto (también conocido como tipo Eiffel ) o de flujo 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 la relación de contracción del túnel.

Los túneles de viento transónicos (0,75 < M < 1,2) están diseñados con principios similares a los túneles subsónicos, pero presentan desafíos adicionales, principalmente debido a la reflexión 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 del choque. 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 los objetos a velocidades que se acercan y superan la velocidad del sonido , como los 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 a números de Mach muy bajos , con velocidades en la sección de prueba de hasta 480 km/h (~134 m/s , M = 0,4). ^[1]^[2] Pueden ser de 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 que generalmente consiste en 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:

$P_{total}=P_{estática}+P_{dinámica}=P_{s}+{\frac {1}{2}}\rho V^{2}$

Introduciendo a Bernoulli en la ecuación de continuidad obtenemos:

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

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 flujo de retorno, el conducto de retorno debe estar diseñado adecuadamente para reducir las pérdidas de presión y garantizar un flujo uniforme en la sección de prueba. El régimen de flujo compresible: Nuevamente con la ley de continuidad, pero ahora para flujo isentrópico da:

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

La velocidad del área 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 entonces 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 de alta velocidad (0,4 < M < 0,75) y los túneles de viento transónicos (0,75 < M < 1,2) están diseñados según 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 combinado. Las pruebas a velocidades transónicas presentan problemas adicionales, principalmente debido a la reflexión de las ondas de choque de las paredes de la sección de prueba (consulte la figura siguiente o amplíe la imagen en miniatura a la derecha). Por lo tanto, se requieren paredes perforadas o ranuradas para reducir la reflexión del choque de las paredes. Dado que ocurren interacciones viscosas o no viscosas importantes (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 a gran escala 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 de área-velocidad unidimensional. Si se requiere una aceleración hasta alcanzar un flujo supersónico, se requiere una tobera convergente-divergente . De lo contrario:

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

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 Investigación Aeronáutica .
^ Mouton, Sylvain (octubre de 2007). "Investigaciones numéricas de la interferencia de soporte de modelos en túneles de viento subsónicos y transónicos". ODAS 2007 - 8º Simposio Aeroespacial ONERA-DLR . Göttingen, Francia.