111 - Túnel de viento

Túnel de viento: Un vistazo a las invisibles turbulencias.
Enrique Zeferino Barrera Vargas
Javier Eduardo Pascasio Chávez
Cesar Esteban Rentería Bravo
Luis Enrique Torres Fernández
Area: Físico-matemáticas
Centro Universitario México
Asesor: Jesús Flores Téllez
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Durante los últimos años, la tecnología ecológica se ha desarrollado de manera increíble obligando a
ingenieros y científicos a buscar una manera de generar energía eléctrica evitando contaminar
nuestro planeta, por ello, valerse de la energía cinética de fluidos, como el agua y el aire para generar
electricidad mediante turbinas que utilicen este movimiento, se ha convertido en una opción viable.
De igual manera la tecnología aeronáutica se ha incrementado de forma considerable, orillando a
científicos a generar un estudio mucho más profundo acerca del movimiento de fluidos y de los
cuerpos que se encuentran inmersos en alguno.
Por lo antes mencionado será importante contestar a la siguiente pregunta:
¿qué tipo de relación existe entre la forma de los cuerpos que se desplazan a través de un
fluido y la distribución de velocidades del flujo?
Este proyecto tiene la finalidad de construir un aparato que permitirá la observación de los perfiles de
velocidad de los fluidos mediante un sistema similar a un túnel de viento, utilizando materiales
accesibles para crear un modelo a escala.
HIPOTESIS
Si un cuerpo tiene un perfil con ángulos rectos o curvaturas pronunciadas, entonces podemos
predecir que el movimiento de un fluido que se desplace alrededor de él, generará cambios bruscos
en las líneas de flujo que producirán turbulencias.
En cambio, si un cuerpo que se desplaza a través de un fluido no tiene ángulos rectos y su superficie
esta constituida por líneas curvas suaves, entonces el movimiento de las líneas de flujo podrá ser del
tipo laminar.
MARCO TEORICO
Cuando un fluido está en movimiento, su flujo se puede caracterizar de dos maneras. Se dice que el
flujo es laminar, si toda partícula que pasa por un punto específico se desplaza exactamente a lo largo
de la trayectoria uniforme seguida por las partículas que pasaron antes por ese punto. La trayectoria
se conoce como una línea de corriente.
Por otra parte, el flujo de un fluido se hace irregular, o turbulento, cuando su velocidad es superior a
cierto límite o en cualquier condición que cause cambios abruptos de velocidad. El flujo turbulento se
caracteriza por movimientos irregulares del fluido, llamados corrientes de remolino.
Principio de Bernoulli
Particularmente, como la rapidez de un flujo incompresible es mayor en una región estrecha que en
una región con amplia sección transversal, la presión es menor en una sección estrecha que en una
sección más amplia.
Flujo Viscoso
Un flujo es la sustancia que no puede sostener en equilibrio a un esfuerzo de corte. Generalmente se
necesita un esfuerzo de corte para mantener un flujo constante en una capa de fluido con respecto a
otra, y la magnitud de ese esfuerzo de corte es una medida de la viscosidad del fluido. La viscosidad
se define como
Flujo Turbulento
Este depende de 4 variables; diámetro de tubo axial, la viscosidad, la densidad y la velocidad lineal
del líquido.
Los factores que determinan el punto en el que aparece la turbulencia en una capa límite laminar
están relacionados con el número adimensional de Reynolds definido por la ecuación:
OBJETIVO GENERAL:
 Nuestro propósito es observar, mediante la utilización del sistema construido, los diferentes tipos de
perfiles que presenta un fluido que se mueve a través de un cuerpo suspendido en su interior, y
determinar la relación entre la forma del cuerpo y el tipo de régimen de velocidades que se forma.
OBJETIVO ESPECÍFICO:
 Se determinará la velocidad del fluido, lo cual permita obtener y definir la relación entre la velocidad y
el tipo de flujo que se presenta, ya sea laminar o turbulento.

MATERIALES
Acrílico (recipientes de acrílico), Agua caliente, Hielo seco, Tubo con orificios, Objeto “x”, Mangueras.
METODOLOGÍA:
Primera etapa: Construcción del túnel de viento. Nuestro proyecto esta construido con dos
recipientes de acrílico en forma de prisma rectangular colocados de tal manera que, en el primero se
acumule dióxido de carbono generado por hielo seco, hasta que este salga
con una alta presión del envase y mediante tubos alcance al segundo
contenedor. Estos conectan el primer recipiente con el segundo, a través de
pequeños orificios, por los que se moverá el gas por los agujeros, generando
líneas visibles y angostas de fluido en movimiento. Durante este proceso se
ajustará la presión de salida del gas a través de los orificios, para que el flujo
del dióxido de carbono sea del tipo laminar.
Segunda etapa: Análisis de perfiles de velocidad. Colocaremos un objeto frente a estas líneas de
flujo producidas en nuestro túnel de viento, para observar los perfiles de velocidad, simulando el
movimiento del aire, tomando fotos e imágenes de dichos perfiles para su posterior análisis. Este
análisis de las líneas de flujo nos permitirá determinar en un primer experimento, la relación que
existe entre la velocidad del fluido y el tipo de flujo (laminar o turbulento) que se
presenta. En una segunda experiencia esperamos determinar la relación entre, el
tipo de flujo (laminar o turbulento) que se presenta cuando un objeto obstaculiza el
movimiento del fluido, y la forma del objeto.
RESULTADOS
Habiendo terminado la construcción de los recipientes de acrílico, comenzamos con la elaboración del
sistema de tubos por los cuales se libera el dióxido de carbono, generado por hielo seco, a presión y
por medio del cual se generarán los perfiles de velocidad. Por el momento utilizando tubos
individuales hemos podido observar perfiles de velocidad de algunos objetos de prueba, como lo
muestra la imagen.
Conocemos ahora la velocidad media que equivale
e e e
tt
ee e
eo
e e o
o
be .
Finalmente conocemos que el diámetro de los orificios equivale a 0.003 m y que el coeficiente de
viscosidad del dióxido de carbono es de 0.07 cP, teniendo así todos los valores necesarios para
determinar el número de Reynolds correspondiente el flujo del dióxido de carbono en nuestro túnel de
viento.
0.007
=0.464
De acuerdo con el número de Reynolds obtenido, nuestro flujo se encuentra dentro del rango de un
flujo con movimiento laminar lento altamente viscoso. Este movimiento cambia continuamente a partir
a lo largo del cuerpo que requiere perfil de aerodinámica a razón de un cambio continuo de velocidad
del fluido. Cambiando sus características al punto de convertirse en un flujo con movimiento
turbulento, esto es si el cuerpo no es aerodinámico.
A continuación se muestra un flujo turbulento a lo largo de un cuerpo no aerodinámico ocasionado por
una diferencia de presiones a lo largo del cuerpo, lo que según la ecuación de Bernoulli, se crea a
partir de una disminución la presión ejercida, creando un aumento en la velocidad suficiente para
ocasionar un número de Reynolds equivalente a 1000 o más.
De acuerdo con los datos referentes al dióxido de carbono y su movimiento la velocidad tendría que
alcanzar el valor mínimo de 1247.7 cm/s para generar un movimiento turbulento.
Por otra parte los cuerpos aerodinámicos no generan turbulencias por lo que la velocidad del dióxido
de carbono se mantiene dentro del rango de 0 a 1247.7cm/s.
CONCLUSIONES
Esperamos que al terminar nuestro sistema podamos hacer totalmente visible las líneas de flujo del
hielo seco al circular alrededor de un objeto que se encuentre interponiéndose en su movimiento,
permitiendo tomar las medidas que permitan cumplir nuestros propósitos.
BIBLIOGRAFÍA
White, f. Mecánica de fluidos, McGraw-Hill/interamericana de España, s.a.u., Madrid, España, 2008.
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México, 1982.
Douglas, c. Física para universitarios, pearson educación, México, 2005
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