Overview
Fuente: José Roberto Moreto y Xiaofeng Liu, Departamento de Ingeniería Aeroespacial, Universidad Estatal de San Diego, San Diego, CA
Las pruebas de túnel de viento son útiles en el diseño de vehículos y estructuras que se someten a flujo de aire durante su uso. Los datos del túnel de viento se generan aplicando un flujo de aire controlado a un modelo del objeto que se está estudiando. El modelo de prueba suele tener una geometría similar, pero es una escala más pequeña en comparación con el objeto de tamaño completo. Para garantizar que se recopilen datos precisos y útiles durante las pruebas de túnel de viento de baja velocidad, debe haber una similitud dinámica del número de Reynolds entre el campo de flujo de túnel sobre el modelo de prueba y el campo de flujo real sobre el objeto de tamaño completo.
En esta demostración, se analizará el flujo del túnel de viento sobre una esfera lisa con características de flujo bien definidas. Debido a que la esfera tiene características de flujo bien definidas, se puede determinar el factor de turbulencia para el túnel de viento, que correlaciona el número efectivo de Reynolds con el número de Reynolds de prueba, así como la intensidad de turbulencia de corriente libre del túnel de viento.
Principles
Para mantener la similitud dinámica en los flujos de baja velocidad, el número Reynolds de un experimento debe ser el mismo que el número De Reynolds del fenómeno de flujo que se está estudiando. Sin embargo, los experimentos realizados en diferentes túneles de viento y en aire libre, incluso en el mismo número de Reynolds, podrían proporcionar resultados diferentes. Estas diferencias pueden atribuirse al efecto de la turbulencia de la corriente libre dentro de la sección de prueba del túnel de viento, que podría ser percibida como un "número de Reynolds efectivo" más alto para la prueba del túnel de viento [1].
Un método simple que se utiliza para obtener el número efectivo de Reynolds para un túnel de viento y estimar su intensidad de turbulencia es el uso de la esfera de turbulencia. Este método obtiene una medición indirecta de la intensidad de turbulencia determinando el factor de turbulencia del túnel de viento. El factor de turbulencia, TF, correlaciona el número de Reynolds efectivo, Reff, con el número de túnel Reynolds, Retest, como
La intensidad de la turbulencia se puede medir directamente mediante un estudio de campo de flujo de velocimetría de revestimiento de hilo caliente, velocimetría doppler láser o imagen de partícula. Antes de la introducción de estos métodos de medición directa, una esfera de turbulencia era la forma principal de medir la turbulencia relativa de un túnel de viento. Dado que los métodos directos suelen llevar mucho tiempo y son costosos, el método de esfera de turbulencia convencional sigue siendo una alternativa rápida y económica para medir la calidad del flujo de aire.
El método de la esfera de turbulencia se basa en dos resultados empíricos: la crisis de arrastre de esfera y la fuerte correlación entre el número crítico de Reynolds, Rec, y la intensidad de la turbulencia de flujo. La crisis de arrastre se refiere al fenómeno que el coeficiente de arrastre de la esfera, Cd, se desprende repentinamente debido al desplazamiento hacia atrás del punto de separación de flujo. Cuando el flujo alcanza el número crítico de Reynolds, la transición de la capa límite del flujo laminar al flujo turbulento se produce muy cerca del borde delantero de la esfera. Esta transición temprana provoca una separación de flujo retardada porque la capa límite turbulenta es más capaz de negociar un gradiente de presión adverso para una distancia más larga y, por lo tanto, es menos propensa a la separación que la capa límite laminar. La separación retardada promueve una mejor recuperación de la presión, lo que reduce el tamaño de la estela y la resistencia a la presión y disminuye significativamente el arrastre general.
Las esferas de turbulencia utilizadas en esta demostración tienen un grifo de presión en el borde delantero y cuatro grifos de presión en puntos situados a 22,5o del borde de arrastre. Se investigarán tres esferas con diámetros de 4.0, 4.987 y 6.0 in, respectivamente. Para una esfera suave, el número crítico de Reynolds está bien definido y se produce cuando CD es 0,3. Esto corresponde a un valor deP/q a 1.220, dondeP es la diferencia entre la presión media medida en los cuatro puertos de presión trasera y la presión de estancamiento en el borde delantero de la esfera, y q es el flujo dinámico dinámico Presión.
Mientras que Rec está bien definido por CD yP/q, depende en gran medida de la turbulencia del flujo. Esta demostración utilizando esferas se puede utilizar para definir el factor de turbulencia. Las primeras mediciones de vuelo encontraron que en la atmósfera libre, Rec a 3,85 x 105 para una esfera suave. La crítica de aire libre Reynolds está correlacionada con la turbulencia del túnel de viento mediante la siguiente ecuación:
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Procedure
1. Preparación de la esfera de turbulencia en el túnel de viento
- Conecte el tubo pitot del túnel de viento al puerto #1 en el escáner de presión y conecte el puerto de presión estática al puerto #2 en el escáner de presión.
- Bloquee el equilibrio externo.
- Fije el puntal de la esfera al soporte de la balanza dentro del túnel de viento.
- Instale la esfera con 6 de diámetro.
- Conecte el grifo de presión de vanguardia al puerto #3 en el escáner de presión y conecte los cuatro grifos de presión de popa al puerto #4 del escáner de presión.
- Fije la línea de suministro de aire al regulador de presión y ajuste la presión a 65 psi.
- Conecte el colector del escáner de presión a la línea de presión.
- Inicie el sistema de adquisición de datos y el escáner de presión. Asegúrese de encenderlos al menos 20 minutos antes de la prueba.
- Estimar la presión dinámica máxima basada en el número crítico
de Reynolds al aire libre para una esfera suave: . Consulte las Tablas 1 y 2 para conocer los parámetros de prueba recomendados. - Defina el rango de prueba de presión dinámica de 0 a qmáx. y defina los puntos de prueba dividiendo el rango en 15 intervalos.
de Reynolds al aire libre para una esfera suave: . Consulte las Tablas 1 y 2 para conocer los parámetros de prueba recomendados.Tabla 1. Parámetros para la primera prueba.
| Diámetro de la esfera (pulg.) | qMin [en H2O] | qMax [en H2O] |
| 4 | 4 | 6 |
| 4.987 | 2 | 3.4 |
| 6 | 1 | 2.4 |
Cuadro 2. Parámetros para la segunda prueba.
| Diámetro de la esfera (pulg.) | qMin [en H2O] | qMax [en H2O] |
| 4 | 3.4 | 7.2 |
| 4.987 | 1.3 | 5.1 |
| 6 | -- | -- |
2. Realización de la estabilización y medición del escaneo de presión
- Lea la presión barométrica y la temperatura ambiente y registre los valores.
- Aplique las correcciones a la presión barométrica utilizando ecuaciones proporcionadas por el fabricante del manómetro.
- Configure el software de adquisición de datos y conéctelo al escáner de presión, estableciendo la dirección IP adecuada.
- Inserte los siguientes comandos presionando intro después de cada comando.
>calz
>establecer chan1 0
>establecer chan 1-1..1-4
>establecer fps 10 - Compruebe que la sección de prueba y el túnel de viento estén libres de escombros.
- Cierre las puertas de la sección de prueba.
- Establezca el marcado rápido del túnel de viento en cero.
- Encienda el túnel de viento y el sistema de enfriamiento del túnel de viento.
- Con la velocidad del viento a 0 mph, inicie la grabación de datos y, a continuación, inserte el siguiente comando para escanear la presión:
>Escanear - Registre la temperatura del aire del túnel de viento.
- Aumente la velocidad del viento hasta la siguiente presión dinámica del punto de prueba tal como se define en el paso 1.10.
- Espere hasta que la velocidad del aire se estabilice, luego repita los pasos 2.9 - 2.11 hasta que se ejecute el último punto de prueba.
- Reduzca lentamente la velocidad del aire a cero.
- Cuando se hayan medido todos los puntos, sustituya el 6 en esfera por la siguiente esfera siguiendo los pasos 1.2 - 1.5.
- Repita los pasos de 2.3 a 2.14 para repetir los experimentos de estabilización y escaneo de presión.
- Espere a que el túnel de viento se enfríe después de que se ejecute la prueba para las tres esferas.
- Apague el túnel de viento y el software de adquisición de datos.
En las pruebas aerodinámicas, los túneles de viento son invaluables para determinar las propiedades aerodinámicas de varios objetos y aviones escalados. Los datos del túnel de viento se generan mediante la aplicación de un flujo de aire controlado a un modelo de prueba, que se monta dentro de la sección de prueba. El modelo de prueba normalmente tiene una geometría similar, pero a una escala menor, en comparación con el objeto real.
Para garantizar la utilidad de los datos generados en las pruebas de 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 del túnel de viento debe ser el mismo que el número Reynolds del fenómeno de flujo que se está probando.
Sin embargo, los experimentos realizados en túneles de viento o en 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 ser percibidas 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 de aire libre?
Podemos estimar la intensidad de la turbulencia de la 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 esfera de turbulencia. El método de la esfera de turbulencia se basa en la condición bien estudiada llamada crisis de arrastre de esfera.
La crisis de arrastre de esfera describe el fenómeno en el que el coeficiente de arrastre de una esfera cae repentinamente a medida que el número 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 bajo de Reynolds, provoca una separación retardada del flujo y una estela turbulenta más delgada y, por lo tanto, disminuye la resistencia aerodinámica.
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 número de Reynolds efectivo.
En este experimento, demostraremos el método de esfera de turbulencia utilizando un túnel de viento y varias esferas de turbulencia diferentes con grifos de presión incorporados.
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 flujo de flujo libre en la sección de prueba del túnel. Las esferas de turbulencia, cada una con un grifo de presión en el borde delantero, así como 4 grifos de presión situados a 22,5o del borde de arrastre, tienen características de flujo bien definidas, que nos ayudan a analizar la turbulencia en el túnel de viento.
Para configurar el experimento, conecte primero el tubo pitot del túnel de viento al puerto 1 del escáner de presión. A continuación, conecte el puerto de presión estática del túnel de viento al puerto número 2. Ahora, bloquea el saldo externo. Fije el puntal de la esfera en el soporte de la balanza dentro del túnel de viento.
A continuación, instale el 6 en la esfera. Conecte el grifo de presión del borde delantero al puerto 3 del escáner de presión y conecte los cuatro grifos 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. A continuación, conecte el colector del escáner de presión a la línea de presión regulada a 65 psi.
Inicie el sistema de adquisición de datos y el escáner de presión. Mientras que el sistema se equilibra, estimar la presión dinámica máxima, q max, necesaria para la prueba basada en el número crítico de Reynolds al aire libre para una esfera suave.
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 max y, a continuación, defina los puntos de prueba dividiendo el rango en 15 intervalos.
Antes de ejecutar el experimento, lea la presión barométrica en la sala 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 ecuaciones suministradas 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 presionando connect. Inserte los comandos como se muestra, que son definidos por el fabricante, recordando presionar enter después de cada comando.
Ahora que el software está listo, compruebe 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 esté establecida en cero. Encienda el túnel de viento y, a continuación, encienda el sistema de refrigeración del túnel de viento.
Con la velocidad del viento igual a cero, comience a registrar datos en el sistema de adquisición de datos y, a continuación, escriba el escaneo de comandos 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 llegar al siguiente punto de prueba de presión dinámica. A continuación, espere hasta que la velocidad del aire se estabilice y comience de nuevo el escaneo de presión. 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 dinámicos, 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 dar 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 del aire y la temperatura del flujo de aire, lo que permite 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 hay gradiente de presión en la corriente en la sección de prueba, el valor absoluto de la presión estática local del flujo de flujo libre se puede utilizar como presión de aire ambiente.
La densidad se obtiene utilizando la ley de gas ideal y la viscosidad obtenida utilizando la fórmula de Sutherland. Una vez que se haya determinado la densidad y viscosidad del aire, podemos calcular el número de Reynolds. Aquí mostramos una gráfica del número Reynolds versus 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 está correlacionado con la intensidad de la turbulencia en el túnel de viento.
En resumen, aprendimos cómo la turbulencia de flujo libre afecta a 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.
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Results
Para cada esfera, se midieron la presión de estancamiento y la presión en los puertos de popa. La diferencia entre estos dos valores da la diferencia de presión,P. También se midieron la presión total, Pt, y la presión estática, Ps, de la sección de ensayo, que se utilizan para determinar la presión dinámica de prueba, q - Pt - Ps, y la normalizada presión 
. También se registró la presión de aire ambiente, La presión de aire Pamby la temperatura del flujo de aire para calcular las propiedades del flujo de aire, incluida la densidad del aire, la pruebay la viscosidad, laprueba. La densidad se obtiene utilizando la ley de gas ideal, y la viscosidad se obtiene utilizando la fórmula de Sutherland. Una vez que se determina la densidad del aire y la viscosidad, se puede calcular el número de Reynolds de prueba.
Al trazar el número de Reynolds de prueba con respecto a la diferencia de presión normalizada, se determinó el número crítico de Reynolds para cada esfera (Figura 1). El número crítico de Reynolds corresponde a un valor de presión normalizado de 1.220. Las tres curvas para las tres esferas proporcionan una estimación más precisa del número crítico de Reynolds, túnel ReC,porque se utiliza un valor promediado. Con la estimación del túnel ReC, el factor de turbulencia, TFy el número de Reynolds efectivo se pueden determinar de acuerdo con las siguientes ecuaciones:
Y
Figura 1. Número de Reynolds crítico para cada esfera.
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Applications and Summary
Las esferas de turbulencia se utilizan para determinar el factor de turbulencia del túnel de viento y estimar la intensidad de la turbulencia. Este es un método muy útil para evaluar la calidad del flujo de un túnel de viento porque es simple y eficiente. Este método no mide directamente las fluctuaciones de velocidad y velocidad del aire, como la anemometría de hotwire o la velocimetría de imagen de partículas, y no puede proporcionar un estudio completo de la calidad del flujo del túnel de viento. Sin embargo, un estudio completo es extremadamente engorroso y caro, por lo que no es adecuado para comprobaciones periódicas de la intensidad de turbulencia del túnel de viento.
El factor de turbulencia se puede comprobar periódicamente, como después de realizar pequeñas modificaciones en el túnel de viento, para medir la calidad del flujo. Estas comprobaciones rápidas pueden indicar la necesidad de un estudio completo de turbulencia de flujo. Otra información importante obtenida del factor de turbulencia es el número efectivo de Reynolds del túnel de viento. Esta corrección en el número Reynolds es importante para garantizar la similitud dinámica y la utilidad de los datos obtenidos de modelos escalados y su aplicación a objetos a escala completa.
El principio de la esfera de turbulencia también se puede utilizar para estimar el nivel de turbulencia en otros entornos además de la sección de prueba del túnel de viento. Por ejemplo, este método se puede utilizar para medir la turbulencia a bordo. Una sonda de turbulencia se puede desarrollar sobre la base de los principios de la esfera de turbulencia e instalarse en aviones para medir los niveles de turbulencia en la atmósfera en tiempo real [2].
Otra aplicación es el estudio de las estructuras de flujo durante un huracán. Las mediciones in situ del flujo dentro de un huracán pueden ser extremadamente peligrosas y complicadas de obtener. Métodos como la anemometría hotwire y la velocimetría de imagen de partículas son inalcanzables en estas condiciones. El principio de la esfera de turbulencia se puede utilizar para hacer un sistema de medición prescindible que se puede colocar en una región propensa a huracanes para medir la turbulencia de flujo dentro de un huracán de forma segura y a un bajo costo [3].
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
| Equipo | |||
| Túnel de viento de baja velocidad | Sdsu | Tipo de retorno cerrado con velocidades en el rango de 0-180 mph | |
| Tamaño de la sección de prueba 45W-32H-67L pulgadas | |||
| Esferas lisas | Sdsu | Tres esferas, diámetros 4", 4.987", 6" | |
| Escáner de presión en miniatura | Scanivalve | ZOC33 | |
| Módulo de servicio digital | Scanivalve | DSM4000 | |
| Barómetro | |||
| Manómetro | Meriam Instrument Co. | 34FB8 | Manómetro de agua con alcance de 10". |
| Termómetro |
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References
- Barlow, Rae and Pope. Low speed wind tunnel testing, John Wiley & Sons, 1999.
- Crawford T.L. and Dobosy R.J. Boundary-Layer Meteorol. 1992. 59; 257-78.
- Eckman R.M., Dobosy R.J., Auble D.L., Strong T.W., and Crawford T.L. J. Atmos. Ocean. Technol. 2007; 24; 994-1007.
