Diseño y manufactura de un túnel de agua para visualización de flujo

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(1)DISEÑO Y MANUFACTURA DE UN TÚNEL DE AGUA PARA VISUALIZACIÓN DE FLUJO. HANS PETER GOLDRING ANGEL. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. Enero de 2005.

(2) DISEÑO Y MANUFACTURA DE UN TÚNEL DE AGUA PARA VISUALIZACIÓN DE FLUJO. HANS PETER GOLDRING ANGEL. Trabajo de Grado presentado a la Universidad de Los Andes como requisito parcial de grado Programa de Pregrado en Ingeniería Mecánica. Asesor Ing. Álvaro Pinilla, PhD, MsC.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. Enero de 2005.

(3) IM-2004-II-21. DISEÑO Y MANUFACTURA DE UN TÚNEL DE AGUA PARA VISUALIZACIÓN DE FLUJO. HANS PETER GOLDRING ANGEL. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. Enero de 2005. III.

(4) IM-2004-II-21. Nota de aceptación:. Asesor. Bogotá D.C., Enero de 2005. IV.

(5) IM-2004-II-21. Página del Lector. La Universidad de Los Andes requiere la firma de todas las personas que utilicen o fotocopien esta tesis. Favor firmar debajo dando nombre y dirección.. V.

(6) IM-2004-II-21. Carta de Presentación. Bogotá, Enero 28 de 2005. Doctor ÁLVARO PINILLA Director Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de Los Andes. Estimado Doctor Pinilla: Por medio de la presente me permito poner en consideración el Proyecto de Grado titulado: Diseño y manufactura de un túnel de agua para visualización de flujo como requisito parcial de grado del programa de Pregrado en Ingeniería Mecánica. Agradezco su amable atención y me suscribo de usted,. Atentamente,. Hans Peter Goldring. VI.

(7) IM-2004-II-21. Agradecimientos Se construyó un instrumento didáctico para el área de fluidos y de aerodinámica, que ojalá sea utilizado por años, que se optimice, se instrumente y que sea una herramienta valiosa que aporte algo a la ciencia. A todos los que de alguna forma colaboraron, a los que se interesen, lo cuiden ylo aprovechen, Gracias.. VII.

(8) IM-2004-II-21. Tabla de Contenido. PÁGINA DEL LECTOR. V. CARTA DE PRESENTACIÓN. VI. AGR ADECIMIENTOS. VII. TABL A DE CONTENIDO. VIII. LISTA DE TABL AS. X. LISTA DE ILUSTRACIONES. XI. INTRODUCCIÓN. 0. 1. FLUJO EN CAN AL ABIERTO. 1. 1.1. Apro ximación unidimensional. 1. 1.1.1 Clasificación del flujo por el número de Froude. 2. 1.1.2 Canales rectangulares. 3. 1.2. Capa límite cerca de una placa. 4. 1.3. Flujo viscoso en tuberías. 4. 1.3.1 . Tipos de flujo. 4. 1.3.2.. 5. Pérdida de cabeza por fricción. 2. DISEÑO. 7. 3. PROCESO DE MANUFACTUR A. 17. 3.1. Manufactura del molde. 17. 3.2. Manufactura del canal. 21. 3.3. Manufactura del banco. 25. 4. PRUEBAS DEL TÚNEL. 27. 4.1. Pruebas del flujo libre.. 27. 4.2. Pruebas de un perfil alar simétrico.. 31. 4.2.1 Pruebas del perfil a baja velocidad (7 cm/s).. 32. 4.2.2 Pruebas del perfil a alta velocidad (15 cm/s).. 33. CONCLUSIONES. 38. VIII.

(9) IM-2004-II-21. BIBLIOGR AFÍA. 39. ANEXO A. 40. IX.

(10) IM-2004-II-21. Lista de tablas Tabla 2-1: Características del túnel................................................................................15 Tabla 2-2: Gráfica de Cabeza contra caudal del túnel y la bomba...........................16. X.

(11) IM-2004-II-21. Lista de ilustraciones Ilustración 2-1: Túnel de agua de la NACA.....................................................................7 Ilustración 2-2: Diseño en Solid Edge del túnel de agua de circuito cerrado ............9 Ilustración 2-3: Simulación de deformación Túnel de circuito cerrado en Ansys....10 Ilustración 2-4: Túnel de agua de ROLLING HILLS RESEARCH CORPORATION. ......................................................................................................................................11 Ilustración 2-5: Diseño del prototipo, dibujo de Solid EdgeV12.................................11 Ilustración 3-1: Estructura interna del molde.................................................................18 Ilustración 3-2: Fabricación las curvas en el molde.....................................................18 Ilustración 3-3: Curvas macilladas del molde. ..............................................................19 Ilustración 3-4: Molde con acabado final.......................................................................20 Ilustración 3-5: Marcos para las ventanas.....................................................................20 Ilustración 3-6: Molde con las capas de GELCOAT. ...................................................21 Ilustración 3-7: Impregnación de la fibra........................................................................22 Ilustración 3-8: Extracción de las burbujas de aire al poner la fibra..........................23 Ilustración 3-9: Postura de los acrílicos.........................................................................24 Ilustración 3-10: Rectificador de flujo.............................................................................24 Ilustración 3-11: Túnel terminado....................................................................................26 Ilustración 4-1: Remolinos de la succión .......................................................................27 Ilustración 4-2: Pelota antidespurga..............................................................................28 Ilustración 4-3: Comportamiento del fluido a baja velocidad......................................29 Ilustración 4-4: Frente de velocidad. ..............................................................................30 Ilustración 4-5: Perfil con perforaciones para la tinta...................................................31 Ilustración 4-6: Perfil a baja velocidad a 10 grados .....................................................32 Ilustración 4-7: Perfil a baja velocidad a 20 grados.....................................................33 Ilustración 4-8: Perfil a alta velocidad a 0 grados.........................................................34 Ilustración 4-9: Perfil a alta velocidad a 10 grados......................................................35 Ilustración 4-10: Vista posterior del perfil a alta velocidad a 10 grados ...................35 Ilustración 4-11: Perfil a alta velocidad a 20 grados....................................................36. XI.

(12) IM-2004-II-21. Ilustración 4-12: Vista posterior del perfil a alta velocidad a 20 grados...................37. XII.

(13) IM-2004-II-21. INTRODUCCIÓN. El objetivo principal de un túnel de agua es poder estudiar la aerodinámica de objetos reales por medio de modelos a escala probados en agua, consiguiendo así en el modelo un. número de Reynolds igual al del objeto a escala real, Para poder esperar que el. comportamiento del modelo en el agua sea igual al del objeto real en el aire. Aunque este método no da tan buen resultado para medir grandes números de Reynolds como el del túnel de viento presurizado, puede ser de gran valor a nivel didáctico por tener un costo y una complejidad mucho menores que el túnel de viento presurizado, además de poderse divisar fácilmente el comportamiento de las corrientes de flujo al rededor de objetos ya sea a simple vista o con ayuda de partículas en suspensión..

(14) IM-2004-II-21. 1. FLUJO EN CANAL ABIERTO. El tema principal de este proyecto es el comportamiento de un fluido en un canal abierto. Lo que se quiere lograr en un túnel de agua de flujo abierto es que exista un flujo laminar estable en la sección de prueba y que la forma y los componentes del túnel tengan el menor efecto posible en el fluido.. La principal característica del flujo en canal abierto es la existencia de una superficie libre en contacto con una atmósfera. El flujo en ducto cerrado no tiene una superficie libre, y este es propulsado debido a un gradiente de presión a lo largo del eje del ducto. El flujo en canal abierto es propulsado por la gravedad yel gradiente de presión atmosférica es despreciable. La base de este tipo de flujo es el balance existente entre la gravedad y la fricción con las paredes del ducto.. 1.1. Aproximación unidimensional Un canal abierto siempre tiene dos paredes laterales y un fondo, donde el flujo satisface la condición de no haber deslizamiento. Debido a esto y a la viscosidad del fluido se encuentra una distribución tridimensional de velocidades. Estos perfiles de velocidad son complejos con una velocidad máxima típicamente en el centro del canal a un 20% de profundidad.. Como la densidad del fluido es prácticamente constante, la ecuación de continuidad del fluido se reduce a un flujo de volumen constante Q a lo largo del canal. Q = V( x) ∗ A( x ) = cons tan te Donde V es la velocidad media y A es el área ceccional del segmento.. 1.

(15) IM-2004-II-21. Una segunda relación unidimensional entre la velocidad media y la geometría del canal es la ecuación de conservación de la energía incluyendo pérdidas por fricción: V1 2 V2 + Y1 = 2 + Y2 + h f 2g 2g Donde z es la elevación total de la superficie libre del fluido la cual incluye la x − x1 V prom. hf = f 2 , siendo Dh 2g 2. profundidad y mas la altura del fondo. Donde f = función(Re d ,. ε d. , rugocidad sup erficial) ;. Dh = diámetro hidráulico =. 4A ; A = área seccional; P = perímetro P. El número de Reynolds del canal es: Re =. VRh. ν. ,. siendo R h =. 1 D 4 h. En un canal el flujo es turbulento si el número de Reynolds es mayor a. 1 E5.. 1.1.1 Clasificación del flujo por el número de Froude Una forma para clasificar los canales de flujo abierto. es por el número. adimensional de Froude, el cual es la división entre la velocidad de flujo y la velocidad de propagación de una ola en el canal. Para canales rectangulares con profundidad constante el número de Froude es: Fr =. V fluido V = Vola gy. Donde y es la profundidad del agua. El flujo se comporta de diferente manera dependiendo de estos tres regímenes: 2.

(16) IM-2004-II-21 Fr < 1.0. flujo subcrítico. Fr = 1.0. flujo crítico. fr > 1.0. flujo supercrítico. 1.1.2 Canales rectangulares q=. Q = V y igual a la descarga por unidad de ancho del canal rectangular b. La energía específica E para canales rectangulares es: E = y+. q2 2gy 2. E min = E ( y c ) =. donde q =. Q ; siendo b el ancho del canal. b. 3 y 2 c. Si E < E min no existe solución ⎛ Q2 ⎞ Siendo: Yc = y = ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝b g ⎠. 1 3. La velocidad crítica del canal es: Vc =. gyc = Co ;. Fr = 1. Dependiendo de la magnitud del número de Froude existen dos posibles soluciones: En el flujo subcrítico las perturbaciones pueden propagarse en contra de la corriente debido a que C o > V . En flujo supercrítico las olas viajan corriente abajo debido a que C o < V . En el flujo supercrítico la zona corriente arriba es una zona calmada.. 3.

(17) IM-2004-II-21. 1.2. Capa límite cerca de una placa El esfuerzo cortante en un fluido es proporcional a la diferencia de velocidades entre capas, y este esfuerzo aumenta al acercarse a la pared debido a que la velocidad relativa entre el flujo en contacto con la placa y la placa es cero. Esta es la condición de no deslizamiento y es característica del flujo de todos los fluidos viscosos. Cuando el número de Reynolds de la placa aumenta disminuye el espesor δ de la capa límite. Siendo el número de Reynolds de la placa: Re L =. ρ UL donde ρ es la densidad del agua , U es la velocidad del fluido fuera µ. de la capa límite, L es la longitud de la placa, y µ. es la viscosidad del fluido.. Para Re L > 1000 , la capa límite sea de flujo laminar o turbulento es muy delgada. Se define el espesor δ de la capa como el punto donde la velocidad u paralela a la placa es el 99% de la velocidad externa U .. δ L. δ L. ≈. 5. el fluido es laminar si 103 < Re L < 10 6. 1. Re L 2 ≈. 0.16 1. Re L. el flujo es turbulento. 106 < Re L. 7. 1.3. Flujo viscoso en tuberías. 1.3.1 . Tipos de flujo El comportamiento del flujo dentro tuberías varia dependiendo de la magnitud del número de Reynolds comportándose ya sea como un flujo laminar, transición a turbulento o turbulento.. 4.

(18) IM-2004-II-21 0 < Re d < 1. Laminar altamente viscoso. 1 < Re d < 100. Laminar altamente dependiente del número de Reynolds. 100 < Re d < 103 Laminar donde se puede calcular la capa límite 103 < Re d < 10 4 Transición a turbulento 104 < Re d < 106 Turbulento con baja dependencia del número de Reynolds 106 < Re d < ∞. Turbulento con una mínima dependencia del número de Reynolds. 1.3.2. Pérdida de cabeza por fricción Las pérdidas de cabeza por fricción son causadas por el rozamiento existente entre el fluido y las paredes internas del ducto. La ecuación de energía teniendo en cuenta las pérdidas de cabeza por fricción cuando la tubería tiene un área constante es: ⎛ P ⎞ ⎛V 2 ⎞ ⎛ P ⎞ ⎛V 2 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ + ⎜⎜ ⎟⎟ + Y1 = ⎜⎜ ⎟⎟ + ⎜⎜ ⎟⎟ + Y2 + h f ⎝ ρg ⎠ 1 ⎝ 2 g ⎠ 1 ⎝ ρ g ⎠ 2 ⎝ 2g ⎠ 2. siendo h f = f. LV 2 ε donde f = función(Re d , , rugosidad del ducto) d2g d. 1.3.3. Pérdidas de cabeza locales Las perdidas de cabeza locales son causadas por cambios en el área transversal del ducto, curvas, codos, válvulas y codos. La ecuación de energía teniendo en cuenta las pérdidas de cabeza por fricción y las pérdidas locales es: ⎛ P ⎞ ⎛V 2 ⎞ ⎛ P ⎞ ⎛V 2 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ + ⎜⎜ ⎟⎟ + Y1 = ⎜⎜ ⎟⎟ + ⎜⎜ ⎟⎟ + Y2 + h f + hL ⎝ ρg ⎠ 1 ⎝ 2 g ⎠ 1 ⎝ ρ g ⎠ 2 ⎝ 2g ⎠ 2. 5.

(19) IM-2004-II-21. Siendo hL = K L. V2 , donde K L es el coeficiente de pérdida para cada geometría 2g. dada , es prácticamente constante a altos números de Reynolds, aumenta al aumentar la rugosidad de la superficie del ducto o al disminuir el número de Reynolds. Al haber cambios del área transversal K L =. (V1 − V2 ) 2 2g. o Para codos a 90 K L ≈ 1.1. Para contracción en el área transversal cuando. A2 = 0.5 , K L ≈ 0.24 A1. Para salida del agua de un estanque a un tubo K L ≈ 0.8 Para entrada del agua de un tubo a un estanque K L ≈ 1. 6.

(20) IM-2004-II-21. 2. Diseño. Inicialmente se estudió el diseño de un túnel de agua cerrado de circuito cerrado inspirado en el usado por la NASA .. Ilustración 2-1: Túnel de agua de la NACA. Se identificaron las siguientes partes componentes del túnel: •. Una sección de prueba en la cual se puedan introducir los perfiles alares y se pueda observar el comportamiento del fluido.. •. Una reducción del área del ducto que acelere el fluido justo antes de la sección de prueba para conseguir velocidades de flujo altas.. •. Una sección con un área transversal lo suficientemente grande para que flujo que venga turbulento entre en esta y al hacer su velocidad tan baja se estabilice y se calme. 7.

(21) IM-2004-II-21. •. Una transición lo más suave posible de la sección con el área transversal grande a el área pequeña que esta justo antes de la sección de prueba.. •. Una bomba capaz de mover un caudal grande de agua pero con una cabeza baja para lograr conseguir velocidades de flujo altas en la sección de prueba.. •. Un ducto que retorne el fluido de la sección de prueba a la bomba el cual tenga un área transversal mayor a la que sale de la sección de prueba para evitar que la turbulencia que se anticipa a la bomba llegue a la sección de prueba.. Al diseñar un túnel de agua para visualización de flujo se busca tener una zona en la cual se aseguren las siguientes condiciones: •. Un flujo laminar estable, que el fluido no cree vórtices ni turbulencias.. •. Que el efecto de las paredes del túnel en el flujo sea el menor posible para asegurar un perfil de velocidad lo más parejo posible, que la capa límite de las paredes del túnel tenga el menor espesor posible.. •. Una velocidad de flujo que se pueda variar.. •. Que la zona sea de fácil acceso para poder poner diferentes objetos a estudiar.. •. Facilidad de visualización del objeto en prueba desde diferentes ángulos .. 8.

(22) IM-2004-II-21. Se diseño un túnel para pruebas de perfiles alares en el cual se pudieran probar perfiles de una pulgada de cuerda y que estos pudieran llegar a un Reynolds de 300000.. Ilustración 2-2: Diseño en Solid Edge del túnel de agua de circuito cerrado. Para poder llegar a este número de Reynolds con perfiles de una pulgada de cuerda era necesario tener una velocidad de flujo en la sección de prueba de 8 o m/s y calentar el agua a 40 C.. La bomba de agua necesaria para alcanzar los 8 m/s debía manejar un caudal de 145 GPM, la bomba escogida fue una SAER CMK de 1.5 HP. El túnel en la sección ancha debía soportar una presión mayor a 32Kpa.. 9.

(23) IM-2004-II-21. Ilustración 2-3: Simulación de deformación Túnel de circuito cerrado en Ansys.. Después de analizar la posibilidad de hacer un túnel de agua de tipo abierto y no cerrado como la idea inicial, se compararon los dos túneles y se optó por cambiar el diseño del túnel y construirlo abierto tipo canal basado en el modelo UNIVERSITY DESKTOP WATER TUNNEL 0710 de ROLLING HILLS RESEARCH CORPORATION. Un túnel de agua de tipo abierto a pesar de ser mucho mas grande, para efectos didácticos se consideró mas práctico por su facilidad para visualizar el flujo, por no estar restringido a probar solamente perfiles alares de máximo una pulgada de cuerda, sino tener la posibilidad de introducir en la sección de prueba objetos mucho más grandes y de diferentes geometrías, además se consideró que llegar a un Reynolds de 300000, cuando el flujo ya es turbulento, no era muy relevante pero si muy costoso por la potencia necesaria para conseguir estas altas velocidades de flujo.. 10.

(24) IM-2004-II-21. Ilustración 2-4: Túnel de agua de ROLLING HILLS RESEARCH CORPORATION.. Tras estudiar las formas y dimensiones del túnel de la ilustración, se diseño el modelo en SOLID EDGE de dimensiones similares. Teniendo como referencia la velocidad máxima dada en las especificaciones del túnel, 0.13 m/s, se calcularon en un proceso iterativo la bomba y el diámetro de tuberías necesarias para conseguir el doble de velocidad, unos 0.25 m/s. Ilustración 2-5: Diseño del prototipo, dibuj o de Solid EdgeV12. 11.

(25) IM-2004-II-21. En una hoja de cálculo de Excel usó la ecuación de conservación de la energía teniendo en cuenta las pérdidas por fricción, codos, empalmes y reducciones para averiguar la cabeza que debe tener la bomba.. ⎛ P ⎞ ⎛V 2 ⎞ ⎛ P ⎞ ⎛V 2 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ + ⎜⎜ ⎟⎟ + Y1 = ⎜⎜ ⎟⎟ + ⎜⎜ ⎟⎟ + Y2 + h f + hL ⎝ ρg ⎠ 1 ⎝ 2 g ⎠ 1 ⎝ ρ g ⎠ 2 ⎝ 2g ⎠ 2 La diferencia de altura en el canal abierto se calculó : Se comprobó que la energía tanto en la sección ancha como en la angosta fuera 2 ⎛ Q2 ⎞ mayor a ⎜⎜ 2 ⎟⎟ 3⎝b g ⎠. 1 3. .. q12 q 22 Y1 + = Y2 + 2 gY1 2 gY2 Q es el caudal en. siendo q =. Q ,y Y la altura del nivel de agua b. m3 y b el ancho de la sección del canal en metros. s. Debido a que la velocidad del agua es tan baja, ∆Y es solo 3 mm para la velocidad máxima de flujo. El caudal que pasa por la sección de prueba se calculó como :Q = V * b * Y ; siendo V la velocidad del agua, b el ancho del canal y Y el nivel del agua. Y para hallar la velocidad en los otros tramos del canal y de las tuberías se dividió Q en el área de la sección. La pérdida de cabeza por fricción h f del canal dio menor a seis décimas de milímetro para 0.25 m/s de velocidad de flujo, por lo tanto se despreció. Las pérdidas por fricción de la tubería se calcularon como: ⎛ L *V 2 ⎞ ⎛ L *V 2 ⎞ ⎜⎜ f ⎟⎟ + ⎜⎜ f ⎟⎟ =hf ⎝ d * 2 g ⎠ succión ⎝ d * 2 g ⎠ presión 12.

(26) IM-2004-II-21. siendo f el factor de fricción sacado del diagrama de Moody, hallado con el número de Reynolds de la sección, el diámetro de la tubería y con la rugosidad del PVC. La parte de la ecuación que dice succión se refiere a la arte de la succión en la que la tubería va en paralelo, la parte que dice presión se refiere al resto de la tubería.. Las pérdidas de cabeza locales hL se calcularon como: Vi 2 hL = ΣK Li * siendo K L el coeficiente de la pérdida local debido a la geometría y 2g V la velocidad de flujo en el punto. K L ≈ 1.1 para codos a 90º K L ≈ 0.8 para la entrada del agua del canal a los tubos de succión. K L ≈ 1 para la salida de agua del tubo al canal.. Y para las reducciones de sección como en la T donde vienen 2 tubos y sale uno, o en la válvula donde se reduce el diámetro : hL = K L. (V2 − V1 ) 2 ; K L depende de la división del área menor entre el área mayor. 2g. KL. de la T es: 0.24. KL. de la válvula es: 0.24. En la misma hoja de cálculo se calculo el máximo espesor de la capa límite en la sección de pruebas para poder determinar si esta va a influir en las pruebas que se hagan el túnel o que tanto espacio se debe dejar entre las paredes de la sección de prueba y el modelo que se este analizando. La capa límite se calculo :. 13.

(27) IM-2004-II-21. δ L. ≈. 5 1. ; siendo el fluido laminar. 103 < Re L < 10 6. Re L 2. Siendo δ el espesor en metros de la capa límite, L la longitud en metros de la placa plana y Re L =. ρ UL donde ρ es la densidad del agua , U es la velocidad µ. del fluido fuera de la capa límite, y µ. es la viscosidad del fluido.. De acuerdo a los resultados se estimo que el espesor de la capa límite máximo será de 1.5 mm, distancia que se deberá dejar entre los objetos que se vallan a probar y las paredes del túnel. Se estimó que el canal alojará unos 400 litros de agua, por lo tanto el canal, el banco y las rodachinas deben ser diseñadas para soportar el peso del agua más la bomba y la estructura misma, es decir unos 600 Kg.. 14.

(28) IM-2004-II-21. Tabla 2-1: Características del túnel Datos de entrada Longitud del modelo (m) :. 0,15. Nivel de agua (m):. 0,2. Temperatura del agua (oC) :. 20. Viscocidad del agua Ns/m2:. 1,003*10-3. Densidad del agua Kg/m3 :. 998. Velocidad del. Cabeza total. Diámetro de tubería succión (in):. 1,7. agua (m/s):. bomba (m):. GPM. Re de prueba. Diámetro de tubería presión (in):. 1,7. 0. 0. 0. 0. 0,00000015. 0,02. 0,068. 11,5. 2985. 0,051. Largo tubería succión (m):. 1,51. 0,04. 0,271. 23,0. 5970. 0,036. Largo tubería presión (m):. 2,45. 0,06. 0,610. 34,4. 8955. 0,029. Factor de fricción tubería succión f :. 0,016. 0,08. 1,084. 45,9. 11940. 0,025. Factor de fricción tubería presión f :. 0,0145. 0,1. 1,694. 57,4. 14925. 0,023. 0,8. 0,12. 2,440. 68,9. 17910. 0,021. 1. 0,14. 3,321. 80,3. 20895. 0,019. KL de la T tubería succión:. 1,1. 0,16. 4,338. 91,8. 23880. 0,018. KL codos tubería :. 1,1. 0,18. 5,490. 103,3. 26865. 0,017. 2850. 0,2. 6,777. 114,8. 29850. 0,016. e/d tubería succión:. 3,473*10-09. 0,22. 8,201. 126,2. 32835. 0,015. e/d tubería presión:. 3,473*10-09. 0,24. 9,760. 137,7. 35821. 0,015. Rugosidad de la tubería (mm). KL entradas tubería succión: KL salida tubería presión:. RPMs bomba:. L placa plana capa limite. d. (m): 0. 2,06. Se graficó la cabeza del túnel respecto a el caudal en Galones por minuto. Se buscó una bomba centrífuga comercial que en su eficiencia máxima bombeara nos140 GPM con una cabeza de 8.7 metros.. La bomba que mejor se adaptó de las encontradas en el mercado fue una STERLING NOWA 5016 de 2 HP con un impulsor de 147 mm de diámetro.. 15.

(29) IM-2004-II-21. Tabla 2-2: Gráfica de Cabeza contra caudal del túnel y la bomba. 11 10. Bomba 9. cabeza (m):. 8 7 6. Punto de operación 5. con la válvula 4. totalmente abierta.. Túnel 3 2 1 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. GPM:. 16. 90. 100. 110. 120. 130. 140. 150.

(30) IM-2004-II-21. 3. PROCESO DE MANUFACTURA. Teniendo ya un diseño claro del proyecto se procedió a idear la forma de construirlo. Por las dimensiones del túnel se concluyo que el mejor material por la forma de construcción ,costo, flexibilidad, peso y resistencia es la fibra de vidrio con resina de poliéster. Debido a que la trabajar con fibra de vidrio solo se consigue una cara con terminado liso, la cara que va contra el molde, se concluyo que el molde tenia que se macho, es decir que de la forma por la parte interna del canal, la que debe tener un acabado lo mas liso posible para minimizar la fricción con el fluido y la incidencia en el flujo. El molde debía tener un ángulo moderado, (1 grado), en las paredes laterales para garantizar el desmolde de la pieza final. 3.1. Manufactura del molde. Se pensó en un molde hecho de un bloque de poliuretano tallado y revestido con resina de poliéster para conseguir rigidez en la superficie y el acabado liso que copiaría la fibra de vidrio. Pero por costo y por la poca rigidez que se conseguía con el poliuretano para un molde de tales dimensiones, se consideró poco favorable este proceso.. Se construyó el molde en madera Triplex hueco sobre la tabla de 14 mm de espesor que va a servir también para soportar el canal contra el banco. Sobre la tabla es pegó un plano impreso a escala 1:1 para facilitar el proceso de construcción y garantizar la similitud entre el diseño y la pieza final. Además se pegó otro plano tamaño real en una segunda tabla de Triples, la que será a parte superior del molde, esta se cortó y se le ensambló una estructura interna que le 17.

(31) IM-2004-II-21. daría la altura. Las curvas de las paredes laterales de dieron cortando la pared en segmentos pequeños.. Ilustración 3-1: Estructura interna del molde.. Estructura interna del molde.. Ilustración 3-2: Fabricación las curv as en el molde.. Curva producida por secciones.. 18.

(32) IM-2004-II-21. El molde en madera ya con una forma bastante aproximada se macilló con huesoduro en las curvas laterales y se lijó para rellenar y convertir los segmentos planos en curvas suaves y continuas. Ilustración 3-3: Curv as macilladas del molde.. Se le dio el acabado final al molde cubriéndolo con una capa de macilla para uso automotriz y se lijó con liga de agua 400 para conseguir un acabado superficial optimo. Se le añadieron al molde unos marcos en donde posteriormente van a ir los acrílicos en el modelo para conseguir en la fibra unos marcos con la forma en la que se alojaran los vidrios. De esta forma se logra que las láminas de acrílico queden en el modelo internamente a ras con las paredes de del canal y no tener escalones en el flujo. 19.

(33) IM-2004-II-21. Ilustración 3-4: Molde con acabado final.. Ilustración 3-5: Marcos para las v entanas.. Marco. 20.

(34) IM-2004-II-21. Para finalizar el molde se le dieron 6 capas de cera desmoldante de carnauba GLASS y se brilló con trapo.. 3.2. Manufactura del canal La construcción del canal se inició dándole 2 capas de GELCOAT al molde, estas primeras capas de 93% resina de poliéster preacelerada con 2% de MEK PEROXIDO y 5% de color azul. Estas primeras capas de resina sin fibra son de vital importancia pues son las que le darán el acabado final visible al modelo. Todos los porcentajes para las mezclas se calcularon por masa en una balanza gramera. La precisión con que se realizan estas mezclas es de vital importancia ya que si se excede la cantidad de MEK (> a 3%) se puede acelerar demasiado la catalización de la resina, producir mucha temperatura y cuartear o quebrar la pieza. Y si por el contrario no se le añade suficiente catalizador la resina quedara durante varios días pegajosa. Se aplicaron 6 Kg. De resina en estas primeras capas. Ilustración 3-6: Molde con las capas de GELCOAT.. 21.

(35) IM-2004-II-21. Una vez aplicado el GELCOAT y estando este todavía pegajoso se procede a poner la primera capa de fibra de vidrio impregnada con resina. La fibra es cortada en pequeños cuadrados para facilitar su manipulación y la extracción del aire que queda atrapado al colocarla. Esta es impregnada por ambos lados en una tabla aparte con una brocha con cerdas cortas con el fin de poder chuzar la fibra facilitando la penetración de la resina y eliminando las burbujas. Después se sitúan los cuadrados sobre el molde haciendo que estos se traslapen, se vuelven a chuzar con la brocha para extraer el aire. Este procedimiento se repite dos veces con resina sin color para poder visualizar mejor las burbujas de aire atrapadas y así poder extraerlas. I para finalizar se pone una tercera capa de fibra con resina con color para mejorar el aspecto exterior.. Ilustración 3-7: Impregnación de la fibra. 22.

(36) IM-2004-II-21. Ilustración 3-8: Extracción de las burbuj as de aire al poner la fibra.. Una vez endurecida la fibra se recortaron los excedentes de la pestaña con pulidora y se prosiguió a desmoldar el canal, a pesar del ángulo de desmolde que se le dio al molde, la contracción fue tal que por seguridad y para no forcejear el modelo tocó romper el molde para su extracción. Al modelo se le retocaron pequeñas imperfecciones en la pestaña, se le lijaron los bordes, se les dio acabado a los marcos para los acrílicos y se brilló con cera abrasiva para darle un acabado suave internamente. Por fuera se le dio una capa de resina con color para mejorar el aspecto de la fibra en bruto. Se recortaron los círculos donde Irán las tomas de entrada y salida de la bomba.. Se cortaron los acrílicos de 4 mm de espesor de las dimensiones de los marcos y se pegaron con silicona transparente de secado.. El panal encargado de rectificar el flujo se construyó con rejilla plástica transparente de la usada para cielos rasos, esta se cortó a la medida yse pegó en 23.

(37) IM-2004-II-21. dos capas con cianocrilato cuadrándola de tal forma que los segmentos cuadrados empataran.. Ilustración 3-9: Postura de los acrílicos.. Ventanas en acrílico.. Ilustración 3-10: Rectificador de fluj o.. Rejilla rectificadora de flujo.. 24.

(38) IM-2004-II-21. 3.3. Manufactura del banco El banco se construyó en perfil en L de 2 X 2 X 1\4 pulgadas, se requirieron 30 metros de perfil. Estos se cortaron con segueta y se fueron soldando con soldadura eléctrica sobre una superficie plana para asegurar la planitud del banco. Al banco se le soldaron platinas de 12,5 X 10 centímetros por 1 4 de pulgada perforadas en las ocho patas para poder asegurar las rodachinas. La tabla de madera se pintó con resina por ambas caras para protegerla del agua, se puso sobre el banco y se aseguró con tornillos a este. Se pintaron el armazón y la tabla con pintura anticcorrosiva gris. Se ensamblo el canal encima y se cortaron los huecos de las tomas de entrada y salida de agua en la tabla. Se aseguro el canal a la mesa por medio de las tomas de agua, las que se hicieron con desagües de lavaplatos por tener estos un diámetro de salida similar al de la tubería y por tener tuerca con empaque para poder prensar el canal contra la tabla si que halla fugas. Se ensambló la bomba al banco por medio de cuarto soportes de caucho para amortiguar las vibraciones de la bomba. La tubería se acopló a la bomba por bridas de hierro fundido de 7 pulgadas en succión y 6 pulgadas en la parte de presión, en el tramo de presión inmediatamente después de la bomba se instaló una llave de bola para poder graduar el caudal con esta, la tubería entre la bomba y la llave se instaló de acero galvanizado para darle un soporte firme a la llave y por seguridad debido a que al cerrar la llave con la bomba en funcionamiento elevara mucho la presión en este tramo.. 25.

(39) IM-2004-II-21. Ilustración 3-11: Túnel terminado. 26.

(40) IM-2004-II-21. 4. PRUEBAS DEL TÚNEL 4.1. Pruebas del flujo libre.. Al llenar de agua por primera vez aparecieron unas pequeñas filtraciones en la brida de descarga contra el codo calle ,en la rosca del sifón contra el acople y en una unión de PVC cerca de la brida de succión. Se puso una canastilla con dos una plarina de acero encima en el canal sobre el sifón de descarga con el fin de impedir que el agua saliera hacia arriba como una fuente. Después de ser corregidas las filtraciones se llenó de agua el canal hasta los 20 centímetros y se encendió la bomba con la válvula casi completamente cerrada y el agua empezó afluir tal como lo esperado, pero al abrir más la válvula los remolinos de las dos secciones de succión se hicieron tan grandes que la bomba chupo aire, se despurgó y dejo de fluir el agua en el túnel.. Ilustración 4-1: Remolinos de la succión. Ojo del remolino.. 30 cm de diámetro.. 27.

(41) IM-2004-II-21. El problema del remolino se solucionó casi en su totalidad poniendo dos bolas de icopor de 15 centímetros de diámetro para impedir que el remolino logre chupar aire y despurge la bomba.. Ilustración 4-2: Pelota antidespurga. Pelota de icopor de 15 cm.. De esta forma se pudo abrir la válvula a mas de la mitad pero la presión del agua en la salida contra la canastilla fue tan grande que tumbó la platina y la canasta. Como solución temporal se pusieron dos platinas más sobre la canasta y así se pudo abrir la válvula casi en su totalidad, pero al abrirla completamente la succión fue tan fuerte que succionó las bolas contra los sifones. Habiendo solucionado casi por completo los problemas se prosiguió a estudiar el flujo del canal. Se pretendió medir la velocidad con un tubo de Pitot pero esta es tan baja que no alcanza a registrar cambios significativos en la lectura. Se decidió medir la velocidad del flujo utilizando azul de metileno como trazador y tomando con un cronómetro el tiempo en que se demora la gota en recorrer la distancia de las ventanas laterales (45.8 cm).. 28.

(42) IM-2004-II-21. Con la válvula muy poco abierta se midió el tiempo y dio 9 segundos ,esto es unos 5.1 centímetros por segundo. A esta velocidad se dejaron caer gotas a lo ancho del inicio de la sección de prueba para poder visualizar el comportamiento del fluido, dio totalmente laminar.. Ilustración 4-3: Comportamiento del fluido a baj a v elocidad. Lámpara. Dirección de flujo.. Foto No. 2 Se repitió el procedimiento a 7 cm/s, 9.8 cm/s 11.5 cm/s 14.8 cm/s y 18.3 cm/s, y al pasar los 10 centímetros por segundo se empieza a observar que las líneas de flujo se cruzan muy lentamente unas sobre otras.. Al pasar los 10 centímetros por segundo también se observó la aparición de un frente de velocidad que se pintaba superficialmente generado por algún tipo de Foto No. 3 escalón que aparentemente surge debido al choque del flujo con la ventana posterior, este escalón aparece a los 10 cm/s a 37 centímetros de la ventana posterior, a 11.5 cm/s esta a 23 centímetros y a 14.8 cm/s esta a13 centímetros. A velocidades mayores este fenómeno desaparece. 29.

(43) IM-2004-II-21. Este escalón solo perturbaba el flujo superficialmente, de la superficie hacia abajo el flujo sigue completamente normal .. Ilustración 4-4: Frente de v elocidad.. Frente de velocidad.. 0.1 m/s Dirección de flujo.. Re de la sección: 4700.. Este fenómeno muestra claramente como es el perfil de velocidad del fluido, se evidencia el efecto de la capa límite en el retardo del flujo en las paredes y que el perfil de velocidad es simétrico.. 30.

(44) IM-2004-II-21. 4.2. Pruebas del perfil alar simétrico N.A.C.A. 0018. Al perfil alar de 8.27 centímetros de cuerda se le hizo un orificio lateral para insertarle un alambre y soportarlo de una tabla que descansa en los bordes del canal sobre la sección de prueba, además de le hizo otra perforación lateral muy cerca del borde de ataque que va casi de lado a lado y se hicieron tres perforaciones de un milímetro de diámetro en el borde de ataque que se comunican internamente con la otra perforación para poder inyectar por entre el mismo cuerpo la tinta por medio de una manguerita muy delgada y una jeringa.. Ilustración 4-5: Perfil con perforaciones para la tinta.. Perforaciones para la tinta.. Dirección de flujo. 31.

(45) IM-2004-II-21. 4.2.1 Pruebas del perfil a baja velocidad (7 cm/s). Con el perfil a 10 grados ángulo de ataque α y a 7 centímetros por segundo de velocidad de flujo, a un número de Reynolds de 5760, el flujo es muy suave sobre casi toda la cuerda del perfil, permanece laminar sobre la superficie y solo hasta muy cerca del final tiende a desprenderse de esta.. Ilustración 4-6: Perfil a baj a v elocidad a 10 grados. Dirección de flujo. Re:5760. α = 10o. V = 0.07 m s. Al aumentar el ángulo de ataque α a 20 grados el fluido se desprende de la superficie mucho antes que a 10 grados dejando unos pequeños vórtices en la parte posterior del ala.. 32.

(46) IM-2004-II-21. Ilustración 4-7: Perfil a baja velocidad a 20 grados.. Re:5760. α = 20o. V = 0.07 m. s. 4.2.2 Pruebas del perfil a alta velocidad (15 cm/s).. Con el flujo a 10 centímetros por segundo, a un número de Reynolds de 12350, y el perfil a un ángulo de ataque α de cero grados , la tinta se dispersa bruscamente sobre la superficie apareciendo como una mancha borrosa y se desprende una parte de ésta al final del perfil dejando una estela simétrica no turbulenta en linea justo detrás del perfil. 33.

(47) IM-2004-II-21. Ilustración 4-8: Perfil a alta v elocidad a 0 grados.. Re:12350. α = 0o. V = 0.15 m s. Al aumentar el ángulo de ataque α a 10 grados la tinta permanece casi en su totalidad pegada a la superficie sin crear vórtices, la estela continua hacia abajo por un tiempo y posteriormente se curva paralela a la dirección de flujo, esta es moderadamente turbulenta.. 34.

(48) IM-2004-II-21. Ilustración 4-9: Perfil a alta v elocidad a 10 grados.. Re:12350. α = 10o. V = 0.15 m s. Ilustración 4-10: Vista posterior del perfil a alta v elocidad a 10 grados. . Re:12350. α = 10o. 35. V = 0.15 m s.

(49) IM-2004-II-21 Con un ángulo de ataque α de 20 grados , el flujo se desprende inmediatamente después del borde de ataque dejando una zona extremadamente turbulenta, la estela es muy turbulenta, y no tiende a seguir el ángulo de inclinación del ala.. Ilustración 4-11: Perfil a alta v elocidad a 20 grados.. Re:12350. α = 20o. 36. V = 0.15 m s.

(50) IM-2004-II-21. Ilustración 4-12: Vista posterior del perfil a alta v elocidad a 20 grados.. Re:12350. α = 20o. 37. V = 0.15 m s.

(51) IM-2004-II-21. CONCLUSIONES Los objetivos planteados al inicio del proyecto fueron diseñar y construir un túnel de agua con el cual se pudiera visualizar el comportamiento de un fluido al pasar alrededor de un cuerpo, y poder entender el comportamiento de un fluido, ya sea agua, o por medio del número de Reynolds predecir como se comportará el aire con el cuerpo a una escala o velocidad mayor. Ya habiendo diseñado, construido y probado el túnel, se pudo ver al final, que este cumplió a cabalidad con todos los objetivos iniciales, probando el perfil alar simétrico se pudo ver por medio del azul de metileno, el comportamiento del flujo a baja y a alta velocidad, como cambia el comportamiento de este al variar el ángulo de incidencia del perfil, cuando empieza a generar vórtices y cuando entra en pérdida por el desprendimiento total de las líneas de flujo en la parte superior dejando una región llena de vórtices.. Es un instrumento con un potencial didáctico que enriqueciéndolo con trazadores e instrumentándolo para medir fuerzas de sustentación y arrastre puede convertirse en una herramienta importante para el área de los fluidos y la aerodinámica.. 38.

(52) IM-2004-II-21. BIBLIOGRAFÍA •. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Compendio tesis y otros trabajos de grado. 5 act. Bogotá, D.C.: ICONTEC, 2002.. •. MILNE-THOMPSON,. L.M.,. Theoretical. Hydrodynamics,. 5. ed. The. Macmillan Company. •. OSSA PARRA, Marcela. Pautas para citar textos y hacer listas de referencias según las normas de la American psycological Association (APA). 2 ed. Bogotá. 2003.. •. SHIGLEY, Joseph E, MISCHKE, Charles R. Mechanical engineering design. 6 ed. Mc Graw Hill, 2001.. •. STRRET, Robert L. Elementary fluid mechanicsl. 7 ed. United States of America: John Wiley & Sons, Inc, 1996.. •. WHITE, Frank M. Fluid mechanics. 5 ed. Mc Graw Hill, 2003.. 39.

(53) IM-2004-II-21. Anexo A Planos de taller del túnel. Plano No.. Descripción. 1. Canal. 2. Bomba. 40.

(54) IM-2004-II-21. 41.

(55) IM-2004-II-21. 42.

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