Ensayos de Túnel Aerodinámico
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Capítulo 5 Ensayos de Túnel Aerodinámico 5.1. Introducción Los túneles aerodinámicos, también llamados de forma no muy correcta túneles de viento (traducción literal de la expresión inglesa wind tunnel), son instrumentos científico-tecnológicos cuya aplicación es la generación de una corriente fluida de propiedades conocidas para la medida de las acciones del viento sobre obstáculos de muy diversa naturaleza y más generalmente, el estudio de los fenómenos físicos en los que el aire en movimiento juega un papel dominante. En el proceso de diseño de una edificación existen muchas situaciones en las que, de la aplicación de las normas de cálculo de las acciones del viento, no se pueden predecir con la precisión necesaria las cargas aerodinámicas sobre la estructura, normalmente porque la forma de la estructura dista mucho de las formas básicas que se contemplan en las normas. En tales circunstancias de incertidumbre el proceso de diseño deberá avanzar, bien asumiendo los riesgos que supone el desconocimiento de las cargas del viento, bien aplicando factores de seguridad exagerados que den lugar a un diseño en extremo conservador, o bien, intentando determinar con más precisión las cargas aerodinámicas. Así pues, la finalidad de los ensayos en túnel aerodinámico es suministrar a los diseñadores información sobre las particularidades del viento en las proximidades del objeto en consideración, proveer información sobre la distribución de presiones y sobre las cargas globales producidas por el viento en el obstáculo objeto de interés y si la estructura es flexible y susceptible de experimentar fenómenos aeroelásticos, proporcionar los datos necesarios sobre las vibraciones inducidas por el viento, todo ello con una precisión mayor que la que se puede obtener con otros medios relativamente más económicos (estudios analíticos, análisis numérico o, simplemente, la experiencia profesional). La descripción del flujo del viento sobre un terreno suave es una labor relativamente sencilla, en la que las observaciones meteorológicas suministran una base adicional para estimar la magnitud de las máximas velocidades del viento. No obstante, el cálculo teórico de las cargas de viento sobre una estructura basándose en este conocimiento es muy difícil, pues las ecuaciones que describen la mecánica de los fluidos son complejas y hay muchos parámetros involucrados en las condiciones de contorno a imponer a la solución del sistema de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales que gobiernan el fenómeno, sobre todo en lo que se refiere a las condiciones de contorno que describen la geometría de la estructura y su entorno. Sin embargo, la asombrosa evolución de los ordenadores, con un aumento de la capacidad de cálculo ciertamente espectacular, el cálculo numérico de las cargas del viento sobre estructuras en flujos turbulentos comienza a ser una realidad la posibilidad de obtener con la precisión adecuada en unos pocos casos, generalmente en aquellos en los que los obstáculos en consideración son de geometría razonablemente sencilla desde el punto de vista aerodinámico. Históricamente y hasta un cierto grado, la determinación de las cargas de viento de diseño ha estado basada en medidas en túnel aerodinámico, si bien actualmente, debido al incremento de la capacidad de cálculo y a la utilización de técnicas de paralelismo, sea cada vez más frecuente, a la par que más fiable, el empleo de métodos de cálculo numérico para la estimación de las cargas de viento sobre obstáculos de Ingeniería Civil. Una parte del esfuerzo dedicado a los ensayos con modelos a escala se emplea en investigaciones sistemáticas relacionadas con las cargas aerodinámicas sobre cuerpos de formas básicas y es en estas 95 96 CAPÍTULO 5. ENSAYOS DE TÚNEL AERODINÁMICO investigaciones donde se fundamentan los diversos algoritmos incluidos en los códigos de acciones del viento para el cálculo de las cargas eólicas. Otra parte del esfuerzo se emplea en determinar las cargas del viento sobre estructuras de formas o de características especiales, que no están contempladas en los códigos de cálculo. Y existe otra vertiente, no menos importante, cuyo interés se orienta hacia el estudio de problemas ambientales, principalmente en áreas urbanas. Entre las estructuras susceptibles de requerir ensayos en túnel aerodinámico hay que contabilizar los edificios muy altos y esbeltos, grandes cúpulas, puentes con tableros largos y en general, cualquier estructura de formas poco habituales. También puede ser preciso hacer ensayos en túnel en el caso de estructuras flexibles y ligeras, edificaciones en situaciones topográficas especiales, etc. En estos casos, cuando el recurso a los ensayos en túnel sea deseable, es conveniente que los diseñadores de la estructura conozcan, siquiera superficialmente, los principios científicos y tecnológicos que respaldan la validez y la fiabilidad de los ensayos en túnel, pues de esta forma podrán decidir con conocimiento sobre la necesidad de llevar a cabo una campaña determinada de ensayos y sobre su adecuación a sus requisitos de diseño. El uso de los túneles aerodinámicos como ayuda para el diseño estructural y la planificación de entornos urbanos ha ido creciendo de forma sostenida en los últimos años. No existe una respuesta única a la pregunta de cuándo es necesario hacer un ensayo en túnel, pues la respuesta depende de la importancia relativa de muchos factores, entre los cuales, de acuerdo con Dobym, Robertson & See (1982) y Liu (1991), hay que considerar al menos los enumerados en los párrafos siguientes[15]: Coste de la estructura: dependiendo de la complejidad del estudio, un ensayo en túnel de una estructura típica de las consideradas en Aerodinámica Civil viene a costar entre siete mil y setenta mil euros, de modo que, desde un punto de vista económico, un ensayo en túnel sólo se justifica cuando el ahorro esperado por hacer el ensayo es mayor que el coste de hacerlo. Como el ahorro en valor absoluto que se puede obtener en el coste de la estructura es tanto mayor cuanto mayor sea el coste total de la estructura, resulta claro que sólo aquellas edificaciones cuyo presupuesto supere un cierto umbral, corrientemente elevado, para las que el coste adicional que supone realizar ensayos en túnel sea asumible, son susceptibles de ser ensayadas en túnel aerodinámico. Incertidumbre en las cargas: se debe considerar la posibilidad de un ensayo en túnel cuando exista el temor de que la estructura en diseño, o partes de la misma, puedan presentar problemas con el viento y además cuando en esta estructura, debido a su geometría, a su particular ubicación o a cualquier otro factor, sea difícil estimar con la precisión requerida el comportamiento del viento en el entorno de la edificación, las cargas de presión o la respuesta estructural frente al viento. Aparte de los obstáculos típicos tradicionalmente ensayados en túnel (rascacielos, puentes de mucha luz, etc.), cada vez hay más edificaciones que resultan particularmente sensibles a las acciones del viento, y esto es así tanto por lo atrevido de las formas exteriores de los diseños como por la incorporación de nuevos materiales al proceso de construcción. En muchas estructuras, aun siendo de baja altura y sin que existan expectativas de problemas aeroelásticos, la forma exterior del edificio recomienda la realización de un ensayo en túnel, pues en el caso de tales edificaciones singulares, difícilmente se encontrará en los códigos y normas sobre acciones del viento, ni en ninguna otra fuente información que permita estimar adecuadamente cómo es la distribución de presión sobre sus superficies, de modo que la única vía de generar esta información es mediante ensayos en túnel de modelos a escala. Hay que decir que esta tendencia hacia la singularidad y la espectacularidad de algunas edificaciones es creciente y generalmente suele contar con el beneplácito social. Importancia de la estructura: un edificio que ha de albergar miles de personas, aunque sea en tránsito, ha de satisfacer unos requisitos de seguridad frente al viento mucho más estrictos que, por ejemplo, una nave industrial destinada al almacenamiento de maquinaria. Aunque las cargas aerodinámicas de diseño se suelen fijar en función del uso de la estructura, en ciertas ocasiones puede ser recomendable fijar valores más conservadores que los estipulados en las normas para minimizar así los riesgos de posibles daños futuros. También en estos casos puede ser recomendable un ensayo en túnel, pues un mejor conocimiento de las cargas puede ayudar a reforzar la seguridad del diseño sin encarecer el coste de la estructura. 5.2. CONDICIONES DE SEMEJANZA 97 Criterios de funcionamiento: algunas estructuras singulares han de cumplir requisitos de funcionamiento especiales dictados por el uso. Se comprende que el fallo por cargas de viento de un ventanal en una casa de vecinos puede no ser un problema de especial gravedad, pero este mismo fallo sí sería un verdadero problema si ocurriera en una estructura que albergara equipos e instrumentación sensibles que deban funcionar de modo continuo independientemente de las condiciones meteorológicas, como es el caso de las torres de control de tráfico aéreo o el de un centro de ordenadores de una compañía de servicios. 5.2. Condiciones de Semejanza De acuerdo con los principios del análisis dimensional y de la semejanza habituales en Mecánica de Fluidos, la realización de un ensayo en túnel aerodinámico con un modelo a escala de la estructura real requiere la existencia de semejanza geométrica, semejanza cinemática y semejanza dinámica entre el flujo alrededor del modelo y el movimiento del aire alrededor del obstáculo real[9]. Semejanza, en un sentido general, significa la existencia de una relación entre dos fenómenos, entendiéndose usualmente en Mecánica de Fluidos y Aerodinámica la relación entre un flujo a escala natural y otro de menores dimensiones pero de contornos geométricamente semejantes. La semejanza geométrica implica que en el modelo de ensayos, que incluye tanto la estructura objeto de estudio como su entorno cercano, si ha lugar, se deberán reproducir fielmente a escala todos aquellos detalles de la realidad que sean aerodinámicamente significativos. La semejanza geométrica no quiere decir que el modelo de ensayo sea una maqueta escrupulosamente a escala del obstáculo real. Esto es, en muchas ocasiones físicamente imposible por las escalas que se manejan; así en el modelo de ensayos sólamrnente están reproducidos con realismo aquellos elementos del conjunto aerodinámicamente relevantes (ver Figura 5.1). Figura 5.1: Modelo sin ensamblar de un avión para ensayar en un túnel aerodinámico Las cargas aerodinámicas medidas en túnel aerodinámico sobre un modelo como el que se muestra en la Figura 5.2a y sobre un modelo como el de la Figura 5.2b serán prácticamente las mismas, pues, en este caso, el escalonamiento que forman las gradas es un ejemplo de detalle aerodinámicamente irrelevante para las cargas sobre la cubierta. Dos flujos constituidos por líneas de corriente semejantes se llaman cinemáticamente semejantes. Como los contornos forman alguna de las superficies de corriente, es evidente que los flujos cinemáticamente semejantes han de ser, necesariamente, geométricamente semejantes. Evidentemente, un requisito previo para que las líneas de corriente sean semejantes es que las 98 CAPÍTULO 5. ENSAYOS DE TÚNEL AERODINÁMICO Figura 5.2: Sección de la grada y cubierta del modelo de ensayos en túnel aerodinámico de una instalación deportiva con gradas que reproducen el escalonamiento de los asientos de los espectadores (a) y con un plano inclinado liso (b). Salvo muy cerca de las gradas escalonadas, el campo fluido es prácticamente igual en ambos casos. condiciones de la corriente incidente sean también semejantes, lo que significa que al estar los obstáculos objeto de interés en Aerodinámica Civil en la capa límite terrestre, al ensayar con modelos a escala también habría que reproducir de forma apropiada una capa límite semejante. Esto significa que tanto el perfil de velocidad media en cada punto de la corriente incidente como las características de la turbulencia deben ser semejantes en la corriente incidente real y en el flujo que incide sobre el modelo. Todavía hace falta definir un tercer tipo de semejanza, la llamada semejanza dinámica, lo que implica que la distribución de fuerzas en los flujos es tal que en puntos homólogos las fuerzas de tipos idénticos (de presión, de rozamiento, etc.) son paralelas y la relación entre sus módulos es constante. Además, la relación debe ser la misma para los distintos tipos de fuerzas presentes. Así pues, en el caso de flujos dinámicamente semejantes deberá existir una relación sencilla y de fácil cálculo entre las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre contornos semejantes, de modo que midiendo estas fuerzas sobre el modelo (presión, sustentación, resistencia aerodinámica...) se podrá predecir la intensidad de las cargas aerodinámicas sobre la estructura real. La cóndición de semejanza dinámica exige que los flujos, alrededor del modelo y en la realidad, sean cinemáticamente semejantes y además que la relación entre las densidades del fluido en uno y otro flujo en puntos homólogos tenga el mismo valor en todos los puntos del dominio. Los puntos que satisfacen esta última condición se dice que tienen distribuciones de masas semejantes. Para establecer las relaciones matemáticas que subyacen en el principio de semejanza es aconsejable acudir al análisis dimensional (ver apartado 1.3). En general, una ley de modelizado describe una condición de equivalencia o de proporcionalidad entre el prototipo (la estructura real) y el modelo de ensayo, fijando además las condiciones de ensayo del modelo y el procedimiento para la interpretación y aplicación de los resultados obtenidos en el ensayo a la estructura real. Formalmente las leyes de modelizado se formulan considerando el número adecuado de parámetros adimensionales relevantes. En las aplicaciones de la Aerodinámica Civil el número de parámetros a considerar es tan grande que es imposible satisfacer a todos ellos simultáneamente, por lo que, habitualmente, al modelizar no se tienen en cuenta los parámetros cuya importancia es menor para la explicación del caso en estudio, reteniendo únicamente aquellos que son realmente significativos. Teniendo en cuenta lo dicho respecto a las condiciones a satisfacer para asegurar la existencia de semejanza dinámica, resulta claro que, en primer lugar, los modelos a ensayar deben ser geométricamente semejantes a la estructura real, de acuerdo con una cierta escala de longitudes. El flujo de fluido alrededor del modelo debe ser también semejante al flujo alrededor del prototipo, lo que se consigue cuando las fuerzas que actúan sobre una masa de aire están en la misma relación sobre el modelo que en la escala real. 5.3. LOS TÚNELES AERODINÁMICOS 5.3. 99 Los túneles aerodinámicos A la vista de los argumentos expuestos en apartados anteriores y teniendo en cuenta la cantidad de aplicaciones de los túneles aerodinámicos, se entiende que la mayoría de los mismos estén construidos para un cierto uso específico, lo que suele condicionar muchos aspectos del diseño. Se comprende que un túnel para aplicaciones de Aerodinámica posee unas características específicas de este tipo de ensayos muy distintas a las que posee un túnel para ensayos aeronaúticos, en lo que se refiere a: ensayos de calibración, números de Mach, tamaños de cámaras de ensayo, formas de los conductos... Atendiendo al primer concepto (número de Mach), los túneles podrán ser de régimen subsónico, de régimen transónico, de régimen supersónico o de régimen hipersónico. Respecto al tamaño, si éste se mide, por ejemplo, por el área de la sección de la cámara de ensayos, los valores típicos de las secciones de ensayo pueden variar en muchos órdenes de magnitud, desde valores típicos de 1 − 2 m2 de los túneles supersónicos hasta 102 m2 de algunos grandes túneles subsónicos (ver las Figuras 5.3 y 5.4). Figura 5.3: El profesor Wiley Sherwood junto a uno de sus diseños de túnel aerodinámico En relación con la geometría global del conducto, los túneles aerodinámicos pueden ser, según tengan o no conducto de retorno, de circuito fluido cerrado (con un circuito de retorno específico) o circuito fluido abierto (el aire retorna a través del local donde está el túnel -tipo Eiffel- o bien se toma directamente de la atmósfera y se descarga posteriormente a ésta). Respecto a la cámara de ensayos, ésta puede ser de sección abierta, es decir, sin paredes laterales, o de sección cerrada. En lo que se refiere a las aplicaciones, un túnel es, como ya se ha dicho, un instrumento científico y tecnológico de aplicación a problemas aerodinámicos tanto aeronáuticos como otros relacionados con muy diversos aspectos de la ciencia y la tecnología que aparecen en la vida cotidiana. (ver Figuras 5.5 y 5.6 ) Ciñendo la exposición al caso de los túneles aerodinámicos de baja velocidad para aplicaciones de Aerodinámica Civil principalmente, la primera consideración a tener en cuenta es que los túneles aerodinámicos suelen ser instrumentos voluminosos, que requieren mucho espacio en un laboratorio o incluso un edificio dedicado. A la hora de fijar los valores nominales de estas magnitudes hay otros condicionantes a tener en cuenta. El tamaño del modelo está limitado por el tamaño de la cámara de ensayos, pues éste no puede bloquear excesivamente el conducto si se quiere evitar la corrección por bloqueo de los resultados medidos. Un valor máximo típico del coeficiente de bloqueo (la relación entre el área frontal del modelo y el área frontal de la sección de ensayo) puede ser 0,1, lo que significa que la cámara de ensayos ha de tener (al menos) un área frontal de un orden de magnitud superior a la del modelo. Hay otra razón que también aconseja que la cámara de ensayos sea grande, sobre todo en los túneles para simulación de capa límite atmosférica. La razón es que si se pretende que la relación 100 CAPÍTULO 5. ENSAYOS DE TÚNEL AERODINÁMICO Figura 5.4: Modelo de la NASA en un tunel aerodinámico de 80 x 120 f t entre el tamaño del modelo y el espesor de la capa límite del túnel guarde una cierta proporción con la realidad, la escala del modelo fijará la de la capa límite. Y como el espesor de la capa límite terrestre es grande, la consecuencia es obvia: o la cámara de ensayos es grande o se elige una escala muy pequeña para el modelo de ensayos. Esta segunda opción es poco recomendable, pues entonces, aparte de los problemas asociados a un número de Reynolds bajo, se complica enormemente la construcción e instrumentación del modelo de ensayos. Además, si los requisitos de ensayo lo permiten, diseñar un túnel aerodinámico de grandes dimensiones que funcione a baja velocidad presenta otras ventajas adicionales, pues al ser la velocidad pequeña, también lo serán las cargas aerodinámicas sobre las diversas partes del conducto, lo que permite abaratar su construcción, ya que al estar poco solicitado, se podrán emplear materiales más baratos en su fabricación. Entre las desventajas de la baja velocidad hay que señalar que una velocidad pequeña reduce la relación señal/ruido de las señales generadas por los sensores de medida. La parte más crítica del diseño de un túnel aerodinámico es la definición de los elementos que conforman el conducto, elementos que en casi todos los túneles están ordenados según la secuencia clásica de contracción, cámara de ensayos, adaptador, ventiladores y difusor (y circuito de retorno si lo hubiera), como se indica en las Figuras 5.7 y 5.8. La contracción tiene como finalidad que la corriente llegue a la cámara de ensayos con un perfil de velocidades uniforme, baja turbulencia y capa límite delgada. La contracción puede ser bidimensional (se contrae únicamente en la dirección de uno de los planos de simetría del túnel), lo que simplifica enormemente el proceso de construcción, o tridimensional (se contrae en las dos direcciones de los planos de simetría), lo que permite un control mayor sobre el crecimiento de la capa límite. Un valor razonable para el coeficiente de contracción o cociente entre el área de entrada a la contracción y el 5.3. LOS TÚNELES AERODINÁMICOS 101 Figura 5.5: Modelo de un coche de carreras LeMans/GY-type en un túnel aerodinámico. Figura 5.6: Modelo de una embarcación en un túnel aerodinámico área de salida puede estar entre 3 y 10. La cámara de ensayos, si es cerrada, suele ser de área constante, de sección cuadrada o rectangular. En este último caso una de las dimensiones transversales suele ser alrededor de 1,4 veces la otra. La cámara de ensayos puede tener las esquinas biseladas, para minimizar interferencias entre capas límites, debiendo tener ventanas y puertas para permitir la instalación y el desmontaje de los modelos en su interior. Los túneles para usos aeronáuticos suelen tener cámaras de ensayos cortas, con longitudes que suelen ser dos o tres veces el tamaño característico transversal de la cámara de ensayos. Esto no es así en los túneles de simulación de capa límite, donde se precisa de una cierta distancia para que la capa límite se pueda desarrollar (al menos diez veces la dimensión transversal característica). Para generar la capa límite en el túnel se suelen colocar generadores de torbellinos en la sección de entrada (generalmente obstáculos planos de sección triangular) seguidos de una superficie rugosa de tamaño de rugosidad controlado (ver Figuras 5.9 y 5.10) que facilite la generación de la capa límite por crecimiento natural de acuerdo con la ley de escalado de Jensen (Vickery 1976, Liu l99l, Dyrbye & Hansen 1997, Farell & Iyengar 1999)[2]. Casi con toda seguridad será preciso adaptar el conducto desde la sección de salida de la cámara de ensayos a la sección de entrada a los ventiladores, pues ambas secciones en general no coincidirán ni en área ni en forma. El adaptador es un predifusor y como tal ha de ser diseñado. El ángulo de divergencia de las paredes ha de ser pequeño (menor de 7o ) para evitar el desprendimiento de la corriente. Si esta 102 CAPÍTULO 5. ENSAYOS DE TÚNEL AERODINÁMICO Figura 5.7: Esquema de túnel aerodinámico en circuito abierto (tipo Eiffel) con cámara de ensayos cerrada: 1) contracción, con enderezadores de corriente y rejillas para uniformi- zar la corriente y reducir la turbulencia en la sección de entrada; 2) cámara de ensayos, habitualmente corta en los túneles para aplicaciones aeronáuticas; 3) adaptador de la sección de la cámara de ensayos a la sección de ventiladores; 4) ventilador o ventiladores, con enderezadores de corriente para atenuar la torsión de la vena fluida inducida por el ventila- dor si fuera necesario; 5) difusor (en un túnel de circuito abierto el aire retorna a la sección de entrada a través del local donde está instalado el túnel). Figura 5.8: Esquema de túnel aerodinámico en circuito cerrado con cámara de ensayos cerrada: 1) contracción; 2) cámara de ensayos; 3) adaptador; 4) deflectores; 5) con- ducto de retorno; 6) ventilador. limitación en el ángulo de expansión diera lugar a longitudes del adaptador intolerables o incompatibles con otros requisitos del diseño, se deberá acudir a adaptadores multiconducto en los que se cumpla individualmente en cada uno de ellos la limitación antes citada. Utilizar una matriz de ventiladores comerciales fabricados en serie en vez de un ventilador único, normalmente fabricado bajo demanda, tiene ciertas ventajas económicas. Los ventiladores comerciales de serie suelen ir movidos por motores eléctricos de velocidad regulable también de serie, así como todos los dispositivos de regulación y control asociados. El difusor tiene como finalidad decelerar la corriente de modo que ésta descargue al ambiente con una velocidad lo más baja posible y de esta forma incrementar la presión y mejorar el rendimiento energético del túnel. Las consideraciones de diseño, respecto al posible desprendimiento de la capa límite, son análogas a las realizadas para el adaptador. Ante una situación de falta de espacio se puede suprimir el difusor a costa de penalizar el rendimiento del túnel (a costa de la velocidad en la cámara de ensayos o del consumo de energía eléctrica) y de aumentar el ruido aerodinámico durante su funcionamiento. 5.4. INSTRUMENTACIÓN 103 Figura 5.9: Esquema de la cámara de ensayos de un túnel aerodinámico para simulación de capa límite terrestre: la cámara ha de ser lo suficientemente larga para que se puedan colocar corriente arriba del modelo de ensayos los elementos de rugosidad que permiten generar la turbulencia y el perfil de velocidad deseados. 5.4. Instrumentación Un factor determinante en la definición de las prestaciones de un túnel aerodinámico es el de la instrumentación de medida disponible, que puede ser muy variable dependiendo del tipo de ensayos que se desee o pueda realizar. Los elementos clásicos del equipamiento de un túnel aerodinámico son los transductores de presión y de cargas y los transductores de velocidad. En general, un transductor es un dispositivo que al recibir una señal de entrada de un cierto sistema suministra una señal de salida a otro. Los transductores convencionales de presión funcionan por lo general, gracias a algún elemento elástico que se deforma debido a la señal de entrada del sistema de presiones, proporcionando una señal de desplazamiento al sistema mecánico de medida. Muchos instrumentos llevan además una segunda unidad que transforma el desplazamiento en una señal eléctrica, lo que facilita notablemente la automatización del proceso de medida, pues sabida es la facilidad con la que las señales eléctricas pueden ser amplificadas, transmitidas, controladas y leídas. Los transductores que incorporan en su diseño esta segunda unidad eléctrica, conocidos como transductores eléctricos, se pueden clasificar a su vez en activos o pasivos: un transductor eléctrico activo es aquel que genera directamente una señal eléctrica en función del desplazamiento del sistema mecánico, mientras que un transductor pasivo es, por contra, el que requiere una entrada eléctrica auxiliar que es modificada en función del desplazamiento del sistema elástico. Los tradicionales manómetros de agua o de mercurio son transductores de presión mecánicos, que transforman una señal de presión en una determinada altura de la columna de líquido (ver Figura 5.11). Hay otros muchos transductores que utilizan exclusivamente elementos elásticos sólidos: tubos en espiral cuya deformación depende de la presión en su interior, fuelles, diafragmas, etc., aunque este tipo de transductores suelen ser de poca aplicación en un laboratorio, en razón de lo dicho respecto a la conveniencia de que la señal de salida sea eléctrica. Respecto a los transductores eléctricos, un ejemplo típico de transductores activos son los piezoeléctricos, mientras que en el grupo de los pasivos están incluidos los basados en el uso de células extensiométricas. Los transductores piezoeléctricos funcionan en virtud del efecto descubierto por los Curie a finales del siglo XIX: determinados cristales (que no tienen un centro de simetría) producen una diferencia de potencial en su superficie cuando son comprimidos según ciertas direcciones. El cuarzo es el material piezoeléctrico más conocido, aunque hay otros materiales que presentan la misma propiedad (compuestos de bario-titanio o de plomo- zirconio-titanio ). En las balanzas piezoeléctricas los esfuerzos mecánicos inducidos en un elemento de cuarzo por la carga que se quiere medir (que pueden ser de tracción o de compresión) producen una señal eléctrica de salida proporcional a la fuerza aplicada. En esquema, un sensor de fuerza piezoeléctrico está formado por un elemento de cuarzo comprimido 104 CAPÍTULO 5. ENSAYOS DE TÚNEL AERODINÁMICO Figura 5.10: Modelo de ciudad en tunel aerodinámico con gerneradores de torbellinos para simular la capa límite terrestre Figura 5.11: Medidor tradicional de manómetro de agua; transforman la señal de presión en una determinada altura de la columna de líquido. entre dos arandelas metálicas que sirven como elemento de fijación del sensor (el modelo se fija a una de las arandelas y la otra se fija al sistema de referencia). Una balanza que sirva para medir las tres componentes de una fuerza tiene tres elementos de cuarzo, dos para medir las componentes laterales y el tercero para la componente axial, todos ellos en el interior de una carcasa. Un extensímetro (transductor pasivo) es un elemento cuya resistencia eléctrica varía con la deformación. Pegando un número apropiado de extensímetros sobre el elemento flexible del transductor se puede conocer la deformación de éste y en consecuencia la carga que ha producido tal deformación. Se entiende que al variar la resistencia eléctrica al aplicar, por ejemplo, una diferencia de potencial constante, la intensidad de la corriente que circula por el circuito es una medida de la carga aplicada. Puesto que las variaciones de la resistencia eléctrica de los extensímetros son muy pequeñas, para poder medir estos cambios con precisión, lo normal es que estos elementos estén integrados en puentes de Wheatstone. Es frecuente además, utilizar dos o cuatro extensímetros formando parte del puente de Wheatstone para poder compensar tanto los efectos de la temperatura como los de cargas espurias. Transductores pasivos que utilizan extensímetros son las cápsulas manométricas o captadores de presión. Una cápsula manométrica es, en esencia, una cámara dividida en dos por una membrana 5.4. INSTRUMENTACIÓN 105 elástica intermedia instrumentada con extensímetros. Al aplicar presiones diferentes en cada uno de los recintos, la membrana se deforma proporcionalmente a la diferencia entre las presiones a un lado y a otro de la misma, siendo la deformación de la membrana, más concretamente la señal suministrada por los extensímetros, la señal de salida del sensor. Por supuesto, esta descripción es en extremo simplista, y en la misma se ha omitido toda referencia a la electrónica interna del sensor. También son transductores pasivos las células de carga. En esencia, una célula de carga es una barra metálica instrumentada con extensímetros. Al aplicar una carga axial, la deformación a traccióncompresión de la barra, medida con los extensímetros, proporciona una medición de la carga aplicada. Conceptualmente, una balanza extensiométrica compacta es semejante a una célula de carga, pero con varios elementos flexibles instrumentados cada uno para medir a la vez las deformaciones traccióncompresión y las de flexión, lo que permite conocer las tres componentes de la fuerza y las tres del momento (balanza de seis componentes). Respecto a los transductores de velocidad, sin duda el más conocido es el tubo de Pitot. Como es sabido, la ecuación de Bernoulli establece la relación entre la presión estática y la dinámica a lo largo de una línea de corriente en un movimiento potencial, incompresible y estacionario. Esta ecuación expresa que la presión total o de remanso de todas las partículas fluidas que discurren a lo largo de una misma línea de corriente es la misma. La constante puede variar en un caso general de una línea de corriente a otra, pero si las condiciones corriente arriba son uniformes (tal sería el caso de un túnel aerodinámico en circuito abierto que tomara el aire de una atmósfera en reposo), la constante será idéntica en todas las líneas de corriente, e igual a la presión atmosférica en el recinto que contiene al túnel. La ecuación de Bernoulli es una consecuencia del principio de conservación de la cantidad de movimiento, pues en régimen incompresible, en ausencia de turbulencia y fricción, no puede haber pérdida de presión de remanso a lo largo de una línea de corriente. Las hipótesis que han permitido obtener esta sencilla relación entre presión estática y velocidad restringen su aplicación a aquellas regiones del dominio fluido en las que no sean dominantes los efectos viscosos o turbulentos, como es el caso de estelas y capas límites (donde habrá que recurrir a la ecuación de cantidad de movimiento). Enseña la experiencia que en un fluido la transformación de presión (energía potencial) en velocidad (energía cinética) se ajusta casi exactamente a la ecuación de Bernoulli, sin degradación apenas. No suele ocurrir lo mismo en sentido inverso, y la transformación de velocidad en presión suele ir acompañada de pérdidas. Una excepción importante es la deceleración del movimiento de un fluido en las proximidades de un punto de remanso, prácticamente isentrópica, propiedad empleada en los tubos de Pitot para medir la velocidad en fluidos. Un tubo de Pitot está formado por dos tubos concéntricos y para las medidas se coloca con el eje común orientado a la corriente. De esta forma, el tubo interior tiene su extremo abierto orientado a la corriente incidente; por otra parte, el tubo exterior está provisto de taladros laterales dispuestos en una sección suficientemente alejada de la inicial, taladros que durante la medida quedan orientados perpendicularmente a la corriente incidente. Cuando se conectan las salidas de los tubos del Pitot a un manómetro, la presión en el tubo interior, dado que no hay movimiento en el mismo y en su extremo hay un punto de remanso, será la de remanso, Po , mientras que en los orificios del tubo exterior se medirá la presión estática, p, registrándose por tanto en el manómetro la diferencia po − p = 1/2ρU 2 . Otro modo, más sofisticado, de medir velocidades en fluidos es el que se conoce con el nombre de anemometría de hilo caliente, que se basa en el hecho de que un hilo conductor calentado eléctricamente sometido a una corriente incidente es enfriado por ésta. La resistencia eléctrica del hilo depende de la temperatura y este hecho proporciona un medio para medir la temperatura fácilmente o para mantenerla constante si ésto es lo que se desea. El hilo suele ser de diámetro muy pequeño (menos de una décima de milímetro) y está integrado en un puente de Wheatstone para medir con precisión los cambios de resistencia eléctrica del hilo, modificándose la alimentación de forma que la temperatura del hilo permanezca constante. La potencia eléctrica requerida para mantener la temperatura constante proporciona una medida de la refrigeración producida por el movimiento del aire, y ésta, de la velocidad. 106 5.5. CAPÍTULO 5. ENSAYOS DE TÚNEL AERODINÁMICO Técnicas de ensayo Una diferencia remarcable entre los túneles aerodinámicos para ensayos aeronáuticos y los túneles empleados para la medida de las cargas de viento sobre obstáculos civiles es que en los primeros se pretende que la corriente que incide sobre el modelo sea muy uniforme y con turbulencia muy baja, mientras que en los segundos se desea que el flujo incidente reproduzca el perfil de velocidades y la turbulencia de la capa límite terrestre, lo que se suele traducir en muy diferentes longitudes de las cámaras de ensayos, como ya se ha explicado. Por supuesto, se pueden emplear túneles aeronáuticos con secciones de ensayo cortas en aplicaciones de Ingeniería Civil, añadiendo, si es necesario, dispositivos pasivos en la sección de entrada para generar turbulencia. Sin embargo, la turbulencia así generada no suele cumplir escrupulosamente los requisitos básicos de semejanza necesarios para la simulación de la capa límite atmosférica. Respecto a las técnicas de ensayo, los procedimientos empleados en los estudios sobre modelos en túneles aerodinámicos varían ampliamente dependiendo de los objetivos particulares y los recursos disponibles. No obstante, hay ciertos tipos característicos de ensayos, como se explica en los párrafos siguientes. En un primer tipo se pueden incluir los ensayos de modelos topográficos, empleados para determinar las condiciones de viento en flujos sobre terrenos complejos (Figura 5.12). Figura 5.12: Modelo de ensayos a escala 1/2000 de la ampliación del puerto de Ferrol (ETSI Navales} en la cámara de ensayos del túnel A9 de IDR/UPM. Las escalas típicas en este tipo de ensayos oscilan entre 1/2000 y 1/5000. Si la escala elegida es muy pequeña, del orden de 1/5000 o incluso menos, los números de Reynolds asociados a los ensayos en túnel serán muy bajos. La capa límite atmosférica simulada con números de Reynolds muy bajos puede presentar una distorsión significativa de la modelización, haciendo que sea difícil interpretar los resultados obtenidos de los ensayos. A veces se aumenta la rugosidad de la superficie del modelo deliberadamente para obtener una simulación mejorada de la capa límite y evitar las llamadas superficies aerodinámicamente lisas. En estos ensayos lo que se suele medir es la distribución de velocidad en el entorno del obstáculo 5.5. TÉCNICAS DE ENSAYO 107 en consideración, y no la distribución de presión, empleándose habitualmente anemometría de hilo caliente para la medida del campo de velocidades. A esta categoría de ensayos pertenecen también los ensayos en túnel encaminados a determinar las características aerodinámicas de las estelas de barreras cortavientos, pantallas acústicas y en general obstáculos de cualquier forma. En el siguiente tipo se pueden considerar los ensayos de medida de presiones locales empleando modelos a escala rígidos instrumentados con tomas de presión. Las escalas típicas suelen estar entre 1/75 y 1/500. Las presiones medias y fluctuantes se miden conectando, por medio de tubos flexibles, las tomas de presión dispuestas sobre el modelo en los lugares donde se desea conocer la presión con los transductores de presión. Estos ensayos son, como se ha dicho, los que con mayor frecuencia se llevan a cabo en los túneles aerodinámicos para aplicaciones civiles (ver Figura 5.13). Figura 5.13: Modelo de ensayos para medida de presiones de la torre de control del aeropuerto de Madrid-Barajas. En otros casos, lo que se pretende conocer no es la distribución de fuerzas de presión, sino la medida directa de la resultante de las cargas de viento. En este tipo de ensayos, en los que las escalas típicas están entre 1/75 y 1/500, el modelo se fija a una balanza que mide la carga total que actúa sobre él. Para ello existen balanzas de alta frecuencia especialmente diseñadas, que pueden emplearse para medir la carga de viento total fluctuante sin distorsiones significativas producidas por las vibraciones naturales del modelo. Los modelos empleados en estos ensayos deben tener una frecuencia natural más alta que las frecuencias más significativas de la carga de viento. Otro tipo de ensayos es el de modelos bidimensionales. Las técnicas que se emplean son análogas a las utilizadas en el caso de modelos tridimensionales, utilizándose tomas de presión o balanzas según se quiera medir distribuciones de presión o cargas globales. Las escalas típicas de los modelos bidimensionales suelen oscilar entre 1/50 y 1/100. Cabe citar, por último, los ensayos aeroelásticos empleando modelos a escala dinámica de edificios. Las escalas típicas en este caso son del orden de 1/100. En los ensayos aeroelásticos los movimientos del modelo deben ser afines a los movimientos de la estructura real, y las frecuencias naturales y el 108 CAPÍTULO 5. ENSAYOS DE TÚNEL AERODINÁMICO amortiguamiento estructural deben ser también semejantes. La construcción de los modelos aeroelásticos (réplica estructural) es a menudo compleja y lenta, debido a la necesidad de que en el modelo se reproduzcan con precisión los muchos modos significativos que pueden contribuir al comportamiento vibratorio inducido por el viento. Los ensayos aeroelásticos suelen ser muy costosos, sin embargo estos métodos numéricos son más aconsejables que los experimentales si se emplean técnicas numéricas de acoplamiento fluido-estructura. En ocasiones puede ser suficiente con ensayar un modelo rígido sobre apoyos elásticos, lo que abarata notablemente los costes de fabricación del modelo y por tanto, del ensayo.
