En base a la investigación del estado del arte de los túneles de viento, se explicará el procedimiento a emplear para el diseño de un túnel de viento subsónico de bajo costo. Los túneles de viento se encuentran compuestos de distintas secciones, las más habituales son la cámara de asentamiento, el cono de contracción, la cámara de pruebas, el difusor y la cámara de potencia. Muchas consideraciones tienen que ser analizadas con el propósito de realizar un túnel de viento con las propiedades deseadas [1]. A continuación, se mencionarán los criterios principales del presente diseño. Bajo costo. Buena calidad de flujo (intensidad de turbulencia, variación de temperatura y variaciones del flujo). Relación de contracción igual a . Cámara de pruebas con sección cuadrada. Un rango de velocidades entre 8 Niveles de sonido bajos. 𝑚 𝑠 𝑚 hasta 12 𝑠 . SECCIÓN DE PRUEBA Definir la sección de prueba es el primer paso, ya que, es el tramo del túnel de viento en el cual se esperan las condiciones óptimas y se puedan tener los datos más exactos. Los criterios de la sección de prueba son las dimensiones, forma y velocidad del flujo deseada. Para este proyecto, se eligió una sección cuadrada con 0.4 m de largo para alcanzar un rango de velocidades entre 8 𝑚 𝑠 𝑚 hasta 12 𝑠 . La longitud de la cámara de pruebas, se debe encontrar en el rango de 0.5 y 3 veces el diámetro hidráulico de esta sección [2]. Una relación alta entre la longitud de la cámara de prueba y el diámetro hidráulico podría incrementar el espesor de la capa límite generando un desprendimiento de la capa límite en la salida de la cámara. Mientras que una relación baja podría no garantizar un flujo de aire uniforme. En este proyecto, se tomó la decisión de que la longitud de la cámara de prueba sea 1.75 veces el diámetro hidráulico de este. La longitud de la cámara de prueba es de 0.7 m. Dicha cámara contará con una ventana de metacrilato que permitirá observar el desarrollo de las pruebas. Además, la sección de prueba contará con una puerta trasera para poder colocar los objetos de prueba a o las herramientas de medición, SECCIÓN DE CONTRACCIÓN Esta sección es la encargada de aumentar la velocidad del flujo. Conociendo el área de salida de la tobera, porque es equivalente al área de la sección de prueba; el área de entrada de la tobera debe ser determinada. La relación de áreas en la sección de contracción debe ser la mayor posible para reducir las pérdidas de presión total que generan las paredes del túnel al flujo. Normalmente la relación de áreas debería encontrarse en el rango de 6 -10 [3]. Las relaciones de áreas menores a 6 generan muchas pérdidas de presión en el flujo. Mientras que las relaciones de área mayores a 10 generan un problema en las dimensiones de entrada del cono de contracción. En este proyecto, la relación de áreas de la tobera elegida es de 5. La longitud elegida para la cámara de contracción es de 0.7 m. DIFUSOR Usualmente, los difusores de los túneles de viento se encuentran entre la salida de la cámara de prueba y el ventilador. Su función principal es la de reducir la velocidad del flujo en la menor distancia posible, para así minimizar las pérdidas [4]. La relación de áreas en el difusor debe ser menor a 2.5 y el ángulo de ¿l difusor debería estar entre 5° y 7° para pder controlar la separación del flujo [5]. Una vez seleccionado el diámetro de la salida del difusor, se calculará la longitud de mínima que tendrá esta sección del túnel. Para ellos se hará uso de la siguiente fórmula: 1 √𝐴𝑟 − 1 𝜃𝑠 = 𝑎𝑟𝑐 tan ( ∗ ) 2 𝐿⁄ 𝐷ℎ1 Donde, 𝐷ℎ1 es el diámetro hidráulico de la entrada del difusor, mientras que 𝜃𝑠 es la mitad del ángulo que presenta el difusor. CÁMARA DE ASENTAMIENTO Antes de la cámara de contracción, se encuentra la cámara de asentamiento, la cual consta con un área constante. Esta sección del túnel, cuenta con unas celdas de panal (Honeycomb) y una malla. El objetivo de la cámara de asentamiento es la de reducir la turbulencia del flujo antes de que ese ingrese a la sección de contracción. El área de esta cámara coincide con el área de entrada de la sección de contracción. Usualmente la longitud de la cámara de asentamiento equivale a 0.5 veces el ancho del área. Es así que la longitud de esta sección será de 0.5 m. HONEYCOMB Las celdas de panal alineadas a la dirección del flujo son capaces de reducir las fluctuaciones en las variaciones de la velocidad transversal. Las celdas de panal tienen un mínimo efecto en la velocidad del flujo, debido a que la presión en el flujo al pasar por las celdas, es baja [6]. El principal motivo de la implementación de las celdas de panel en el túnel de viento, es que con una longitud mínima de aproximadamente 10 diámetros de celda, son muy efectivas como herramienta de enderezamiento de flujo. En el procedimiento de diseño de las celdas de panal, la longitud (𝐿ℎ ), el diámetro hidráulico de las celdas (𝐷ℎ )y la porosidad (𝛽ℎ ) fungen como factores claves [7]. La porosidad de las celdas de panal está definida por la relación entre el área transversal que atraviesa el flujo aire sobre el área de sección transversal total. 𝛽ℎ = 𝐴𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Dos criterios deben ser verificados en un diseño de celdas de panal en un túnel viento. Las cuales son: 6≤ 𝐿ℎ ≤8 𝐷ℎ 𝛽ℎ ≥0.8 MALLA Las mallas ayudan a reducir las fluctuaciones de la velocidad del flujo de aire, con un ligero efecto en la dirección del flujo. Se ha podido demostrar que una serie de mallas con diferentes cualidades (gruesa, mediana y fina) es una opción más eficiente que utilizar solo una malla fina. Para que la reducción de turbulencia sea efectiva, la malla debe poseer una porosidad en el rango de 0.58 - 0.8 [6]. Los valores de porosidad mayores a 0.8 no generan un buen control de turbulencia, mientras que los valores menores a 0.58 generan inestabilidad en el flujo. Como las mallas se encuentran dentro de la cámara de estabilización (sección transversal cuadrada) y se trabajará con una malla cuadrada, el área ocupada por los hilos de la malla puede ser calculados con la siguiente ecuación: 𝐴𝑚 = 𝑛𝑤 ∗ 𝑙 ∗ 𝑑𝑤 + 𝑛𝑤 ∗ 𝑙 ∗ 𝑑𝑤 − 𝑛𝑤 ∗ (𝑛𝑤 ∗ 𝑑𝑤 2 ) Donde, 𝑑𝑤 es el diámetro de los hilos, 𝑛𝑤 es el número de hilos por lado y 𝑙 es el largo de la cámara de estabilización. La resta en la ecuación hace referencia a el área en las cuales los hilos se cruzan. Así como en el caso de las celdas de panal, es posible calcular la porosidad de las mallas con la siguiente ecuación: 𝛽𝑠 = 𝐴𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑙2 −2∗𝑛𝑤 ∗𝑙∗𝑑𝑤 +𝑛𝑤 2 ∗𝑑𝑤 2 𝑙2 𝛽𝑠 = (1 − =1-2∗ 𝑛𝑤 ∗ 𝑑𝑤 𝑙 + 𝑛𝑤 2 ∗𝑑𝑤 2 𝑙2 𝑛𝑤 ∗ 𝑑𝑤 2 ) 𝑙 La densidad de la malla es definida como la relación entre el número de hilos en la malla y el largo de la sección transversal de la cámara de estabilización en la cual se encuentra la malla [2]. La densidad de la malla es definida por la siguiente ecuación: 𝜌𝑚 = 𝑛𝑤 𝑙 La inversa de la densidad de la malla representa la distancia entre dos hilos consecutivos de la malla, como se muestra en la siguiente ecuación: 𝑤𝑚 = 𝑙 𝜌𝑚 Reemplazando la densidad de la malla en la ecuación de porosidad, se obtiene: 𝛽𝑠 = (1 − 𝜌𝑚 ∗ 𝑑𝑤 )2 Bibliografía (1) Goce Talev, Arild Gustavsen, Jan Vincent Thue (2017). EXPERIMENTAL CONFIRMATION ON THE THEORETICAL MODEL FOR THE VELOCITY PROFILE IN A RECTANGULAR WIND TUNNEL. (2) William, H.; Pope, A & Barlow, J. (1984). LOW SPEED WIND TUNNEL TESTING. SECOND EDITION.M (3) Bell, J. & Metha R. (1988) CONTRACTION DESIGN FOR SMALL LOW-SPEED WIND TUNNELS. NASCAR. (4) Goldberg, B. & Carlone, T. (2008) BUILDING A WIND TUNNEL: IT WILL BLOW YOUR MIND. UNIVERSITY OF FLORIDA. (5) Worthey. (2006) SUBSONIC WIND TUNNELS, THE WIND TUNNEL CONNECTION. (6) Prandt, L. (1933) ATTAINING A STEADY STREAM IN WIND TUNNEL. NACA. (7) Bradshaw, P. & Pankhurst, R. (1964) THE DESIGN OF LOW-SPEED WIND TUNNELS PROGRESS IN AERONAUTICAL SCIENCE. (8) Tesis previa a la obtención del título de Ingeniero Mecánico Automotriz. Cuenca: Universidad Politécnica Salesiana. Ruiz, H., & Curicama, A. (2013). DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TÚNEL DE VIENTO PARA PRUEBAS AERODINÁMICAS EN CEHÍCULOS PARA LA ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ Tesis de licenciatura en Ingeniería Mecánica Automotriz. Riobamba: Escuela Superior Politécnica de Chimborazo.
