UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE ASPIRADO Y
UN CONTROL ELECTRÓNICO EN EL TÚNEL DE VIENTO A
ESCALA
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
EDISON EDUARDO VACA CUESTA
DIRECTOR: ING. EDWIN TAMAYO M.Sc.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1724679483
APELLIDO Y NOMBRES: Vaca Cuesta Edison Eduardo DIRECCIÓN: Cayambe, barrio portones del tren, calle
Espejo
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022 361 927
TELÉFONO MOVIL: 0983055028
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Diseño e implementación del sistema de
aspirado y un control electrónico en el túnel de viento a escala
AUTOR O AUTORES: Edison Eduardo Vaca Cuesta FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
junio del 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. Edwin Tamayo M.sc.
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras La presente tesis de titulación se desarrolló con el propósito de aplicar los conocimientos adquiridos a lo largo de toda mi etapa como estudiante universitario, en lo que respecta al campo de la aerodinámica, que beneficiará a actuales y futuras generaciones de investigadores interesados en este campo de la mecánica de fluidos y sus respectivas ramas. Por esta razón y tomando en cuenta que la universidad posee un túnel de viento, se decidió realizar este estudio el cual permitió mejorar dicha herramienta de investigación, ya que se logró implementar un sistema generador de
flujo por aspirado y un control electrónico que permitirá incluir el análisis de la fuerza de sustentación negativa.
Para lo cual en primer lugar, en base a toda la información que se obtuvo al inicio de este trabajo, conjuntamente con la que se adquirió en clase, se efectuó una serie de modificaciones estructurales en dicho túnel de viento, las mismas que no solamente permitieron incorporar el nuevo sistema generador de flujo, sino que también hicieron posible la reducción de los niveles de pérdidas y su turbulencia. En segundo lugar se optimizó su versatilidad al incrementar sus aplicaciones, gracias al control electrónico que se instaló en él. Adicionalmente se elaboró una guía de operación del túnel lo más sencilla y explicativa posible, para que todos aquellos que necesiten utilizarlo, lo puedan hacer sin ningún tipo de inconveniente que pueda comprometer su integridad o la del túnel.
Aerodinámica, Aspirado, Número de Reynolds, Flujo
ABSTRACT: This thesis was developed with the purpose of applying the knowledge acquired throughout my time as a college student, in respect to the field of aerodynamics, which will benefit current and future generations of researchers interested in this field of fluid mechanics and their respective branches. For this reason and taking into account that the university has a wind tunnel, it was decided to conduct this study which allowed improve this research tool as it was possible to implement a generator flow system sucked and an electronic control which will include the analysis of downforce.
For which it first based on all the information obtained at the beginning of this work, together with which it was acquired in class, a number of structural changes in this wind tunnel was made, they not only allowed incorporate the new system flow generator, but also made it possible to reduce the levels of losses and turbulence. Second versatility was optimized to increase their applications, thanks to the electronic control that was installed on it. In addition, a guide to operation as simple and explanatory tunnel was made possible, so that all those who need to use it, can do so without any problem, which might compromise its integrity or tunnel.
AGRADECIMIENTO
En primer lugar deseo agradecer infinitamente a Dios, padre celestial por haberme permitido alcanzar esta meta tan anhelada, por todos los logros y fracasos que he vivido, los cuales me han enseñado a apreciar mi vida y ser la persona que soy.
En segundo lugar quiero agradecer a mis padres Fabián Vaca y Rita Cuesta, por su amor y apoyo incondicional, quienes han sido pilares fundamentales en mi vida, corrigiendo mis defectos, inculcándome valores y enseñándome a no rendirme jamás.
Quiero también agradecer a mis hermanas y toda mi familia en general por el apoyo y confianza depositada en mí.
Agradezco a mis amigos Jackzon, Anibal, Pablo y Asthon quienes han sabido estar a mi lado tanto en los buenos como en los malos momentos. Agradezco especialmente a mi primo Cristian y mi amigo Juan quienes han sido como hermanos para mí, por sus valiosos consejos y conocimientos los cuales me han sido siempre de gran ayuda.
De igual manera quiero agradecer a mi director de tesis Ing. Edwin Tamayo por su entera disposición y compromiso ante todas las inquietudes que se me han presentado durante todo el desarrollo de este proyecto.
Finalmente quiero agradecer a la Universidad Tecnológica Equinoccial y a todos y cada uno de los docentes que he tenido a lo largo de mi formación académica-profesional por compartirme sus conocimientos.
DEDICATORIA
A Dios por todos los favores recibidos, que con su infinita bondad y amor ha guiado cada uno de mis pasos y ha hecho posible la culminación de esta etapa de mi vida.
A mi padre Fabián por ser mi inspiración, procurando siempre darme el buen ejemplo, quien ha sabido guiarme en todo momento por el camino del bien, sin su apoyo no lo hubiera podido lograr.
A mi madre Rita por haberme traído al mundo, que con paciencia y amor me ha inculcado los valores y principios gracias a los cuales soy una persona de bien, por todos los sacrificios que ha hecho para cuidar a mi familia.
A mis hermanas Mishell, Evelin y Juliet que no dudaron ni un solo momento en que lo lograría, las quiero mucho.
A mis amigos Jackzon, Anibal, Juan, Pablo y Asthon, que hasta el día de hoy a pesar de tanto tiempo seguimos siendo grandes amigos.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... xii
ABSTRACT ... xiii
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 3
2.1. AERODINÁMICA ... 3
2.1.1. AERODINÁMICA DE LOS AUTOMÓVILES ... 4
2.1.2. RESISTENCIA AERODINÁMICA ... 5
2.1.2.1. Densidad del aire ... 6
2.1.2.2. Velocidad del móvil ... 6
2.1.2.3. Superficie frontal ... 8
2.1.2.4. Coeficiente de resistencia aerodinámica (Cx) ... 9
2.1.3. SUSTENTACIÓN “DOWN FORCE” ... 12
2.2. DINÁMICA DE FLUIDOS ... 12
2.2.1. FLUIDO IDEAL ... 12
2.2.2. FLUIDO REAL ... 13
2.2.3. FLUJO LAMINAR... 13
2.2.4. FLUJO TURBULENTO ... 14
2.2.5. FUJO MÁSICO ... 14
2.2.6. CAUDAL ... 15
2.3. PRINCIPIOS AERODINÁMICOS ... 15
2.3.1 NÚMERO DE REYNOLDS ... 15
ii
2.3.1.2. Viscosidad ... 17
2.3.2. CAPA LÍMITE ... 18
2.3.3. PRINCIPIO DE BERNOULLI ... 19
2.3.4. EFECTO VENTURI ... 20
2.3.5. NÚMERO DE MACH ... 21
2.3.6. PRESIÓN ESTÁTICA ... 22
2.3.7. PRESIÓN DINÁMICA ... 22
2.4. TÚNEL DE VIENTO ... 22
2.4.1. TIPOS DE TÚNELES DE VIENTO ... 23
2.4.1.1 Por la circulación de aire en su interior ... 23
2.4.1.2. Por la velocidad del flujo ... 24
2.4.1.3. Por la dirección del flujo ... 26
2.4.2. TÚNEL DE VIENTO POR ASPIRADO ... 28
2.4.3. PARTES DEL TÚNEL DE VIENTO POR ASPIRADO ... 29
2.4.3.1. Panal de abejas o estabilizador de flujo ... 29
2.4.3.2. Cono de contracción ... 30
2.4.3.3. Sección de pruebas ... 31
2.4.3.4. Difusor ... 32
2.4.3.5. Ventilador ... 32
2.4.4. VELOCIDAD DEL FLUJO ... 35
3. METODOLOGÍA ... 36
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 39
4.1. ANÁLISIS DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO DEL SISTEMA DE ASPIRACIÓN PARA EL TÚNEL DE VIENTO ... 39
iii
4.1.1.1. Sección 0 ... 40
4.1.1.2. Sección 1 ... 40
4.1.1.3. Sección 2 ... 41
4.1.1.5. Sección 4 ... 41
4.1.2. PARÁMETROS DE DISEÑO ... 41
4.1.2.1. Parámetros ambientales ... 41
4.1.2.2. Parámetros estructurales ... 42
4.1.3. ANÁLISIS DE LA SECCION DE PRUEBAS ... 43
4.1.3.1. Cálculo del área de la sección transversal ... 44
4.1.3.2. Cálculo del flujo másico ... 45
4.1.3.3. Cálculo del caudal ... 45
4.1.3.4. Cálculo del número de Reynolds... 46
4.1.3.5 Cálculo de pérdidas en la sección de pruebas ... 49
4.1.4. ANÁLISIS DEL CONO DE CONTRACCION ... 50
4.1.4.1. Velocidad en el cono de contracción ... 51
4.1.4.2. Presión en el cono de contracción ... 53
4.1.5. ANÁLISIS DEL ESTABILIZADOR DE FLUJO ... 54
4.1.5.1. Cálculo de pérdidas en el estabilizador de flujo. ... 55
4.1.6. DISEÑO DEL DIFUSOR ... 56
4.1.6.1. Cálculo de la velocidad en la salida del difusor ... 59
4.1.6.2. Cálculo de pérdidas en el difusor ... 60
4.1.6.3. Cálculo de la presión en la salida del difusor ... 61
4.1.7. CÁLCULO DE LAS PERDIDAS POR FRICCIÓN ... 62
4.1.8. RESUMEN DE LOS CÁLCULOS OBTENIDOS ... 63
4.1.8.1. Dimensiones... 63
iv
4.1.8.3. Pérdidas ... 64
4.1.9. SELECCIÓN DEL VENTILADOR ... 65
4.2. CONSTRUCCIÓN ... 66
4.2.1. REDUCCIÓN DE LA TURBULENCIA EN EL CONO DE CONTRACCIÓN. ... 68
4.2.1.1. Especificaciones de la masilla automotriz ... 69
4.2.2. PROCESO DE APLICACIÓN DE LA MASILLA ... 69
4.2.2.1. Limpieza de la superficie ... 70
4.2.2.2. Lijado de la superficie ... 70
4.2.2.3. Aportación de la masilla sobre la superficie ... 71
4.2.2.4. Acabados finales ... 72
4.2.3. INCORPORACIÓN DEL ESTABILIZADOR DE FLUJO ... 72
4.2.3.1. Montaje ... 73
4.2.4. CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DEL DIFUSOR ... 75
4.2.4.1. Materiales ... 75
4.2.4.2. Ensamblaje ... 77
4.2.4.3. Montaje ... 79
4.2.5. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL ELECTRÓNICO ... 81
4.2.5.1. Materiales ... 81
4.2.5.2. Construcción ... 85
4.3. GUIA PARA LA OPERACIÓN DEL TÚNEL DE VIENTO ... 92
4.3.1. PROCEDIMIENTO PARA OPERAR EL TÚNEL DE VIENTO .... 94
4.3.1.1. Procedimiento para el análisis del perfil aerodinámico ... 94
4.3.1.2. Procedimiento para el análisis de la fuerza de sustentación. 97 4.4. PRUEBAS ... 98
v 4.4.1.1. Prueba con el modelo Mercedes Benz SL65 AMG
convertible con techo ... 99
4.4.1.2. Prueba con el modelo Mercedes Benz SL65 AMG sin techo ... 101
4.4.1.3. Prueba con el Nissan 350 z ... 102
4.4.1.4. Prueba con el Jeep Wranger Sahara ... 103
4.4.2. ANÁLISIS DE LA FUERZA DE SUSTENTACION ... 105
4.4.2.1. Prueba con el modelo Mercedes Benz SL65 AMG ... 105
4.4.2.2. Prueba con el modelo Nissan 350 z ... 107
4.4.2.3. Prueba con el modelo Jeep Wranger Sahara ... 109
4.5. ANÁLISIS FINAL ... 110
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 113
5.1. CONCLUSIONES ... 113
5.2. RECOMENDACIONES ... 114
BIBLIOGRAFÍA ... 115
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Líneas de flujo de aire ... 3
Figura 2. Fuerzas resistivas en función de la velocidad ... 7
Figura 3. Distribución del flujo de aire en la superficie frontal ... 8
Figura 4. Porcentaje del (Cx) de acuerdo a la forma del cuerpo ... 9
Figura 5. Coeficiente Cx para diferentes formas ... 10
Figura 6. Distribución del flujo de aire en la parte posterior del vehículo .... 11
Figura 7. Coeficiente (Cx) para diferentes cuerpos ... 11
Figura 8. Sustentación positiva y negativa ... 12
Figura 9. Flujo laminar ... 14
Figura 10. Flujo turbulento ... 14
Figura 11. Cálculo de secciones transversales y perímetros mojados ... 17
Figura 12. Capa límite ... 19
Figura 13. Velocidad y presión en el principio de Bernoulli ... 19
Figura 14. Efecto Venturi ... 20
Figura 15. Túnel de viento ... 23
Figura 16. Esquema de un túnel de viento: (a) con circuito abierto y (b) circuito cerrado ... 24
Figura 17. Clasificación de los túneles de viento por la velocidad del flujo ... 26
Figura 18. Túnel de viento vertical ... 27
Figura 19. Túnel de viento horizontal ... 27
Figura 20. Esquema básico de un túnel de viento por aspirado... 28
Figura 21. Partes del túnel de viento subsónico... 29
Figura 22. Estabilizador de flujo ... 30
Figura 23. Cono de contracción ... 31
Figura 24. Sección de pruebas ... 31
Figura 25. Difusor ... 32
vii
Figura 27. Túnel de viento del taller de la Universidad antes de ser
modificado ... 39
Figura 28. Secciones de un túnel de viento por aspirado ... 40
Figura 29. Área transversal dividida ... 44
Figura 30. Forma del área transversal de la sección de pruebas ... 47
Figura 31. Esquema básico del cono de contracción ... 51
Figura 32. Diseños para el panal de abejas con sus respectivos coeficientes de perdida k ... 55
Figura 33. Esquema Básico de un difusor ... 56
Figura 34. Grafica del coeficiente de pérdidas k en función del ángulo de apertura ... 59
Figura 35. Ventilador seleccionado ... 66
Figura 36. Identificación de los puntos generadores de turbulencia ... 68
Figura 37. Superficie limpia y seca ... 70
Figura 38. Aplicación del removedor de pintura ... 70
Figura 39. Proceso de lijado terminado ... 71
Figura 40. Aplicación de masilla sobre los puntos lijados ... 71
Figura 41. Acabados del cono de contracción ... 72
Figura 42. Estabilizador de flujo seleccionado ... 73
Figura 43. Corte del estabilizador de flujo para darle su forma definitiva .... 74
Figura 44. Aplicación de silicón en los bordes del cono de contracción ... 74
Figura 45. Colocación del estabilizador en su sitio ... 75
Figura 46. Plancha de tol galvanizado ... 75
Figura 47. Trazado del difusor ... 77
Figura 48. Corte y medición de la plancha de acero galvanizado ... 77
Figura 49. Plegado de la plancha de acero galvanizado ... 78
Figura 50. Difusor Terminado... 78
Figura 51. Perforación del difusor para sujetar el ventilador ... 79
Figura 52. Montaje del Difusor ... 79
Figura 53. Colocación de la rejilla de seguridad... 80
Figura 54. Estructura final del túnel de viento ... 80
viii
Figura 56. Pantalla LCD ... 82
Figura 57. Modulo adaptador LCD a I2C ... 83
Figura 58. Sensor FSR 402 ... 84
Figura 59. Diodos laser ... 85
Figura 60. Prototipo del circuito ... 86
Figura 61. Grafica Voltaje - fuerza de los sensores FSR 402 ... 87
Figura 62. Grafica fuerza - Voltaje de los sensores FSR 402 ... 88
Figura 63. Diseño del circuito en el software Eagle ... 89
Figura 64. Diseño de la placa electrónica ... 89
Figura 65. Placa electrónica terminada ... 90
Figura 66. Soldado de los componentes electrónicos en la placa... 90
Figura 67. Cajetín con el circuito electrónico incorporado ... 91
Figura 68. Conexión del circuito electrónico en el túnel de viento... 91
Figura 69. Panel de control terminad ... 92
Figura 70. Túnel de viento con sistema de aspirado y control electrónico incorporado. ... 92
Figura 71. Panel de control A ... 93
Figura 72. Panel de control B ... 93
Figura 73. Enchufes para alimentar los paneles de control ... 94
Figura 74. Encendido del ventilador de soplado ... 95
Figura 75. Posición del ventilador frontal para pruebas por aspirado ... 95
Figura 76. Encendido del ventilador de aspirado ... 96
Figura 77. Ubicación de los sensores en la sección de pruebas ... 97
Figura 78. Análisis del flujo en el Mercedes Benz SL65 convertible con techo ... 99
Figura 79. Análisis del flujo en el Mercedes Benz SL65 convertible sin techo ... 101
Figura 80. Análisis del flujo en el Nissan 350 z ... 102
Figura 81. Análisis del flujo en el Jeep Wranger Sahara ... 104
ix
Figura 83. Datos obtenidos para el Mercedes Benz SL 65 AMG: (a) a 0 m/s, (b) a 4.3m/s, (c) a 7.6 m/s ... 106
Figura 84 Ubicación del modelo Nissan 350 z sobre los sensores de fuerza ... 107
Figura 85. Datos obtenidos para el Nissan 350 z: (a) a 0 m/s, (b) a
4.3m/s, (c) a 7.6 m/s ... 108
Figura 86. Ubicación del modelo Jeep Wranger Sahara sobre los
sensores de fuerza ... 109
Figura 87. Datos obtenidos para el Jeep Wranger Sahara ... 109
Figura 88. (a) Caudal y (b) velocidad del flujo con el sistema de
soplado ... 111
Figura 89. (a) Caudal y (b) velocidad del flujo con el sistema de
x
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA Tabla 1. Valores de las propiedades termodinámicas de la ciudad de
Quito ... 42
Tabla 2. Dimensiones del diseño original del túnel de viento ... 42
Tabla 3. Valores Típicos de viscosidad en Pa.s ... 48
Tabla 4. Dimensiones del cono de contracción ... 51
Tabla 5. Dimensiones finales del túnel de viento... 63
Tabla 6. Fenómenos físicos ... 64
Tabla 7. Pérdidas ... 64
Tabla 8. Aplicaciones para los diferentes tipos de galvanizado ... 76
Tabla 9 Descripción de los pines del LCD ... 83
Tabla 10. Coeficientes aerodinámicos de los modelos a estudiar ... 98
Tabla 11. Parámetros para la evaluación del flujo ... 99
Tabla 12. Clasificación del flujo en el Mercedes Benz SL65 con techo ... 100
Tabla 13. Clasificación del flujo en el Mercedes Benz SL65 sin techo ... 102
Tabla 14. Clasificación del flujo en el Nissan 350 z ... 103
Tabla 15. Clasificación del flujo en el Jeep Wranger Sahara ... 105
Tabla 16. Registro de los datos obtenidos con el Mercedes Benz SL 65 AMG ... 107
Tabla 17. Registro de los datos obtenidos con el Nissan 350 z ... 108
Tabla 18. Registro de los datos obtenidos con el Jeep Wranger Sahara .. 110
xi
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA ANEXO 1. Ficha técnica Ventilador Axial ... 119
ANEXO 2. Dimensiones del ventilador Axial ... 120
ANEXO 3. Programación de la tarjeta electrónica arduino ... 121
ANEXO 4. Dimensiones de los Sensores FSR 400 ... 126
ANEXO 5. Dimensiones de los Sensores FSR 402 ... 127
ANEXO 6. Características de los sensores FSR 400 y 402 ... 128
ANEXO 7. Placa electrónica cara superior e inferior ... 129
xii
RESUMEN
La presente tesis de titulación se desarrolló con el propósito de aplicar los conocimientos adquiridos a lo largo de toda mi etapa como estudiante universitario, en lo que respecta al campo de la aerodinámica, que beneficiará a actuales y futuras generaciones de investigadores interesados en este campo de la mecánica de fluidos y sus respectivas ramas. Por esta razón y tomando en cuenta que la universidad posee un túnel de viento, se decidió realizar este estudio el cual permitió mejorar dicha herramienta de investigación, ya que se logró implementar un sistema generador de flujo por aspirado y un control electrónico que permitió incluir el análisis de la fuerza de sustentación negativa. Para lo cual en primer lugar, en base a toda la información que se obtuvo al inicio de este trabajo, conjuntamente con la que se adquirió en clase, se efectuó una serie de modificaciones estructurales en dicho túnel, las mismas que no solamente permitieron incorporar el nuevo sistema generador de flujo, sino que también hicieron posible la reducción de los niveles de pérdidas y su turbulencia. En segundo lugar se optimizó su versatilidad al incrementar sus aplicaciones, gracias al control electrónico que se instaló en él. Adicionalmente se elaboró una guía de operación del túnel lo más sencilla y explicativa posible, para que todos aquellos que necesiten utilizarlo, lo puedan hacer sin ningún tipo de inconveniente que pueda comprometer su integridad o la del túnel. Finalmente se realizó en dicho túnel de viento una serie de pruebas descritas en este documento, en las que se empleó vehículos a escala 1:18, que mediante su análisis se comprobó que la velocidad máxima alcanzada por el sistema generador de flujo por aspirado es de 8.41m/s, mientras que en el sistema generador de flujo por soplado es de 6.29m/s, genera menos turbulencia, mueve un mayor caudal de aire, de 1389x102 CFM a 1814x102 CFM, incrementó en un 34,6%
xiii
ABSTRACT
1
1. INTRODUCCIÓN
A medida que pasan los años y debido al gran crecimiento que ha sufrido la industria automotriz, los ingenieros automotrices han contemplado la necesidad de introducir nuevos campos de estudio en el diseño y construcción de vehículos con el fin de volverlos más: eficientes, seguros y obviamente menos contaminantes.
Uno de los campos de estudio que ha logrado solventar todas estas necesidades es precisamente la aerodinámica ya que la aplicación de esta en la ingeniería automotriz ha permitido: desarrollar coches cada vez más veloces sin la necesidad de realizar modificaciones en su motor o tener que aumentar el consumo de combustible, solo con el hecho de modificar su forma (perfil aerodinámico).
Los automóviles modernos, además de tener modificaciones en su perfil, poseen algunos dispositivos que aumentan la presión que el aire ejerce sobre el vehículo mejorando el agarre con el pavimento y manteniéndolos siempre en contacto con él, estos dispositivos crean una diferencia de presiones entre la zona que está por encima de ellos y la que está por debajo produciendo alteraciones en el flujo de aire que son aprovechadas para “presionar” al vehículo contra el piso. Obviamente para poder implementar estos dispositivos primero se los somete a pruebas y ensayos los cuales se llevan a cabo en los denominados túneles de viento.
2 permitiendo obtener datos más precisos que se asemejen lo máximo posible al comportamiento real (Blanco Santos, 2011).
Cabe mencionar que el solo hecho de tener disponible un túnel de viento para efectuar ensayos, no quiere decir que se tenga asegurados unos datos altamente precisos, la calidad de estos también depende en gran parte de las consideraciones tomadas en el diseño de todas y cada una de las partes del túnel para que cumplan adecuadamente la función respectiva para la cual fueron diseñadas, por esta razón es de suma importancia que se realice un amplio estudio de todos los parámetros que se deben tomar en cuenta previo al diseño, construcción o modificación de un túnel de viento.
Al contar con un túnel de viento en el taller de la universidad lo que se pretende es desarrollar una investigación mediante la cual se pueda realizar una serie de modificaciones que harán de dicho túnel una herramienta de estudio novedosa que cada vez sea más precisa, completa y versátil optimizando su funcionamiento e incrementando el rango de: aplicaciones, pruebas y ensayos que puedan desarrollarse en ella, dicha mejora permitirá que esta herramienta sea capaz de simular con mayor precisión los efectos aerodinámicos que se producen sobre las formas sólidas a estudiar.
El objetivo principal de este proyecto es: diseñar e implementar el sistema de aspirado y un control electrónico en el túnel de viento a escala, mediante una serie de modificaciones en su estructura, las mismas que permitirán obtener con mayor precisión los datos de las diferentes pruebas a realizarse en él. Para llegar a cumplir este objetivo general, se plantearon los siguientes objetivos específicos:
1. Recopilar información sobre la aerodinámica en túneles de viento por aspiración.
2. Determinar los parámetros técnicos para el diseño del sistema por aspiración en el túnel de viento.
3. Diseñar y construir el sistema de aspirado para el túnel de viento.
3
2. MARCO TEÓRICO
2.1. AERODINÁMICA
La aerodinámica es una parte de la mecánica de fluidos la cual se encarga del análisis del movimiento de un fluido gaseoso alrededor de un objeto sólido, estudiando los fenómenos que se producen cuando estos dos medios interactúan entre sí, dicho de otra manera la aerodinámica describe como se mueven los gases cuando se deslizan sobre una forma sólida determinada. De aquí el porqué de la importancia que se le atribuye dentro de la industria automotriz, ya que como se puede apreciar en la figura 1, el desempeño de un vehículo depende significativamente de su diseño aerodinámico, gracias a la presencia de las distintas fuerzas que se producen cuando el vehículo se desplaza a través del aire (Blanco Santos, 2011).
Figura 1. Líneas de flujo de aire
(Gómez Morales, Martin Navarro, Águeda Casado, & García Jiménez, 2016)
4 Todos los vehículos durante el rodamiento y gracias a la presencia del aire están sometidos a varios tipos de fuerza, como son: el arrastre, sustentación, fuerzas laterales, momentos, etc. Afectando no solo el movimiento del vehículo sino que también su rendimiento, consumo, desgaste; llegando incluso a producir ruidos los cuales afecta, tanto al vehículo como a sus ocupantes. Un excesivo arrastre por un inadecuado diseño que no permita distribuir correctamente el flujo d aire sobre el vehículo repercute significativamente en el consumo de combustible lo que conlleva a un aumento en los niveles de contaminación (Ruiz Aguirre & Curicama Gadvay, 2013).
Con los avances y el terreno que poco a poco ha ganado la aerodinámica en el campo automotriz ya no es suficiente con mejorar la tecnología en: el motor, la suspensión y los neumáticos incluso la reducción de la resistencia del aire ha pasado a segundo plano. Una vez que la resistencia del aire que afecta el avance del vehículo fue reducida, los diseñadores se vieron obligados a encontrar otra modificación que le otorgue a sus vehículos ventajas sobre los demás, la producción de una fuerza aerodinámica dirigida hacia abajo (sustentación negativa), que se considera más importante que la reducción de la resistencia del aire fue la respuesta y se convirtió en su prioridad (Pineda Maigua & Vega Santillan, 2010).
2.1.1. AERODINÁMICA DE LOS AUTOMÓVILES
5 Por otra parte en el mundo de las carreras, se sacrifica mucho la resistencia al avance para lograr fuerzas descendentes que presionen con mayor intensidad al vehículo contra el pavimento.
Por tal motivo es muy común ver en deportivos y autos de pista, varios tipos de alerones que generan “Downforce” (fuerza de sustentación negativa). Especialmente en los coches de F1 que producen suficiente carga aerodinámica como para conducir al revés, es decir, pueden producir una carga aerodinámica superior al mismo peso del coche, ya que esta fuerza es igual al cuadrado de la velocidad con la que el vehiculo se desplaza sobre la superficie (Beath, 2005).
Aunque un alerón influye significativamente sobre la resistencia al avance, los vehículos de carrera compensan esta pérdida al equipar motores con mucha potencia y caballos de fuerza adicionales (Beath, 2005).
2.1.2. RESISTENCIA AERODINÁMICA
La resistencia aerodinámica es la fuerza producida por el aire o cualquier tipo de fluido gaseoso sobre un cuerpo en movimiento la cual se opone al avance de dicho cuerpo. Son cuatro los factores cuyo producto dividido entre 2 da como resultado la resistencia aerodinámica estos son: la densidad del aire, la velocidad al cuadrado, la superficie frontal y el coeficiente de resistencia del vehículo (Pineda Maigua & Vega Santillan, 2010).
𝑅 =
12× 𝑉
2× 𝑑 × 𝐴 × 𝐶𝑥
[1]
Donde:
R: Resistencia aerodinámica d: Densidad del aire
V2: Velocidad del móvil al cuadrado
A: Área de la superficie frontal
6
2.1.2.1. Densidad del aire
La densidad del aire es una propiedad intrínseca del medio ambiente, es aproximadamente constante y no varía respecto al diseño del vehículo, dicho de otra manera es una variable que depende de factores externos al vehículo: la temperatura, altitud, presión atmosférica, etc. Motivo por el cual es de suma importancia tomar en cuenta estos valores según la ubicación en la cual se trabaje.
Para calcularla se recurre a la ecuación 2, descrita a continuación.
𝜌 =
𝑅:𝑇𝑃[2]
Donde:
p: Densidad del aire P: Presión atmosférica
R: Constante universal de los gases T: Temperatura del aire
2.1.2.2. Velocidad del móvil
La velocidad aunque no es un factor que distinga a un coche de otro aerodinámicamente hablando, es importante entender que afecta a todos por igual, por ejemplo: Si se multiplica la velocidad por 2, la resistencia se multiplica por 4. Intuitivamente, se podría pensar que la resistencia y la velocidad tienen una relación lineal o sea doble velocidad implicaría también doble resistencia pero resulta que la resistencia aerodinámica se incrementa mucho más deprisa que la velocidad.
7 en la fórmula para calcular la fuerza de resistencia al avance expresada a continuación en la ecuación 3, donde la potencia es directamente proporcional al cubo de la velocidad. Esto significa que cuando la velocidad se multiplica por 2, la resistencia lo hace por 4 y la potencia necesaria para vencer dicha resistencia nada menos que por 8 (Gómez Morales, Martin Navarro, Águeda Casado, & García Jiménez, 2016).
CV abs =
𝐶𝑥.𝐴.𝑉1.2253[3]
Donde:
CV abs: Potencia absorbida
𝐶𝑥: Coeficiente aerodinámico
A: Área
V: Velocidad
1.225: Constante adimensional
Por ejemplo, cómo se puede apreciar en la figura 2 que se muestra a continuación. Para mantener una velocidad constante en un tramo horizontal y sin viento un coche cualquiera podría necesitar las siguientes potencias para vencer exclusivamente su resistencia aerodinámica.
8 A 50 km/h alrededor de 2 CV
A 100 km/h alrededor de 16 CV A 200 km/h alrededor de 128 CV A 300 km/h alrededor de 432 CV
La resistencia aerodinámica a la rodadura y la resistencia mecánica requieren alguna potencia adicional pero muchísimo menor a la resistencia aerodinámica. Esta es la razón por la que una pequeña diferencia en velocidad, por ejemplo de 110 a 120 km/h representa una gran diferencia en consumo.
2.1.2.3. Superficie frontal
La superficie frontal es el área que ocupa el coche visto perfectamente de frente. En un plano sería el alzado del coche, cuya superficie depende de la altura, la anchura y la forma de ese alzado incluyendo neumáticos, espejos y todo lo que este expuesto al aire en el sentido de la marcha (Beath, 2005). La interpretación de esto es simple, esta sección frontal es la que va barriendo un volumen de aire por unidad de tiempo ver figura 3, cuando el coche se desplaza, y define la masa de aire que deberá apartarse. Es obvio que cuanto más aire se mueva, más trabajo implicara hacerlo.
9 Traducido a coches reales, los que son grandes en altura y anchura como: furgonetas, mono volúmenes, todo terrenos entre otros, se ven enormemente penalizados por el tamaño de su área frontal, mas no necesariamente por su longitud, ya que los coches largos tienen más oportunidades de hacer fluir el aire suavemente a su alrededor que los que son muy cortos (Gómez Morales, Martin Navarro, Águeda Casado, & García Jiménez, 2016).
2.1.2.4. Coeficiente de resistencia aerodinámica (Cx)
El coeficiente de resistencia aerodinámica (Cx) es la expresión de la resistencia que ofrece un cuerpo a moverse dentro de un fluido por razón de su forma. Se toma como un valor adimensional, a partir de la resistencia que produce una plancha cuadrada de metal, de 1m de lado.
Al coeficiente de la plancha antes mencionada se le atribuye un coeficiente Cx con un valor adimensional de 1, y a otros cuerpos en base a su forma y área frontal se les atribuye un valor como referencia a ese, tal y como se lo puede apreciar en la figura 4 (Gil, 2006).
10 Cabe mencionar que para reducir la resistencia lo máximo posible no basta con tan solo cambiar el diseño de su forma, también tiene gran importancia las proporciones del vehículo, para lo cual, la relación ideal entre su ancho y longitud es alrededor de 1/3, cuanto más suaves y alargadas sean las curvas que vaya a realizar el flujo de aire para rodear al coche, mejor. (Gómez Morales, Martin Navarro, Águeda Casado, & García Jiménez, 2016)
Una de las formas aerodinámicas más empleadas es la gota de agua suspendida, característica del ala de un avión, y ya que los primeros especialistas en introducir la aerodinámica dentro del campo automotriz provenían del sector aeronáutico implementaron esta forma en el diseño de vehículos con el fin de reducir su resistencia.
A continuación en la figura 5 se observa diferentes cuerpos con su respectivo coeficiente aerodinámico (Cx), al igual que la dispersión de las líneas de flujo a lo largo de sus diferentes perfiles y la turbulencia que estos generan en su parte posterior una vez que el flujo lo haya rodeado completamente (Gómez Morales, Martin Navarro, Águeda Casado, & García Jiménez, 2016).
Figura 5. Coeficiente Cx para diferentes formas
11 Al contrario de lo que se podría esperar, la parte posterior y la forma en la que el aire rellena el vacío detrás del coche como se observa en la figura 6, es incluso más importante que la parte frontal, aerodinámicamente hablando.
Figura 6. Distribución del flujo de aire en la parte posterior del vehículo (Tablado, 2014)
Es curioso que hoy en día aun no es posible terminar de desarrollar el aspecto aerodinámico de un coche sin disponer de un túnel de viento, ya que la simulación por ordenador todavía no ha llegado a ese nivel de exactitud, a causa de la naturaleza caprichosa del aire en movimiento.
El coeficiente aerodinámico indica la resistencia aerodinámica medida en un túnel de viento, cuanto más bajo, mejor. El record lo ostenta el pingüino con un Cx de 0,03 cuya forma se basa en una gota de agua, el coeficiente de los turismos oscila entre 0,2 y 0,4 mientras que el Cx de un auto formula 1 es de 1,2 obviamente es más alto, pero también tiene más fuerza de salida. Véase figura 7 (Volkswagen AG, 2013).
12
2.1.3. SUSTENTACIÓN “DOWN FORCE”
Sustentación es una fuerza ocasionada por el flujo de un fluido gaseoso en dirección perpendicular a la dirección del movimiento de un móvil. La fuerza de sustentación recibe su nombre del uso que se le da habitualmente en la aviación el cual es el de sustentar en el aire un objeto volador (Aeronaves), existen dos tipos de sustentación de acuerdo al sentido de esta fuerza, como se muestra en la figura 8 si dicha fuerza separa al cuerpo de la superficie se denomina sustentación positiva de gran aplicación en la aeronáutica, y si por el contrario dicha fuerza presiona al cuerpo contra el piso se denomina sustentación negativa. No solo los aviones explotan la fuerza de sustentación, el agarre de los automóviles en las curvas y la generación de una sustentación negativa es una buena forma de mejorar este agarre (Pineda Maigua & Vega Santillan, 2010).
Figura 8. Sustentación positiva y negativa (Gil, 2006)
2.2. DINÁMICA DE FLUIDOS
2.2.1. FLUIDO IDEAL
13 resulta una razonable aproximación a la realidad, se puede aplicar algunas de sus propiedades y leyes de movimiento a los fluidos reales (Bermeo Vallejo, Siguencia Bermeo, & Serpa Medina, 2012).
Tales como:
Viscosidad cero
Son incompresibles
El flujo es laminar
La velocidad de todas las moléculas del fluido en una sección transversal de tubería es la misma
2.2.2. FLUIDO REAL
Los fluidos reales a diferencia de los ideales (condicionados, o de laboratorio) poseen una cierta viscosidad, es decir, un rozamiento interior que origina tensiones tangenciales, Estos fluidos viscosos con mayor frecuencia se encuentran en situación practica y aunque su análisis es mucho más complejo debido a la inclusión de las fuerzas viscosas, se utilizan en una gama de aplicaciones mucho más amplia que la de los fluidos ideales (Bermeo Vallejo, Siguencia Bermeo, & Serpa Medina, 2012).
2.2.3. FLUJO LAMINAR
Se dice que un fluido tiene flujo laminar llamado también corriente laminar, cuando tiene un movimiento uniforme y perfectamente ordenado es decir, que dicho movimiento sea en delgadas capas que permanezcan paralelas entre sí a lo largo de toda su trayectoria sin entremezclarse, formando líneas suaves cada una de estas con una misma velocidad en todos sus puntos, se dice que este tipo de flujo es aerodinámico.
14 Figura 9. Flujo laminar
(González, 2011)
2.2.4. FLUJO TURBULENTO
El flujo turbulento es más comúnmente desarrollado debido a que la naturaleza tiene tendencia al desorden y esto en términos de flujo significa tendencia hacia la turbulencia. Este tipo de flujo se caracteriza por trayectorias circulares erráticas, semejantes a remolinos. Es decir existe una gran irregularidad en la velocidad y recorrido que sufren sus partículas, ya que estas varían aleatoriamente. El flujo turbulento ocurre cuando las velocidades de flujo son generalmente muy altas o también cuando sus viscosidades son muy bajas. Las flechas curvas de la figura 9 representan las trayectorias de sus partículas (Pineda Maigua & Vega Santillan, 2010).
Figura 10. Flujo turbulento (González, 2011)
2.2.5. FUJO MÁSICO
15 ayudará a encontrar las velocidades y presiones del flujo en el túnel de viento, se obtiene con la ecuación 4 (Duarte Agudelo & Niño Vicentes, 2004).
𝑚 = 𝜌. 𝑣. 𝐴
[4]
Donde:
M: Flujo másico Ρ: Densidad
V: Velocidad máxima en la sección de pruebas A: Área transversal en la sección de pruebas
2.2.6. CAUDAL
Al igual que el flujo másico tiene gran importancia dentro del estudio de la aerodinámica, ya que este valor indica el volumen de aire que se desplaza por unidad de tiempo, se lo calcula con la ecuación 5, el caudal es necesario para determinar las propiedades y características del ventilador que se va a utilizar (Bermeo Vallejo, Siguencia Bermeo, & Serpa Medina, 2012).
𝑄 =
𝑚𝜌[5]
Donde: Q: Caudal M: Flujo Másico Ρ: Densidad
2.3. PRINCIPIOS AERODINÁMICOS
2.3.1 NÚMERO DE REYNOLDS
16 varia al modificar la velocidad y/o la viscosidad de un fluido, quedando condicionado por un valor adimensional, hoy llamado Numero de Reynolds (Re) en su honor (Levi, 2006).
Cuando un fluido con flujo laminar aumenta su velocidad, toma un movimiento desordenado en forma de remolinos creando corrientes cruzadas, es decir, se convierte un flujo turbulento. El paso de flujo laminar a turbulento no es inmediato por esta razón Osborne Reynolds en su estudio relaciono: la velocidad, densidad, viscosidad y el diámetro de la tubería por donde circula el fluido obteniendo un valor adimensional que determina el tipo de flujo utilizando la ecuación 6:
𝑅𝑒 =
𝐷.𝑣.𝑝𝑢[6] Donde:
Re:
Número de ReynoldsD:
Diámetro de la tuberíaV:
Velocidad del fluidop:
Densidad del fluidou:
Viscosidad del fluido Cuando el número de Reynolds está por debajo de 2300 el fluido posee flujo laminar.
Cuando el número de Reynolds está entre 2300 y 4000 se considera como flujo de transición.
Cuando el número de Reynolds está por encima de 4000 el fluido posee flujo turbulento.
17
𝐷ℎ =
4𝐴𝑃𝑀
[7]
Donde:
Dh
:
Diámetro EquivalenteA
:
Área de la sección transversalPM
:
Perímetro mojadoFigura 11. Cálculo de secciones transversales y perímetros mojados (Mott, 2006)
2.3.1.1. Perímetro mojado
El perímetro mojado se define como la suma de la longitud de los límites de la sección que realmente está en contacto con el fluido (Bermeo Vallejo, Siguencia Bermeo, & Serpa Medina, 2012).
2.3.1.2. Viscosidad
18 objeto de análisis en un laboratorio ya que no existen en el campo real, por ende todos los fluidos reales presentan algo de viscosidad. Cabe señalar que la viscosidad sólo se manifiesta en fluidos en movimiento.
La viscosidad es característica de todos los fluidos, tanto líquidos como gaseosos. Pero a diferencia de los líquidos, aumentan su viscosidad con la temperatura. Esto se debe principalmente a que la temperatura hace que la agitación de las moléculas aumente y rocen con más vigor a los objetos que intentan moverse en ese fluido gaseoso. La viscosidad de un gas en general es proporcional a la raíz cuadrada de su temperatura absoluta (medida en Kelvin) Esto se dedujo empíricamente. Igualmente, un aumento de presión hace aumentar la viscosidad de los gases (Barrow, 2002).
La viscosidad en los gases puede compararse con la fricción que experimentan los objetos solidos pero con la diferencia de que la viscosidad es independiente de la presión. Sin embargo a altas presiones aumenta con la presión.
2.3.2. CAPA LÍMITE
Cuando un fluido se desplaza sobre una superficie, gracias a la fricción, la capa más cercana a la superficie se detiene por completo. Sobre esta capa se forman otras capas, cada una de las cuales tiene menos fricción que la anterior y por tanto mayor velocidad, así hasta que a partir de una capa determinada no exista fricción y las siguientes capas tengan la velocidad libre del fluido.
Como se representa en la figura 12: al conjunto de capas que van desde la que tiene velocidad cero (la más cercana a la superficie) hasta la que tiene velocidad libre se le llama capa limite, y a la distancia entre la primera y la última se le denomina espesor de la capa limite.
19 En el caso de un sólido moviéndose en el interior de un fluido, una capa limite laminar proporciona menor resistencia al movimiento.
Figura 12. Capa límite (Ruiz Aguirre & Curicama Gadvay, 2013)
2.3.3. PRINCIPIO DE BERNOULLI
El fluido hidráulico en un sistema contiene energía en dos formas: energía cinética y energía potencial. Daniel Bernoulli, un científico suizo demostró que en un sistema con flujos constantes, la energía es transformada cada vez que se modifica el área transversal del tubo.
El principio de Bernoulli representado en la figura 13, dice que la suma de energías potencial y cinética, en los varios puntos del sistema, es constante, si el flujo es constante. Cuando el diámetro de un tubo se varía, la velocidad también se varía.
20 La energía cinética aumenta o disminuye durante el recorrido de un fluido, y ya que la energía no puede ser creada ni tampoco destruida, el cambio de la energía cinética se compensa con el de la presión. En otras palabras, el principio de Bernoulli, ecuación 8, puede considerarse como una demostración del principio de la conservación de la energía, para los fluidos.
𝑃
1+
12𝜌. 𝑉
12+ 𝜌𝑔𝑧
1= 𝑃
2+
12𝜌. 𝑉
22+ 𝜌𝑔𝑧
2[8]
Donde:
V: Velocidad del fluido en la sección considerada g: Aceleración gravitatoria
z: Altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia P: Presión en la sección considerada.
ρ: Densidad del fluido
2.3.4. EFECTO VENTURI
Cuando el desnivel es cero, la tubería es horizontal. Se tiene entonces, el denominado tubo de Venturi, cuya aplicación práctica es la aplicación de la velocidad del fluido en una tubería. El manómetro mide la diferencia de presión entre las dos ramas de la tubería ver figura 14 (Mott, 2006).
21 La ecuación 9 describe a la ecuación de continuidad:
v
1.S
1= v
2.S
2 [9]Donde:
v1: Velocidad del fluido en el punto 1
v2: Velocidad del fluido en el punto 2
S1: sección área 1
S2: sección área 2
2.3.5. NÚMERO DE MACH
Uno de los parámetros más importantes que se presentan en el análisis de un flujo compresible, es el número de Mach (M), el cual es la relación entre la velocidad del flujo y la velocidad local del sonido, expresado por un valor adimensional que clasifica al flujo en tres grandes grupos en base a su velocidad, para calcularlo se utiliza la ecuación 10.
Si la velocidad del flujo es igual a la velocidad del sonido se obtiene un numero de Mach M=1, lo que quiere decir que se tiene una velocidad sónica, en el caso que se tenga M<1 o M>1 se obtendría una velocidad subsónica y supersónica respectivamente (C. Rolle, 2006).
𝑀 =
𝑉𝑐[10]
Donde:
V: Velocidad del flujo c: Velocidad del sonido
22
2.3.6. PRESIÓN ESTÁTICA
Básicamente la presión estática es la presión ejercida por un fluido ya sea este líquido o gaseoso, que permanezca en reposo. En otras palabras la presión en un fluido que no tenga movimiento se denomina presión estática, y pasa a ser la presión ambiental (Ruiz Aguirre & Curicama Gadvay, 2013). La presión total que ejerce un fluido es la suma de su presión estática y su presión dinámica, actúa por igual en todas las direcciones.
2.3.7. PRESIÓN DINÁMICA
Presente en los fluidos que se desplazan por un conducto, cuando un fluido está en reposo su presión dinámica es cero, y en consecuencia su presión total es igual a la presión estática, a diferencia de esta, la presión dinámica actúa únicamente en la dirección del flujo. Esta fuerza definida por la ecuación 11 se produce por la acción de lapresiónconocida comodinámica la cualdepende de la velocidad y la densidad del fluido (Bermeo Vallejo, Siguencia Bermeo, & Serpa Medina, 2012).
𝑞 =
12𝑝. 𝑣
2[11]
Donde:
q:
Presión dinámicap:
Densidad del fluidov:
velocidad: del fluido2.4. TÚNEL DE VIENTO
23 las distintas fuerzas aerodinámicas. Este mecanismo de investigación simula las condiciones reales experimentadas por un cuerpo que se mueve a través del aire, aquí el cuerpo permanece inmóvil mientras se fuerza el paso de aire o gas sobre su perfil tal y como se representa en la figura 15 (Pineda Maigua & Vega Santillan, 2010).
Figura 15. Túnel de viento (Farrarons, 2010)
2.4.1. TIPOS DE TÚNELES DE VIENTO
Los túneles de viento se clasifican de acuerdo a tres aspectos básicos que determinan su funcionamiento, los cuales son: la circulación del aire en su interior, la velocidad del flujo de aire, y por la dirección del flujo.
2.4.1.1 Por la circulación de aire en su interior
Con circuito abierto
24 Este tipo de túneles se subdividen a su vez en túneles de ciclo abierto por aspirado y soplado, la diferencia entre estos dos radica en la ubicación del ventilador, en el de soplado el ventilador se ubica al inicio del túnel, antes de la sección de pruebas, contrariamente en el de aspirado el ventilador se ubica después de la sección de pruebas, al final del túnel.
Con circuito cerrado
Como su nombre lo indica, este tipo de túneles forman un laso cerrado conectando directamente la salida del difusor con la entrada del túnel. Son usualmente más largos y complejos de construir. Su diseño es mucho más exigente puesto que se debe considerar la uniformidad en el retorno del aire. Continuación en la figura 16 se representa un túnel de viento abierto en la parte superior y uno cerrado en la parte inferior.
Figura 16. Esquema de un túnel de viento: (a) con circuito abierto y (b) circuito cerrado (Blanco Santos, 2011)
2.4.1.2. Por la velocidad del flujo
25
Túnel subsónico
El flujo de aire en este tipo de túnel tiene poca velocidad, está diseñado para pruebas con un numero bajo de mach, las velocidades máximas en la sección de pruebas llegan hasta los 400km/h, lo que da un numero de Mach M=0.3.
Túnel transónico
También conocidos como túneles de viento subsónicos altos, se diseñan con los mismos principios que los túneles de viento subsónicos. Los túneles transónicos pueden alcanzar velocidades cercanas a la del sonido el número de mach en estos túneles esta entre 0.4 y 0.75 (0.4<M<0.75).
Túnel Supersónico
En este túnel de viento las velocidades del flujo de aire superan la velocidad del sonido dándo como resultado un numero de Mach comprendido entre 1.2 y 5 (1.2<M<5), debido a esto es posible que se produzca condensación o licuefacción del aire en su interior, por esta razón este tipo de túnel tiene que ser hermético.
Túnel hipersónico
En este tipo de túnel se genera un campo del flujo hipersónico en la sección de trabajo. La velocidad que estos túneles entregan poseen un numero de Mach con valores que van desde M=5 hasta M=15. Como con los túneles de viento supersónicos, estos tipos de túneles deben funcionar intermitentemente con los cocientes de muy alta presión.
26 Figura 17. Clasificación de los túneles de viento por la velocidad del flujo
(Bermeo Vallejo, Siguencia Bermeo, & Serpa Medina, 2012)
2.4.1.3. Por la dirección del flujo
Túnel de viento vertical
Un túnel de viento vertical es un gran cilindro que puede ser cerrado o abierto, con grandes ventiladores o turbinas ubicadas en la parte inferior del túnel capaces de generar un fuerte flujo de aire ideal para mantener suspendido un cuerpo en el aire, simulando una caída libre a una velocidad superior a los 195 km/h.
Este tipo de túnel de viento tiene una amplia aplicación en el campo deportivo al ser de caída libre, simula las condiciones de paracaidismo (Bermeo Vallejo, Siguencia Bermeo, & Serpa Medina, 2012).
27
Figura 18. Túnel de viento vertical (Caiafa, 2016)
Túnel de viento horizontal
Como su nombre lo indica, el circuito que sigue el flujo de aire es horizontal, las aplicaciones de este túnel son más generales, las cuales van desde aplicaciones deportivas hasta automotrices, aeronáuticas e incluso navales. Su rango de velocidades puede ir desde subsónicas hasta hipersónicas. En la figura 19 se puede observar una fotografía de este tipo de túnel (Gómez Morales, Martin Navarro, Águeda Casado, & García Jiménez, 2016).
28
2.4.2. TÚNEL DE VIENTO POR ASPIRADO
Como su nombre lo indica aspira o succiona el flujo de aire en lugar de soplarlo, esto gracias a la ubicación del ventilador, la cual se encuentra después de la sección de pruebas, ver figura 20, lo que significa una gran ventaja con respecto al túnel por soplado, ya que produce menos turbulencia por el hecho de que el aire primero pasa por la sección de pruebas y después atraviesa las aspas del ventilador, en cambio en el túnel de viento por soplado es al contrario, el aire primero pasa por las aspas del ventilador generando mucha turbulencia en el flujo antes de dirigirse a la sección de pruebas, por tal razón en este tipo de túneles se debe colocar más estabilizadores de flujo que aportan en la reducción de la turbulencia, pero este aumento de estabilizadores repercute directamente en el rendimiento del ventilador, por otro lado en el túnel de viento por aspiración las velocidades del flujo son mayores, y el flujo con mucho menos turbulencia permitiendo obtener datos mucho más precisos en los ensayos aerodinámicos.
Previamente en este proyecto de investigación se estableció que un túnel de viento es una herramienta de estudio que facilita el análisis de la eficiencia aerodinámica en distintos cuerpos sólidos, mediante la simulación de las condiciones reales a las que están sometidos dichos cuerpos, para lo cual, esta simulación debe ser lo más precisa posible y esto se consigue con un túnel de viento cuyo diseño y modo de funcionamiento produzca un flujo de aire lo más laminar posible y el túnel que produce un flujo laminar ideal para el estudio es el que funciona con el método de aspiración.
29
2.4.3. PARTES DEL TÚNEL DE VIENTO POR ASPIRADO
En la figura 21 se puede apreciar un túnel de viento por aspirado con cada una de sus partes plenamente identificadas.
Figura 21. Partes del túnel de viento subsónico (Pineda Maigua & Vega Santillan, 2010)
2.4.3.1. Panal de abejas o estabilizador de flujo
Los panales o rectificadores de flujo son elementos que se colocan en la entrada del túnel de viento para “encarrilar” el flujo de aire en trayectorias lineales y ordenadas evitando así que se produzcan variaciones en su velocidad con el fin de reducir la turbulencia del flujo de aire que ingresa al túnel.
En consecuencia estos estabilizadores están formados por pequeños orificios que pueden tener 3 tipos de forma geométrica, cada uno con su respectivo coeficiente de perdida k, están dispuestos en forma de un panal de abejas como se puede observar en la figura 22.
30 diseñado de tal forma que no solamente reduzca la turbulencia sino que también la caída de presión sea lo más mínima posible.
Figura 22. Estabilizador de flujo (Pineda Maigua & Vega Santillan, 2010)
2.4.3.2. Cono de contracción
La función del cono de contracción es la de aumentar la velocidad del flujo de aire cuando ingresa a la sección de pruebas, esto se logra al reducir el área transversal en la entrada de dicha sección, gracias a la ecuación de continuidad ecuación 9, se puede explicar de mejor manera este fenómeno al despejar el valor de la velocidad, como se muestra en la ecuación 12.
𝑉1 =
𝑉2.𝑆2𝑆1[12]
31 contracción es mayor que la sección transversal al final de dicho cono (Bermeo Vallejo, Siguencia Bermeo, & Serpa Medina, 2012).
Figura 23. Cono de contracción (Pineda Maigua & Vega Santillan, 2010)
2.4.3.3. Sección de pruebas
Se ubica a continuación del cono de contracción y es la parte del túnel de viento en la cual se realizan los ensayos, aquí es donde se colocan los cuerpos que se pretenden analizar ´por esta razón esta sección del túnel debe estar construida con un material transparente que permita visualizar el comportamiento del flujo de aire en su interior. Véase la figura 24
Las dimensiones de esta sección son determinantes en la calidad de los datos, ya que pueden afectar en la uniformidad del flujo, para evitar esto se recomienda que la relación entre el largo y el alto de esta sección este dada por un valor de 3 o superior (Pineda Maigua & Vega Santillan, 2010).
32
2.4.3.4. Difusor
El difusor es otro elemento del túnel de viento que se encarga de reducir las pérdidas y corregir la turbulencia, es tan importante que incluso contribuye más que el estabilizador de flujo, siendo su aportación aproximadamente la mitad de lo que aporta el difusor, razón suficiente para ser muy meticulosos a la hora de diseñar este elemento.
El difusor tiene un funcionamiento similar al del cono de contracción, utiliza los mismos principios pero lo hace de forma opuesta, es decir al contrario del cono de contracción, el difusor recibe el flujo de aire con alta velocidad y baja presión para convertirlo en un flujo de aire con alta presión y baja velocidad, aumentando gradualmente su sección transversal para evitar la ruptura de la capa limite (Bermeo Vallejo, Siguencia Bermeo, & Serpa Medina, 2012).
A continuación en la figura 25 se muestra un esquema básico de la forma más común que poseen los difusores.
Figura 25. Difusor
(Pineda Maigua & Vega Santillan, 2010)
2.4.3.5. Ventilador
33 constituido por aspas, y se clasifican según: la forma, el número y la inclinación de estas.
Las aspas giran alrededor de un eje común que va directamente conectado a un motor eléctrico. El aire entra y se descarga en la misma dirección con algo de movimiento sinuoso, esto hace que el ventilador sea de gran eficiencia y que normalmente su rendimiento sea aproximadamente del 80% (B. Williams & D. Gracey, 2009).
Figura 26. Ventilador (Jutglar Banyeras, 2005)
Para tomar una correcta decisión a la hora de elegir un ventilador que sea capaz de cumplir con nuestros requisitos lo más eficientemente posible, se debe tener muy en cuenta los siguientes conceptos:
Caudal necesario
Presión necesaria
Tipo de alimentación eléctrica
Caudal del ventilador
El caudal de un ventilador es la cantidad de aire que este mueve por una unidad de tiempo habitualmente se lo expresa en pies3/min o también por
34 En el Sistema Internacional las unidades que más se emplean para expresar el caudal y la velocidad son el m3/s y el m/s respectivamente. En sistemas
cuyas velocidades de flujo son relativamente pequeñas se emplea el l/s (litros por segundo) (Mott R. , 2006).
1 pie3/s = 60 pies3/min = 60 CFM
1 m3/s = 2120 pies3/min = 2120 CFM
1 pie/s = 60 pies/min
Presión del ventilador
Es el valor de la fuerza que ejerce el ventilador para vencer las pérdidas de carga de un circuito de ventilación y así poder mover la cantidad de aire para la cual fue diseñado. Sus unidades de medida son mm c.a. (milímetros columna de agua) y Pa (pascales).
9.8Pa = 1 mm c.a.
Potencia Instalada
Es la potencia mecánica útil, que desarrolla el motor eléctrico en su eje, para ser aprovechada por la hélice o turbina del ventilador. Su unidad de mediada es Kw (Kilowatios).
1 Kw = 1,36 CV
Potencia absorbida
35
2.4.4. VELOCIDAD DEL FLUJO
La velocidad con la que se desplaza dentro del túnel de viento el flujo de aire aspirado por el ventilador, es una velocidad de simulación, proporcional a la escala del modelo a analizar, la misma que se obtiene con el anemómetro. Para calcular la velocidad que esta representa en un tamaño real se utiliza la ecuación 13, remplazando los datos en base a los que se obtenga con el anemómetro en las pruebas.
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑎𝑙
36
3. METODOLOGÍA
El presente capítulo de este proyecto consta de una breve explicación de los diferentes métodos de investigación empleados en el desarrollo de este estudio, métodos sin los cuales esta investigación no estaría correctamente estructurada y su elaboración habría presentado un mayor nivel de complejidad y desorganización. Una apropiada elección de la metodología dentro de una investigación permitirá: conseguir un mayor aprovechamiento de nuestra información, realizar un análisis más completo y alcanzar los objetivos con un manejo eficiente de nuestros recursos, entre otras ventajas. Existe una infinidad de autores y organizaciones los cuales tienen su propia definición de investigación, pero básicamente se podría decir que la investigación es un proceso en el cual se recolecta información con la finalidad de contribuir con una mejora o cambio con beneficios dentro de un determinado campo cualquiera que sea este.
Existen varios procesos disponibles para recolectar la información, estos procesos también denominados métodos, en la mayoría de los casos se eligen en base al campo de la ciencia dentro del cual se desarrollará la investigación. Con la finalidad de tomar el procedimiento más apropiado que permita alcanzar los objetivos planteados previamente en esta investigación, se ha resuelto emplear los siguientes métodos:
Método deductivo
Método analítico
Método experimental
La observación
La experimentación
37 así, de este modo decidir los temas y subtemas a tratar en este trabajo, cuya información será determinante para comprender con claridad todo su contenido.
Una vez que se terminó de recolectar toda la información pertinente para el desarrollo de este trabajo, el método analítico fue otra herramienta clave en el desarrollo de esta investigación, ya que del análisis de dicha información se desprendieron las pautas necesarias para llevar a cabo la parte experimental. Comenzando por establecer los parámetros ambientales que influirán en el funcionamiento del túnel de viento donde se obtuvo el valor de la densidad del aire mediante la ecuación 2, a partir de este valor con la ecuación 4 y 5 se obtuvo el flujo másico y el caudal respectivamente, luego mediante el uso de la ecuación 10 se obtuvo el número de Mach para determinar si el flujo de aire seria compresible o no. El siguiente factor a determinar era el tipo de flujo establecido por el número de Reynolds para el que se empleó la ecuación 6, y la ecuación 7. Luego para calcular las perdidas en la sección de pruebas se resolvió la ecuación 16. A continuación se analizó el cono de contracción que ya tenía el túnel de viento donde se calculó la velocidad y presión del flujo con las ecuaciones 9 y 8 respectivamente, con la ecuación 19 se calculó la reducción en las pérdidas al implementar el estabilizador de flujo.
Se inició con el diseño del difusor donde fue necesario emplear las ecuaciones 20, 21 y 22, claramente detalladas en la sección 4.1.6 del siguiente capítulo, para calcular la velocidad y presión del flujo en esta sección nuevamente fue necesario el uso de las ecuaciones 9 y 8, con la ecuación 23 se obtuvo la reducción de las pérdidas producida por la incorporación de este elemento, y con la ecuación 25 se obtuvo la caída de presión total producida en el túnel de viento.
38 transforme a valores fáciles de interpretar para los operarios del túnel de viento, se utilizó la ecuación 26.
También se recurrió al método científico de la observación ya que según (Carvajal, 2013), este método mediante el uso de instrumentos permite al investigador obtener información sobre un hecho o fenómeno sin modificar el desarrollo del mismo. Por ejemplo entre las principales modificaciones que se pretende realizar en este proyecto esta mejorar el sistema que suministra el humo en el flujo de aire para tener una mejor visualización y por ende un mejor análisis de este, lo que obviamente es posible efectuar gracias al sentido de la vista, pero esta investigación no solo se queda ahí, otra de las principales modificaciones a realizar busca registrar y analizar la fuerza de sustentación negativa producida por el flujo de aire sobre diferentes perfiles aerodinámicos, para lo cual se realizara una “observación científica” de fuerzas y presiones, magnitudes que no son percibidas por el sentido de la vista sino más bien por el sentido del tacto, pero ya que nuestro tacto no es capaz de medir estas magnitudes se optó por la implementación de sensores de presión, para hacer posible dicha observación científica que no necesariamente tiene que ser percibida por la vista.
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4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
En el presente capítulo se abordó toda la información referente al diseño y construcción de los nuevos elementos y modificaciones que se llevaron a cabo en el túnel de viento, así como las pruebas desarrolladas, una vez que todos estos cambios fueron terminados en el nuevo túnel de viento.
4.1. ANÁLISIS DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO DEL
SISTEMA DE ASPIRACIÓN PARA EL TÚNEL DE VIENTO
Como se mencionó anteriormente en esta investigación y gracias a que ya se dispone de un túnel de viento en el taller de la universidad el cual está representado en la figura 27, se implementara un sistema de aspirado en dicho túnel de viento, que inicialmente fue construido para trabajar con un sistema generador de flujo de aire por soplado, pero que ahora, gracias a este proyecto tendrá la capacidad de trabajar con dos sistemas generadores flujo de aire diferentes, uno por soplado y otro por aspirado, además del control electrónico que permitirá el análisis de la fuerza de sustentación.
Figura 27. Túnel de viento del taller de la Universidad antes de ser modificado