Comportamiento del flujo de aire en el túnel de viento TVIM-49-60-1x1

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(1)COMPORTAMIENTO DEL FLUJO DE AIRE EN EL TÚNEL DE VIENTO TVIM-49-60-1x1. MARIO ANDRÉS RAMÍREZ CAICEDO 200522040. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2010.

(2) COMPORTAMIENTO DEL FLUJO DE AIRE EN EL TÚNEL DE VIENTO TVIM-49-60-1x1. MARIO ANDRÉS RAMÍREZ CAICEDO 200522040. Tesis Pregrado. Asesor: Álvaro E. Pinilla. Ph.D. M.Sc. Ing.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2010.

(3) AGRADECIMIENTOS. Quiero agradecer al Ingeniero Ph.D. Álvaro Enrique Pinilla, mi asesor, antes que todo por mostrarme el lado de la Ingeniería Mecánica que me ha apasionado y que espero por el resto de mi vida profesional, así lo haga. Al equipo del laboratorio de manufactura y al técnico Omar Rodríguez del laboratorio de dinámica de fluidos por la paciencia y la colaboración durante las largas jornadas de experimentación en los laboratorios. De manera muy especial a mis padres, a mi hermana y a Dios, por darme el apoyo y la oportunidad para alcanzar mis sueños.. ii.

(4) DEDICATORIA. Dedico este trabajo a mis padres quienes me han enseñado las cosas más importantes de la vida y me han dado la oportunidad de aprender muchas otras. A mi hermana que ha sido la compañía y el apoyo cariñoso de todos los días. A Olga Erazo, mi novia, que con su amor me ha ayudado a perseverar en esta meta importante de mi vida. Por último y especialmente le ofrezco a Dios cada momento de esfuerzo dedicado a este propósito, al fin, El me ha permitido todos y cada uno de esos instantes.. iii.

(5) “Haz lo necesario para lograr tu más ardiente deseo, y acabaras lográndolo”- Ludwig van Beethoven.. iv.

(6) RESUMEN. El proyecto que comprende el túnel de viento de circuito cerrado TVIM 49-60-1x1, desde su concepción, se ve sintetizado en conocer de manera detallada y confiable las variables físicas que describen el comportamiento del aire y sus relaciones dentro de la sección de pruebas.. Con el fin de conocer el estado y relación entre la presión dinámica, temperatura, humedad relativa, presión estática, intensidad de turbulencia del aire respecto a la velocidad del ventilador, y condiciones atmosféricas de experimentación en la sección de pruebas, se ha realizado numerosas pruebas de naturaleza diversa que han dado como resultado la calibración del túnel de viento TVIM 49-60-1x1.. De los resultados de las distintas pruebas se pudo encontrar que los perfiles de velocidad del túnel de viento en la mayoría de los regímenes de operación son bastante uniformes. Se encontró relaciones interesantes entre las condiciones ambientales producto de la operación continua del túnel a altas velocidades, y la densidad del aire circulante. Adicionalmente se encontró niveles de intensidad de turbulencia bajos en la mayoría de los regímenes de operación de moderada velocidad.. Por último se muestra los resultados de la calibración de un anemógrafo, y las mediciones de arrastre sobre varios balones de futbol (a través del perfil de velocidades que generaban), como ejemplos tangibles de la correcta utilización del túnel de viento y de la utilidad de la calibración que presenta este documento.. v.

(7) CONTENIDO pág.. AGRADECIMIENTOS. ii. DEDICATORIA. iii. RESUMEN. v. CONTENIDO. vi. LISTA DE FIGURAS. x. LISTA DE FOTOGRAFÍAS. xiii. LISTA DE TABLAS. xv. ABREVIATURAS. xvi. CAPITULO 1: PRESENTACIÓN Y FUNDAMENTACIÓN DEL PROYECTO.. INTRODUCCIÓN. 1. 1. OBJETIVOS. 3. 1.1 OBJETIVOS GENERALES. 3. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 3. 2. MARCO TEÓRICO. 5. 2.1 TÚNELES DE VIENTO DE CICLO CERRADO SUBSÓNICOS. 5 vi.

(8) 2.2 TEORÍA PARA MEDICIÓN DE PARÁMETROS RELEVANTES. 6. 2.2.1 Importancia de la calibración de un túnel de viento. 6. 2.2.2 Variables básicas en la calibración del túnel de viento. 7. 2.2.3 Variables adicionales para evaluar la uniformidad del flujo en la sección de pruebas. 12. 2.2.4 Análisis de propagación de error. 13. 3. RECONOCIMIENTO DEL TÚNEL DE VIENTO TVIM-49-60-1X1. 14. 3.1 MEDICIÓN DE COTAS Y SECCIONES TRANSVERSALES. 14. 3.2 CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS DE PRESIÓN POR SECCIONES. 15. 3.3 VERIFICACIÓN DE LAS PÉRDIDAS DE PRESIÓN POR SECCIONES. 20. 3.4 MODIFICACIÓN SOBRE EL TÚNEL DE VIENTO: INSTALACIÓN DE TRANSDUCTOR OMRON E8Y PARA MONITOREO DE PRESIÓN EN VENTILADOR. 25. CAPITULO 2: DESARROLLO METODOLÓGICO DEL PROYECTO. 1. SELECCIÓN Y CALIBRACIÓN DE INSTRUMENTOS. 30. 1.1 MEDICIÓN DE PRESIÓN. 30. 1.2 MEDICIÓN DE TEMPERATURA. 35. 1.3 MEDICIÓN DE HUMEDAD RELATIVA Y DENSIDAD DEL AIRE. 36 vii.

(9) 1.4 MEDICIÓN DE VELOCIDAD E INTENSIDAD DE TURBULENCIA. 37. 2. PLANEACIÓN DE EXPERIMENTOS. 42. 2.1 EXPERIMENTOS PARA MEDICIÓN DE VELOCIDAD. 42. 2.2 EXPERIMENTOS PARA MEDICIÓN DE INTENSIDAD DE TURBULENCIA. 43. CAPITULO 3: RESULTADOS, APLICACIONES Y ANÁLISIS FINAL. 1. RESULTADOS DE LOS EXPERIMENTOS DE CALIBRACIÓN. 45. 1.1 RESULTADOS RELACIONADOS CON LA VELOCIDAD DEL AIRE. 45. 1.2 RESULTADOS RELACIONADOS CON LA PRESIÓN ESTÁTICA. 56. 1.3 RESULTADOS RELACIONADOS CON LA INTENSIDAD DE TURBULENCIA. 58. 2. COMPARACIÓN DE RESULTADOS. 58. 3. APLICACIONES PRÁCTICAS DEL TÚNEL DE VIENTO. 61. 3.1 CALIBRACIÓN DE UN ANEMOGRAFO DE CAZOLETAS. 61. viii.

(10) 3.2 MEDICIÓN DE COEFICIENTES DE ARRASTRE DE BALONES DE FUTBOL A TRAVÉS DEL PERFIL DE VELOCIDADES GENERADO. 63. 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 69. 4.1 CONCLUSIONES. 69. 4.2 RECOMENDACIONES. 71. BIBLIOGRAFÍA. 73. ANEXO. 75. ix.

(11) LISTA DE FIGURAS. Pág.. Figura 1: Túneles de viento de ciclo cerrado y de ciclo abierto. 05. Figura 2: Tubo de Pitot. 09. Figura 3: Plano esquemático del túnel de viento TVIM 49-60-1x1. 16. Figura 4: Plano esquemático del túnel de viento TVIM 49-60-1x1 con nombres de secciones. 18. Figura 5: Caídas de presión por secciones calculadas a una velocidad de 18.9 m/s. en la sección de pruebas. 18. Figura 6: Caídas de presión por secciones calculadas a una velocidad de 33.7 m/s. en la sección de pruebas. 19. Figura 7: Caídas de presión por secciones calculadas a una velocidad de 46.1 m/s. en la sección de pruebas. 19. Figura 8: Caídas de presión por secciones medidas a una velocidad promedio de 18.9 m/s en la sección de pruebas. 21. Figura 9: Caídas de presión por secciones medidas a una velocidad promedio de. 33.7 m/s en la sección de pruebas. 22. Figura 10: Caídas de presión por secciones medidas a una velocidad promedio de 46.1 m/s en la sección de pruebas. 22. x.

(12) Figura 11: Coeficientes de perdidas referidos a la velocidad en la sección de pruebas. 24. Figura 12: Gráfica del cambio en la densidad del aire. 25. Figura 13: Aumento de presión que provee el ventilador a distintos regímenes de operación. 29. Figura 14: Evolución de la densidad en la sección de pruebas corrigiéndola por presión, temperatura y humedad relativa. 29. Figura 15: Principio de funcionamiento de un manómetro. 31. Figura 16: Curva de calibración de transductor OMRON E8Y. 34. Figura 17: Plano esquemático de la red de puntos donde se planeó censar la velocidad. 43. Figura 18-29: Perfiles de velocidad del aire (2D y 3D) correspondientes a velocidades angulares del ventilador 150, 250, 400, 600, 750 y 900 rpm. 47. Figura 30: Uniformidad espacial de la velocidad del aire con respecto al régimen de operación del ventilador. 53. Figura 31: Número de Mach a distintas velocidades angulares del ventilador. 55. Figura 32: Número de Reynolds para el rango de velocidad censado. 55. Figura 33: Relación principal entre la velocidad angular del ventilador y la velocidad. del aire esperada en la sección de pruebas. Figura 34: Indicador de uniformidad espacial planar de la presión estática. 56 57. Figura 35: Intensidad de turbulencia encontrada en distintos puntos del túnel de viento y operando a distintos regímenes de velocidad angular. 58. Figura 36: Relaciones entre la velocidad del aire en la sección de pruebas y la velocidad angular del ventilador para varios instrumentos. 59 xi.

(13) Figura 37: Relaciones entre la velocidad angular del ventilador y el aumento de presión provisto por el ventilador para varios instrumentos. 60. Figura 38: Perfil de velocidad de viento generado por balón oficial de la “UEFA champions league 2008-2009” marca Adidas a una velocidad angular del ventilador de 250 rpm. 67. Figura 39: Perfil de velocidad de viento generado por balón oficial del fútbol profesional Colombiano marca Golty a una velocidad angular del ventilador de 250 rpm. 67. Figura 40: Perfil de velocidad de viento generado por balón oficial del mundial de fútbol Sudáfrica 2010 marca Adidas a una velocidad angular del ventilador de 250 rpm. 67. Figura 41: Perfil de velocidad de viento generado por balón oficial de la “UEFA champions league 2008-2009” marca Adidas a una velocidad angular del ventilador de 330 rpm. 68. Figura 42: Perfil de velocidad de viento generado por balón oficial del fútbol profesional Colombiano marca Golty a una velocidad angular del ventilador de 330 rpm. 68. Figura 43: Perfil de velocidad de viento generado por balón oficial del mundial de fútbol Sudáfrica 2010 marca Adidas a una velocidad angular del ventilador de 330 rpm. 68. xii.

(14) LISTA DE FOTOGRAFÍAS. Pág.. Fotografía 1: Sección 9 del túnel de viento.. 21. Fotografía 2: Montaje del transductor de presión E8Y OMRON para censar el aumento de presión provisto por el ventilador.. 27. Fotografía 3: Detalle de la forma de alimentación y la forma de encender el transductor instalado E8Y marca OMRON.. 27. Fotografía 4: Manómetro en U flexible marca Dwyer. 32. Fotografía 5: Inclinado Durablock estacionario plástico sólido marca Dwyer. 33. Fotografía 6: Transductor de presión E8Y marca OMRON. 33. Fotografía 7: Barómetro PTB330TS marca Vaisala. 35. Fotografía 8: Sensores de temperatura y humedad relativa marca Vaisala. 37. Fotografía 9: Arreglo de 28 tubos de Pitot en 3 racks de 8 igualmente espaciados. 39. Fotografía 10: Múltiples fabricados para la conexión de los racks de Pitot mostrados en la fotografía 9 con el barómetro de precisión marca Vaisala. 39. Fotografía 11: Múltiples y válvulas de cierre del sistema de medición de velocidad. 40. Fotografía 12: Anemómetro de hilo caliente marca EXTECH. 41 xiii.

(15) Fotografía 13: Sección de pruebas desde un ángulo que ayuda a visualizar las figuras 3D de los perfiles de velocidad:. 46. Fotografía 14: Montaje del anemógrafo dentro de la sección de pruebas. 63. Fotografía 15: Montaje del balón oficial de la “UEFA champions league” marca Adidas en la sección de pruebas del túnel de viento. 65. Fotografía 16: Montaje del balón oficial del fútbol profesional Colombiano marca Golty en la sección de pruebas del túnel de viento. 65. Fotografía 17:: Montaje del balón oficial del mundial de fútbol Sudáfrica 2010 marca viento. Adidas. en. la. sección. de. pruebas. del. túnel. de 66. xiv.

(16) LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1: Nomenclatura para aclaración de cálculo de pérdidas de presión por secciones.. 75. Tabla 2: Perdidas por secciones. 75. Tabla 3: Coeficiente adimensional K de perdidas por secciones referido a la sección de pruebas. 76. Tabla 4: Variación en la densidad del aire durante mediciones de pérdidas de presión por sección. 77. Tabla 5: Aumento de presión provisto por el ventilador. 78. Tabla 6: Datos de calibración (para verificación de buen funcionamiento) del transductor E8Y marca OMRON. 79. Tabla 7: Datos de velocidad del aire en la sección de pruebas a distintos regímenes de operación. 80. Tabla 8: Datos de presión estática durante pruebas de velocidad. 82. Tabla 9: Datos de intensidad de turbulencia. 85. xv.

(17) ABREVIATURAS. Pst : Presión estática. PT: (Pt): Presión total. Pdy: Presión dinámica. V: Velocidad del fluido. Pst0: Presión estática 0. (Ejemplo tubo de Pitot). Z: (Z0): Altura de referencia con respecto al suelo (ejemplo tubo de Pitot). V0: Velocidad del fluido no perturbada. Vx: Velocidad del fluido en el punto x. (x puede cambiar de nombre, puede ser A,B, etc.) Px: Presión censada en el punto x. (x puede cambiar de nombre, puede ser A,B, etc.) ρfluido(ρ): Densidad del fluido, (a menos que se indique lo contrario, el fluido es aire). Tst: Temperatura estática. Tdy: Temperatura dinámica. γ: relación de calores específicos. M: Número de Mach. T: Temperatura censada. TT: Temperatura total. xvi.

(18) HR (φ): humedad relativa. R: Constante de gas ideal para el aire. Rw: Constante de gas ideal para el vapor de agua. Pw: Presión de vapor. IT: Intensidad de turbulencia. σV: Desviación estándar de la velocidad. σVE: Parámetro de uniformidad espacial de la velocidad. f: factor de fricción del diagrama de Moody. K: constante de pérdidas de presión por sección del túnel de viento referida a la sección de pruebas. ∆ :. Caída. de. presión. en. la. sección. A-B. xvii.

(19) INTRODUCCIÓN:. El túnel de viento sub-sónico de ciclo cerrado de ingeniería mecánica TVIM-49-601x1, (que significa T túnel, V viento, IM ingeniería mecánica, 49 hace referencia a la potencia nominal del ventilador 49 kW, 60 hace referencia a la máxima velocidad posible de alcanzar en la sección de pruebas en m/s y 1x1 hace referencia a las medidas del área transversal de la sección de pruebas en m), tiene un abanico inmenso de posibilidades para ser utilizado como instrumento de investigación. La cantidad y variedad de escenarios que puede simular, hacían totalmente indispensable el que se requiriera pleno conocimiento de las condiciones del flujo de aire dentro de la sección de pruebas. Este requerimiento no se trataba de otra cosa que la calibración del túnel de viento.. La calibración del túnel de viento TVIM-49-60-1x1 que en adelante se denominará únicamente como túnel de viento, comenzó en el trabajo de grado de Juan Camilo Daza Fernández: “Calibración del Túnel de Viento de Ingeniería Mecánica (TVIM) 49-60-1x1 de la Universidad de Los Andes”. En el trabajo mencionado se comenzaron mediciones de velocidad del viento en la sección de pruebas, medición del cambio de presión provisto por el ventilador a diferentes regímenes, sin embargo, debido a varios inconvenientes de tiempo solo se pudo hacer las mediciones a ciertas velocidades (300, 500, 700 y 900 rpm del ventilador del túnel de viento), y en 3 diferentes posiciones de un plano de la sección de pruebas. En la parte final las mediciones mencionadas son comparadas con las respectivas presentadas por este documento.. 1.

(20) A diferencia del trabajo de grado antes mencionado, este documento presenta la utilización de una metodología distinta en lo que concierne a la forma de medir ciertas variables. Se opta por utilizar un solo instrumento para censar la presión dinámica y con esta, la velocidad dentro de la sección de pruebas. También se ha inclinado por mantener un estricto registro de las condiciones de experimentación de modo que se refinara la determinación de la densidad del aire de manera casi instantánea.. A pesar de que la nueva metodología utilizada, acelera el proceso de adquisición de datos, el estudio que este documento presenta se ve limitado en cuanto al número de escenarios evaluados principalmente por la cantidad de tiempo disponible.. 2.

(21) CAPITULO 1: PRESENTACIÓN Y FUNDAMENTACIÓN DEL PROYECTO:. 1. OBJETIVOS:. 1.1 OBJETIVOS GENERALES:. Como se mencionaba en el resumen de este documento, es de vital importancia el conocer el comportamiento del túnel de viento, luego, el primer objetivo básico de este trabajo es comprender y caracterizar el comportamiento del flujo de aire en distintas secciones del túnel de viento.. Intentando complementar el conocimiento de las características del comportamiento del túnel en operación se propuso realizar la evaluación teórica y experimental de las caídas de presión por secciones, de manera que se pudiera dar una característica importante a cada una de las mismas.. Por último y con el fin de tener una perspectiva de la importancia de la calibración del túnel de viento se realizaron 2 experiencias que muestran las utilidades del túnel de viento, una vez se tiene definida su forma de operación.. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:. Para completar los objetivos generales planteados en la anterior sección se propuso censar y relacionar las condiciones de presión estática, temperatura, densidad, velocidad e intensidad de turbulencia del aire, 3.

(22) presentes en la sección de pruebas, con los parámetros de funcionamiento del ventilador del túnel de viento.. Adicionalmente para tener en cuenta las condiciones de experimentación se evaluó la importancia de la influencia de los cambios en las condiciones ambientales dentro de la sección de pruebas sobre algunas características del aire fluyendo por la misma.. En línea con el objetivo de conocer más cada una de las secciones del túnel de viento se propuso calcular y medir secciones. de. modo. que. se. pudiera. las caídas de presión por. comparar. las. predicciones. experimentales con las condiciones reales de operación.. Por último y con el fin de comprobar la importancia de la calibración que básicamente este trabajo presenta, se evaluó y comprobó la utilidad del túnel de viento como instrumento para calibración de anemómetros de cazoletas, y en segunda instancia se realizaron distintas mediciones con el fin de evaluar los alcances del túnel de viento como instrumento para proporcionar condiciones para medición de coeficientes de arrastre sobre diferentes balones de fútbol (a través de los perfiles de velocidad generados por estos elementos).. 4.

(23) 2. MARCO TEÓRICO:. 2.1 TÚNELES DE VIENTO DE CICLO CERRADO:. Las grandes clases de túneles de viento son básicamente determinadas por el hecho de si el aire se encuentra o no recirculándose durante operación. La figura 1 ilustra las dos clases túneles, el esquema de la izquierda es un ejemplo de un túnel de viento de ciclo cerrado (imagen tomada y modificada de: (CAICEDO, 2008)), en el esquema se indican algunas de los componentes normalmente encontrados en uno de estos ejemplares. La fotografía de la derecha es un ejemplo de un túnel de viento de ciclo abierto (Túnel de viento TVIM-460-25-3.6, laboratorio de fluidos, Universidad de Los Andes).. Figura 1: Túneles de viento de ciclo cerrado y de ciclo abierto.. El tipo de túneles que recircula el aire impulsado se denominan de ciclo cerrado (siendo la otra clase, los túneles de ciclo abierto). El túnel de viento TVIM-49-60-1x1 es de ciclo cerrado y por tanto se lista ahora algunas 5.

(24) ventajas y desventajas generales de esta clase con respecto a la clase antagonista:. + La calidad de flujo es más fácil de controlar ya que este tipo de túneles suele contar con mallas estabilizadoras, alabes directrices, entre otros. + El flujo es relativamente independiente de las condiciones y eventos ambientales exteriores al túnel. + Es necesaria menos energía para mantener una velocidad en una sección de pruebas dada. + Se suele producir una cantidad menor de ruido durante operación. -. La inversión inicial en esta clase de túneles es alta.. -. Para la visualización de flujo con humo debe tenerse una forma de purga del túnel.. -. Si la potencia del ventilador es alta, y hay periodos de operación largos, es necesario incluir en el diseño del túnel una sección de acondicionamiento (enfriamiento) del aire. (BARLOW, 1999). 2.2 TEORÍA PARA MEDICIÓN DE PARÁMETROS RELEVANTES:. 2.2.1 Importancia de la calibración de un túnel de viento:. La calibración de un túnel de viento no solo es una herramienta necesaria al inaugurar el periodo de operación útil de este instrumento, sino que debe hacer parte del ciclo operacional normal del túnel. Este requerimiento da entre otros resultados: + Mantener el túnel operando en las condiciones que se espera que lo haga.. 6.

(25) + Interpretar. y/o corregir los datos en ciertos escenarios que lo. ameriten de manera confiable. + Poseer registros estadísticos de funcionamiento que le den al túnel un estatus de confiabilidad. Entre los requerimientos para realizar una buena calibración están: •. Planear los experimentos de manera que estos produzcan los resultados más representativos y útiles en el posterior postprocesamiento.. •. Seleccionar. y. utilizar. instrumentación. adecuada. (rango,. dimensiones, facilidad de montaje, etc.) y tener certeza sobre el comportamiento de estos elementos. •. Realizar un adecuado análisis de propagación de incertidumbre.. •. Presentar los resultados de la calibración de manera que sean fácilmente comprendidos y útiles en el uso posterior del túnel.. 2.2.2 Variables básicas en la calibración del túnel de viento:. Las variables principales utilizadas en la calibración del túnel de viento que presenta este documento son la presión total, la presión estática, la presión dinámica (velocidad), la temperatura estática, temperatura dinámica, temperatura estática, temperatura total, humedad relativa, intensidad de turbulencia y la densidad. La definición práctica de estas variables se presenta a continuación:. Presión estática (Pst): primero se tiene que la presión se puede definir como el valor del esfuerzo normal que ejerce una partícula de un fluido sobre el plano en el que repose la misma (WHITE, 1980). Para el caso de este documento interesa censar la presión estática. 7.

(26) de un flujo, en varios puntos inmersos en el mismo, luego el elemento preferido para esto es un tubo de Pitot.. Presión total (PT): denominada comúnmente como presión de remanso o de impacto al referir que este valor se toma en un punto en el que el flujo reduce su velocidad a 0. Comúnmente este valor es censado en la punta de un tubo de Pitot. Presión dinámica (Pdy): el término toma este nombre debido a que es el componente de la presión total que se relaciona directamente con la velocidad del fluido. Esto es válido, por ejemplo en los tubos de Pitot, debido a que al tener el valor de la presión total en la punta del tubo, y el valor de la presión estática, (unos 8 diámetros más atrás de la punta), muy cerca del punto donde se censa la total, de modo que las perdidas por fricción dentro del tubo se pueden considerar despreciables, la resta de estas presiones se puede relacionar por medio de la ecuación de Bernoulli con la velocidad del fluido (V). En la figura 2 se puede ver que la diferencia entre los términos de los dos puntos superiores analizados de la figura da como resultado que la presión en el punto B es mayor que la presión en el punto A por el hecho de haber cambiado (teóricamente) la velocidad del fluido a 0 en la punta del tubo. La ecuación de Bernoulli analizada entre los dos puntos mencionados, (ecuación 1) resulta en la expresión para obtener la velocidad V0 del fluido.. 8.

(27) Figura 2:: Tubo de Pitot. Imagen extraída y modificada de (EFUNDA, 2010). . 1 2. . 0 0 . 1 2. . 0 0. 1 . Como se conoce que la velocidad es aproximadamente 0 en la punta del tubo de Pitot, la presión en el punto A (PA) es. aproximadamente la presión estática y la velocidad del fluido en este mismo punto (VA) es aproximadamente la misma V0 con que incide el fluido fluido,, luego se obtiene (considerando despreciables las perdidas dentro del tubo de Pitot, lo cual es aceptable dado el diámetro, acabado superficial y la longitud del mismo): . 2 2 . Remplazando la nomenclatura de la presión en el punto B por PT (presión total) y la presión en el punto A por Pst (presión estática) se 9.

(28) obtiene el concepto antes mencionado de presión dinámica (Pdy) y la expresión para la velocidad del fluido (V=V0) 2 . De donde movimiento.. . . hace referencia a la densidad del fluido en. Temperatura estática (Tst): según (BARLOW, 1999) se puede definir como una medida promedio de la energía cinética aleatoria de traslación de las moléculas de un gas y debe ser medida con un elemento que se comporte adiabáticamente al encontrarse en equilibrio térmico y en reposo con respecto al gas. Temperatura dinámica (Tdy): se trata de un parte de la temperatura que se debe agregar a la medición cuando esta se toma desde un marco de referencia en el que el fluido no está en reposo con respecto al elemento de medición. Se puede calcular de la siguiente manera:. #1 ! " $ % ! 2. De donde # hace referencia a la tasa de calores específicos, M es el número de Mach, y T la temperatura censada en el flujo.. Temperatura total (TT): como su nombre lo indica hace referencia a la unión de ambos “términos” de temperatura (dinámica y estática), luego se puede definir como: ! "1 ". #1 $ % $ ! 2. 10.

(29) Humedad relativa (HR): se define como la cantidad de humedad en el aire comparada con la cantidad máxima que puede sostener el mismo antes de empezar a condensarse.. Algunos de los conceptos anteriores se basan en (BARLOW, 1999). Densidad (ρ): generalmente en este documento se referirá con esta letra griega directamente a la densidad del aire a menos que se indique lo contrario. La densidad se define como la propiedad de cualquier material que indica la cantidad de masa que contiene un cierto volumen. Para el caso del aire, que es el fluido de trabajo del túnel de viento, esta propiedad se ve influenciada ampliamente por las condiciones a las que se opere el mismo. La determinación de esta propiedad se hace a través de la medición de variables antes explicadas (presión, temperatura y humedad relativa). Para el cálculo de esta variable se han considerado 2 posibilidades: Tratamiento de gas ideal: de este modo la densidad del aire se determina por medio de la siguiente fórmula: . &!. De donde se conoce que hace referencia a la presión estática. (instantánea, ya que la densidad cambia en el tiempo) dentro de la sección de pruebas, ! hace referencia a la temperatura total y R. que es la constante universal para el aire y tiene un valor (para aire seco, lo cual de nuevo es una aproximación que ignora el efecto de la humedad relativa) de 287.05 J / kg K (MEASNET, 1997). Posteriormente en algunos resultados se mostrará ejemplos de la aplicación de esta fórmula. Tratamiento más aproximado a la realidad: según (MEASNET, 1997) la siguiente expresión para determinar la densidad está más cercana a la realidad desde que tiene en cuenta la humedad presente en el aire: 11.

(30) . 1 1 1 ' () " $* ! & & &). De donde ( es la humedad relativa (número entre 0 y 1), ) es la. presión de vapor que se puede definir como:. ) 0.0000205 exp0.0631846! . Y &) es la constante de gas ideal del vapor de agua (con valor de. 461.5 J/kg K) (MEASNET, 1997).. De nuevo, más adelante se mostrará los resultados de emplear estas formulas y se comparará con la aproximación antes presentada de tratar al aire como un gas ideal sin tener en cuenta la humedad relativa.. 2.2.3 Variables adicionales para evaluar la uniformidad del flujo en la sección de pruebas:. + Intensidad de turbulencia (IT): según (INSTRUMENTS, 2008) se puede definir este parámetro como la relación que existe entre el valor de la desviación estándar (45 ) de las fluctuaciones de la. velocidad en un punto del espacio sobre una cantidad determinada. de tiempo, y la velocidad promedio (6 ) en el mismo punto y sobre el. mismo periodo de tiempo. Expresado en una ecuación, la intensidad de turbulencia se define como: 7! . 45 6. + Variación espacial, (sobre un plano), de la velocidad del viento (458 ): este parámetro es un sencillo indicativo de la uniformidad de la. velocidad del viento en un plano transversal de la sección de pruebas. Se puede definir como la desviación estándar de la velocidad sobre todos los puntos censados en un plano transversal a 12.

(31) la sección de pruebas (la definición de la desviación estándar proviene de la estadística básica). Es decir: ∑: 68 458 ;< =. De donde corresponde a un dato de velocidad i sobre el plano. analizado, 68 corresponde a la velocidad promedio del plano. analizado y n hace referencia al número de puntos donde se censó la velocidad en dicho plano. Debe notarse que no se toma dentro de este parámetro los valores de la velocidad que censan los tubos de Pitot que están pegados a las paredes superior e inferior del túnel de viento. (Dichos valores idealmente deberían ser cero, sin embargo esta condición se ve limitada por la distancia inherente del centro de los tubos de Pitot en cuestión, con respecto a las paredes).. 2.2.4 Análisis de propagación de error:. Para conocer el error generado sobre una variable indirecta a partir de la medición de una variable directamente censada, se propone en esta sección explicar el método utilizado por este documento para dimensionar dicha propagación de error.. Suponiendo que hay una variable indirecta Y que se calcula en función de unas variables directas X y Z de manera que: > ?@, . Se tiene entonces que si la incertidumbre experimental para las variables directas X y Z son BC D BE respectivamente, la incertidumbre. de la variable Y será:. 13.

(32) H?@, H?@, BF G BC I G BJ I H@ H . . Luego BF sería la incertidumbre experimental de la variable Y en una. medición, por tanto se ha determinado que para listar una incertidumbre experimental de una variable indirecta que se ha medido una cantidad de veces n, se tomaría el promedio de las n incertidumbres experimentales propagadas, este proceso no es válido en su generalidad por el comportamiento que puede tener este término dentro de una muestra de mediciones, sin embargo dado que se conoce cada uno de las incertidumbres de cada una de las mediciones y se ha podido observar que la variación en ningún momento fluctúa de manera importante, se propone listar este promedio en las gráficas de este documento, teniendo en cuenta que se propone valido dada la naturaleza del comportamiento del error.. De este modo, cada vez que en este documento se denomine a un valor incertidumbre experimental (dado que esta variable sea indirecta, el proceso para obtenerse habrá sido el anteriormente explicado).. 3. RECONOCIMIENTO DEL TÚNEL DE VIENTO TVIM-49-60-1X1:. En la fase inicial del trabajo de grado se procede a hacer un reconocimiento de las condiciones generales del túnel de viento.. 3.1 MEDICIÓN DE COTAS Y SECCIONES TRANSVERSALES:. Las dimensiones generales del túnel de viento se midieron con el fin de tener un registro formal de las mismas y adicionalmente porque eran necesarias para cálculos teóricos posteriores de pérdidas por secciones. 14.

(33) La figura 3 muestra un plano esquemático del túnel de viento TVIM-49-601x1 con sus dimensiones reales en metros, se ilustra una vista frontal y las respectivas vistas laterales, superior e inferior. La flecha central en el esquema indica la dirección de flujo del aire en el túnel de viento.. 3.2 CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS POR FRICCIÓN POR SECCIONES:. De gran importancia en el conocimiento general del túnel de viento se encuentra el conocer las perdidas por fricción en cada una de las secciones. El primer paso para completar este objetivo fue hacer un cálculo simplificado de las perdidas por secciones suponiendo una velocidad constante en la sección de pruebas (que se pudiera luego reproducir experimentalmente dentro del túnel de viento, para poder hacer una comparación experimental de lo calculado, ver sección “verificación de pérdidas de presión por secciones”). En la tabla 1 se presenta la aclaración de alguna notación para la explicación del origen de los valores de las pérdidas calculadas (esta notación no se incluye en la nomenclatura inicial del documento).. 15.

(34) 2,5. 2,8. 1. 5,8. 0,2. 1,8. 2,6. 2,6. 0,64. 2,6. 1. 1,78. 0,2. 0,2. 0,2. 2. 1,96. 2,6. 1,8. 1,65. 1,87. 1,43. 1,8. 2,8. 1,5 2,6. 2. 3,53. 1,85. 5,2. 2,8. Figura 3: Plano esquemático del túnel de viento TVIM 49-60-1x1. (Todas las medidas en m +/- 0.005). El fundamento para el cálculo de las pérdidas de presión por secciones radica en la formula de Darcy-Weisbach, KLMNLOPQPBMó=SQTQMUUMó= ?. V 2OW. (acompañada de la información para los coeficientes de fricción del diagrama de Moody (WHITE, 1980)), y de la suposición de que la multiplicación de los términos de la velocidad por el área transversal a lo largo del túnel se mantiene constante durante todo el recorrido del aire por el túnel de viento (es tal vez esta suposición demasiado fuerte, de modo que a velocidades medias, altas en el túnel las pérdidas calculadas y las mediciones experimentales divergen en magnitud). XYZ:[\YZ KS=B]L=]P. 16.

(35) Tabla 1: Nomenclatura para aclaración del cálculo de caída de presión por secciones.. Luego se define la caída de presión de una sección como: KLMNL NP QPBMó= BPUUMó= X ^. V :_ :` : G? I G" $ : I 2OW _ ` 2. ab. . b :. En este punto es preciso notar que ρ hace referencia a la densidad del aire en la sección de pruebas, la cual se considera que no fluctúa a lo largo del túnel (en los cálculos). Otra aclaración necesaria es que para la evaluación del factor de fricción del diagrama de Moody (f) se consideró una velocidad promedio por sección, se tomó también el diámetro hidráulico equivalente promedio por sección, y una rugosidad superficial típica del acero de 0.05 mm. Estos cálculos se repitieron para 3 velocidades distintas de viento: 18.9 m/s, 33.7 m/s, 46.1 m/s, y los resultados de la caída de presión por 17.

(36) secciones (los nombres de las secciones son especificados en la figura 4 secciones, 4),, para esta estas s velocidades se presenta en las figuras 5, 6 y 7.. Las caídas de presión negativas representan aumentos en la presión. En los resultados presentados no se ha incluido el aumento de presión provisto por el ventilador, este se incluye en los datos experimentales (ver sección 3.3).. Figura 4: 4: Plano esquemático (vista (vista frontal del túnel túnel) para identificación identificación de nomenclatura de secciones. secciones. Figura 5: 5: Caídas Caída de presión por secciones calculadas a una velocidad de 18.9 m/s en la sección de pruebas pruebas.. 18.

(37) Figura 6: 6: Caídas de presión por secciones calculadas a una velocidad de 33.7 m/s en la sección de pruebas.. Figura 7:: Caídas de presión por secciones calculadas a una velocidad de 46.1 m/s en la sección de pruebas.. 19.

(38) 3.3 VERIFICACIÓN DE LAS PÉRDIDAS DE PRESIÓN POR SECCIONES:. Con el fin de verificar en cierta medida los cálculos de las pérdidas de presión por secciones, se procedió a hacer la medición experimental de este fenómeno.. El procedimiento utilizado fue básicamente el censar la diferencia de presión en cada sección por medio de un manómetro (fueron utilizados un manómetro inclinado Durablock estacionario plástico sólido Dwyer y un manómetro en U flexible Dwyer, los cuales se describirán en detalle en la sección de selección y calibración de instrumentos). Los puntos censados se comunican con el interior del túnel en cada sección por medio de un “anillo” de conexiones alrededor de la sección transversal. Estos elementos fueron instalados durante el trabajo de grado de Juan Camilo Daza. La fotografía 1 muestra dos de estos anillos y las conexiones de tipo acople rápido disponibles para censar la presión.. Se censó las diferencias de presión en todas las secciones donde se encuentran disponibles los anillos comunicadores mencionados, se midió a 400 rpm 650 rpm y 900 rpm del ventilador del túnel de viento, (velocidades promedio correspondientes en la sección de pruebas de 18.9 m/s, 33.7 m/s, 46.1 m/s respectivamente), y se obtuvo los resultados que muestran las figuras 8,9 y 10.. 20.

(39) Fotografía 1:: Sección 9 del túnel de viento. (S9) correspondiente a la denominación hecha en la figura 3.. Figura 8: 8 Caídas Caídas de presión por secciones medidas a una velocidad promedio de 18.9 m/s en la sección de pruebas.. 21.

(40) Figura 9: 9: Caídas de presión por secciones medidas a una velocidad promedio de 33.7 m/s en la sección de pruebas.. Figura 10: 10: Caídas de presión por secciones medidas a una velocidad promedio de 46.1 m/s en la sección de pruebas.. Como verificación de las caídas de presión calc calculadas uladas se puede concluir que esos valores mantienen la tendencia de los valores experimentales, sin embargo las magnitudes de las pérdidas calculadas sobre sobre--estiman estiman lo que 22.

(41) realmente ocurre dentro del túnel de viento. Este efecto puede explicarse a partir de las suposiciones hechas para el cálculo simplificado.. A raíz de los resultados obtenidos se propuso adelantar un paso más en el reconocimiento del túnel de viento y se determinó la constante de pérdidas de las secciones (o pares de secciones) de las que se obtuvo la medición experimental de la caída de presión.. Se obtuvo la constante de pérdidas (K) de la sección de la siguiente manera:. KLMNL NP QPBMó= BPUUMó= X ^ ∆ ∆ c. 2. De modo que al despejar la constante de pérdidas de la sección A-B, (c ) se obtiene:. c . 2∆ d\ee.fY \g.. De donde cabe resaltar que de nuevo. d\ee.fY. \g.. es la densidad del aire, y que. es la velocidad del viento en la sección de pruebas. Por. consiguiente c es la constante de pérdidas de la sección A-B referida a la sección de pruebas. Los resultados obtenidos se muestran en la. figura 11. De los mismos se debe resaltar que son consistentes para las 3 velocidades de experimentación y como conclusión de estos resultados se puede ver que los coeficientes de pérdidas que vale la pena tener en cuenta son los de la campana (S13) y sección de pruebas (SP), la tobera antes del ventilador (S5), el difusor después del ventilador (S7, S8, que presenta un coeficiente de pérdidas negativo, lo cual significa que hay ganancia neta de presión). Otra conclusión interesante es que las perdidas en las secciones donde el flujo cambia de dirección 90 grados no son. 23.

(42) significativas y seguramente esto se debe a que los alabes directrices están realizando correctamente su función.. El comportamiento de la densidad del aire en el tiempo de la prueba se muestra en la figura 12 (se muestra los resultados de determinar la densidad como un simple gas ideal y con un tratamiento más cercano a la realidad que tiene en cuenta el cambio en la humedad relativa, para mas detalles ver marco teórico).. Se puede ver en la figura 12 como medida que se aumentó la velocidad del viento dentro del túnel de viento la densidad del aire baja esto debido a que a mayor velocidad de viento, la temperatura, debido a la fricción, sube y adicionalmente la humedad relativa comienza a caer. Se tomaron 33 mediciones (11 por cada velocidad). Las incertidumbres mostradas en la parte derecha para cada caso obedecen a un análisis de propagación de error que sigue los lineamientos explicados en el marco teórico de este documento. Como se puede observar la variación entre las dos aproximaciones es casi nula. El máximo cambio en la densidad del aire resulta en 0.03 kg/m3.. Figura 11: Coeficientes de pérdidas referidos a la velocidad en la sección de pruebas.. 24.

(43) Figura 12: Gráfica del cambio en la densidad del aire variando la velocidad del mismo.. Como conclusión de la influencia de la velocidad de operación del túnel de viento y los factores que se tienen en cuenta para calcular la densidad se puede decir que la diferencia entre las 2 aproximaciones hechas para calcular la densidad es muy pequeña (difieren en alrededor del 0.2 %), adicionalmente se puede concluir que el cambio en la densidad del aire en el tiempo es sólo importante a velocidades por encima de 800 rpm dado que el túnel no tiene una sección de “acondicionamiento de aire” y el cambio en la densidad calculada puede llegar a afectar los datos de las pruebas que se realicen durante periodos largos a esas velocidades.. 3.4 MODIFICACIÓN SOBRE EL TÚNEL DE VIENTO: INSTALACIÓN DE TRANSDUCTOR OMRON E8Y PARA MONITOREO DE PRESIÓN EN VENTILADOR:. Otra de las secciones importantes dentro del túnel de viento es en la que se ubica el ventilador. Para el caso del túnel TVIM-49-60-1x1 este es un elemento de una potencia nominal de 49 kW y que alcanza a aumentar la 25.

(44) velocidad del viento hasta 60 m/s (en la sección de pruebas). El ventilador se maneja a través de un variador de frecuencia ACS800 marca ABB ubicado en el primer piso del laboratorio de fluidos (un piso alejado de la sección de pruebas).. Es entonces de gran interés ver el desempeño del ventilador sobre el rango de velocidades angulares comunes en la experimentación. Se ha determinado que este rango está entre 150 y 900 rpm (por debajo de este rango, la velocidad del viento puede presentar variaciones que entran en el rango de incertidumbre de gran parte de los instrumentos disponibles para medición, y por encima del rango, las velocidades alcanzadas exigen que los elementos ingresados en la sección de pruebas sean bastante robustos, con el fin de que no se desintegren ni se suelten durante la experimentación).. En línea con estos objetivos se instaló un transductor de presión diferencial marca OMRON referencia E8Y con rango de medición entre 0 y 2 kPa. Este se ubicó en una caja de protección típica para elementos electrónicos y se le adaptó un encendedor y una conexión para alimentación que facilite la operación en cualquier momento. La diferencia de presión que indica el transductor es la producida entre la entrada y la salida del ventilador del túnel de viento. Las fotografías 2 y 3 muestran el montaje final y los detalles del transductor de presión mencionado.. 26.

(45) Fotografía 2: Montaje del transductor de presión E8Y OMRON para censar el aumento de presión provisto por el ventilador.. Fotografía 3: Detalle de la forma de alimentación y la forma de encender el transductor instalado E8Y marca OMRON.. 27.

(46) El procedimiento de medición experimental del aumento de presión se hizo con la ayuda del barómetro de precisión, PTB330TS marca Vaisala que se ubico en la sección de pruebas, (con los instrumentos para censar temperatura, humedad relativa y presión estática, (censada de un tubo de Pitot en el centro de la sección de pruebas), con el fin de tener el mejor aproximado de la densidad del aire en cada momento). Luego se alistó el transductor dispuesto en la sección del ventilador (alimentándolo con 24 V c.d. provistos por una fuente DF1731SB3A marca Protek, disponible en el laboratorio de fluidos, Universidad de Los Andes). Se encendió el túnel de viento a 150 rpm y se dejo estabilizar el flujo por 15 minutos, luego se comenzó a censar la presión, temperatura y humedad relativa en la sección de pruebas, y a la vez el aumento en la presión que registraba el transductor marca OMRON ubicado en la sección del ventilador. Los resultados de la evolución del aumento de presión provisto por el ventilador son el promedio de 5 minutos de mediciones del aumento de presión registrado entre la entrada y la salida del ventilador por velocidad angular censada y se observan en la figura 13. En la figura 14 se muestra la evolución registrada de la densidad del aire en la sección de pruebas (esta vez solo se ha incluido la versión de la densidad que incluye la corrección por humedad relativa, para detalles de este modelo ver sección 2.2.2). Las mediciones mostradas se hicieron simultáneamente a las explicadas para la figura 13.. 28.

(47) Figura 13: 13 Aumento Aumento de presión que provee el ventilador a distintos regímenes de operación.. Figura 14:: Evolución volución de la densidad en la sección de pruebas corrigiéndola por presión, temperatura y humedad relativa.. 29.

(48) CAPITULO 2: DESARROLLO METODOLÓGICO DEL PROYECTO. 1. SELECCIÓN Y CALIBRACIÓN DE INSTRUMENTOS. En esta sección se presenta los criterios de selección de los instrumentos utilizados y las calibraciones (verificaciones de buen funcionamiento) de los mismos.. 1.1 MEDICIÓN DE PRESIÓN:. La presión como se la definió en una sección anterior resulta de gran importancia en la mayoría de aplicaciones en ingeniería.. Para el caso de las mediciones realizadas en este documento se ha utilizado la presión como medio para determinar la densidad del aire, la velocidad del viento y el aporte de energía (la diferencia de presión aportada por el ventilador).. Algunos instrumentos comunes para censar la presión son los manómetros y los transductores de presión.. Los manómetros son instrumentos muy antiguos, simples y confiables en la medición de presión. El principio que utilizan es el censar la columna de cierto fluido que cierta presión es capaz de desplazar. De la figura 15 se tiene que P1 y P2 hacen referencia a 2 presiones distintas, P1>P2, ρ1 y ρ2 hacen referencia a las densidades de 2 fluidos distintos, g es la aceleración debida a la fuerza gravitacional y h la diferencia de altura mostrada. Cuando se tiene este instrumento con alguna inclinación, la sensibilidad del mismo aumenta considerablemente en la medida que el lado derecho de la 30.

(49) ecuación se multiplica por el valor de seno del ángulo entre los tubos y una línea horizontal.. Figura 15: 15 Principio Principio de funcionamiento de un manómetro.. Los transductores de presión son instrumentos que por lo general en respuesta a una cierta presión o cambio de presión entregan una respuesta eléctrica. Los hay de diversos tipos, de diafragma con galga para censar aumento en la extensión, de diafragma que utilizan el principio de capacitancia, piezoeléctricos, entre otros. El detalle del funcionamiento de cada uno de estos tipos puede consultarse entre entre otras fuentes en (OMEGA, 2010) 2010). Los instrumentos utilizados para censar presión en las mediciones que rinde este documento son: Manómetro en U flexible marca Dwyer (ver fotografía 4): Rango de medición: medición: 0-8 0 8 pulgadas de Liquido rojo Dwyer de gravedad específica 0.826 Incertidumbre experimental (1/2 de la mínima unid unidad ad medible): 4.9 Pa Utilizado en: Medición de caídas caídas de presión por secciones a 600 y 9 900 00 rpm del ventilador del túnel de viento. 31.

(50) Fotografía 4: Manómetro en U flexible marca Dwyer.. Manómetro Inclinado Durablock estacionario plástico sólido marca Dwyer (ver fotografía 5): Rango de medición: 0-1 pulgadas de agua. Incertidumbre experimental (1/2 de la mínima unidad medible): 0.7 Pa Utilizado en: Medición de caídas de presión por secciones a 400 y 600 rpm del ventilador del túnel de viento, medición de presión dinámica por tubo de Pitot para obtención de velocidad en caída de presión por secciones.. 32.

(51) Fotografía 5: Manómetro Inclinado Durablock estacionario plástico sólido marca Dwyer.. Transductor diferencial E8Y marca OMRON (ver fotografía 6): Rango de medición: 0-2 kPa. Incertidumbre experimental (1/2 de la mínima unidad medible): 5 Pa. Alimentación requerida: 12-24 V d.c. Utilizado en: Medición del desempeño del ventilador de túnel de viento (diferencia de presión provista por el ventilador). Se hizo una calibración contra el manómetro en U flexible Dwyer y se obtuvo los resultados que muestra la figura 16.. Fotografía 6: Transductor de presión E8Y marca OMRON.. 33.

(52) Figura 16: 16 Curva de calibración de transductor OMRON E8Y realizada en 15-04 15 04-10. 10.. Barómetro PTB330TS marca Vaisala (ver fotografía 7) 7): Rango de medición: 500-1100 500 1100 hPa Incertidumbre experimental (1/2 de la mínima unidad medible): 0.5 Pa Precisión listada por el fabricante (en un rango de temperatura entre -10 -10°C C y 40 °C): °C): +/+/ 15 Pa Tiempo de respuesta: 2 s. Utilizado en: Medición de presión dinámica para todo el perfil de velocidades obtenido en la calibración de lla a sección de pruebas ((864 864 mediciones). De entre los instrumentos mencionados se escogió el barómetro Vaisala para cumplir con la tarea más relevante y extensa extensa,, la medición de la velocidad. Se escogió este debido a su alta precisión en el rango de temperaturas mencionado, por el tiempo de respuesta (que resulta ser temperaturas menos de 1 1/30 /30 del tiempo de respuesta del instrumento siguiente considerado más apto para la labor, manómetro inclinado Durablock 34.

(53) estacionario plástico sólido Dwyer), y por las prestaciones adicionales de medir temperatura y humedad relativa de manera conjunta, (siendo esto de gran ayuda debido al tiempo que emplea hacer esta cantidad de mediciones).. Fotografía 7: Barómetro PTB330TS marca Vaisala.. 1.2 MEDICIÓN DE TEMPERATURA:. Para la medición de temperatura se consideraron 2 opciones básicamente: -. Termopar (instrumento adicional del barómetro Vaisala PTB330TS). -. Termopar digital 871A marca OMEGA. Después de hacer una verificación de la facilidad de medición, incertidumbre experimental (incluyendo solo la mitad de la mínima unidad que es posible censar), y tiempo de respuesta de las opciones se decidió seleccionar el termopar del barómetro Vaisala por ser la opción más completa y conveniente.. 35.

(54) Termopar HMP155 (instrumento adicional del barómetro Vaisala PTB330TS, ver fotografía 8): Rango de medición: -10 °C a 40 °C Precisión mínima listada por el fabricante: +/- 0.25 °C (estando muy cercana a los +/- 0.16 °C en el rango de interés para las temperaturas del aire en el túnel de viento). Utilizado en: toda medición de temperatura que liste este documento, a menos de que se indique lo contrario.. 1.3 MEDICIÓN DE HUMEDAD RELATIVA Y DENSIDAD DEL AIRE:. Para la medición de la humedad relativa se cuenta básicamente con un solo instrumento adecuado y hace parte del sistema del barómetro PTB330TS.. Medidor de humedad relativa HMP155 (ver fotografía 8): Rango de medición: 0-100 % de humedad relativa. Precisión mínima listada por el fabricante +/- 1.8 % (en el rango de humedad manejado en el laboratorio esta precisión aumenta hasta 1%). Utilizado en: Toda medición de humedad relativa que liste el presente documento. 36.

(55) Fotografía 8: Sensores de temperatura y humedad relativa marca Vaisala,.. Para la respectiva medición de la densidad del aire se realiza de manera indirecta utilizando las aproximaciones de la sección 2.2.2 y con la ayuda de los instrumentos para medición de presión, temperatura y humedad relativa del barómetro PTB330TS marca Vaisala. Un ejemplo de la diferencia entre las 2 aproximaciones para cálculo de la densidad se muestra en la figura 12.. 1.4 MEDICIÓN DE VELOCIDAD E INTENSIDAD DE TURBULENCIA:. La medición de la velocidad en la sección de pruebas es uno de los requerimientos más relevantes en la calibración de un túnel de viento, es por. esto. que. se. recurre. al. concepto. de. calibración. de. plano. (ASTRONAUTICS, 2003), lo cual quiere decir que se calibra un plano representativo de la sección de pruebas. El plano calibrado está ubicado a 435 mm del inicio de la sección de pruebas (inicio de las tablas del piso y del techo de la sección). Dado que se hacía necesaria una medición precisa y rápida de la velocidad por el número de puntos y velocidades a censar se escogió utilizar la técnica de medir la velocidad a través de la presión dinámica de un fluido. Consecuentemente se utilizaron 24 tubos de 37.

(56) Pitot (arreglados en 3 racks de 8 Pitot cada uno, con los tubos igualmente espaciados, ver fotografía 9), y el barómetro PTB330TS marca Vaisala para censar tanto la presión total como la estática que indicara cada tubo de Pitot. Este procedimiento requería conectar y desconectar el barómetro 2 veces par cada punto de la medición y claramente representaba una gran posibilidad de confusión o daño de las mangueras, luego se propuso construir 6 múltiples que ayudaran a tener conectados las 48 mangueras de los 24 tubos de Pitot y con la ayuda de válvulas de cierre se lograra seleccionar la presión del Pitot que se deseara censar. Estos artefactos efectivamente minimizaron el retraso de tiempo en cuanto a las mediciones, a la vez que aumentaron la facilidad para realizar las mismas. En la fotografía 10 y 11 se puede observar la configuración de los 6 múltiples y las respectivas válvulas de cierre (estas últimas corresponden a equipos médicos para control preciso de líquidos venosos, y fueron así seleccionados por la facilidad de consecución y la reducción de costos con respecto a válvulas de cierre neumáticas típicas).. 38.

(57) Fotografía 9: Montaje de arreglo de 3 racks de 8 tubos de Pitot cada uno igualmente espaciados.. Fotografía 10: Múltiples fabricados para la conexión de los racks de Pitot mostrados en la fotografía 9 con el barómetro de precisión marca Vaisala.. 39.

(58) Fotografía 11: Múltiples y válvulas de cierre del sistema de medición de velocidad.. Se debe notar sobre la fotografía 11, a la derecha se puede observar las sencillas válvulas de cierre utilizadas en control médico de fluidos venosos y aunque no son los instrumentos más exactos para el control de aire, se comprobó que si se utilizan de manera correcta (cerrando y abriendo cuidadosamente), sirven de la misma manera que una válvula neumática típica. Adicionalmente debe considerarse que eran necesarias 48 unidades de modo que el costo se reducía en alrededor del 95 %. De este modo y siguiendo las ecuaciones de la sección 2.2.2 se obtuvo la velocidad del aire en cada punto del plano mencionado. Por cada una de las velocidades angulares del ventilador, se obtuvieron 56 puntos de medición de la velocidad. 40.

(59) Para la medición de la intensidad de turbulencia la cual es un indicador de la variabilidad de la velocidad del viento en un punto de la sección de pruebas (teniendo el túnel de viento operando a un régimen constante), se utilizó el termo-anemómetro de hilo caliente 407123 marca EXTECH (ver fotografía 12) conectado a un computador de escritorio Precision T 3400 marca Dell, de modo que fuera posible la grabación de la velocidad censada durante cierta cantidad de tiempo.. Fotografía 12: Anemómetro de hilo caliente marca EXTECH, utilizado en la medición de la intensidad de turbulencia.. 41.

(60) 2. PLANEACIÓN DE EXPERIMENTOS:. 2.1 EXPERIMENTOS PARA MEDICIÓN DE VELOCIDAD:. Con el fin de obtener resultados óptimos se planeó los experimentos realizados en lo que respecta a la medición del perfil de velocidades del plano a calibrar.. La planeación de estos experimentos se orientó a cubrir el rango de mayor utilidad para el túnel de viento. Se determinó entonces que velocidades menores a 4 m/s serían poco relevantes (después se verificó que de hecho a estas velocidades hay una variabilidad que no se podía censar correctamente por la resolución de los instrumentos), por tanto en términos de velocidad angular del ventilador esto significó un límite inferior de velocidades fijado en 150 rpm. Para el límite superior se intentó hacer una evaluación similar, sin embargo no se encontró criterios suficientes para fijar el límite, luego se examinó que a partir de 900 rpm del ventilador, el nivel de sonido generado en los alrededores del túnel de viento era considerable y se procedió a fijar esta velocidad angular como límite superior del rango a censar.. El número de velocidades intermedias fue determinado por lo razonable de la cantidad de mediciones que serían necesarias acompañado de tener una buena muestra dentro del rango de velocidades seleccionado. Las velocidades angulares del ventilador que se determinó censar fueron 150, 250, 400, 600, 750 y 900 rpm. Posteriormente se determinó que serían suficientes 3 posiciones distintas del arreglo de 3 racks (es decir 7 líneas sobre el plano) para tener una buena muestra del perfil de velocidades del plano escogido. La distribución explicada se ilustra en la figura 17 y debe notarse que para alcanzar esta red se debe cambiar 3 veces de posición los racks mostrados en la fotografía 9. 42.

(61) Estas determinaciones. representaron el necesitar medir 864 veces la. presión (fuera estática o total). Adicionalmente cada 6 mediciones se determinó censar las condiciones ambientales dentro de la sección de pruebas de modo que se pudiera corregir la velocidad de viento por el cambio en la densidad del aire, (esto representaba otras 144 mediciones de temperatura y humedad relativa).. Figura 17: Plano esquemático de la red de puntos donde se planeó censar la velocidad. Dimensiones en mm +/- 1.. 2.2 EXPERIMENTOS. PARA. MEDICIÓN. DE. INTENSIDAD. DE. TURBULENCIA:. Para la medición de un parámetro de variabilidad como lo es la intensidad de turbulencia interesa tener una cantidad de datos, significativa estadísticamente, de modo que los resultados obtenidos tengan valor real. 43.

(62) Siguiendo esta concepción se buscó utilizar el anemómetro de hilo caliente marca EXTECH antes presentado en unión con el. computador de. escritorio también descrito, que fue adecuado junto a la sección de pruebas, de modo que se tomara la velocidad en 4 puntos sobre una línea del plano calibrado durante 60 segundos en cada uno, (esto arrojó un total de 30 datos de velocidad por punto, lo cual resulta razonable estadísticamente). Se escogió 4 distancias desde la pared de modo que se pudiera evaluar si existía un decremento significativo en el valor de la intensidad de turbulencia a medida que se alejaba de la pared. Las distancias escogidas para puntos de medición fueron 32, 204, 380 y 730 mm desde el techo de la sección de pruebas.. 44.

(63) CAPITULO 3: RESULTADOS, APLICACIONES Y ANÁLISIS FINAL. 1. RESULTADOS DE LOS EXPERIMENTOS DE CALIBRACIÓN:. 1.1 RESULTADOS RELACIONADOS CON LA VELOCIDAD DEL AIRE:. Los resultados que esta sección presenta intentan relacionar la velocidad del viento en la sección de pruebas con otros parámetros de interés dentro de la normal operación del túnel de viento. Los primeros resultados se refieren al perfil de velocidades generado sobre el plano censado a distintas. velocidades. angulares. del. ventilador.. Las. figuras. 18-29. corresponden a los perfiles (tanto una imagen de la superficie (3D) formada por los valores de velocidad sobre el plano, como la respectiva gráfica (2D) para identificar los valores de la velocidad) a 150, 250, 400, 600, 750 y 900 rpm. (Es preciso aclarar que las distancias que muestran las figuras 18-29 se toman, las verticales respecto al suelo de la sección de pruebas y las distancias horizontales con respecto al centro del plano de la sección de pruebas). La fotografía 13 muestra una imagen de la sección de pruebas desde un punto de vista similar al presentado en las figuras 3D.. De los resultados presentados es interesante notar que en general la variación de las mediciones de velocidad sobre el plano analizado de la sección de pruebas es baja (esto no incluye las mediciones tomadas por los tubos de Pitot a ras de pared porque claramente la velocidad debe ser mucho menor en estos puntos, idealmente si fuera posible censarla a una distancia infinitesimal de la pared, la velocidad debería ser 0 m/s).. 45.

(64) Fotografía 13: Sección de pruebas desde un ángulo que ayuda a visualizar las figuras 3D de los perfiles de velocidad. (El flujo de aire va en la dirección que indica la fleca sobre la fotografía). La afirmación hecha sobre la variación de las mediciones de velocidad tomadas sobre el plano se apoya en el hecho de que la desviación estándar entre las mediciones realizadas sobre el mismo para cada una de las velocidades angulares está entre 1 y 7 % de la velocidad promedio para cada una de las condiciones de operación. Esta medida no es la intensidad de turbulencia de los perfiles de velocidad sino la variación espacial de la velocidad en el plano. (En todas las imágenes 3D se tiene una incertidumbre experimental para la velocidad del viento de 1 m/s, y para las distancias de 0.001 m). 46.

(65) Figura 18: Perfil de velocidad a 150 rpm del ventilador. Perfil menos uniforme de todo el rango censado.. Figura 19: Mediciones de velocidad registradas en la figura 18 son graficadas en 2D (DH = distancia horizontal desde el centro de la sección de pruebas).. 47.

(66) Figura 20: Perfil de velocidad a 250 rpm: la uniformidad mejora con respecto a lo obtenido a 150 rpm.. Figura 21: Mediciones de velocidad registradas en la figura 20 son graficadas en 2D (DH = distancia horizontal desde el centro de la sección de pruebas).. 48.

(67) Figura 22: Perfil de velocidad a 400 rpm del ventilador.. Figura 23: Mediciones de velocidad registradas en la figura 22 son graficadas en 2D (DH = distancia horizontal desde el centro de la sección de pruebas).. 49.

(68) Figura 24: Perfil de velocidad a 600 rpm del ventilador: Perfil con mejor uniformidad en el rango censado.. Figura 25: Mediciones de velocidad registradas en la figura 24 son graficadas en 2D (DH = distancia horizontal desde el centro de la sección de pruebas).. 50.

(69) Figura 26: Perfil de velocidad a 750 rpm del ventilador.. Figura 27: Mediciones de velocidad registradas en la figura 26 son graficadas en 2D (DH = distancia horizontal desde el centro de la sección de pruebas).. 51.

(70) Figura 28: Perfil de velocidad a 900 rpm del ventilador.. Figura 29: Mediciones de velocidad registradas en la figura 28 son graficadas en 2D.. 52.

(71) La figura 30 muestra el consolidado de lo que se ha denominado uniformidad espacial de velocidad sobre el plano analizado. Éste parámetros muestra cuán uniforme resultan las velocidades censadas en los puntos indicados en la figura 17 con respecto a la velocidad promedio censada para cada velocidad angular probada. h=M?SQiMNLN PBjLUMLk PBjLUMLk NP lPkSUMNLN BS`QP Pk jkL=S L=LkMbLNS% 100. OPBlMLUMó= OPBlMLUM = PB]L=NLQ NP kL lPkSUMNLN QSiPNMS NP lPkSUMNLN. De nuevo se llama la atención para aclarar que aunque la definición a anterior nterior sea similar a la de intensidad de turbulencia, no se trata de este parámetro debido a que la intensidad de turbulencia tiene que ver en mayor medida con la variación temporal de la velocidad en un punto, y no con la variación espacial de la velocid velocidad. ad. Como conclusión de esta medida. se puede. observar en los resultados que las condiciones espaciales resultan bastante uniformes (en la mayor parte del rango censado el parámetro se mantiene por debajo del 4%).. Figura 30: 30 Uniformidad espacial de la velocidad del aire con respecto al régimen de operación del ventilador.. 53.

(72) Otra de las relaciones importantes que se propone establecer con la velocidad del viento es el número de Mach alcanzado en las distintas condiciones de operación del ventilador así como el número de Reynolds asociado a este mismo factor. La velocidad del sonido se ha corregido por las condiciones atmosféricas según (ELERT, 2000) de la siguiente manera: PkSUMNLN NPk BS=MNS 331.5 0.60 !°K De donde T es la temperatura instantánea del aire en grados Celsius. Para el caso del número de Reynolds se tiene que se define como: &P . V o. De donde L es la longitud característica, que para el caso de estudio se trata del diámetro equivalente de la sección de pruebas (1 m), V es el promedio de la velocidad del viento durante el tiempo de experimentación. para cada velocidad angular, y o es la viscosidad cinemática del aire corregida por temperatura según (PROFESSIONALS, 2009) y verificada en (WHITE, 1980). Las figuras 31 y 32 muestran los resultados mencionados. Por último es importante tener una sola gráfica que consolide la relación más importante de la velocidad del viento contra la velocidad angular del ventilador, esta información la muestra la figura 33. Es preciso notar que la información consignada en esta última figura se puede utilizar para predecir, en las actuales condiciones del túnel de viento, la velocidad de viento obtenida en la sección de pruebas con una incertidumbre de 1 m/s, a partir de una condición de operación del ventilador.. 54.

(73) Figura 31: 31 Número de Mach a distintas velocidades angulares del ventilador ventilador.. Figura 32: 32 Número de Reynolds para el rango de velocidad censado. censado. 55.

(74) Figura 33: 33 Relación principal entre la velocidad angular del ventilador y la velocidad del aire esperada en la sección de pruebas pruebas.. 1.2 RESULTADOS RELACIONADOS CON LA PRESIÓN ESTÁTICA:. Dentro de los análisis requeridos para tener cierto grado de confianza en la estabilidad de operación de un túnel de viento se encuentra la variación espacial de la presión estática dentro de la sección de pruebas. Este parámetro se suele evaluar de manera longitudinal dentro de la sección de pruebas (ASTRONAUTICS, 2003) 2003).. La instrumentación para censar este requerimiento aun no se ha contemplado dentro de las herramientas del laboratorio de fluidos luego se optó por hacer una evaluación evaluación de la uniformidad espacial planar (es decir. 56.

(75) sobre el plano analizado) de la presión estática. El indicador propuesto de cuan uniforme es la presión estática es el siguiente: h=M?SQiMNLN PBjLUMLk jkL=LQ NP jQPBMó jQPBMó= PB]á]MUL PB] ]MUL % 100 ". OPBlMLUMó= OPBlMLUM = pB]L=NLQ NP kLB iPNMUMS=PB NP jQPBMó jQPBMó= PB]á]MUL PB] ]MUL $ QSiPNMS NP jQPBMó jQPBMó= PB] PB]á]MUL ]MUL NP kLB iMBiLB iPNMUMS=PB. Las mediciones analizadas para sacar un punto sobre la gráfica de la figura 34 son las 24 presiones estáticas correspondientes a una posici posición ón de los 3 racks de. 8 tubos de Pitot (no se toma las 56 mediciones de presión. estática por velocidad angular del ventilador debido a que al h hacerse acerse estas en distintos días días,, la variación de presión no correspondería a parámetros internos al túnel de viento sino a la variación en la presión atmosférica en el ambiente entre los días en que se hicieron las pruebas pruebas). ).. Como se mencionó la figura 34 m muestra uestra este parámetro de uniformidad, que se sobrentiende sobrentiende resulta en que a mayor es el parámetro menor es la uniformidad espacial planar de la presión estática. De la figura se puede ver que la variación máxima en la presión estática (sobre un plano) resul resulta ta ser insignificante (máximo de 0.055 %).. Figura 34: 34 Indicador de uniformidad espacial planar de la presión estática estática.. 57.

(76) 1.3 RESULTADOS RELACIONADOS CON LA INTENSIDAD DE TURBULENCIA:. Como se definió en la sección 2.2.2 la intensidad de turbulencia es un parámetro que mide cuan uniforme es en el tiempo la velocidad del aire dentro de la sección de pruebas del túnel de viento. En la sección 5.2 se describió el procedimiento experimental para la medición de este parámetro y ahora en la figura 35 se muestra los resultados obtenidos.. Figura 35: Intensidad de turbulencia encontrada en distintos puntos del túnel de viento y operando a distintos regímenes de velocidad angular.. 2. COMPARACIÓN DE RESULTADOS:. Esta sección intenta mostrar si existe consistencia entre los resultados obtenidos y mostrados en este documento, y algunos resultados obtenidos previamente por el estudiante Juan Camilo Daza. Principalmente los resultados a comparar se refieren a la velocidad del aire a distintos 58.