Practica No 5

[PRACTICA NO. 5 – CALIBRACIÓN DEL TÚNEL DE SUCCIÓN] SUCCIÓN ] 2 de Mayo de 2013

Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica Unidad Profesional Ticomán Ingeniería en Aeronáutica Laboratorio de Aerodinámica Dinámica de fluidos Práctica No. 5 – 5 – Calibración del túnel de succión Profesor: Fernández Roque Tiburcio

Grupo: 4AM1 Integrantes del Equipo:

Carbajal Gutiérrez Carlos Carrillo Lima José Iván Hernández León Pablo Fecha de elaboración de práctica: 24 de Abril de 2013 Fecha de entrega de práctica: 1 de Mayo de 2013

Dinámica de Fluidos | Laboratorio de aerodinámica

[PRACTICA NO. 5 – CALIBRACIÓN DEL TÚNEL DE SUCCIÓN] 2 de Mayo de 2013

Objetivo

Obtener las constantes de calibración del túnel de succión en tres planos transversales de la sección de pruebas.

Material, herramientas y equipo utilizado

Túnel de succión P&P TE-92 (Fig. 1) Manómetro de 8 columnas (Fig. 2 – A) Tubos Pitot (Fig. 2 – B)

Fig. 1 - Túnel de succión P&P TE-92

Fig. 2 – A: Manómetro de 8 columnas. B: Tubos Pitot sobre la sección de pruebas Dinámica de Fluidos | Laboratorio de aerodinámica

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Consideraciones teóricas

El túnel de viento es una de las herramientas de diseño e investigación de gran importancia en la ingeniería, ya que permite simular las condiciones que un objeto experimentaría en un entorno real, además que a diferencia de otras herramientas experimentales, el túnel de viento permite el uso de modelos preparados en tempranas etapas de diseño, siendo posible obtener una gran cantidad de datos a partir de ellos. Hoy en día es común experimentar con modelos a escala de aeronaves, puentes, edificios, navíos, automóviles, etc., que permanecen estacionarios mientras se propulsa aire o gas alrededor del mismo.

Un túnel de viento es esencialmente un Tubo Venturi, es decir, un conducto de sección variable en el que el fluido se acelera en la parte convergente y se decelera en la sección divergente. En el tubo Venturi, al aumentar la velocidad se produce una disminución de la presión estática, que se mide perpendicular al flujo. La presión total, que es la suma de la presión estática y presión dinámica, permanece constante y se mide en la dirección del flujo.

Un túnel de viento se compone de las siguientes partes (Fig. 3)


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Fig. 3 – Partes principales de un túnel de viento

Los túneles de viento se pueden clasificar de varias formas, ya sea por su sección de prueba:

Sección de prueba abierta Sección de prueba cerrada

Por el camino que sigue el fluido:

Túnel de circuito cerrado, o Prandtl. (Fig. 4 – A) Túnel de circuito abierto, o Eiffel. (Fig. 4 – B)


3


A

B

Fig. 4 – Túneles de viento de circuito abierto (A) y cerrado (B)

Por la velocidad del fluido en la sección de pruebas

Túnel de viento de baja velocidad (Mach 0 – 0.8) Incompresible (Mach 0 – 0.3) Subsónico (Mach 0.3 – 0.8)

Túnel de viento de alta velocidad Transónico (Mach 0.8 – 1.2) Supersónico (Mach 1.2 – 5) Hipersónico (Mach superior a 5)


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Calibración del túnel de viento

Los túneles de viento, pueden proveer una importante cantidad de información sobre el comportamiento de un objeto ante un flujo de aire de determinadas características, sin embargo no solo resultan importantes los datos de comportamiento, también son de vital importancia los datos que indiquen la naturaleza del flujo que el túnel de viento provee, ya que estos permiten una mejor interpretación de los datos sobre un objeto en el flujo, al igual que permiten monitorear el estado del túnel, poder identificar alguna posible falla, comprar el túnel con otros y poder mantener un control estadístico sobre las condiciones de operación del túnel.

Una correcta y constante calibración de un túnel de viento, al igual que una adecuada documentación sobre dichas calibraciones provee varios beneficios, como:

Asegurar que el túnel de viento esté operando como se espera y la posibilidad d identificar problemas a lo largo del circuito del túnel. Proveen datos esenciales para la interpretación y correlación de datos, además, permiten determinar la calidad de los datos. Proveen un registro de las condiciones de operación del túnel de viento, de tal forma que las modificaciones al túnel puedan ser evaluadas de acuerdo a su impacto en las condiciones de operación.


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Una mejor comprensión sobre el efecto de las anomalías del flujo en los datos de prueba.

Las mediciones de presión total, presión estática, presión dinámica y temperatura total se usan para definir la operación básica del túnel de viento y calcular los valores del número de Mach y el número de Reynolds. Estas mediciones son realizadas en la sección de pruebas del túnel, sin embargo, no debe haber algún objeto de prueba en la sección además del instrumento de medición ya que este afecta las condiciones del flujo. Las mediciones deben ser realizadas en varios puntos de la sección de pruebas. La principal meta de la calibración de un túnel de viento es establecer una relación entre las mediciones (llamadas condiciones indicadas), y las condiciones del flujo en ese momento en la sección de pruebas.

Desarrollo

Se determinaron las condiciones ambientales. Para esto se efectuaron las lecturas en los siguientes instrumentos: barómetro, termómetro e higrómetro antes de iniciar los experimentos y cuando se concluyeron éstos, y se registraron los valores. Con los valores promedio obtenidos se calculó la densidad del aire en el laboratorio.

Se

procedió

a

determinar

la

constante

de

calibración

k1

correspondiente al plano. Se colocó el tubo de Prandtl en el eje de la sección de prueba. Se seleccionó un nivel de referencia en el


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manómetro de 8 columnas y se conectaron dos columnas a las tomas de presión total y presión estática.

Posteriormente, se accionaron los dos motores del túnel y se cerraron las compuertas. A continuación se registró el valor de la presión estática ambiental, la presión total y la presión estática. Se repitió el proceso para las diferentes posiciones de la compuerta.

Se procedió a determinar la constante de calibración k 2 que corresponde al plano 2. Esto se llevó acabo de la misma forma en la que se obtuvo la contante k 1, y se registraron los valores.

Posteriormente, se procedió a determinar la constante de calibración k3. Se obtuvo de la misma forma que en los planos 1 y 2.

Cálculos y resultados

Las condiciones ambientales registradas en el laboratorio durante la práctica se presentan en la tabla 1.

Tabla 1

Iniciales

Finales

Promedio

Temperatura (°C)

22.1

23.8

22.95

Presión (mmHg)

590.4

588.6

589.5

Humedad Relativa

74%

71%

72.5%


7


De los datos de la tabla 1, se calculan:

Presión Corregida: 587.7718179 mmHg = 7990.7934245 kgf/m² Presión de Saturación: 57.1260493 lbf/ft² = 278.9146660 kgf/m² Presión de Vapor: 202.2131328809 kgf/m²



Densidad del Aire ( z): 0.0931310 UTM/m³ = 0.91398786 kg/m³

Los niveles de referencia seleccionados para el manómetro fueron:

P Ambiental: 0 mmH2O PT: 3 mmH2O PE: 2 mmH2O

Usando estos valores, se realizarán las correcciones a las mediciones de presión ambiental, presión total y presión estática.

Primeramente se mostrará paso a paso la determinación de la constante de calibración K1 en el plano 1, debido a que el proceso es similar para los planos 2 y 3 en ellos solo se mostrarán los resultados.

En la tabla 2, se muestran las mediciones de presión ambiental, presión total y presión estática para el plano 1 de acuerdo a si las compuertas están cerradas, en una posición intermedia, o totalmente abiertas. Se realiza la corrección de la medición de acuerdo a la referencia. Dinámica de Fluidos | Laboratorio de aerodinámica

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Tabla 2

PAmbiental Compuertas

(Manométrica) mmH2O

PT

PE

mmH2O

mmH2O

Cerradas

2-0=2

4-3=1

0 - 2 = -2

1

2-0=2

5-3=2

-2 - 2 = -4

2

2-0=2

2 - 3 = -1

-10 - 2 = -12

3

2-0=2

1 - 3 = -2

-24 - 2 = -26

4

2-0=2

-1 - 3 = -4

-50 - 2 = -52

5

2-0=2

-2 - 3 = -5

-72 - 2 = -74

6

2-0=2

-4 - 3 = -7

-86 - 2 = -88

Abiertas

2-0=2

-5 - 3 = -8

-88 - 2 = -90

Ahora en la tabla 3, se muestra el cálculo de la presión dinámica (q). Para el cálculo de “q” se emplea la ec. 1:

     

Ec. 1

Tabla 3



PT

PE

q

mmH2O

mmH2O

mmH2O

Cerradas

2

1

-2

1 – (-2) = 3

1

2

2

-4

2 – (-4) = 6

2

2

-1

-12

-1 – (-12) = 11


9


3

2

-2

-26

-2 – (-26) = 24

4

2

-4

-52

-4 – (-52) = 48

5

2

-5

-74

-5 – (-74) = 69

6

2

-7

-88

-7 – (-88) = 81

Abiertas

2

-8

-90

-8 – (-90) = 82

La PDR se calculará con la ec. 2, y los resultados se muestran en la tabla 4:

 

Ec. 2

Tabla 4



PT

PE

q

mmH2O mmH2O mmH2O

PDR mmH2O

Cerradas

2

1

-2

3

2 – (-2) = 4

1

2

2

-4

6

2 – (-4) = 6

2

2

-1

-12

11

2 – (-12) = 14

3

2

-2

-26

24

2 – (-26) = 28

4

2

-4

-52

48

2 – (-52) = 54

5

2

-5

-74

69

2 – (-74) = 76

6

2

-7

-88

81

2 – (-88) = 90

Abiertas

2

-8

-90

82

2 – (-90) = 92

Lo siguiente, es obtener la constante “K” para cada una de las condiciones presentadas en la tabla, este se realiza con la ec. 3; además se realizará el cálculo de la velocidad usando la ec. 4, sin Dinámica de Fluidos | Laboratorio de aerodinámica

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embargo, para poder emplear la ec. 4, es necesario realizar la conversión de la presión dinámica (q) de mmH 2O a Pascales (1mmH2O = 9.806 Pa). Los resultados se muestran en la tabla 5.

  

Ec. 3

   √ 

Ec. 4

Tabla 5 – Plano 1 Compuerta s

PAmbiental (Man.) mmH2O

PT

PE

q

q

PDR

K

V

mmH2O

mmH2O

mmH2O

Pa

mmH2O

q/PDR

m/s

Cerradas

2

1

-2

3

29.418

4

0.75

8.0232690

1

2

2

-4

6

58.836

6

1

11.34661

2

2

-1

-12

11

107.866

14

0.78571

15.363390

3

2

-2

-26

24

235.344

28

0.85714

22.693231

4

2

-4

-52

48

470.688

54

0.8888

32.0930

5

2

-5

-74

69

676.614

76

0.907894

38.478246

6

2

-7

-88

81

794.286

90

0.9

41.690128

Abiertas

2

-8

-90

82

804.092

92

0.89130

41.946685

Finalmente, la constante “K” de calibración del plano uno, se calcula con la ec. 5:

 ) ∑(  

Ec. 5


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Sustituyendo valores y realizando las operaciones de la ec. 5, se obtiene el valor de la constante “K” para el plano uno. Esta constante es el promedio de las constantes en cada una de las condiciones, se divide entre 8 debido a que los datos que tenemos son de 8 condiciones diferentes.

K1 = 0.872616611

Ahora, se mostrarán en las tablas 6 y 7 los resultados correspondientes a los planos 2 y 3 respectivamente al igual que las constantes correspondientes a cada plano.

Tabla 6 – Plano 2 PAmbiental Compuertas

(Man.) mmH2O

PT

PE

q

q

PDR

K

V

mmH2O

mmH2O

mmH2O

Pa

mmH2O

q/PDR

m/s

Cerradas

2

-1

-2

1

9.806

4

0.25

4.63223654

1

2

-1

-4

3

29.418

6

0.5

8.0232690

2

2

0

-12

12

117.672

14

0.8571

16.0465381

3

2

0

-26

26

254.956

28

0.928571

23.619864

4

2

1

-50

51

500.106

52

0.980769

33.080785

5

2

1

-76

77

755.062

78

0.987179

40.647710

6

2

1

-88

89

872.734

90

0.98888

43.7004321

Abiertas

2

0

-92

92

902.152

94

0.978723

44.4308521

K2 = 0.808907236


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[PRACTICA NO. 5 – CALIBRACIÓN DEL TÚNEL DE SUCCIÓN] 2 de Mayo de 2013 Tabla 7 – Plano 3 PAmbiental Compuertas

(Man.) mmH2O

PT

PE

q

q

PDR

K

V

mmH2O

mmH2O

mmH2O

Pa

mmH2O

q/PDR

m/s

Cerradas

2

-1

-2

1

9.806

4

0.25

4.63223654

1

2

0

-4

4

39.224

6

0.6666

9.2644730

2

2

1

-12

13

127.478

14

0.928571

16.7017663

3

2

1

-28

29

284.374

30

0.96666

24.9453572

4

2

2

-57

59

578.554

59

1

35.580884

5

2

2

-81

83

813.898

83

1

42.201683

6

2

1

-94

95

931.57

96

0.989583

45.1494569

Abiertas

2

0

-98

98

960.988

100

0.98

45.8568022

K3 = 0.847685916

Se mostrarán las gráficas “q vs PDR” (Fig. 5) y “V vs q” (Fig. 6) de los 3 planos donde se realizaron mediciones.

Fig. 5 – Gráfica “q vs PDR” para los 3 planos Dinámica de Fluidos | Laboratorio de aerodinámica

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Fig. 6 – Gráfica “V vs q” para los 3 planos


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Cuestionario

1. Diga que diferencias existen entre un túnel de viento de succión y uno de presión

En los túneles de presión el sistema que impulsa el aire se ubica antes de la sección de pruebas (aguas arriba) y en los de succión el sistema que impulsa el aire se encuentra después de la sección de pruebas (aguas abajo). Los túneles de presión tienen ventaja cuando existe alta probabilidad de que se desprendan elementos o partículas del modelo de pruebas las cuales son expulsadas hacia el exterior, sin que se genere daño al interior del túnel. Otra característica de los túneles de viento de presión, es que son más sencillos y en lo que respecta a la construcción, son más económicos, sin embargo, en términos de eficiencia no son muy buenos, debido a que desperdician mucha energía que se disipa en forma de turbulencia reduciendo la velocidad en el momento de descarga del flujo en el medio ambiente. Los túneles de succión se utilizan en experimentos donde a capa límite del flujo es relevante, (esta es la zona donde el movimiento de un flujo es perturbado por la presencia de un sólido con el que está en contacto) son mejores para producir flujos laminares. Los túneles de succión son de baja turbulencia.


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2. ¿Se habrían obtenido los mismos valores de constantes al trabajar con uno de los motores en lugar de dos?

Con dos motores se genera mayores velocidades del viento en el túnel de viento de succión y estos a su vez generan mayores presiones. Con un motor la velocidad y presión en el túnel de viento de succión será menor comparando con el de dos motores. Por lo tanto se llega a la conclusión de que afecta el valore de las constantes en cada caso. Otro ejemplo que afecta el valor de las constantes es la variación del tamaño del motor que se, el tipo de motor utilizado y el área de la sección de entrada y de salida del viento en el túnel de succión, ya que todos estos casos afectan la velocidad y presión del viento que pasa a través del túnel de succión.

3. Según las características del túnel de succión diga que ensayos se pueden efectuar en él y por qué es más conveniente hacerlos en este tipo de túnel que en uno de presión de impacto.

Por la configuración del túnel de succión se pueden realizar ensayos en los que es necesario saber cómo el flujo que es succionado se comporta a través de un objeto de prueba, un ejemplo es un ventilador que se encuentra detrás de un radiador y este aspira el flujo y lo pasa a través del radiador permitiendo enfriar el líquido refrigerante, otro ensayo útil es corroborar el diseño de hélices de ventiladores, otro es el estudio del flujo que es succionado por el


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mutile de admisión de un vehículo, otro estudio es la tubería del aire acondicionado en un vehículo. Un caso en particular se da en las competiciones de la fórmula 1 ya que cuando uno o varios pilotos con sus vehículos se ponen detrás de otros y consiguen entrar en un túnel de succión aerodinámico que genera el que tiene delante, consiguiendo así una mayor velocidad punta al final de recta gracias a la poca resistencia que el aire genera en dicho túnel. Así con menor potencia consiguen la misma velocidad que el vehículo que les antecede y les queda potencia para acelerar cuando salen de la estela del vehículo y así poder adelantarlo antes de la frenada o tras llegar a una curva.

Conclusiones


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Bibliografía

John D. Anderson, Jr. Fundamentals of Aerodynamics India, Tata McGraw-Hill, 4ta edición, 5ta reimpresión, 2009.

Jewel B. Barow, William H. Rae Jr., Alan Pope Low-Speed Wind Tunnel Testing Estados Unidos de América, Wiley-Interscience, 3ra edición, 1999, 713 págs. American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) Recommended

Practice:

Calibration

of

Subsonic

and

Transonic Wind Tunnels (AIAA R-093-2003) Estados Unidos de América, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2003, 144 págs.

Wikipedia Contributors (en.wikipedia.org) Wind Tunnel [Internet] Wikipedia, The Free Encyclopedia. Marzo 13 2013, 15:33 UTC Disponible en: en.wikipedia.org/wiki/Wind_tunnel

Colaboradores de Wikipedia (es.wikipedia.org) Túnel de viento [Internet] Wikipedia, La Enciclopedia Libre. Abril 26 2013, 12:19 UTC Disponible en: es.wikipedia.org/wiki/T%C3%BAnel_de_viento


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Practica No 5

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