Diseño y Aplicación de Túneles de Viento en Educación Arquitectónica

APÍTULO 1
TUNEL DE VIENTO.
RESUMEN
El túnel de viento es un dispositivo creado
para la realización de pruebas aerodinámicas; es un simulador que permite conocer
el comportamiento de diversos fuidos en
1
1
ej, tipo de impulsor de aire empleado
2
(ventilador) y las velocidades que se requieren
alcanzar.
2
tiempo real, partiendo del uso del aire y
permitiendo extrapolar resultados a otros
fuidos como el agua, así como experimentar
y estudiar los fenómenos de sustentación y
arrastre, para aplicarse al diseño de perfles
aerodinámicos. Se le relaciona comúnmente
con el desarrollo de productos en el sector
automotriz, sin embargo las aplicaciones son
muy variadas; desde medir la aerodinámica
de los automóviles de fórmula uno, hasta la
1
realización de pruebas de artículos usados
en la vida cotidiana como las pelotas de golf.
Hoy en día se considera una herramienta
muy útil para el estudio y la investigación de
fenómenos originados por los fujos principalmente de viento, sobre objetos, edifcaciones
o estructuras.
En esta era, los campos de estudio que más
consideran el uso del túnel de viento son la
ingeniería y el diseño. Históricamente fue
creado con la intención de diseñar adecuadamente los primeros aeroplanos y fortalecer a la aviación comercial. La industria
aeronáutica ha logrado, a través de años de
estudio, realizar vuelos intercontinentales con
cargas extremadamente grandes, mientras
que la industria automotriz ha conferido más
importancia a la realización de pruebas de
viento a sus diversos modelos de automóviles,
buscando se reduzca y se efciente el uso de
la energía necesaria para impulsarlos. Según
el propósito de estudio y su aplicación se
defnen las características de cada uno, por
Sustentación: fuerza generada sobre un
cuerpo que se desplaza a través de un fuido, perpendicular a la de la velocidad de corriente incidente.
las universidades paulatinamente
han ido implementando el uso del túnel de
viento en las facultades de diseño, buscando
que los alumnos comprendan la relevancia
que tiene someter los prototipos y maquetas
–con las cuales experimentan sus estudiosa pruebas de viento, de manera que en su
ejercicio profesional consideren las variables
ambientales como el viento, humedad, presión atmosférica, salinidad y asoleamiento,
para mejorar y optimizar sus propuestas,
y por ende procurar el mejoramiento de la
calidad de vida de los usuarios de productos.
En el presente escrito se presentará un breve resumen de un trabajo que consistió en
el diseño y la construcción de un túnel de
viento subsónico de circuito abierto con fnes
académicos, destinado a la enseñanza de la
arquitectura y construcción en la Facultad
del Hábitat, UASLP.
Para el diseño se siguió una metodología
que fue modifcándose constantemente para
adecuar el producto al caso específco.
PALABRAS CLAVE
Didáctica, tecnología, simulación,
viento, vivienda, 2D, 3D
ABSTRACT
The wind tunnel is a device created for aerodynamic testing , is a simulator that allows
to know the behavior of various fuids in real
time, based on the use of air and allowing
extrapolate results to other fuids such as
water, as well as experience and study the
phenomena of lift and drag , to be applied to
1
8
9
the design of airfoils . He commonly associated
with product development in the automotive
sector, however applications are varied, from
measuring the aerodynamics of Formula One
cars, to testing items used in daily life such
as golf balls .
Today it is considered a very useful tool for the
study and investigation of phenomena caused
by wind fows primarily on objects, buildings
or structures.
In this era, the felds of study that most consider the use of the wind tunnel are engineering
and design. Historically it was created to properly design the frst airplanes and strengthen
commercial aviation. The aviation industry has
achieved through years of study, intercontinental fights carry loads extremely large, while the
automotive industry has given more importance
to the wind testing their various car models,
searching is reduced and effcient using the
energy required to propel them . Depending on
the purpose of study and application defning
the characteristics of each one, for example:
the size of the test chamber, impeller type of
air used ( fan) and reach speeds required .
In Mexico, the universities have gradually
implementing the use of wind tunnel design
schools , looking for students to understand
the relevance submit prototypes and models,
with which they experience their studies - wind
tests, so that in practice consider environmental
variables such as wind, humidity, atmospheric
pressure, salinity and sunlight, to improve and
optimize their proposals, and therefore seek to
improve the quality of life of users of products.
In this paper will present a brief summary of
work that included the design and construction of a subsonic wind tunnel open circuit
for academic purposes, for the teaching of
architecture and construction at the Facultad
del Hábitat, UASLP .
To design a methodology that was followed
was constantly modifed to adapt the product
to the specifc case.
KEYWORDS
Teaching, technology, simulation, wind, housing , 2D, 3D
10
METODOLOGÍA
Planteamiento Objetivos
Alcances
La investigación consistió en dos partes,
bibliográfca y de campo. La primera se basó
en documentos científcos de donde se obtuvieron los principios físicos y tecnológicos
básicos que fueron utilizados en el diseño del
túnel de viento, así como el conocimiento
fundamental sobre el comportamiento de
los fuidos, la funcionalidad de los túneles
existentes, sus componentes esenciales,
los tipos de experimentos ya realizados
y las aplicaciones. También los métodos
numéricos para el diseño de la geometría
del aparato y los programas de cómputo
que son utilizados para la realización de
simulaciones digitales. La segunda parte de
este estudio consistió en la experimentación
con aire y en recopilar información mediante
visitas a centros académicos con laboratorios de experimentación para detectar
aciertos y defciencias en sus propuestas.
Investigación
Principio Tecnológico
Búsqueda de Información en Campo
Modelo Matemático
Análisis de Actividades
Análisis Ergonómico
Análisis
Contextualización
Capacidad Productiva
Producto Existente
Materiales
Limitantes de Diseño
Problemática
Diagnóstico
Necesidades
Requisitos, Parámetros y Requerimientos
Concepto de Diseño
Dimensionamiento Inicial
Oportunidad de
Diseño
Síntesis
Brainstorming
Alternativas
Propuesta
Diseño de Detalle
El proyecto fue realizado por un diseñador
industrial de manera que todas las variables de
un producto fueron consideradas para la realización de la propuesta construida. (Esquema 1)
INTRODUCCIÓN.
A través de la historia, el hombre ha evolucionado y con él los objetos que le rodean,
desde los más básicos utensilios usados por
el homo habilis, hasta los más complejos
sistemas de producción de nanotecnología
empleados en la actualidad. Todo producto
de un desarrollo continuo que considera cada
Diagramas de Uso
Transportación
Almacenaje
Comprobación de Principio
Tecnológico
Planos de Producción
Subsistemas
Selección de Materiales y Procesos
Una vez recopilada la información se
procedió a sistematizarla, para mediante
un análisis de las partes y sistemas, se
gene-raran propuestas conceptuales propias aplicables al caso específico de la
Facultad del Hábitat (FH), las cuales se
confrontaron con las opiniones recabadas
en encuestas a profesores y alumnos de
las facultades de Ingeniería y del Hábitat.
Se inició una comprobación del funcionamiento fabricando un modelo en el que
se incorporaron los elementos diseñados
que conformaron el dispositivo. Mediante
éste se realizó un diagnóstico y se obtuvieron conclusiones que permitieron mejorar
el diseño y facilitar la construcción de un
prototipo a escala con el cual se demostró
su funcionalidad en el ambiente académico
y la precisión y calidad necesarias para
el óptimo funcionamiento del artefacto.
Descripción General
Instrumentación
Valoración
Rediseño
Administración
de Proyecto
Layout
Secuencia de Producción
Diagrama de Flujo
Ruta Crítica
Costos
Rediseño
Prototipo
Validación por
usuario
Pruebas
Fabricación en Serie
Mercado o Cliente
Esquema 1
vez mayor cantidad de variables que afectan
al medio artifcial y natural que nos rodea.
Para el desarrollo y mejoramiento de
nuestro medio ambiente y sus componentes,
la ciencia ha intentado simular condiciones
específcas para cada tipo de entorno y
objetos, con el fn de mejorar el diseño del
producto antes de realizar su producción o
de comenzar la construcción de un proyecto
arquitectónico.
La tecnología hace su aportación al momento de llevar a cabo por medio de computadoras, sensores y principios matemáticos, diversos cálculos y simulaciones sobre
modelos o maquetas a escala antes de poner
en marcha la implementación de un proyecto.
El primer túnel de viento fue construido
en el año de 1884 por Horatio Frederick
Phillips (1845-1912). Fue creado con la
intención de hacer mediciones y experimentos para perfles aerodinámicos midiendo la
sustentación y el arrastre de perfles con
concavidad.
Esta herramienta fue desarrollada para
satisfacer una necesidad de experimentación
tras el vuelo del primer aeroplano en el
mundo en el año de 1881, por el ingeniero
alemán Otto Lilienthal (1848-1896) y su
hermano Gustav, quienes comenzaron experimentando con placas planas y cóncavas
sujetas sobre un brazo. Su contribución
más grande fue la realización del primer
vuelo con alas rígidas en lugar de alas
articuladas con movimiento; esto colocó
la base para el primer vuelo en América
11
realizar pruebas de sustentación de modelos
de aeroplanos y perfles cóncavos. Las pruebas que se realizaron en este túnel de viento
fueron de vital importancia para lograr con
éxito la construcción y elevación del primer
aeroplano en América en el año de 1903.
Figura 1: Primer vuelo con alas rígidas de los
hermanos Wright.
Fuente: http://misrerspuestas.blogspot.mx/p/leyendadel-ajedres.html
realizado por los hermanos Wright. (Figura 1)
(Figura 2): Réplica del túnel de viento de los hermanos
Wright que se encuentra en el National museum of the
United Stated aAir Force
Fuente: http://www.libraries.wright.edu
El túnel de viento que diseñaron y cons
truyeron ellos en 1901 (Figura 2) generaba velocidades de 25-30 m/s, sufciente para
Un tiempo después en el año 1941 se
desarrolló un túnel de viento en Langley,
Virgina. Contaba con una sección elíptica
de 18 metros de ancho por 9 metros de
altura, suf icie nte para hacer pruebas
sobre prototipos de aviones en escala
real. Las velocidades máximas que se
alcanzaron fueron de 180 km/h generados por el sistema impulsor (Figura 3).
Figura 5: Principio de gasto aplicado en el túnel de viento.
Fuente: http://fuidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/fujodegases/tuneldeviento/tuneldeviento.html
noulli (Figura 4) y en la ecuación de Gasto
(Figura 5) y consiste en hacer que un fujo
entre por una sección de tubería y a través
de la variación de los diámetros conseguir
los efectos requeridos como el control de
velocidad, presión o de área para la experimentación con el aire utilizado como fuido.
Figura 3: Sección de pruebas del túnel de viento de
Langley, Virginia.
Fuente: http://history.nasa.gov/naca/gallery.html
DESCRIPCIÓN.
Básicamente el funcionamiento del túnel
de viento se funda en el principio de Ber-
Dependiendo del tipo de túnel de viento
pueden variar los componentes pero siempre
podrá observarse la cámara de pruebas
que es en donde al estrecharse la sección de circulación, el aire se comprime
resultando en un aumento de velocidad.
El método usado en el túnel de viento
para la realización de pruebas consiste en
generar un fujo uniforme en forma de láminas, a las que se agrega un tinte de humo
para que puedan visualizarse las líneas de
corriente 1 del aire sobre el modelo que se
esté probando.
Algunas de las cualidades que describen
a un túnel de viento pueden ser dadas por
los números de Reynolds 2 o velocidades
Mach 3 que alcanzan, además de la continuidad del fujo y los niveles de turbulencia
que presentan.
El hecho de poder emular variables
climáticas proveen de cierta ventaja para
quienes diseñan objetos o estructuras que
serán usados o colocados en la intemperie,
ya que sistemas artifciales nos permiten
controlar las variables como temperatura
Figura 4: Ilustración del trinomio de Bernoulli. Donde:
A= Área, P= Presión, V= Velocidad, h= Altura. Este principio también incluye densidad de fuido y velocidad gravitatoria para la realización del cálculo.
Fuente: http://oskrsf.wordpress.com/hidrodinamica/el-principio-de-bernoulli/
12
1
Línea de Corriente: líneas imaginarias que
corresponden a una trayectoria de un fuido tangente a
un cuerpo.
Números de Reynolds: número adimensional
2
usado en mecánica de fuidos para caracterizar el movimiento de un fuido.
3
Velocidad Mach: valor de velocidad equivalente a la velocidad del sonido.( aprox. 1225km/h ó
340.3 m/s)
o variación de velocidad del viento sobre
modelos o prototipos a escala. Esto nos
permite un análisis y cuantifcación de las
fuerzas dinámicas causadas por el fujo
del aire.
CLASIFICACIÓN DE TÚNELE S
DE VIENTO.
Existen varios tipos de túneles de viento.
Dependiendo de diversos factores, pueden
clasifcarse según el tipo de circuito funcional
del aire, por el tipo de prueba realizable en
la cámara, según la velocidad alcanzada
en la sección de pruebas y de acuerdo a la
presión atmosférica.
Obviando el tiempo como cuarta dimensión, la primera clasifcación se basa
en el tipo de modelo que se puede colocar en su cámara de pruebas para la
realización de las mismas (Esquema 2).
La segunda clasifcación es en base al
modo de circulación del fujo (Esquema 3).
La ventaja de los túneles de circuito
abierto es que debido a su menor número
de componentes resulta más económico,
y bien diseñado puede arrojar resultados
bastante aceptables para fnes académicos.
Una de las desventajas es que el aire que
usa para su funcionamiento está sujeto a
las mismas variaciones de propiedades que
el aire del exterior, por lo que cuestiones de
humedad, presión y temperatura deben ser
considerados durante y después de la simulación para realizar el ajuste de las variables
mencionadas de acuerdo a las necesidades
de dicha simulación. Otra cuestión que debe
ser tomada en cuenta es que el gasto energético es menor que en un túnel de circuito
cerrado, ya que estos generalmente tienen
13
Esquema 3
Esquema 2
Figura 6.1. Maqueta bidimensional básica para el estudio
de modelos bioclimáticos en relación al viento.
Fuente: Cuerpo Académico Hábitat Sustentable.
Figura 6.2. Maqueta tridimensional de complejo arquitectónico y urbano colocada para ser sometida a mediciones
de cargas por vientos.
Fuente: http://urbanity.blogsome.com.
dos ventiladores y las pérdidas de energía
en un túnel de circuito abierto se generan
por una salida del viento precipitada, por
lo que el diseño del difusor de salida es de
suma importancia.
La tercera clasifcación es con base en
su velocidad. Tomando en cuenta que ésta
es registrada en la cámara de pruebas (Esquema 4).
Una de las desventajas del túnel de
circuito cerrado es su costo, debido a que
éste se incrementa dada la construcción de
pasillos y otros dispositivos que sirven para
corregir el fujo, como difusores y rejillas
de panal. Suele albergar dos motores, uno
de extracción y otro de inyección. Este tipo
de túneles se usan para investigación que
requiere poca fuctuación de resultados.
14
Los túneles de viento subsónicos pueden
ser de circuito abierto o cerrado; la diferencia
radica en que en el túnel de circuito abierto el
ventilador axial es el que realiza el trabajo de
propulsión del aire, incrementando la presión
que compensa la pérdida de viscosidad del
fuido. En el de circuito cerrado los ductos de
retorno deben ser diseñados para mantener
la presión o reducir las pérdidas de la misma.
Figura 7.1. Túnel de Viento de Circuito Abierto.
Fuente: Dimensionado y construcción de un túnel de
viento de baja velocidad de M.I.M. Monge Gapper, Costa
Rica.
Figura 7.2 Túnel de Viento de Circuito Cerrado.
Fuente: http://www.safety-car.es.
Los túneles de viento transónicos alcanzan velocidades en las que se desenvuelve la mayor parte de la industria de la
aviación comercial. Algunos de los problemas
en este tipo de túneles consisten en que
al usar ventiladores de alta potencia generan vibraciones, además de las ondas de
choque generadas por la presión ejercida por
parte del viento hacia las paredes del túnel.
y la temperatura adecuada en el viento por
períodos de tiempo considerables necesarios
para evitar daño estructural en el túnel y para
reunir la información que se requiere. Otro
problema es el gasto energético, así como
el desarrollo de instrumentación que pueda
captar información a esas velocidades. Un
problema usual en este tipo de túneles es
el control de temperatura. Como se explicó
previamente, el túnel acelera el viento por
medio del control de diámetros en los ductos
que lo componen, sin embargo para generar
velocidades hipersónicas es necesario el uso
de tanques de presurización adicionalmente
al principio de gasto. Por ley de gases el aire
al descomprimirse se enfría. Un problema
adyacente es que al mantener presiones
altas dentro del túnel, el aire podría entrar
en condensación e incluso licuefacción. Estos
Para considerar un túnel de viento supersónico las velocidades alcanzadas deben
superar la del sonido 1225 km/h y mantenerse inferior a los 5 Mach. La industria
aeronáutica usa este tipo de túneles para
pruebas de motores de aviones militares.
El diseño de túneles de viento hipersónicos enfrenta varios problemas. Uno
consiste en suministrar la presión sufciente
15
Esquema 5
Esquema 4
con materiales que son preparados de acuerdo a su densidad o resistencia equivalentes a
las características de las edifcaciones reales,
de manera que la simulación en ellos provea
de datos fables y apegados a los reales.
aire en el túnel. Otro tipo de ventilador muy
usado en el diseño de túneles de viento es
el centrífugo, que funciona con álabes que
generan el fujo de aire (Figura 9). Este
COMPONENTES DE UN TÚNE L
DE VIENTO.
Los componentes de un túnel de viento
pueden variar dependiendo del tipo de circuito, de su velocidad o presión. Se hablará
de túneles subsónicos, tanto de circuito
abierto como de circuito cerrado que es
el tema que nos atañe. La mayoría de los
túneles subsónicos tienen partes principales
que se resumen a continuación.
Figura 8.1. Túnel de viento supersónico. Estos túneles se
usan en el diseño de aviones militares.
Fuente: www.gizmodo.es.
túneles son utilizados exclusivamente en el
diseño y prueba de vehículos espaciales.
La cuarta clasifcación se rige de acuerdo
a la presión atmosférica alcanzada en la
cámara de pruebas, podemos encontrar
dos tipos (Esquema 5).
Los túneles de viento de densidad variable son usados para investigación y estudios de efectos de elasticidad en puentes
y rascacielos, así como para el análisis de
dispersión de contaminantes. Generalmente
sus cabinas de prueba son muy largas.
16
Figura 8.2. Complejo de Aerodinámica Nacional a Escala
Real en el NASA Ames Research Center, Houston, Texas.
Fuente: www.vonkarman.stanford.edu.
También son utilizados para el estudio
de diversos efectos en los límites de los
estratos atmosféricos.
Los túneles de viento presurizados, así
como los de densidad variable tienen problemas operacionales muy particulares, sin
embargo ambos requieren que la presión en
su interior pueda ser controlada. Por lo tanto
un alto nivel de precisión durante la construcción es vital ya que cualquier desperfecto
sería causa de variabilidad en las pruebas.
Para los túneles de viento de densidad
variable, los modelos deben ser construidos
Para un túnel de viento de circuito abierto
los componentes son los siguientes:
1.
Mecanismo impulsor: son principalmente ventiladores que extraen o
inyectan aire hacia el circuito. Pueden ser
varios ventiladores o uno solo, depende de
los requisitos del túnel y del diseño del cono
de contracción y del difusor.
Los ventiladores axiales generan velocidades considerables de aire, sin embargo
al colocarse en la entrada o salida del túnel
(dependiendo si se trata de un túnel de
inyección o de sustracción) provoca una
obstrucción en el sistema, que para compensarse debe calcularse y diseñarse una
hélice en especial para evitar interferencias
y vórtices que afecten la calidad del fujo de
Figura 9. Simulación de funcionamiento de un ventilador
centrífugo.
Fuente: http://coriolisblog.wordpress.com/
tipo de ventiladores son los mas usados
para túneles pequeños ya que generan un
flujo mas uniforme, además por ser un
elemento comercial estandarizado son fáciles
de adquirir por lo tanto es mas práctico
que diseñar y fabricar una hélice propia.
La longitud de la sección para colocar
el ventilador puede determinarse de modo
que proteja el motor mismo y a la hélice. Es
importante considerar rejas de protección.
2.
Rejas para Laminación de Aire:
tienen la función de uniformizar el fujo del
17
aire antes de su paso por la cámara de
contracción. El tipo de reja mas usado es el
hexagonal conocidas también como rejas de
panal (Figura 10); un túnel puede contener
varias rejas sin embargo su longitud es un
factor importante para garantizar una buena
calidad de fujo, suelen tener una profundidad de 6 veces el diámetro de una célula
hexagonal. También se usan mallas metálicas
entretejidas que se pueden colocar antes o
después de las rejas de panal dependiendo
del tamaño de la célula, las rejas con células
de tamaño mayor a la de las rejas de panal
se colocan antes y las de células con tamaño
menor se colocan después de las rejas de
panal para mantener la calidad del fujo.
Figura 10 Reja de panal.
Fuente: http://www.kemtron.co.uk/
3.
Difusor: geométricamente hablando el difusor es la zona de transición entre
dos sectores de geometría distinta, esto
ayuda a su funcionalidad en cuanto a que
reduce las pérdidas de energía por efecto de
fricción . Una de sus funciones principales
es reducir la velocidad del viento antes de
llegar al ventilador.
Se pueden encontrar de dos tipos, el
difusor de salida y el difusor de gran ángulo.
El primero se caracteriza por equilibrar la
presión del fujo gracias a su cambio de
dimensión, generalmente se ubican en la
salida. Los difusores de gran ángulo se
Figura 11. Se observa la sección del difusor y al fondo el
ventilador del túnel de viento de McLaren.
Fuente: http://motordigital.com.
18
encuentran antes de la cámara de contracción como sección extra para equilibrar presiones y velocidades antes de llegar a la cámara de prueba (Figura 11).
Aunque la calidad del fujo en esta zona
no es muy importante, existe una relación
entre el ángulo de difusión máximo permisible de ensanchamiento y la velocidad de
fujo en este elemento. Generalmente a
mayor ángulo mas posibilidad de generar
fujo inestable en la cámara de pruebas.
Su longitud se calcula de acuerdo a las dimensiones de la entrada a los extractores, un
error frecuente se presenta al momento de
querer imponer un difusor de longitud corta,
sin embargo esto genera un ángulo de ensanchamiento mayor y por lo tanto la posibilidad
de reducir la calidad del fujo en la cámara de
pruebas en túneles de viento por extracción.
forma proporcional en relación al área de
cada sección (Figura 12).
6.
Cámara de Prueba: la sección
de prueba es el alma del túnel de viento,
ya que en ella se realizan las mediciones y
experimentación. Su sección suele ser de
forma cuadrada y su longitud es variable
pero se aconseja que sea los sufcientemente
larga de manera que los modelos no queden
cercanos a la sección de estabilización adyacente, sino lo mas centrados posible. El fujo
en esta sección del túnel debe presentar altos
niveles de uniformidad tanto en sus capas
como en su velocidad. De manera que la
capa limite no aumente su medida mientras
el aire atraviesa la sección de pruebas y aumentando el área real de pruebas que tiende
a ser menor que el área real (Figura 13).
Figura 12 Cámara de contracción del túnel de viento de
la NASA.
Fuente: http://history.nasa.gov/naca
do de las zonas que deseen conectarse pero
deben mantener bajos los niveles de perdida
de presión por cambio de geometría. Indicados en la fgura 5.6 con el numero seis (6).
Las aplicaciones del túnel de viento se
APLICACIONES ACTUALES
remontan a la primera era de la aviación,
de ahí la popularidad de estos elementos
que constantemente se relacionan con el
campo de la aeronáutica. Posteriormente
sus aplicaciones se ampliaron a la industria
armamentista para la creación de proyectiles.
Una vez terminada la época de guerra, el uso
del túnel de viento empezó a tener nuevas
perspectivas.
Cámara de Asentamiento: es la
4.
zona que se sitúa antes de la contracción, es
una sección constante donde son colocadas
las rejas de homogenización que reducen
la escala de la turbulencia en la cámara
de prueba. Sirve también para alojar los
sistemas de inyección de gas.
Cámara de Contracción: su fun5.
ción es la de acelerar el fujo del aire y reducir
la intensidad de las turbulencias en el área
de pruebas. El diseño de su geometría es de
vital importancia ya que de esto depende el
correcto acomodo y aceleración de las capas
de viento. Para el desarrollo de su geometría
es indispensable conocer la velocidad que se
pretende alcanzar en la cámara de pruebas
para de esta forma plantear las dimensiones
de entrada y salida. También deben tomarse
en cuenta las aristas para ser biseladas en
Figura 14 Túnel de viento de circuito cerrado, proyecto
en Costa Rica.
Fuente: Dimensionado y construcción de un túnel de
viento de baja velocidad de M.I.M. Monge Gapper, Costa
Figura 13. Túnel de viento de AUDI, pruebas realizadas
en un modelo a escala 1:1.
Fuente: http://www.audi.es/es
Este efecto se debe a que mientras mas
se separe el fujo de las rejas la capa límite
tiende a crecer y por lo tanto puede crear
turbulencias.
A continuación se presentan algunas de
las áreas en las cuales el túnel de viento
ha sido considerado una herramienta de
importancia:
1.
Aeronáutica.
Dado que el túnel de viento fue creado
con la intención de investigación en temas
concernientes a la aerodinámica como lo son
En la cámara de prueba es donde se
la sustentación y arrastre, la industria de la
coloca toda la instrumentación, soportes
aviación ha sido donde se ha enfocado mas
para los modelos, equipo para medición de
el
esfuerzos, etc. Una forma de probar la
desarrollo de túneles de viento, así como en
uniforel campo de la aeronáutica para la
midad del viento es desarrollando un perfl de realización
velocidades dentro de la cámara de pruebas. de pruebas en transbordadores y satélites.
La NASA es la institución con mas historia
El túnel de circuito cerrado presenta
de túneles de viento, diversos estudios y
las siguientes piezas extra además de las
avances tecnológicos han hecho posible el
mencionadas en el túnel de circuito abierto:
diseño de aeronaves tripulables por humanos
que pueden alcanzar alturas en los límites de
7.
Esquinas:
su función es el
la estratósfera. Por otro lado la NACA es la
desvío del fujo dentro del circuito, una
inde las características deseables es que
2.
stitución
con mas historia y estudios en
la interferencia entre el flujo y la esdesaquina sea la menor posible. Indicadas
rrollo de perfles aerodinámicos (Figura 15).
en la Figura 14 con el numero cinco (5).
8.
Transiciones: son partes que
sirven
como conectores entre secciones del túnel
de
viento. Su geometría es variable dependien-
Ingeniería civil.
El campo que la ingeniería civil abarca
desde la mecánica de fuidos hasta cargas estáticas complejas (Figura 16). Se mencionarán solo algunas de las aplicaciones debido
19 a
3.
Arquitectura.
Una de las ventajas de usar un simulador
aerodinámico como un túnel de viento sobre
proyectos arquitectónicos, es que permite
analizar las cargas por viento y acústica,
creadas por las corrientes de viento
alrededor
de la edifcación en su totalidad así como
en elementos como cubiertas o velarias.
Hoy en día es necesario tener conocimiento
cada vez mas profundo en esta área debido
a que la arquitectura moderna hace uso
de estructuras complicadas en las que el
Figura 15. Túnel de Viento escala 1:1 para pruebas en
aviones militares.
mismo peso del edifcio puede representar un
Fuente: http://ingaeronautica.wordpress.
problema, así como estructuras minimalistas
la gran variedad de experimentos que
y ligeras que deben soportar grandes cargas
ayudan
o corrientes de viento de altas velocidades.
al ingeniero a determinar cantidades, dimen- Sin duda en ambos casos el conocimiento del
sionamiento y materiales. Los puentes son
fujo creado por el viento alrededor y a través
uno de los principales usos, es importante ya de las edifcaciones puede ser una ventaja
que el estudio de la reacción del puente y de para quien diseña el espacio (Figura 17).
los vehículos en relación a ráfagas de viento
En lugares de vientos dominantes, el
o turbulencias de grandes magnitudes puede
ayudar a reducir accidentes vehiculares.
La propagación de agentes contaminantes es otro tema que atañe a la ingeniería civil, la ubicación de zonas industriales
puede afectar a largo plazo sobre la salud
pública sino se hacen pruebas de viento
para patrones de dispersión.
En los aeropuertos, la mala ubicación
de naves y hangares puede resultar en
un accidente masivo debido al desprendimiento de cubiertas generado por vientos dominantes que no fueron estudiados.
Un uso poco común es el de pruebas
la erosión, lo cual puede ser útil para la
para patrones de viento en relación a
creación
de barreras cortavientos en zo20
nas de conficto con vientos dominantes.
Industria automotriz.
En la industria del automóvil las pruebas
de aerodinamismo son realizadas principalmente sobre automóviles formula uno,
en donde los ingenieros buscan reducir la
resistencia al aire pero también buscan la
estabilidad del vehículo, de forma que la
estética del automóvil no se vea tan afectada
así como que el viento sea guiado para
enfriar el motor sin mermar su rendimiento.
Variables climáticas como la temperatura
pueden ser simuladas en un túnel de viento
destinado especialmente para pruebas en
automóviles, se realizan también ajustes en
la base donde se coloca el modelo, fabricando
una banda móvil con textura de grano similar
al asfalto, de manera que pueda simularse
la pista de carreras. La calibración del túnel y el desarrollo de equipos de medición
es muy minuciosa y lleva mucho tiempo.
No obstante las compañías dedicadas a la
creación de automóviles han considerado la
ventaja del ahorro de combustible exigiendo
a sus diseñadores e ingenieros mejores
propuestas en cuanto a resistencia del aire
se refere.
Actualmente encontramos en las calles
automóviles de uso doméstico que han sido
probados en diversos túneles de viento
bajo distintas variables, aumentando el
Figura 16. Se muestra una secuencia de simulación de
cargas por viento realizadas por medio de software,
comparadas después con el túnel de viento.
Fuente: www.windtech.com.au
Otro efecto similar es el creado por el
viento en los muelles, debido a la mala
ubicación de un puerto, los vientos pueden
afectar la estabilidad de las estructuras que
mantienen el muelle fjo y por consecuencia
las embarcaciones ancladas en el lugar.
4.
Figura 17. A la izquierda se observa un proyecto realizado
primero en su etapa de diseño siendo colocado en el túnel de
viento y después una fotografía del edifcio ya construido. A
la derecha se observa un estudio de ventilación natural sobre
una maqueta a escala.
Fuente: www.windtech.com.au
niveles acústicos generados por el choque
del viento con la carrocería y mejorando
el comportamiento del automóvil frente a
climas extremos como calor extremo, ráfagas
de viento, lluvias y nevadas (Figura 18).
rendimiento energético, disminuyendo
conocimiento de la infuencia del viento
puede prevenir problemas como sonidos
generados en complejos arquitectónicos así
como desprendimiento de acabados debido
a la torsión o vibración que se genera al
moverse la edifcación o parte de ella por
acción del viento.
Otra de las vertientes en que la simulación de viento puede ser útil, es en el
desarrollo de modelos bioclimáticos. Por
ejemplo
al realizar
corrientes
El conocimiento
delestudios
fujo de de
viento
en una
de viento naturales y tomando en cuenta
la orientaciónde
delpropagación
edifcio, se puede
reducir
ceptibilidad
de incendios
costo
para el omantenimiento
dede
la edifcios.
vivienda
en
la misma
en un complejo
por ahorro de energía, además de ahorro
por posibles remodelaciones en un futuro.
vivienda puede determinar también la sus-
5.
Diseño industrial.
Las aplicaciones dentro de la disciplina
del
diseño industrial aún no son tan variadas ya
que los objetos que tienen interacción
directa
con corrientes de viento son un número
reducido, sin embargo destacan algunos
ejemplos
con distintos enfoques como el desarrollo de
lo
balones de futbol soccer sin costuras para
evitar turbulencias y efectos no deseados.
de viento.
Otro ejemplo es el paraguas con el
centro
un ángulo específco,
En un ramo mas específco se encuentra
el desarrollo de paracaídas y trajes de vuelo
que se encuentran en desarrollo por la
NASA.
Otra enfoque es el de aprovechar el
viento en lugar de desviarlo, por ejem6.
plo los sistemas de captación de aire
para enfriamiento de aparatos electrónicos como computadoras, o el diseño de
fascias de los automóviles para dirigir el
viento al sistema de frenos (Figura 19).
Desarrollo energético.
aerogeneradores,
asíde
como
entoma
el estuHoy en día el túnel
viento
dio
su papel
de lacomo
orografía
herramienta
de los de
terrenos
prueba para
para el desarrollo de energías verdes. Un
ejemplo, las granjas de energía eólica son
una de las tecnologías benefciadas por
la experimentación para el desarrollo de
su colocación y orientación para así aprovechar los vientos dominantes (Figura 20).
Otra forma de aprovechar el túnel de
viento es para el estudio de afuentes de
agua, para este tipo de estudios se usa el
viento como fuido y los resultados son extrapolados y calculados con las propiedades
del agua.
7. Túnel de viento y CFD
Figura 18. Trailer de Mercedes Benz siendo
sometido a
pruebas de viento, actualmente se realiza prueba en el
túnel de viento al mismo tiempo que se realiza simulación computarizada permitiéndose así un acercamiento
mas certero en el análisis para la mejora del diseño
aerodinámico.
Fuente: http://www.mercedes-benz.es
21
A diferencia de un túnel de viento el
software CFD es menos costoso aunque las
Figura 19. De izquierda a derecha: Simulación de sistema de enfriamiento de frenos, prueba en túnel de viento a balón
Jabulani, prueba de túnel de viento a paraguas. Fuente: www.google.com
Con base en la teoría de fujo potencial,
se desarrolló un método para el dimensionamiento y la geometría de las piezas más
importantes que son: el cono de contracción,
el difusor y el sistema de cambio dimensional. Adicionalmente se contemplaron medidas
antropométricas funcionales y estáticas con
el objetivo de facilitar el uso. Éstas fueron
consideradas a partir de un análisis de actividades concernientes al uso, transportación,
instalación y almacenamiento, entre otras.
sección de la cámara de pruebas y el área
efectiva de simulación. Esta última siempre
es más pequeña que el área de sección, ya
que la efectividad del fujo se reduce por
los elementos de medición, soportes y otros
accesorios (Figura 23).
Principalmente las dimensiones del túnel
son determinadas por características como
la velocidad que se pretende alcanzar en
la cámara de pruebas y las dimensiones
de los objetos que desean ser sometidos a
simulaciones. Estas características sirven
para establecer las dimensiones y geometría
de la cámara de pruebas, lo que a su vez
establece la dimensión de la salida del cono
de contracción y la entrada del difusor.
Figura 20. Simulación computarizada de estudio orográfco para posicionamiento de generadores eólicos.
Fuente: www.greenward-technologies.com.
computadoras necesarias para correr las
simulaciones son de precio medio; sin embargo las grafcas observadas en este tipo de
simulaciones son aproximaciones matemáticas basadas en el método del elemento fnito
(FEM), que a fnal de cuenta son solo eso,
aproximaciones. Estos programas se basan
en ecuaciones matemáticas que son interpretadas para mostrarse en una imagen renderizada como las que se ven a continuación.
El túnel de viento a diferencia de los CFD
pueden mostrar en tiempo real el fujo sobre
un modelo físico, y con el equipo adecuado
también es posible captar los esfuerzos
para determinar si es que se deben hacer
cambios en el diseño.
Los CFD pueden ser muy útiles como herramienta comparativa para la investigación
en relación con las prácticas realizadas en
un túnel de viento.
Existen diversas compañías que proporcionan el software necesario para realizar las
simulaciones. Algunos de estos programas
pueden operarse de manera añadida (plugin) a programas enfocados en CAD/CAM/CAE
como la gama de programas de las compañías Autodesk, Dassault Systemes y Siemens. Otra forma de operar las simulaciones
22
Figura 21. En la gráfca se observan los vectores velocidad y las líneas de fujo sobre un vehículo de fórmula
uno.
es a partir de un programa dedicado como
los programas desarrollados por ANSYS.
Algunas de las características del diseño
propio fueron enfocadas a las necesidades
del usuario directo u operador, tales como
el mejoramiento de la visibilidad y un fácil
acceso para la manipulación de modelos y
otros accesorios como soportes o componentes de medición.
Cámara de pruebas.
Figura 22. Se observa una imagen obtenida por CFD y
en ella el perfl de un automóvil de carreras y las cargas
generadas por las capas de viento y sus direcciones.
Fuente: www.aeriusphoto.com.
DISEÑO ESPECÍFICO.
En el caso propio, el diseño se concentró
en desarrollar un túnel de viento de circuito
abierto debido a cuestiones de espacio y
costo, subsónico que será sufciente para
propósitos educacionales, y un sistema que
permite generar simulaciones tanto tridimensionales como bidimensionales.
Primero se determinan las dimensiones
de la cámara y el tipo de sección; generalmente se usa una sección cuadrada. Sin
embargo durante el desarrollo del cono
de contracción se propusieron esquinas
biseladas y por principio de continuidad se
biselaron también las esquinas del cabina.
La longitud de la cámara de pruebas fue propuesta basándose en encuestas realizadas
a un grupo alumnos con conocimientos en
Arquitectura y Diseño, quienes consideraron un promedio de tamaño de prototipos
realizados en proyectos previos; fueron
elegidos aleatoriamente. Cabe mencionar
que al momento de la realización de pruebas, los prototipos no deben estar cerca
de la entrada de aire, al menos un 10% de
separación de la sección adyacente (cono
de contracción), respecto del tamaño total
de la cabina; también es importante saber
que a medida que la longitud de la cabina
aumenta, la calidad de fujo es más difícil
de mantener.
Una consideración importante durante el
diseño de la cabina es identifcar el área de
Figura 23. Área de sección y área efectiva de simulación.
Fuente: elaboración propia.
El factor más importante en la propuesta
de la cabina es la visibilidad. Muchos túneles
de viento tienen una ventanilla pequeña de
observación, lo que limita los ángulos de
visión, siendo el fundamento que a menor
cantidad de luz entrante, mejor contraste
y por lo tanto mejor visibilidad para un individuo. En el diseño propio se propuso una
cabina completa transparente, considerando
que al tener visión limitada se difcultan las
actividades a nivel académico. Se buscó sin
embargo suprimir el problema de iluminación
no deseada mediante procesos para matizar
la superfcie plástica, así como la colocación
de superfcies de contraste en el interior de
la cabina. (Figura 24)
Cono de contracción.
Para del desarrollo del cono de contracción, primero se estableció la velocidad que
se pretende alcanzar, que fue de 40 m/s.
Posteriormente se calculó el caudal que
genera un motor de ½ hp con una hélice
prediseñada a través del área delimitada por
las dimensiones de la cabina de pruebas.
Una vez conocido el caudal, se estableció la
23
Difusor.
Existe una relación de longitud y ángulo
de ensanchamiento máximo permisible.
Diversos autores recomiendan no sobre
pasar de 5° , de lo contrario la salida del
viento se precipita y genera problemas de
calidad de fujo en la cámara de pruebas.
(Figura 26)
Con el ángulo de ensanchamiento establecido, el área total de salida y área
de entrada, la longitud del difusor y su
geometría puede ser calculada apoyándose
en trigonometría básica por medio de funciones de tangente.
Figura 24. Cabina de pruebas.
Fuente: elaboración propia.
relación de contracción 4 mínima necesaria
para alcanzar la velocidad deseada en la
cámara de pruebas, lo cual permitió a su
vez establecer un área mínima necesaria de
entrada para el cono de contracción.
Los datos anteriores proporcionaron
información necesaria para el cálculo y el
desarrollo de la geometría del cono que se
llevó a cabo mediante funciones trigonométricas básicas.
Para suprimir algunas de las componentes normales a la dirección del fujo, se
biselaron las aristas del cono de contracción
en un ángulo de 45°, usando como referencia
las secciones transversales de entrada y de
salida. La distancia se determinó mediante
porcentajes relativos a las dimensiones de
la sección, en la propuesta correspondieron
al 8% en cada esquina. (Figura 25)
Estructura.
El diseño de la estructura contempla
además de factores de resistencia, factores
estéticos que proporcionan una alta carga
visual. Algunas de las funciones adicionales
de la estructura son servir como elemento
que permita organizar sistemas eléctricos
manteniéndolos ocultos y fuera de corto
alcance que pudieran generar un accidente
por elementos expuestos.
Se incorporó también la función de guardado de elementos propios del túnel, tales
como soportes, fltros de aire, sistemas
de medición o captura y accesorios para
inyección de gas.
La estructura fue segmentada de acuerdo a las secciones del túnel y está unida
mecánicamente a las piezas de cada sección
formando módulos pre-armados, que ensamblados conforman la totalidad del túnel de
viento. Dicha situación generó un problema
de sellado que fue resuelto mediante un sello
de hule de 1mm de espesor que permanece
fjo en cada módulo.
Tras el dimensionamiento y considerando
las características de cada pieza, se continuó
el desarrollo de la propuesta por medios
digitales que -tras varias evaluaciones y
modifcaciones- concluyó en un elemento de
diseño que integra funciones y mecanismos
de manera organizada. (Figura27)
CONSIDERACIONES DE
CONSTRUCCIÓN.
Figura 25. Cono de contracción.
Fuente: elaboración propia.
Relación de contracción: cociente de área de
4
entrada entre el área de salida de un cono de contracción.
24
Figura 26. Calidad de fujo afectada en la cámara de pruebas por longitud de difusor mal calculada. La primera fgura
muestra un fujo mas uniforme horizontalmente, la segunda fgura considera el mismo diámetro de salida pero reduce
la longitud del difusor al 50% afectando la laminación del viento en la cámara de pruebas que se observa mediante
líneas de corriente con un ángulo de salida no deseado.
Fuente: elaboración propia.
Antes de comenzar la construcción del
túnel de viento, es necesario conocer las
condiciones en las que se encuentra el lugar
Figura 27. Propuesta de túnel de viento por Josue A. Saenz Zubieta.
Fuente: elaboración propia.
donde será colocado, ya que algunas veces
deben realizarse adecuaciones a la infraestructura existente para optimizar el uso
del túnel, como la orientación del aparato
para evitar refejos de luz o salidas de aire
al exterior para dirigir el gas de las pruebas.
Una vez terminada la etapa de diseño
y especifcación, se procede a la planeación
de construcción del equipo. Generalmente
estos aparatos son armados con una cantidad considerable de piezas y siendo que
se trata de diseño específco, la mayoría de
las piezas deberán ser fabricadas acorde a
los requerimientos del diseño. No se usen
piezas comerciales, a menos que su inclusión
sea precisa o haya sido tomada en cuenta
durante la etapa de diseño. Las adaptaciones
generalmente tienen poca precisión y podrían
afectar el funcionamiento negativamente. Un
paso importante en la planeación es establecer etapas de construcción, de manera
que cada pieza pueda ser presentada y
probada antes del armado defnitivo. Esto
permite verifcar la calidad de las piezas y
determina si la pieza es apta para el ensamble, o si debe ser recalibrada o excluida.
Un factor importante para una pla ne ac ió n y e je c uc ió n ef e c tiv a, e s una
selección cuidadosa de los materiales y
procesos de construcción para cada pieza.
Para túneles de viento educacionales, las
dimensiones no suelen ser tan grandes
25
de manera que las opciones de materiales generalmente se reducen a plásticos
y/o metales, gracias a sus propiedades de
maleabilidad5 , resistencia6 y plasticidad 7.
En el caso propio, la construcción del
equipo se realizó en varias etapas y se redujo
la escala del elemento por cuestiones de
tiempo-costo, siendo la escala del prototipo
presentado en las imágenes de 1:2.6. La
primera etapa consistió en el desarrollo de
moldes para aspersión de fbra de vidrio.
Posteriormente se realizaron las piezas
metálicas para la estructura y fnalmente
el armado y la calibración del equipo. Cada
paso se detalla a continuación.
El proceso y material de cada pieza fue
decidido bajo diferentes criterios con base
en la factibilidad técnica, eligiendo como lo
primordial, el costo y la calidad. Tomando
como premisa que la calidad del elemento
determina la calidad del fujo, las piezas de
geometría compleja fueron desarrolladas en
una sola pieza de fbra de vidrio, eliminando
de esta manera las uniones que pudieran
generar superfcies irregulares, que a su
vez pudieran generar turbulencias en el
fujo de aire. Dichas piezas fueron el cono
de contracción y el difusor de salida. El
resto de las piezas como la estructura y el
cuerpo de la sección del mecanismo impulsor, fueron construidas en lámina metálica
ya que su función en el túnel no interviene
con la calidad del fujo de aire.
Desarrollo de moldes.
Apoyarse en métodos tecnológicos para
manufactura es de vital importancia, ya que
éstos proporcionan un alto nivel de precisión.
En el caso particular se desarrollaron los
moldes por computadora utilizando el software de Autodesk® Inventor® para después
cortar las plantillas de dichos moldes por
medio de corte laser, lo que permitió construir
moldes con un alto grado de precisión, y
por lo tanto piezas de fbra de vidrio de alta
calidad con una tolerancia de ± 0.002 m.
Dichos moldes fueron realizados en
Maleabilidad: se refere a la propiedad que
5
presentan los materiales de deformarse sin romperse
obteniendo láminas.
6
Resistencia: se refere a la propiedad que
presentan los materiales para soportar las diversas fuerzas. Es la oposición al cambio de forma y a la separación,
es decir a la destrucción por acción de fuerzas o cargas.
7
Plasticidad: capacidad de un material de
deformarse bajo la acción de una carga conservando la
deformación al retirar la misma.
26
lámina metálica de un calibre que permitiera
estructurarse correctamente y soportar la
temperatura de gelado y cristalización de
la fbra de vidrio sin sufrir deformaciones.
Cada molde fue pulido para pasar al siguiente
proceso donde fue curado y preparado con
películas separantes para la aplicación de la
fbra de vidrio. Una vez cristalizada la fbra,
las piezas fueron desmoldadas y pasaron a
ser rectifcadas y calibradas para fnalmente
recibir tratamiento de acabados. (Figura 28)
El tema de calibración se profundizará
en el siguiente apartado.
Algunas recomendaciones para la instalación son:
•
Tener una salida de aire al exterior, de manera que el gas que se inyecta
para las pruebas tenga una salida y no se
estanque en el aula de clases. Aunque el gas
no es nocivo para la salud, al concentrarse
interfere con la visibilidad.
del difusor, así como la obtención de datos
de fujo volumétrico. Para estas pruebas se
requiere al menos un anemómetro 8.
Primero se realiza la prueba de aceleración de fujo volumétrico en el cono de
contracción, que consiste en realizar una
serie de lecturas de velocidad en la entrada
del cono y otra serie de lecturas en la
sección
de salida del cono, adyacente a la cámara
de pruebas.
•
La orientación y colocación del
túnel en función de ventanas es importante,
ya que un problema frecuente es que la
visibilidad se puede ver afectada por refracciones de luz natural en la cabina de pruebas
del túnel. Es recomendable también el uso
de colores obscuros con acabados mate en
las paredes para evitar esos refejos.
Los puntos más importantes son los
vértices de la sección. Los puntos intermedios
son un método de apoyo para detectar fuctuaciones de velocidad. Las lecturas deben
realizarse durante al menos 30 segundos
por punto en condiciones controladas, sin
ráfagas de viento externas. Es importante
29) máxima y la media de
•
El uso de periféricos audiovisuales registrar la velocidad
cada punto y después calcular un promedio
como cámaras y pantallas es una herrageneral. (Figura
mienta que ayuda a evitar aglomeraciones
de personas alrededor del túnel.
Figura 28. Moldes de cono de contracción, estabilizador y
difusor antes de proceso de curado.
Imágen propia.
Estructura.
La propuesta de diseño indica una estructura de tipo superfcie activa, lo que sugiere
una construcción en material laminado. Se
seleccionó lámina metálica calibre 16, y
por medio de patrones desarrollados por
computadora se cortaron las piezas con
método de laser. Durante el desarrollo de
los patrones se contemplaron variables de
resistencia, procurando que las piezas tuvieran el menor número de uniones posibles.
Armado.
El concepto utilizado para el desarrollo
del túnel se basó en la modularidad, lo que
implica sistemas de unión y ensamble. Los
módulos fueron: sección de contracción,
sección de pruebas, sección de difusor y
sección de impulsión.
La primera fase de ensamble consistió
en realizar el montaje de las piezas que
conforman cada módulo. Todas las uniones
fueron mecánicas, lo cual permite -en caso
de ser necesario- desarmar el túnel en sus
componentes más básicos. Al terminar el
armado de cada módulo, se unieron por medios mecánicos específcamente por tornillos.
•
Si el túnel está equipado con
rodamientos, es necesario asegurarlos para
evitar
alteración en el funcionamiento y operación
del aparato que pudiera ser empujado por
los alumnos. La nivelación no debe pasarse
por alto, ya que es importante para que los
modelos puedan ser colocados en la posición
correcta respecto del piso.
•
Las instalaciones eléctricas deben
permanecer ocultas para evitar obstrucciones y accidentes, así como asegurarse
de que la instalación es la correcta para el
tipo de corriente eléctrica requerida por los
elementos del túnel.
10. Experimentación y medición.
Una vez terminado el proceso de construcción, es importante verificar que no
existan fugas en el sistema. Una forma de
asegurarse consiste en hacer una mezcla de
jabón líquido hasta obtener espuma y colocarla en las uniones de las piezas, accionar
el mecanismo impulsor e identifcar las fugas
por espuma dispersa. Una vez rectifcadas
las fugas se procede a las pruebas de gasto
y calibración.
Figura 29. Retícula para las ubicaciones de los puntos
para toma de lecturas de velocidad en el cono de contracción.
Fuente: elaboración propia.
Para comprobar que existe una aceleración en el cono de contracción, es importante conocer la relación de contracción que
se obtiene mediante:
Relación de contracción=Área de entrada/Área de
salida
Una vez conocida la relación de contracción se obtienen los fujos volumétricos
Q=Av
para
el área de salida y el área de entrada,
dado por:
Pruebas de fujo volumétrico.
Esta prueba tiene como propósito comprobar el aumento de velocidad en el cono
de contracción y la reducción en la salida
8
Donde:
Q= Flujo volumétrico.
A= Área.
v= Velocidad promedio.
El fujo volumétrico en el área de salida
Anemómetro: Es un aparato meteorológico
que se usa para la predicción del clima, y específcamente, para medir la velocidad del viento. (wilkipedia). 27
del cono (adyacente a la cámara de pruebas) está dado por el producto del fujo
volumétrico de entrada expresado en m3/s
por la relación de contracción. La velocidad
de salida del cono puede calcularse a partir
del fujo volumétrico ya obtenido y puede
ser comparada con la velocidad promedio
de las lecturas del anemómetro y calcular
la fuctuación.
cuenta con una cantidad determinada de
puntos que es directamente proporcional
a las dimensiones AB de la entrada en un
corte transversal. Entre más grande, más
puntos (Figura 31)
un alto nivel de precisión, lo cual es fundamental para su correcto funcionamiento.
Doreste López Álvaro, Sustentación y
Arrastre de Perfles Aerodinámicos. Tesis
Profesional, Universidad Nacional Autónoma
de México, Facultad de Ingeniería, 1983.
BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA.
Para el difusor el procedimiento es muy
parecido, pero al tratarse de una transición
geométrica, la retícula para la toma de lecturas en la salida del difusor cambia al tener
un área circular. Para términos prácticos
basta con empatar las áreas para obtener
los puntos correspondientes a la trayectoria
inicial. (Figura 30)
Villegas Martínez César Augusto,
Proyecto
y Construcción de un Túnel de Viento,
Trabajo
Recepcional, Universidad Autónoma de San
Luis Potosí, Facultad de Ingeniería, 1987
Calibración.
Este procedimiento es necesario para que
al accionar el túnel de viento, el fujo de aire
Figura 31. Retícula para las ubicaciones de los puntos
para toma de lecturas de velocidad de un túnel tridimensional.
Fuente: elaboración propia.
Después de la toma de lecturas se procede a la realización de perfles de velocidad,
lo cual permite conocer el comportamiento
del aire dentro de la cámara de pruebas.
(Figura 32)
Figura 30. Retícula para las ubicaciones de los puntos
para toma de lecturas de velocidad en el difusor.
Fuente: elaboración propia.
sea uniforme de manera que al inyectar el
tinte de gas, la trayectoria sea paralela a la
trayectoria de las líneas de corriente. Para
determinar si el túnel debe ser recalibrado,
se debe realizar un perfl de velocidades que
se obtiene tomando una serie de lecturas de
velocidades en diferentes patrones vertical
y/o horizontal, dependiendo del tipo de túnel.
Para túneles de viento bidimensionales
las lecturas se realizan en perfles verticales
a lo largo de la cabina del túnel.
Para túneles de viento tridimensionales,
es necesario obtener datos de perfles verticales y horizontales. Las lecturas entonces
deben realizarse en planos transversales
uniformemente paralelos a lo largo de la
cabina de pruebas. Para realizar cada serie
de lecturas se establece una retícula que
28
Para una mejor comprensión los puntos
se grafcan y puede observase la variación
de velocidades, además de determinar anomalías en la calidad del fujo de viento. Los
puntos pueden grafcarse en su totalidad,
o por planos verticales u horizontales independientemente si así se requiere.
El túnel de viento es un aparato que
ha sido considerado paulatinamente una
herramienta importante en los estudios
profesionales. En principio se introdujo sólo
en la Carrera de ingeniería, siendo usado
para estudios en mecánica de fuidos. Sin
embargo el aprovechamiento, la evasión o
control del viento también puede aplicarse
a distintos temas que involucran diseño de
espacios y de objetos.
CONCLUSIONES.
Un túnel de viento es un simulador que
debe permitir a los estudiantes conocer y
analizar distintas variables tanto cualitativas
como cuantitativas. Es importante remarcar
que una vez comprendidos los principios
de dinámica de fuidos y aplicados a una
simulación que pueda proporcionar datos
cuantitativos, la información de tipo cuali-
Figura 32. Perfl de velocidades. Y un método práctico
para el cálculo de variación entre puntos donde Va=
variación, expresado en términos de porcentaje. La
variación esta en relación de la velocidad promedio entre
los puntos.
Fuente: elaboración propia.
tativa se conocerá de manera intuitiva en
simulaciones posteriores, de manera que
el alumno pueda predecir visualmente los
movimientos de los fuidos y los efectos en
las propuestas de diseño durante la etapa
creativa.
El desarrollo de un túnel de viento es
un trabajo interdisciplinar muy extenso,
pues existe mucha retroalimentación en
cada etapa del proceso. Por lo tanto es
importante jerarquizar los problemas que
existan en torno al diseño y construcción de
un simulador de esta índole, para tomar las
decisiones más pertinentes y convenientes
para el proyecto. Al fnalizar debe crearse un
proyecto que supla y supere las expectativas
para cada campo de profesionales involucrados, conscientes de que cada objeto está
sujeto a mejoras detectadas por medio del
uso continuo y no oponerse a la modifcación
del proyecto original.
Silva Treviño Carlos Jerónimo, Diseño
y Construcción de un Túnel de Viento Bidimensional Subsónico de Circuito Abierto por
Inyección, Trabajo Recepcional de Maestría,
Universidad de Colima, Facultad de Arquitectura y Diseño, 2005.
Monge Gapper Juan Gabriel, Dimensionado y Construcción de un Túnel de Viento
de Baja Velocidad, Artículo, M.I.M, Profesor
de Escuela de Ingeniería Mecánica de la
Universidad de Costa Rica, 2006
Ávila Chavrand Rosalío, Prado León Lilia
L., González Muñoz Eva L., Dimensiones
Antropométricas de Población Latinoamericana México, Cuba, Colombia, Chile. Universidad de Guadalajára, Centro de Investigaciones de Ergonomía, Editorial Pandora.
Guadalajara, Jal., 2001.
Candel Vila Rafael, Atlas de Meteorología
Editorial Jover 12ª. Edición, Barcelona,
1982.
Rodriguez Viqueira Manuel, Introducción a la arquitectura bioclimática, Editorial
LIMUSA, México 2002.
McMullan Randall, Enviromental science
in building, Editorial McMillan, 4 edición,
Inglaterra 1998.
Rodriguez M Gerardo, Manual de Diseño
Industrial Ediciones G. Gili, México.
Nos encontramos en una era en la que
la tecnología avanza aceleradamente, por lo
Sanz Adán Feliz, Lafargue Izquierdo José,
que es importante mantenerse actualizado
Diseño Industrial, desarrollo de producto,
en cuanto a desarrollo de procesos y maEditorial Thomson, España, 2002
teriales con el objetivo de obtener ventaja
de esos avances. Durante el desarrollo del
proyecto se usaron varias tecnologías de
procesos como métodos de control numérico
(CNC) que permitieron obtener un objeto con
29