Método esfera de turbulencia: Evaluación de la calidad del flujo del túnel de viento

En las pruebas de aerodinámica, los túneles de viento son invaluables para determinar las propiedades aerodinámicas de varios objetos y aeronaves a escala. Los datos del túnel de viento se generan aplicando un flujo controlado de aire a un modelo de prueba, que se monta dentro de la sección de prueba. El modelo de prueba suele tener una geometría similar, pero a una escala más pequeña, en comparación con el objeto real.

Para garantizar la utilidad de los datos generados en las pruebas en el túnel de viento, debemos garantizar la similitud dinámica entre el campo de flujo del túnel de viento y el campo de flujo real sobre el objeto real. Para mantener la similitud dinámica, el número de Reynolds del experimento en el túnel de viento debe ser el mismo que el número de Reynolds del fenómeno de flujo que se está probando.

Sin embargo, los experimentos realizados en túneles de viento o al aire libre, incluso con el mismo número de Reynolds de prueba, pueden proporcionar resultados diferentes debido a los efectos de la turbulencia de flujo libre dentro de la sección de prueba del túnel de viento. Estas diferencias pueden percibirse como un número de Reynolds efectivo más alto para el túnel de viento. Entonces, ¿cómo correlacionamos las pruebas en el túnel de viento con los experimentos al aire libre?

Podemos estimar la intensidad de la turbulencia de corriente libre en el túnel de viento utilizando un objeto bien definido con un comportamiento de flujo conocido, como una esfera. Este método se denomina método de la esfera de turbulencia. El método de la esfera de turbulencia se basa en la condición bien estudiada llamada crisis de arrastre de la esfera.

La crisis de arrastre de la esfera describe el fenómeno en el que el coeficiente de arrastre de una esfera cae repentinamente cuando el número de Reynolds alcanza un valor crítico. Cuando el flujo alcanza el número crítico de Reynolds, la capa límite pasa de laminar a turbulenta muy cerca del borde delantero de la esfera. Esta transición, en comparación con el flujo a un número de Reynolds bajo, provoca un retraso en la separación del flujo y una estela turbulenta más delgada y, por lo tanto, una disminución de la resistencia.

Por lo tanto, podemos medir el coeficiente de arrastre de una esfera en un rango de números de Reynolds de prueba para determinar el número crítico de Reynolds. Esto nos permite determinar el factor de turbulencia, que correlaciona el número de Reynolds de prueba con el efectivo del número de Reynolds.

En este experimento, demostraremos el método de la esfera de turbulencia utilizando un túnel de viento y varias esferas de turbulencia diferentes con tomas de presión incorporadas.

Este experimento utiliza un túnel de viento aerodinámico, así como varias esferas de turbulencia con diámetro variable para determinar el nivel de turbulencia del flujo de corriente libre en la sección de prueba del túnel. Las esferas de turbulencia, cada una con una toma de presión en el borde de ataque, así como 4 tomas de presión ubicadas a 22,5? desde el borde de fuga, tienen características de flujo bien definidas, que nos ayudan a analizar la turbulencia en el túnel de viento.

Para configurar el experimento, primero conecte el tubo de Pitot del túnel de viento al puerto número 1 del escáner de presión. A continuación, conecte el puerto de presión estática del túnel de viento al puerto número 2. Ahora, bloquee el saldo externo. Fije el puntal de la esfera en el soporte de equilibrio dentro del túnel de viento.

Luego, instale el 6 en esfera. Conecte la toma de presión del borde de ataque al puerto número 3 del escáner de presión y conecte las cuatro tomas de presión de popa al puerto 4. Conecte la línea de suministro de aire al regulador de presión y ajuste la presión a 65 psi. Luego, conecte el colector del escáner de presión a la línea de presión regulada a 65 psi.

Ponga en marcha el sistema de adquisición de datos y el escáner de presión. Mientras el sistema se equilibra, estime la presión dinámica máxima, q máx., necesaria para la prueba basándose en el número crítico de Reynolds al aire libre para una esfera lisa.

Aquí, enumeramos los parámetros de prueba recomendados para la primera y segunda prueba de cada esfera. Ahora, usando estos parámetros, defina el rango de prueba de presión dinámica de cero a q máx., y luego defina los puntos de prueba dividiendo el rango en 15 intervalos.

Antes de realizar el experimento, lea la presión barométrica en la habitación y registre el valor. Además, lea la temperatura ambiente y registre su valor. Aplique las correcciones a la presión barométrica utilizando la temperatura ambiente y la geolocalización utilizando las ecuaciones proporcionadas por el fabricante del manómetro.

Ahora, configure el software de adquisición de datos abriendo primero el programa de escaneo. A continuación, conecte el software DSM 4000, que lee y calibra la señal del sensor de presión, configurando la dirección IP adecuada y pulsando conectar. Inserte los comandos como se muestra, que están definidos por el fabricante, recordando presionar enter después de cada comando.

Ahora que el software está listo, verifique que la sección de prueba y el túnel de viento estén libres de escombros y piezas sueltas. A continuación, cierre las puertas de la sección de prueba y compruebe que la velocidad del túnel de viento está puesta a cero. Encienda el túnel de viento y, a continuación, encienda el sistema de enfriamiento del túnel de viento.

Con la velocidad del viento igual a cero, comience a registrar datos en el sistema de adquisición de datos, luego escriba el comando escanear para iniciar la medición de presión. A continuación, registre la temperatura del túnel de viento. Dado que la velocidad del viento está directamente relacionada con la presión dinámica, aumente la velocidad del viento hasta que alcance el siguiente punto de prueba de presión dinámica. Luego, espere hasta que la velocidad del aire se estabilice y comience el escaneo de presión nuevamente. Asegúrese de registrar la temperatura del túnel de viento. Continúe el experimento realizando un escaneo de presión en cada uno de los puntos de presión dinámica, registrando la temperatura del túnel de viento cada vez. Cuando se hayan medido todos los puntos para la esfera de 6 pulgadas, repita el experimento de estabilización y escaneo de presión para las esferas de turbulencia de 4.987 pulgadas y 4 pulgadas.

Para cada esfera, medimos la presión de estancamiento en el puerto de presión 3 y la presión en los puertos de popa a través del puerto de presión 4, que se restan para obtener la diferencia de presión, delta P. También medimos la presión total de la sección de prueba, Pt, desde el puerto de presión uno y la presión estática, Ps, desde el puerto de presión dos, que se utilizan para determinar la presión dinámica de prueba, q.

Entonces podemos calcular la presión normalizada, que es igual a la diferencia de presión dividida por la presión dinámica. También se registraron la presión y la temperatura del flujo de aire, lo que permitió el cálculo de las propiedades del flujo de aire. Recuerde que hay una ranura en la sección de prueba, lo que significa que está abierta al aire ambiente. Por lo tanto, suponiendo que no haya un gradiente de presión en sentido de la corriente en la sección de prueba, el valor absoluto de la presión estática local del flujo de corriente libre se puede utilizar como presión del aire ambiente.

La densidad se obtiene utilizando la ley de los gases ideales y la viscosidad obtenida mediante la fórmula de Sutherland. Una vez determinada la densidad y viscosidad del aire, podemos calcular el número de Reynolds. Aquí mostramos una gráfica del número de Reynolds frente a la diferencia de presión normalizada, delta P sobre q.

Usando esta gráfica, podemos determinar el número crítico de Reynolds para cada esfera, ya que el número crítico de Reynolds corresponde a un valor de presión normalizado 1.22. Con cada número crítico de Reynolds, podemos evaluar el factor de turbulencia y el número de Reynolds efectivo. El factor de turbulencia se correlaciona con la intensidad de la turbulencia en el túnel de viento.

En resumen, aprendimos cómo la turbulencia de flujo libre afecta las pruebas en un túnel de viento. A continuación, utilizamos varias esferas lisas para determinar el factor de turbulencia y la intensidad del flujo del túnel de viento y evaluar su calidad.