Túnel de viento

Los túneles de viento son máquinas en las que se mantienen objetos estacionarios dentro de un tubo y se sopla aire a su alrededor para estudiar la interacción entre el objeto y el aire en movimiento. Se utilizan para probar los efectos aerodinámicos de aviones , cohetes , automóviles y edificios . Los diferentes túneles de viento varían en tamaño desde menos de un pie de ancho hasta más de 100 pies (30 m), y pueden tener aire que se mueve a velocidades que van desde una brisa suave hasta velocidades hipersónicas.

Por lo general, se utilizan grandes ventiladores para mover el aire a través del túnel de viento, mientras que el objeto que se está probando se mantiene estacionario. El objeto puede ser un objeto de prueba aerodinámica, como un cilindro o un perfil aerodinámico, un componente individual de una aeronave, un modelo pequeño del vehículo o, en los túneles más grandes, incluso un vehículo de tamaño real. Se pueden tomar diferentes medidas de estas pruebas. Se pueden medir las fuerzas aerodinámicas sobre el objeto completo o sobre componentes individuales del mismo. La presión del aire en diferentes puntos se puede medir con sensores. Se puede introducir humo en la corriente de aire para mostrar el camino que sigue el aire alrededor del objeto. O se pueden unir pequeños hilos a partes específicas para mostrar el flujo de aire en esos puntos.

Los primeros túneles de viento se inventaron a finales del siglo XIX, en los albores de la investigación aeronáutica, como parte del esfuerzo por desarrollar aparatos voladores más pesados ​​que el aire. El túnel de viento invertía la situación habitual: en lugar de que el aire permaneciera inmóvil y el avión se moviera, un objeto se mantendría inmóvil y el aire se movería a su alrededor. De esta manera, un observador estacionario podría estudiar el objeto volador en acción y podría medir las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre él.

El desarrollo de los túneles de viento acompañó el desarrollo del avión. Durante la Segunda Guerra Mundial se construyeron grandes túneles de viento y, a medida que se desarrollaban los aviones supersónicos, se construyeron túneles de viento supersónicos para probarlos. Las pruebas en túneles de viento se consideraron de importancia estratégica durante la Guerra Fría para el desarrollo de aviones y misiles.

También se estudian otros problemas con los túneles de viento. Es necesario estudiar los efectos del viento en las estructuras artificiales cuando los edificios alcanzan la altura suficiente para verse afectados significativamente por el viento. Los edificios muy altos presentan grandes superficies expuestas al viento y las fuerzas resultantes deben ser resistidas por la estructura interna del edificio o, de lo contrario, el edificio se derrumbará. La determinación de dichas fuerzas era necesaria antes de que los códigos de construcción pudieran especificar la resistencia requerida de dichos edificios y estas pruebas se siguen utilizando para edificios grandes o inusuales.

Las pruebas en túneles de viento se aplicaron por primera vez a los automóviles ya en la década de 1920, ^[1] en automóviles como el Rumpler Tropfenwagen y, más tarde, el Chrysler Airflow . Inicialmente, los fabricantes de automóviles probaban modelos a escala de sus automóviles, pero más tarde, se construyeron túneles de viento automotrices a escala real. A partir de la década de 1960, las pruebas en túneles de viento comenzaron a adoptarse ampliamente para los automóviles , ^{[2] [ cita(s) adicional(es) necesaria(s ) ]} no tanto para determinar las fuerzas aerodinámicas de la misma manera que un avión, sino para aumentar la eficiencia de combustible de los vehículos al reducir la resistencia aerodinámica. En estos estudios, la interacción entre la carretera y el vehículo juega un papel importante, y esta interacción debe tenerse en cuenta al interpretar los resultados de la prueba. En el mundo real, el vehículo se mueve mientras la carretera y el aire están estacionarios. En una prueba en túnel de viento, la carretera también debe moverse más allá de un vehículo junto con el aire que se sopla a su alrededor. Esto se ha logrado con correas móviles debajo del vehículo de prueba para simular la carretera en movimiento, y se utilizan dispositivos muy similares en pruebas en túneles de viento de configuraciones de despegue y aterrizaje de aeronaves.

También se han estudiado en túneles de viento equipos deportivos, como palos de golf, pelotas de golf, trineos, ciclistas y cascos de coches de carreras. La aerodinámica del casco es especialmente importante en los coches de carreras de cabina abierta, como los de Indycar y Fórmula 1. Las fuerzas de sustentación excesivas en el casco pueden provocar una tensión considerable en el cuello del conductor, y la separación del flujo en la parte trasera del casco puede provocar turbulencias y, por tanto, visión borrosa para el conductor a altas velocidades. ^[3]

Los avances en el modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD) en computadoras digitales de alta velocidad han reducido la demanda de pruebas en túneles de viento, pero no la han eliminado por completo. Muchos problemas del mundo real aún no se pueden modelar con la precisión suficiente mediante CFD para eliminar la necesidad de realizar pruebas físicas en túneles de viento.

La velocidad y la presión del aire se miden de varias maneras en los túneles de viento.

La velocidad del aire a través de la sección de prueba se determina mediante el principio de Bernoulli . La medición de la presión dinámica , la presión estática y (solo para flujo compresible ) el aumento de temperatura en el flujo de aire. La dirección del flujo de aire alrededor de un modelo se puede determinar mediante mechones de hilo adheridos a las superficies aerodinámicas. La dirección del flujo de aire que se aproxima a una superficie se puede visualizar montando hilos en el flujo de aire por delante y por detrás del modelo de prueba. Se puede introducir humo o burbujas de líquido en el flujo de aire aguas arriba del modelo de prueba y se puede fotografiar su trayectoria alrededor del modelo (consulte la velocimetría de imágenes de partículas ).

Las fuerzas aerodinámicas sobre el modelo de prueba se miden generalmente con balanzas de vigas , conectadas al modelo de prueba mediante vigas, cuerdas o cables.

Históricamente, las distribuciones de presión a lo largo del modelo de prueba se han medido perforando muchos agujeros pequeños a lo largo de la trayectoria del flujo de aire y utilizando manómetros de múltiples tubos para medir la presión en cada agujero. Las distribuciones de presión se pueden medir de manera más conveniente mediante el uso de pintura sensible a la presión , en la que una presión local más alta se indica mediante una fluorescencia reducida de la pintura en ese punto. Las distribuciones de presión también se pueden medir de manera conveniente mediante el uso de cinturones de presión sensibles a la presión, un desarrollo reciente en el que múltiples módulos de sensores de presión ultraminiaturizados se integran en una tira flexible. La tira se adhiere a la superficie aerodinámica con cinta y envía señales que representan la distribución de presión a lo largo de su superficie. ^[4]

Las distribuciones de presión en un modelo de prueba también se pueden determinar realizando un estudio de estela , en el que se utiliza un solo tubo de Pitot para obtener múltiples lecturas aguas abajo del modelo de prueba, o se monta un manómetro de múltiples tubos aguas abajo y se toman todas sus lecturas.

Las propiedades aerodinámicas de un objeto no pueden permanecer todas iguales en un modelo a escala. ^[5] Sin embargo, observando ciertas reglas de similitud, se puede lograr una correspondencia muy satisfactoria entre las propiedades aerodinámicas de un modelo a escala y un objeto de tamaño real. La elección de los parámetros de similitud depende del propósito de la prueba, pero las condiciones más importantes que se deben satisfacer son generalmente:

• Similitud geométrica: todas las dimensiones del objeto deben estar escaladas proporcionalmente.
• Número de Mach : la relación entre la velocidad del aire y la velocidad del sonido debe ser idéntica para el modelo a escala y el objeto real (tener un número de Mach idéntico en un túnel de viento y alrededor del objeto real no equivale a tener velocidades del aire idénticas).
• Número de Reynolds : se debe mantener la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas. Este parámetro es difícil de satisfacer con un modelo a escala y ha llevado al desarrollo de túneles de viento presurizados y criogénicos en los que la viscosidad del fluido de trabajo se puede modificar en gran medida para compensar la escala reducida del modelo.

En ciertos casos de prueba particulares, se deben satisfacer otros parámetros de similitud, como por ejemplo el número de Froude .

El ingeniero militar y matemático inglés Benjamin Robins (1707-1751) inventó un aparato de brazo giratorio para determinar la resistencia ^[6] y realizó algunos de los primeros experimentos en teoría de la aviación.

Sir George Cayley (1773-1857) también utilizó un brazo giratorio para medir la resistencia y la sustentación de varios perfiles aerodinámicos. ^[7] Su brazo giratorio medía 1,5 m de largo y alcanzaba velocidades máximas de entre 3 y 6 m/s.

Otto Lilienthal utilizó un brazo giratorio para medir con precisión los perfiles aerodinámicos de las alas con diferentes ángulos de ataque , estableciendo sus diagramas polares de relación sustentación-resistencia , pero carecía de las nociones de resistencia inducida y números de Reynolds . ^[8]

Sin embargo, el brazo giratorio no produce un flujo de aire confiable que impacte la forma de prueba con una incidencia normal. Las fuerzas centrífugas y el hecho de que el objeto se mueve en su propia estela significan que el examen detallado del flujo de aire es difícil. Francis Herbert Wenham (1824-1908), miembro del Consejo de la Sociedad Aeronáutica de Gran Bretaña , abordó estos problemas inventando, diseñando y operando el primer túnel de viento cerrado en 1871. ^{[9] [10]} Una vez que se logró este avance, se extrajeron rápidamente datos técnicos detallados mediante el uso de esta herramienta. A Wenham y su colega John Browning se les atribuyen muchos descubrimientos fundamentales, incluida la medición de las relaciones l/d y la revelación de los efectos beneficiosos de una alta relación de aspecto .

Konstantin Tsiolkovsky construyó un túnel de viento de sección abierta con un soplador centrífugo en 1897 y determinó los coeficientes de arrastre de placas planas, cilindros y esferas.

El inventor danés Poul la Cour utilizó túneles de viento en su proceso de desarrollo y perfeccionamiento de la tecnología de las turbinas eólicas a principios de la década de 1890. Carl Rickard Nyberg utilizó un túnel de viento al diseñar su Flugan a partir de 1897.

En un conjunto clásico de experimentos, el inglés Osborne Reynolds (1842-1912), de la Universidad de Manchester, demostró que el patrón de flujo de aire sobre un modelo a escala sería el mismo para el vehículo a escala real si un determinado parámetro de flujo fuera el mismo en ambos casos. Este factor, ahora conocido como el número de Reynolds , es un parámetro básico en la descripción de todas las situaciones de flujo de fluidos, incluidas las formas de los patrones de flujo, la facilidad de transferencia de calor y el inicio de la turbulencia. Esto constituye la justificación científica central para el uso de modelos en túneles de viento para simular fenómenos de la vida real. Sin embargo, existen limitaciones en las condiciones en las que la similitud dinámica se basa solo en el número de Reynolds.

El uso que hicieron los hermanos Wright de un simple túnel de viento en 1901 para estudiar los efectos del flujo de aire sobre diversas formas mientras desarrollaban su Wright Flyer fue en cierto modo revolucionario. ^[11] Sin embargo, de lo anterior se desprende que simplemente estaban usando la tecnología aceptada en ese momento, aunque todavía no era una tecnología común en Estados Unidos.

En Francia , Gustave Eiffel (1832-1923) construyó su primer túnel de viento de retorno abierto en 1909, impulsado por un motor eléctrico de 67 hp (50 kW), en Champs-de-Mars, cerca del pie de la torre que lleva su nombre.

Entre 1909 y 1912, Eiffel realizó alrededor de 4.000 pruebas en su túnel de viento, y su experimentación sistemática estableció nuevos estándares para la investigación aeronáutica. En 1912, el laboratorio de Eiffel se trasladó a Auteuil, un suburbio de París, donde su túnel de viento con una sección de prueba de dos metros todavía está en funcionamiento hoy en día. ^[12] Eiffel mejoró significativamente la eficiencia del túnel de viento de retorno abierto al encerrar la sección de prueba en una cámara, diseñar una entrada ensanchada con un enderezador de flujo en forma de panal y agregar un difusor entre la sección de prueba y el ventilador ubicado en el extremo aguas abajo del difusor; este fue un arreglo seguido por una serie de túneles de viento construidos posteriormente; de ​​hecho, el túnel de viento de baja velocidad con retorno abierto a menudo se llama túnel de viento tipo Eiffel.

El uso posterior de túneles de viento proliferó a medida que se establecía la ciencia de la aerodinámica y la disciplina de la ingeniería aeronáutica y se desarrollaban los viajes aéreos y la energía.

En 1916, la Marina de los Estados Unidos construyó en el astillero naval de Washington uno de los túneles de viento más grandes del mundo en ese momento. La entrada tenía casi 3,4 m de diámetro y la parte de descarga 2,1 m de diámetro. Un motor eléctrico de 500 hp (370 kW) impulsaba las aspas del ventilador tipo paleta. ^[13]

En 1931, la NACA construyó un túnel de viento a escala real de 9,1 x 18,3 m (30 x 60 pies) en el Centro de Investigación Langley en Hampton, Virginia. El túnel funcionaba con un par de ventiladores accionados por motores eléctricos de 3000 kW (4000 hp). El diseño era de circuito cerrado con doble retorno y podía albergar muchos aviones reales de tamaño real, así como modelos a escala. El túnel finalmente se cerró y, aunque fue declarado Monumento Histórico Nacional en 1995, la demolición comenzó en 2010.

Hasta la Segunda Guerra Mundial, el túnel de viento más grande del mundo, construido entre 1932 y 1934, estaba ubicado en un suburbio de París, Chalais-Meudon , Francia. ^{[ cita requerida ]} Fue diseñado para probar aviones de tamaño real y tenía seis grandes ventiladores impulsados ​​por motores eléctricos de alta potencia. ^[14] El túnel de viento de Chalais-Meudon fue utilizado por ONERA con el nombre de S1Ch hasta 1976 en el desarrollo de, por ejemplo, los aviones Caravelle y Concorde . Hoy, este túnel de viento se conserva como monumento nacional.

Ludwig Prandtl fue profesor de Theodore von Kármán en la Universidad de Göttingen y sugirió la construcción de un túnel de viento para las pruebas de los dirigibles que estaban diseñando. ^{[15] : 44} La calle de vórtices de turbulencia aguas abajo de un cilindro se probó en el túnel. ^{[15] : 63} Cuando más tarde se trasladó a la Universidad de Aquisgrán, recordó el uso de esta instalación:

Recordé que el túnel de viento de Göttingen se inició como una herramienta para estudiar el comportamiento de los zepelines, pero que había demostrado ser valioso para todo lo demás, desde determinar la dirección del humo de la chimenea de un barco hasta si un avión determinado volaría. Sentí que el progreso en Aquisgrán sería prácticamente imposible sin un buen túnel de viento. ^{[15] : 76}

Cuando von Kármán empezó a trabajar como consultor de Caltech, trabajó con Clark Millikan y Arthur L. Klein. ^{[15] : 124} Se opuso a su diseño e insistió en que el dispositivo tuviera un flujo de retorno que lo hiciera "independiente de las fluctuaciones de la atmósfera exterior". Se completó en 1930 y se utilizó para las pruebas de Northrop Alpha . ^{[15] : 169}

En 1939, el general Arnold preguntó qué se necesitaba para que la USAF avanzara, y von Kármán respondió: "El primer paso es construir el túnel de viento adecuado". ^{[15] : 226} Por otro lado, después de los éxitos del Bell X-2 y la perspectiva de una investigación más avanzada, escribió: "Estaba a favor de construir un avión así porque nunca creí que se pudieran obtener todas las respuestas de un túnel de viento". ^{[15] : 302–03}

En 1941, Estados Unidos construyó uno de los túneles de viento más grandes de la época en Wright Field, en Dayton, Ohio. Este túnel de viento comienza a 45 pies (14 m) y se estrecha hasta los 20 pies (6,1 m) de diámetro. Dos ventiladores de 40 pies (12 m) eran accionados por un motor eléctrico de 40.000 caballos de fuerza. Se pudieron probar modelos de aviones a gran escala a velocidades de 400 mph (640 km/h). ^[16]

Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania desarrolló diferentes diseños de túneles de viento de gran tamaño para ampliar sus conocimientos de aeronáutica. Por ejemplo, el túnel de viento de Peenemünde fue un diseño novedoso que permitió la investigación del flujo de aire a alta velocidad, pero planteó varios desafíos de diseño en relación con la construcción de un túnel de viento de alta velocidad a gran escala. Sin embargo, utilizó con éxito algunas cuevas naturales de gran tamaño que se ampliaron mediante excavaciones y luego se sellaron para almacenar grandes volúmenes de aire que luego podrían dirigirse a través de los túneles de viento. Al final de la guerra, Alemania tenía al menos tres túneles de viento supersónicos diferentes, uno de ellos capaz de generar flujos de aire (calentados) a Mach 4,4.

Un gran túnel de viento en construcción cerca de Oetztal , Austria, habría tenido dos ventiladores impulsados ​​directamente por dos turbinas hidráulicas de 50.000 caballos de fuerza . La instalación no se completó al final de la guerra y el equipo desmantelado fue enviado a Modane , Francia, en 1946, donde fue re-erigido y todavía es operado allí por la ONERA . Con su sección de prueba de 26 pies (8 m) y velocidad aerodinámica de hasta Mach 1, es la instalación de túnel de viento transónico más grande del mundo. ^[17] Frank Wattendorf informó sobre este túnel de viento para una respuesta estadounidense. ^[18]

El 22 de junio de 1942, Curtiss-Wright financió la construcción de uno de los túneles de viento subsónicos más grandes del país en Buffalo, Nueva York. El primer hormigón para el edificio se vertió el 22 de junio de 1942 en un sitio que con el tiempo se convertiría en Calspan , donde el túnel de viento todavía funciona. ^[19]

Al final de la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos había construido ocho nuevos túneles de viento, incluido el más grande del mundo en Moffett Field, cerca de Sunnyvale, California, que fue diseñado para probar aviones de tamaño real a velocidades de menos de 250 mph (400 km/h) ^[20] y un túnel de viento vertical en Wright Field, Ohio, donde la corriente de viento es ascendente para probar modelos en situaciones de giro y los conceptos y diseños de ingeniería para los primeros helicópteros primitivos que volaron en Estados Unidos. ^[21]

Las investigaciones posteriores sobre los flujos de aire cercanos o superiores a la velocidad del sonido utilizaron un enfoque relacionado. Se utilizaron cámaras de presión de metal para almacenar aire a alta presión que luego se aceleraba a través de una boquilla diseñada para proporcionar un flujo supersónico. La cámara de observación o instrumentación ("sección de prueba") se colocó entonces en la ubicación adecuada en la garganta o boquilla para la velocidad del aire deseada.

En los Estados Unidos, la preocupación por el retraso de las instalaciones de investigación estadounidenses en comparación con las construidas por los alemanes condujo a la Ley del Plan Unitario de Túneles de Viento de 1949, que autorizó el gasto para construir nuevos túneles de viento en universidades y en instalaciones militares. Algunos túneles de viento alemanes construidos en tiempos de guerra fueron desmantelados para su envío a los Estados Unidos como parte del plan para explotar los avances tecnológicos alemanes. ^[22]

Para aplicaciones limitadas, la dinámica de fluidos computacional (CFD) puede complementar o posiblemente reemplazar el uso de túneles de viento. Por ejemplo, el avión cohete experimental SpaceShipOne fue diseñado sin el uso de túneles de viento. Sin embargo, en una prueba, se colocaron hilos de vuelo en la superficie de las alas, realizando una prueba de tipo túnel de viento durante un vuelo real para refinar el modelo computacional. Cuando hay flujo turbulento externo , la CFD no es práctica debido a las limitaciones de los recursos informáticos actuales. Por ejemplo, un área que todavía es demasiado compleja para el uso de CFD es la determinación de los efectos del flujo sobre y alrededor de estructuras, puentes y terrenos.

La forma más efectiva de simular el flujo turbulento externo es mediante el uso de un túnel de viento de capa límite.

Existen muchas aplicaciones para el modelado de túneles de viento de capa límite. Por ejemplo, comprender el impacto del viento en edificios altos, fábricas, puentes, etc. puede ayudar a los diseñadores de edificios a construir una estructura que resista los efectos del viento de la manera más eficiente posible. Otra aplicación importante del modelado de túneles de viento de capa límite es comprender los patrones de dispersión de gases de escape de hospitales, laboratorios y otras fuentes emisoras. Otros ejemplos de aplicaciones de túneles de viento de capa límite son las evaluaciones de la comodidad de los peatones y la acumulación de nieve. El modelado de túneles de viento se acepta como un método para ayudar en el diseño de edificios ecológicos . Por ejemplo, el uso del modelado de túneles de viento de capa límite se puede utilizar como crédito para la certificación de Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental (LEED) a través del Consejo de Construcción Ecológica de EE. UU.

Las pruebas en túneles de viento en una capa límite permiten simular la resistencia natural de la superficie de la Tierra. Para lograr precisión, es importante simular el perfil de velocidad media del viento y los efectos de la turbulencia dentro de la capa límite atmosférica. La mayoría de los códigos y normas reconocen que las pruebas en túneles de viento pueden generar información confiable para los diseñadores, especialmente cuando sus proyectos se realizan en terrenos complejos o en sitios expuestos.

En los Estados Unidos, muchos túneles de viento han sido desmantelados entre 1990 y 2010, incluidas algunas instalaciones históricas. La presión sobre los túneles de viento restantes se ejerce debido a la disminución o al uso errático, los altos costos de la electricidad y, en algunos casos, el alto valor de los bienes raíces sobre los que se asientan las instalaciones. Por otro lado, la validación de CFD aún requiere datos de túneles de viento, y es probable que este sea el caso en el futuro previsible. Se han realizado estudios y otros están en marcha para evaluar las futuras necesidades de túneles de viento militares y comerciales, pero el resultado sigue siendo incierto. ^[23] Más recientemente, un uso creciente de vehículos no tripulados instrumentados a reacción o drones de investigación han reemplazado algunos de los usos tradicionales de los túneles de viento. ^[24] El túnel de viento más rápido del mundo a partir de 2019 es el túnel de viento LENS-X, ubicado en Buffalo, Nueva York. ^[25]

El aire se bombea o se aspira a través de un conducto equipado con un puerto de observación e instrumentación donde se montan modelos o formas geométricas para su estudio. Normalmente, el aire se mueve a través del túnel utilizando una serie de ventiladores. Para túneles de viento muy grandes de varios metros de diámetro, un solo ventilador grande no es práctico, por lo que en su lugar se utiliza una serie de múltiples ventiladores en paralelo para proporcionar un flujo de aire suficiente. Debido al gran volumen y la velocidad del movimiento de aire requeridos, los ventiladores pueden estar propulsados ​​por motores turbofán estacionarios en lugar de motores eléctricos.

El flujo de aire creado por los ventiladores que ingresa al túnel es en sí mismo altamente turbulento debido al movimiento de las aspas del ventilador (cuando el ventilador está soplando aire hacia la sección de prueba, cuando está succionando aire de la sección de prueba aguas abajo, la turbulencia de las aspas del ventilador no es un factor), y por lo tanto no es directamente útil para mediciones precisas. El aire que se mueve a través del túnel debe estar relativamente libre de turbulencias y ser laminar. Para corregir este problema, se utilizan aspas de aire verticales y horizontales espaciadas estrechamente para suavizar el flujo de aire turbulento antes de llegar al objeto de prueba.

Debido a los efectos de la viscosidad , la sección transversal de un túnel de viento suele ser circular en lugar de cuadrada, porque habrá una mayor constricción del flujo en las esquinas de un túnel cuadrado que puede hacer que el flujo sea turbulento. Un túnel circular proporciona un flujo más suave.

El revestimiento interior del túnel suele ser lo más liso posible para reducir la resistencia y la turbulencia de la superficie que podrían afectar a la precisión de la prueba. Incluso las paredes lisas inducen cierta resistencia al flujo de aire, por lo que el objeto que se prueba suele mantenerse cerca del centro del túnel, con una zona de amortiguación vacía entre el objeto y las paredes del túnel. Existen factores de corrección para relacionar los resultados de las pruebas en el túnel de viento con los resultados al aire libre.

La iluminación suele estar empotrada en las paredes circulares del túnel y brilla a través de ventanas. Si la luz se montara en la superficie interior del túnel de forma convencional, la bombilla generaría turbulencias a medida que el aire sopla a su alrededor. De manera similar, la observación se realiza normalmente a través de ojos de buey transparentes en el interior del túnel. En lugar de ser simplemente discos planos, estas ventanas de iluminación y observación pueden ser curvas para adaptarse a la sección transversal del túnel y reducir aún más las turbulencias alrededor de la ventana.

Se utilizan diversas técnicas para estudiar el flujo de aire real alrededor de la geometría y compararlo con los resultados teóricos, que también deben tener en cuenta el número de Reynolds y el número de Mach para el régimen de operación.

La presión a través de las superficies del modelo se puede medir si el modelo incluye tomas de presión. Esto puede ser útil para fenómenos dominados por la presión, pero solo tiene en cuenta las fuerzas normales sobre el cuerpo.

Con el modelo montado en una balanza de fuerzas, se pueden medir la sustentación, la resistencia, las fuerzas laterales, los momentos de guiñada, balanceo y cabeceo en un rango de ángulos de ataque . Esto permite generar curvas comunes, como el coeficiente de sustentación en función del ángulo de ataque (que se muestra).

El propio equilibrio de fuerzas genera resistencia y turbulencia potencial que afectará al modelo e introducirá errores en las mediciones. Por lo tanto, las estructuras de soporte suelen tener una forma suave para minimizar la turbulencia.

Como el aire es transparente, es difícil observar directamente el movimiento del aire. En su lugar, se han desarrollado múltiples métodos de visualización de flujo, tanto cuantitativos como cualitativos, para realizar pruebas en un túnel de viento.

• Fumar
• Inyección de dióxido de carbono
• Se pueden aplicar mechones, minimechones o conos de flujo a un modelo y dejarlos adheridos durante la prueba. Los mechones se pueden utilizar para medir los patrones de flujo de aire y la separación del flujo. A veces, los mechones están hechos de material fluorescente y se iluminan con luz negra para facilitar la visualización.
• Las suspensiones evaporables son simplemente una mezcla de algún tipo de polvo fino, talco o arcilla mezclados con un líquido con un calor latente de evaporación bajo. Cuando se enciende el viento, el líquido se evapora rápidamente, dejando atrás la arcilla en un patrón característico del flujo de aire.
• Aceite: Cuando se aplica aceite a la superficie del modelo, puede mostrar claramente la transición del flujo laminar al turbulento, así como la separación del flujo.
• Pintura al temple: de forma similar al óleo, la pintura al temple se puede aplicar a la superficie del modelo aplicando inicialmente la pintura en puntos espaciados. Después de pasar el túnel de viento, se puede identificar la dirección y la separación del flujo. Una estrategia adicional en el uso de la pintura al temple es utilizar luces negras para crear un patrón de flujo luminoso con la pintura al temple.
• La niebla (generalmente de partículas de agua) se crea con un nebulizador piezoeléctrico ultrasónico . La niebla se transporta al interior del túnel de viento (preferiblemente del tipo de circuito cerrado y sección de prueba cerrada). Se inserta una rejilla calentada eléctricamente antes de la sección de prueba, que evapora las partículas de agua en sus proximidades, formando así láminas de niebla. Las láminas de niebla funcionan como líneas de corriente sobre el modelo de prueba cuando se iluminan con una lámina de luz.
• Sublimación: si el movimiento del aire en el túnel es lo suficientemente no turbulento, una corriente de partículas liberada en el flujo de aire no se romperá a medida que el aire se mueve, sino que permanecerá unida como una línea fina y definida. Múltiples corrientes de partículas liberadas desde una red de muchas boquillas pueden proporcionar una forma tridimensional dinámica del flujo de aire alrededor de un cuerpo. Al igual que con el equilibrio de fuerzas, estas tuberías y boquillas de inyección deben tener una forma que minimice la introducción de un flujo de aire turbulento en la corriente de aire.
• Sublimación (definición alternativa): Una técnica de visualización de flujo consiste en recubrir el modelo con un material sublimable de modo que, una vez que se active el viento en las regiones donde el flujo de aire es laminar, el material permanecerá adherido al modelo, mientras que, por el contrario, en las áreas turbulentas, el material se evaporará del modelo. Esta técnica se emplea principalmente para verificar que los puntos de transición colocados en el borde delantero para forzar una transición logren el objetivo deseado.

Las turbulencias y los vórtices de alta velocidad pueden ser difíciles de ver directamente, pero las luces estroboscópicas y las cámaras de película o digitales de alta velocidad pueden ayudar a capturar eventos que son borrosos a simple vista.

También se requieren cámaras de alta velocidad cuando el objeto de la prueba se mueve a gran velocidad, como la hélice de un avión. La cámara puede capturar imágenes en stop-motion de cómo la pala corta las corrientes de partículas y cómo se generan vórtices a lo largo de los bordes posteriores de la pala en movimiento.

• Pintura sensible a la presión (PSP): La PSP es una técnica mediante la cual se rocía un modelo con una pintura que reacciona a las variaciones de presión cambiando de color. Junto con esta técnica, las cámaras suelen ubicarse en ángulos de visión estratégicos a través de las paredes, el techo y el piso del túnel de viento para fotografiar el modelo mientras hay viento. Los resultados fotográficos se pueden digitalizar para crear una distribución completa de las presiones externas que actúan sobre el modelo y, posteriormente, mapearse en una malla geométrica computacional para una comparación directa con los resultados de CFD. Las mediciones de PSP pueden ser efectivas para capturar las variaciones de presión en todo el modelo; sin embargo, a menudo requieren tomas de presión suplementarias en la superficie del modelo para verificar la magnitud absoluta de los coeficientes de presión. Una propiedad importante de las pinturas PSP que se comportan bien es que también deben ser insensibles a los efectos de la temperatura, ya que la temperatura dentro del túnel de viento podría variar considerablemente después de funcionar de forma continua. Las dificultades comunes que se encuentran al usar PSP incluyen la incapacidad de medir con precisión los efectos del borde de entrada y de salida en áreas donde hay una gran curvatura debido a las limitaciones en la capacidad de las cámaras para obtener un ángulo de visión ventajoso. Además, a veces se evita la aplicación de PSP en el borde de ataque porque introduce un espesor finito que podría causar una separación temprana del flujo y, por lo tanto, corromper los resultados. Dado que las variaciones de presión en el borde de ataque suelen ser de interés principal, la falta de resultados precisos en esa región es muy problemática. Una vez que se pinta un modelo con pintura sensible a la presión, se sabe que ciertas pinturas se adhieren y continúan funcionando durante algunos meses después de su aplicación inicial. Finalmente, se sabe que las pinturas PSP tienen ciertas características de frecuencia, donde algunas requieren unos momentos para estabilizarse antes de lograr resultados precisos, mientras que otras convergen rápidamente. En este último caso, las pinturas que tienen la capacidad de reflejar cambios rápidos en la presión se pueden utilizar para aplicaciones de PSP dinámicas donde la intención es medir características de flujo inestable.
• Velocimetría por imágenes de partículas (PIV): la PIV es una técnica en la que se emite una lámina láser a través de una ranura en la pared del túnel, donde un dispositivo de obtención de imágenes puede rastrear la dirección de la velocidad local de las partículas en el plano de la lámina láser. A veces, esta técnica implica sembrar el flujo de aire con material observable. Esta técnica permite la medición cuantitativa de la velocidad y la dirección del flujo a través de las áreas capturadas en el plano del láser.
• Medición de la deformación del modelo (MDM): la MDM funciona colocando marcadores en ubicaciones geométricas conocidas en el modelo del túnel de viento y tomando fotografías del cambio en la ubicación del marcador a medida que se aplica el viento en el túnel. Al analizar el cambio en las posiciones del marcador desde diferentes ángulos de visión de la cámara, se puede calcular el cambio de traslación en la ubicación del marcador. Al recopilar los resultados de algunos marcadores, se puede calcular el grado en el que el modelo cede de manera flexible debido a la carga de aire.

Existen muchos tipos distintos de túneles de viento. Normalmente se clasifican según el rango de velocidades que se alcanzan en la sección de prueba, de la siguiente manera:

• Túnel de viento de baja velocidad
• Túnel de viento de alta velocidad
• Túnel de viento subsónico y transónico
• Túnel de viento supersónico
• Túnel de viento hipersónico
• Túnel de viento de alta entalpía

Los túneles de viento también se clasifican según la orientación del flujo de aire en la sección de prueba con respecto a la gravedad. Normalmente están orientados horizontalmente, como sucede durante el vuelo nivelado . Una clase diferente de túneles de viento están orientados verticalmente para que la gravedad pueda equilibrarse con la resistencia en lugar de la sustentación, y se han convertido en una forma popular de recreación para simular el paracaidismo :

• Túnel de viento vertical

Los túneles de viento también se clasifican en función de su uso principal. En el caso de los túneles que se utilizan con vehículos terrestres, como automóviles y camiones, también es importante el tipo de aerodinámica del suelo. Estos varían desde suelos fijos hasta suelos móviles completos, siendo también importantes los suelos móviles más pequeños y algún intento de control del nivel límite.

Las principales subcategorías dentro de los túneles de viento aeronáuticos son:

El número de Reynolds es uno de los parámetros de similitud que rigen la simulación del flujo en un túnel de viento. Para números de Mach inferiores a 0,3, es el parámetro principal que rige las características del flujo. Existen tres formas principales de simular un número de Reynolds alto, ya que no es práctico obtener un número de Reynolds a escala real mediante el uso de un vehículo a escala real. ^{[ cita requerida ]}

• Túneles presurizados: Aquí se presurizan los gases de prueba para aumentar el número de Reynolds.
• Túneles de gases pesados: se utilizan gases más pesados ​​como el freón y el R-134a como gases de prueba. El túnel de dinámica transónica de la NASA Langley es un ejemplo de este tipo de túnel.
• Túneles criogénicos: en ellos se enfría el gas de prueba para aumentar el número de Reynolds. El túnel de viento transónico europeo utiliza esta técnica.
• Túneles de gran altitud: están diseñados para probar los efectos de las ondas de choque contra diversas formas de aeronaves en condiciones casi de vacío. En 1952, la Universidad de California construyó los dos primeros túneles de viento de gran altitud: uno para probar objetos a una altura de entre 80 y 112 kilómetros sobre la tierra y el segundo para realizar pruebas a una altura de entre 128 y 320 kilómetros sobre la tierra. ^[26]

Los túneles V/STOL requieren una gran sección transversal, pero sólo velocidades pequeñas. Como la potencia varía con el cubo de la velocidad, la potencia necesaria para su funcionamiento también es menor. Un ejemplo de túnel V/STOL es el túnel Langley de la NASA de 4,3 x 6,7 m (14 x 22 pies). ^[27]

Los aviones tienen tendencia a girar cuando entran en pérdida . Estos túneles se utilizan para estudiar ese fenómeno.

Los túneles de viento para automóviles se dividen en dos categorías:

• Los túneles de flujo externos se utilizan para estudiar el flujo externo a través del chasis.
• Los túneles climáticos se utilizan para evaluar el rendimiento de los sistemas de puertas, sistemas de frenos, etc. en diversas condiciones climáticas. La mayoría de los principales fabricantes de automóviles tienen sus propios túneles de viento climáticos.

Wunibald Kamm construyó el primer túnel de viento a escala real para vehículos de motor. ^[28]

Para los túneles de flujo externo se utilizan varios sistemas para compensar el efecto de la capa límite sobre la superficie de la carretera, incluidos sistemas de correas móviles debajo de cada rueda y la carrocería del automóvil (sistemas de 5 o 7 correas) o una correa grande debajo de todo el automóvil, u otros métodos de control de la capa límite, como palas o perforaciones para succionarla. ^[29]

Estos túneles se utilizan en los estudios de ruido generado por el flujo y su supresión.

Un túnel de viento de alta entalpía tiene como objetivo estudiar el flujo de aire alrededor de objetos que se mueven a velocidades mucho más rápidas que la velocidad local del sonido ( velocidades hipersónicas ). La " entalpía " es la energía total de una corriente de gas, compuesta por la energía interna debida a la temperatura, el producto de la presión y el volumen, y la velocidad del flujo. La duplicación de las condiciones del vuelo hipersónico requiere grandes volúmenes de aire caliente a alta presión; grandes depósitos calientes presurizados y arcos eléctricos son dos técnicas utilizadas. ^[30]

Los principios aerodinámicos del túnel de viento funcionan igualmente en las embarcaciones, excepto que el agua es más viscosa y, por lo tanto, ejerce mayores fuerzas sobre el objeto que se está probando. Por lo general, se utiliza un canal de flujo circular para las pruebas acuadinámicas submarinas. La interacción entre dos tipos diferentes de fluidos significa que las pruebas puras en el túnel de viento son solo parcialmente relevantes. Sin embargo, se realiza un tipo de investigación similar en un tanque de remolque .

El aire no siempre es el mejor medio de prueba para estudiar los principios aerodinámicos a pequeña escala, debido a la velocidad del flujo de aire y al movimiento del perfil aerodinámico. Se realizó un estudio de las alas de la mosca de la fruta diseñado para comprender cómo las alas producen sustentación utilizando un gran tanque de aceite mineral y alas 100 veces más grandes que el tamaño real, con el fin de ralentizar los batidos de las alas y hacer que los vórtices generados por las alas del insecto fueran más fáciles de ver y comprender. ^[31]

También se realizan pruebas en túneles de viento para medir con precisión el movimiento del aire de los ventiladores a una presión específica. Al determinar las condiciones ambientales durante la medición y revisar la hermeticidad después, se garantiza la estandarización de los datos.

Existen dos formas posibles de medición: un ventilador completo o un rodete en una instalación hidráulica. Dos tubos de medición permiten medir corrientes de aire bajas (< 30.000 m ³ /h) así como corrientes de aire altas (< 60.000 m ³ /h). La determinación de la curva Q/h del ventilador es uno de los principales objetivos. Para determinar esta curva (y definir otros parámetros) se miden datos técnicos del aire, mecánicos y electrotécnicos:

Aire técnico:

• Diferencia de presión estática (Pa)
• Cantidad de aire movido (m3 ^/ h)
• Velocidad media del aire (m/s)
• Eficiencia específica (W/1000 m ³ /h)
• Eficiencia

Electrotécnico:

• Tensión (V)
• Corriente (A)
• Porque φ
• Potencia admitida (W) ventilador/ impulsor
• Rotaciones por minuto (RPM)

La medición puede realizarse en el ventilador o en la aplicación en la que se utiliza el ventilador.

En ingeniería eólica , las pruebas en túneles de viento se utilizan para medir la velocidad alrededor de las estructuras y las fuerzas o presiones que actúan sobre ellas. ^[32] Los edificios muy altos, los edificios con formas inusuales o complicadas (como un edificio alto con forma parabólica o hiperbólica), los puentes colgantes o los puentes atirantados se analizan en túneles de viento especializados en la capa límite atmosférica. Estos cuentan con una sección larga en contra del viento para representar con precisión la velocidad del viento y el perfil de turbulencia que actúa sobre la estructura. Las pruebas en túneles de viento proporcionan las mediciones de presión de diseño necesarias para el uso del análisis dinámico y el control de edificios altos.

• Índice de artículos sobre aviación
• Diseño de automóviles
• Picadura (accesorio)
• Puente Tacoma Narrows (1950) , el primer puente colgante probado en un túnel de viento
• Túnel de agua , la versión orientada a la hidrodinámica de un túnel de viento
• Lista de túneles de viento

• Jewel B. Barlow, William H. Rae, Jr., Allan Pope: Pruebas en túneles de viento de baja velocidad (3.ª ed.) ISBN 978-0-471-55774-6 

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con túneles de viento .

• Thierry Dubois (11 de mayo de 2017). "Los túneles de viento tienen futuro en la era digital, dicen los europeos". Aviation Week & Space Technology . Gracias a las técnicas de medición actualizadas, los túneles de viento siguen siendo indispensables.

• Rail Tec Arsenal, centro de túneles de viento climáticos para ensayos en estructuras ferroviarias, aeronáuticas, automovilísticas y técnicas