Laboratorio Aerodinamica PT40

AERODINÁMICA - 7766
REPORTE DE LABORATORIO:
TÚNEL DE VIENTO
Elaborado por: Jimmy Alejandro Urazán - 30000060617
Yuber Stiber Diaz - 30000059933
Julián Felipe Beltrán – 30000599099
Johan Stiven Vargas – 30000060559
Jorge Jota Rodriguez - 30000058037
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA - BOGOTA
FACULTAD DE INGENIERIA
RESUMEN
En el presente informe se explicará de manera detallada todo lo realizado en el laboratorio
del túnel de viento, primeramente, se hizo la selección del perfil el cual fue puesto a prueba
en el túnel de viento, obteniendo así los datos necesarios para realizar los cálculos y demás
análisis requeridos para el informe, cabe resaltar la importancia de los datos presentes en la
base de datos de la universidad de Illinois ya que gracias a ellos se pudo realizar la
comparación con los valores obtenidos, posterior a esto se tiene un análisis de los resultados
obtenidos, en donde se puede apreciar si los valores obtenidos en el laboratorio son o no
acertados, finalizando se expondrán las conclusiones en las cuales se plasmaran las opiniones
respecto a este laboratorio.
ABSTRAC
This report will present the analysis of the results obtained from an wing profile subjected to
the wind tunnel test, after which a very detailed step-by-step of what was done in the profile
test will be found and a comparison will be made. Between the data collected during the test
and the data stipulated by another university, some conclusions will finally be appreciated in
which the point of view regarding the data obtained will be made known.
1. INTRODUCCIÓN
El presente trabajo escrito se realizó en el laboratorio de la universidad de San Buenaventura
con el equipo adecuado de esta, para poder entender mejor el tema de la aerodinámica y poder
hallar errores en la medición de las herramientas empleadas esto con la finalidad de que se
puedan realizar estudios aerodinámicos de diferentes perfiles alares con más exactitud, esto
se va a realizar por medio del manejo de ecuaciones y de los datos tomados en el laboratorio
para poder plantearlos en tablas y comparar los datos para así llegar a una conclusión.
1. ANTECEDENTES
1.1. Investigaciones:
La práctica se enfoca en hacer una comparación totalmente experimental para así obtener una
diferencia entre las pruebas realizadas en el Hangar de la Universidad de San Buenaventura
y los valores de la base de datos de la Universidad de Illinois, ya que perfil que se utilizó
(PT-40) ha sido sometido a diferentes pruebas tanto teóricas como experimentales.
En las investigaciones que realizo la Universidad de Illinois y las pruebas realizadas donde
se destacara la que se hizo con el número de Reynolds implementado en 100000, como se
observa en la figura.1.
(1)
ilustracion 1. Comparación del coeficiente de sustentación y el coeficiente de arrastre para
el perfil PT-40, a un número de Reynolds de 100000
(2)
ilustracion 2. Coeficiente de sustentación vs el ángulo de ataque del perfil PT-40, a un
número de Reynolds de 100000
2.2. Cálculos utilizados para el laboratorio:
Se debe hallar una velocidad que se acomode a las condiciones que brinda el túnel de viento
del Hangar de la Universidad de San Buenaventura, el cual tiene una velocidad máxima de
25 m/s. La velocidad que se debe determinar tiene en cuanta algunos valores los cuales se
hallaron por medio de un Datalogger con tres censores (barómetro, termómetro e
higrómetro), el primero mide la presión atmosférica, en este caso la presión en la que se
encuentra el Hangar que está ubicado en la Universidad de San Buenaventura en Bogotá
Colombia ya que ahí se realizaron las practicas. El segundo mide la temperatura, es este caso
debe ser al momento de hacer el procedimiento del laboratorio. El ultimo mide la humead
relativa pero no se utilizó en los calculo. Los valores que nos dio el Datalogger fueron:
Presión
Temperatura
753 hPa
19.3 °C
75300 Pa
292.45 °k
Con los datos determinados por el Datalogger se halló la viscosidad dinámica, necesaria para
hallar el número de Reynolds.
Con la presión atmosférica que es 75300 Pa, se halla la densidad del aire con la ecuación de
gas ideal, la cual es:
𝑃 = ρRT
(1)
ρ=
𝑃
𝑅𝑇
(2)
De la ec. (1), despejamos y hallamos la densidad ec.(2), teniendo en cuenta que P es de 75300
Pa, dividiendo a R que para un gas ideal es 287.058 𝐽/𝑘𝑔∗𝐾 y T que es de 292.45 °k, como
resultado se obtiene que 𝜌 = 0.897 𝑘𝑔⁄𝑚3.
Teniendo en cuenta el dato anterior de densidad se aplica en la ecuación del número de
Reynolds, la cual es:
𝑅𝑒 =
ρ∗𝑣∗𝑙
μ
(3)
𝑣=
Re ∗ μ
ρ∗𝑙
(4)
De la ec. (3), despejamos y hallamos la velocidad ec. (4), teniendo en cuanta que μ es igual
a 1.78x10^-5, ρ es igual a 0.897 𝑘𝑔⁄𝑚3, l es la cuerda del perfil del PT40 la cual es de 0.10
m, el número de Reynolds es de 100000. Como resultado se obtiene que v=19.843 m/s.
2.3. Descripción del trabajo:
En la práctica de laboratorio se realizaron dos pruebas en el túnel de viento de la Universidad
de San Buenaventura del perfil PT40 de manera que se sacó un promedio de las dos
mediciones y así poder comparar los valores con los datos de la Universidad de Illinois, y
graficar los coeficientes de sustentación y resistencia con respecto al ángulo de ataque que
se determinaba en el túnel de viento.
2. PROCEDIMIENTO
Para empezar este laboratorio se hizo una breve investigación en la base de datos de perfiles
usados en diferentes tipos de aeronaves de la universidad de Illinois, donde se tuvo en cuenta
el perfil PT40 Figura 1, el cual con ayuda de Catia, programa informatico de diseño asistido
por computadora (3), se diseño y posteriormente modelo con ayuda de una impresora 3D con
dimensiones (10*10) cm; Esto con el fin de realizar pruebas en el túnel de viento de la
universidad San Buenaventura Figura 2, el cual se puede identificar como Gunt HM170 (4)
.
Figura .1: Perfil aerodinámico PT40
El túnel de viento Gunt Figura 2 consta de las siguientes parte
Figura 2: tunel de viento Gunt HM-170
Antes de empezar la parte procedimental se deben seguir ciertos pasos, los cuales aseguraran
el éxito de este laboratorio sin ningún altercado
o
o
o
o
o
Encendido de equipos digitales y computador
Coloque en posición ON el máster switch
Verificación del desenganche del botón de emergencia
Perilla de velocidad en cero (0)
Toma de datos atmosféricos figura 4
Figura 3:caja de control
Figura 4:toma de datos atmosfericos
Teniendo en cuenta la corroboración de cada paso anterior se procederá con la parte
experimental; Inicialmente se desasegura la clavija de retención con el fin de mover la tobera
de admisión hacia delante y abrir la sección de prueba para poder posicionar el perfil en el
traductor de fuerzas figura 5.
Figura 5:posicionamiento del perfil alar en el
traductor de fuerzas
Ya ubicado el perfil en el traductor de fuerzas se ensambla a una caja acrílica a la sección de
pruebas figura 6 y posteriormente esta se cerrará teniendo en cuenta que el perfil este alineado
con respecto a la línea guía ubicada en la parte superior de la sección de pruebas figura 7,
esto con el fin de evitar al máximo errores de medición, para terminar este paso se asegura la
clavija de retención.
Figura 6: posicionamiento del perfil en la
seccion de pruebas
Figura 7:linea guia superior
Se da encendido al túnel de viendo desde la caja de control figura 3 y luego, mediante la
perilla de velocidad se lleva a una velocidad de aproximada de 20 m/s aproximadamente,
según los cálculos realizados en la sección 2.2 en las dos pruebas realizadas se encontraron
velocidades de 19,8 y 24,5 m/S respectivamente (esta velocidad también se verá reflejada en
el manómetro figura 8).
Figura 8 : manometro
Una vez determinada la velocidad del flujo usada en el laboratorio se toman datos del perfil
(Angulo de ataque, sustentación y resistencia) mediante la activación del programa en el
computador, poniendo el perfil en distintos ángulos figura 9 y registrando los datos de la
misma forma.
Figura 9:perfil en angulo diferente a 0
Este mismo procedimiento se debe hacer teniendo en cuenta la velocidad determinada
mediante un anemómetro de hilo caliente figura 10, el cual arrojo una velocidad de
aproximadamente 17,6 m/s; estas únicamente se compararon con las velocidades arrojadas
por el túnel.
Figura 10:velocidad tomada por anemometro de hilo caliente
Para finalizar se tomaron las dos agrupaciones de datos hallados mediante el túnel de viento,
puesto que estas son más acordes a los datos obtenidos del perfil aerodinámico de la
universidad de Illinois.
3. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Teniendo en cuenta el procedimiento realizado en el túnel de viento y los datos registrados
por el mismo, se realiza una recolección de datos, en los cuales se puede evidenciar una
fuerza sustentadora (L), una fuerza de resistencia (D), así como las velocidades medidas en
el túnel de viento, en este caso dos mediciones y los diferentes ángulos de ataque a los cuales
se expuso el perfil seleccionado.
En base a los datos recolectados es necesario hallar el coeficiente de sustentación, así como
el coeficiente de resistencia para cada uno de los ángulos de ataque a los cuales se expuso el
perfil, en el caso de la velocidad, como se realizaron dos mediciones, se saca un promedio y
el resultado será el registrado tanto en las fórmulas, como en la velocidad seleccionada para
el experimento.
Para el coeficiente de sustentación y resistencia, se tienen en cuenta las siguientes ecuaciones:
Coeficiente de sustentación (Cl):
𝐿
1
2
2∗𝜌∗𝑣 ∗𝐴
Donde:
• 𝐿 = Fuerza de sustentación: resultados obtenidos por el túnel de viento
• 𝜌= A la densidad medida en el túnel de viento: 0,897 𝐾𝑔/𝑚3
• 𝑣 2 = El promedio de la velocidad calculado: 22,152 𝑚/𝑠
• 𝐴= Área del perfil seleccionado: 0,01 𝑚2
Coeficiente de resistencia (Cd):
𝐷
1
2
2∗𝜌∗𝑣 ∗𝐴
Donde:
•
•
•
•
𝐷 = Fuerza de resistencia: resultados obtenidos por el túnel de viento
𝜌= A la densidad medida en el túnel de viento: 0,897 𝐾𝑔/𝑚3
𝑣 2 = El promedio de la velocidad calculado: 22,152 𝑚/𝑠
𝐴= Área del perfil seleccionado: 0,01 𝑚2
Con las tablas obtenidas, se realizan las gráficas de Cl vs Alpha (𝜃), Cd vs Alpha (𝜃), Cd
vs Cl, Cl/Cd vs Alpha (𝜃) (Eficiencia aerodinámica), las cuales se encargan de detallar
los resultados de las variables expuestas sobre el perfil aerodinámico seleccionado puesto
a prueba en el túnel de viento, así como también los datos con los cuales se compararán
los datos obtenidos en el túnel de viento, los cuales se extraerán de la base de datos de la
Universidad de Illinois.
Puesto que es una actividad experimental, la variación en los errores arrojados por el
sistema, en estos se pueden hallar varios factores que pueden variar los resultados al
comparar los datos, estos pueden ser: la variación en la velocidad del túnel de viento, la
caja en la cual se apoyaba el perfil aerodinámico, el numero de Reynolds al cual fue
puesto a prueba, entre otros.
3.1. Comparaciones
1,4
Cl & Alpha PT40 WT
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-10
-5
-0,2
0
5
10
15
20
25
30
-0,4
-0,6
Cl & Alpha
Cl vs Alpha PT40(A)
Grafica No.1 Comparativa coeficientes de sustentación vs ángulo de ataque PT40(A) Y
PT40(Wind tunnel)
•
Teniendo en cuenta las variaciones con el numero de Reynolds, en este caso la prueba
realizada en el túnel de viento (PT40 wind tunnel) se realizó con un numero de
Reynolds de 100,000 y la prueba realizada por la universidad de Illinois (PT40A) se
realizó con un numero de Reynolds de 110,700, supone una pequeña variación en el
resultado de las gráficas, obteniendo como resultado, tanto para la prueba
experimental del túnel de viento y la datos de la universidad de Illinois, ambos perfiles
obtienen el mismo máximo de coeficiente de sustentación con una pequeña
variaciones en el ángulo de ataque.
Cd vs Alpha PT40 WT
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
-10
-5
0
5
Cd vs Alpha
10
15
20
Cd vs Alpha PT40(A)
25
30
Grafica No.2 Comparativa coeficientes de resistencia vs ángulo de ataque PT40(A) Y
PT40(Wind tunnel)
•
A pesar de las imperfecciones dadas en el perfil aerodinámico, el cual fue realizado
en impresión 3D, se puede apreciar el bajo coeficiente de resistencia del perfil puesto
a prueba en el túnel de viento con relación al perfil de la Universidad de Illinois,
dando como resultado que el perfil del túnel de viento tiende a tener una menor
resistencia al avance, esto podría ser de gran ayuda al manejar este mismo perfil a
muy bajas velocidades.
Cd vs Cl WT
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-0,2
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
-0,4
-0,6
Cd vs Cl
Cd vs Cl PT40(A)
Grafica No.3 Comparativa Drag polar Cl/Cd PT40(A) Y PT40(Wind tunnel)
•
El drag polar, el cual es una relación entre el coeficiente de sustentación y drag,
permite analizar de manera mas detallada el comportamiento y rendimiento del perfil
aerodinámico, teniendo en cuenta el promedio de la velocidad el cual fue calculado,
el perfil es capaz de generar una baja resistencia al avance, incrementando la
sustentación de este.
4. CONCLUSIONES
Para finalizar, se pudo ver por medio de los diferentes análisis realizados en el proyecto los
valores numéricos del estudio aerodinámico del perfil seleccionado y después de compararlos
por medio de las tablas hechas gracias al uso de herramientas especiales para esto, se puede
ver como aunque el número de Reynolds del perfil analizado en el túnel de viento es diferente
al del analizado en el estudio teórico y aunque presente diferencias en sus graficas se obtuvo
el mismo coeficiente de sustentación máximo en ambos, por otra parte el coeficiente de
resistencia del perfil puesto a prueba en el túnel de viento es muy bajo al avance en
comparación al de la universidad de Illinois, para terminar el perfil es capaz de generar una
baja resistencia al avance, incrementando la sustentación de este esto dado concluido por su
drag polar.
5. REFERENCIAS
[1]
«CATIA, el software que trasciende la tecnología de diseño CAD», 3Dnatives, jul.
08,
2020.
https://www.3dnatives.com/es/catia-software-tecnologia-cad-080720202/
(accedido abr. 22, 2021).
[2]
M. S. Selig, Ed., Summary of low speed airfoil data. Vol. 3: ... Virginia Beach, Va:
SoarTech Publications, 1997.
[3]
«The Lift Coefficient». https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/liftco.html
(acceded abr. 21, 2021).
[4]
«Wind energy - Wind power plant with rotor blade adjustment». https://windlineen.gunt.de/wind-power-plants/wind-power-plant-with-rotor-blade-adjustment (acceded abr.
22, 2021).
ANEXOS
A continuación, se observan las tablas de los resultados obtenidos en las pruebas
realizadas en el túnel de viento y los datos obtenidos de la Universidad de Illinois.
Tabla No.1 Coeficiente de sustentación con su respectivo ángulo de
ataque, datos obtenidos del túnel de viento.
Tabla No.2 Coeficiente de resistencia con su respectivo ángulo
de ataque, datos obtenidos del túnel de viento.
Tabla No.3 Coeficiente de resistencia, datos
tomados de la Universidad de Illinois
Tabla No.4 Coeficiente de sustentación, datos tomados
de la Universidad de Illinois