Creadores de viento I

En el proceso de diseño de un nuevo avión son necesarios muchos cálculos complejos. Cuando las especificaciones de un aeroplano son conocidas a través de las fórmulas matemáticas, lo que le interesa al ingeniero aeronáutico es comprobar si estos cálculos son correctos. Para ello se hacen simulaciones por ordenador y se combinan con ensayos en los túneles de viento. Con estos datos se pueden determinar las características de un nuevo avión antes de ponerlo en vuelo.

Los túneles de viento no son algo nuevo. De hecho son casi tan antiguos como la aviación misma. Los científicos comenzaron a usar estas herramientas para calcular el comportamiento de fluidos. Se llevaron a cabo muchos experimentos para estudiar el comportamiento del aire y finalmente se aplicó a los aviones. Los hermanos Wright llegaron a usar túneles de viento para comprobar el comportamiento y características de varios perfiles alares. Estos pioneros se dieron cuenta muy pronto de la necesidad de tener una herramienta que pudiera ayudarles a medir la sustentación. Hoy en día estas herramientas son tan importantes que muchos aviones que hoy nos parecen clásicos tuvieron que pasar miles de horas en los túneles.

Por poner un ejemplo conocido, el modelo 747 de Boeing se pasó más de 15.000 horas de pruebas dentro de los túneles de viento antes de ponerlo en vuelo. Un túnel de viento moderno puede costar millones de Euros, pero aún así esto siempre es más económico y mucho más seguro que hacer las pruebas en vuelo sin saber nada sobre la aeronave.

El túnel de viento que se muestra a continuación fue diseñado y construido en McCook Field, Ohio, en 1918. Se utilizó un ventilador de 60 pulgadas de diámetro con 24 palas. Este túnel era ya capaz de crear una velocidad máxima del are de 453 mph dentro de su zona estrecha de 14 pulgadas de diámetro, donde se realizaban las mediciones.

Este túnel fue utilizado para calibrar instrumentos de medición de la velocidad del aire (anemómetros) y también para hacer pruebas con diferentes perfiles alares. El perfil o instrumento en cuestión se situaba dentro de la parte estrecha y se visualizaba a través de una portezuela de cristal. Durante su operación el aire era succionado hacia desde la parte final mas pequeña del tubo y se expulsaba por la parte más ancha donde estaba colocado el ventilador.

Crédito de la imagen: https://www.flickr.com/photos/mark6mauno/11361809186

Túneles de viento subsónicos

Este tipo de túnel de viento funciona con el conocido teorema de Bernoulli, el cual establece que existe una relación inversa entre presión y velocidad dentro de un tubo sin que se añada energía al sistema. En cuanto el aire alcanza la parte estrecha del tubo la velocidad del aire se incrementa. El incremento de la velocidad del aire causa una disminución de la presión estática, medida perpendicularmente en la dirección del flujo de aire. Debido a que las fuerzas son débiles, la densidad y la temperatura permanecen esencialmente constantes. Como se verá más adelante esto no es así en el caso de los sistemas venturi transónicos.

Un ala no es la mitad de un venturi

Es sorprendente ver como las escuelas de vuelo enseñan desde el principio que el venturi es la explicación natural por la cual un ala genera sustentación. Tal como se explicó en los posts dedicados a ello, esta explicación lleva a la confusión y es una falacia. A veces en las escuelas de tierra, se les muestra a los pilotos que si se quita una de las pareces del venturi, lo que queda es algo parecido a un perfil alar. Los instructores entonces recurren al teorema de Bernoulli para acabar de liar al pobre estudiante. En esencia, la propia pared del venturi bloquea el flujo de aire hacia abajo y precisamente por ello no puede existir sustentación. Recuérdese que un ala es un instrumento creado para deflectar el aire hacia abajo en su borde de salida. Si el venturi bloquea el aire, este es forzado a continuar su camino después de la restricción en el sentido horizontal, no existe un cambio neto de dirección y por lo tanto no puede existir sustentación. ¿Que le ocurre al pobre estudiante cuando debe de pasar el examen que propone la autoridad de aviación civil? Muy sencillo el estudiante debe de dar la respuesta equivocada si quiere aprobar.

El modelo más sencillo de túneles de viento que se puedan construir es precisamente un tubo de venturi. Si el lector dispone de un ventilador y de unos cartones, podrá fácilmente construir uno de estos túneles. De lo único que se trata es de efectuar una restricción bien hecha dentro de la sección del túnel. La sección transversal de estos túneles y sus paredes no tienen por que ser curvas o redondeadas. La mayoría de los túneles de viento no las tienen, tal como se puede ver en la imagen. Lo que resulta más conveniente es poner el ventilador en la parte final y hacer que este succione el aire desde la parte delantera para evitar turbulencias. El modelo (normalmente es un avión a escala), se sitúa en la parte estrecha o venturi.

Uno de los parámetros que más influyen en la construcción de un túnel de viento es el llamado "contraction ratio". El "contraction ratio" o gradiente de estrechamiento sería la diferencia entre el área de la sección donde se encuentra el ventilador y el área de la sección donde se encuentra el estrechamiento. Si construimos un túnel de viento con piezas de cartón y reducimos el área del estrechamiento hasta un quinto de la del ventilador, tendremos un "contraction ratio" de 5, con lo que habremos logrado que la velocidad del aire en el estrechamiento sea cinco veces más que la que se crea por medio del ventilador. Así que si tenemos un buen ventilador de 61 cm de diámetro que sea capaz de mover aire a una velocidad de 24 km/h, podríamos producir una velocidad de unos 112 km/h en un área de la restricción de unos 27 cm de diámetro. En realidad sería algo menos, ya que existen problemas de fricción y pérdidas de energía asociadas, pero con eso y con todo podríamos obtener un valor nada despreciable de alrededor de 100-105 km/h. De la misma forma, su quisiéramos obtener un área de restricción de 1,5 m de diámetro, necesitaríamos un ventilador de unos 3,3 m de diámetro. La solución más sencilla si quisiéramos un gran espacio para pruebas sería la de incrementar la velocidad del ventilador (las revoluciones) y reducir el grado de contracción. Con esta solución incrementaríamos el espacio o proporciones del área de trabajo o área de la restricción y aún así conservaríamos la misma velocidad.

Como se comentaba más arriba, existen problemas prácticos relativos a la construcción de túneles de viento con efecto venturi. Por ejemplo, no se puede contraer o expandir el tubo arbitrariamente. Ello es debido al hecho de que el aire debe de pasar de un flujo libre a uno restringido de manera suave para así disminuir los efectos de las paredes y su interacción con el flujo de aire. Tal como se puede ver en la ilustración, existe una forma "ideal" con la correcta curvatura (como si fuera una trompetilla) de hacer la constricción. 

Si el aire se agolpa en la entrada de la constricción creará un exceso de presión que limitará la efectividad del ventilador. Si la apertura de salida es muy amplia el aire se expande muy rápidamente causando turbulencias y pérdidas de energía. En definitiva, el aire no será capaz de seguir el camino del túnel y el flujo se separará de las paredes. Ver imagen con la correcta curvatura.

La medición de la velocidad en la sección de pruebas

El venturi es una aplicación directa del principio de Bernoulli. Según avanza el aire en una parte más delgada de un conducto, la presión estática tiende a disminuir. El teorema de Bernoulli nos dice que la presión y la velocidad están relacionadas. Esta relación puede usarse para determinar la velocidad del viento en la sección dedicada a pruebas dentro de un túnel de viento.

Sin adentrarnos en las fórmulas matemáticas, podemos decir que la velocidad en sección estrecha del túnel es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia entre la presión estática de esta sección y la presión estática en la zona más ancha donde se sitúa el ventilador. La proporcionalidad depende básicamente de la densidad del aire y de la diferencia entre las áreas de las dos secciones. Un manómetro es simplemente una herramienta que mide la diferencia de presiones. En su forma mas sencilla un manómetro puede adoptar la forma de u característica que se muestra en la ilustración.

Este instrumento es un simple tubo de cristal relleno de un líquido que conecta dos regiones de diferente presión. Esta diferencia de presión es a su vez proporcional a la diferencia de alturas del líquido dentro del tubo. El operador del túnel de viento solo tiene que monitorizar la diferencia de alturas del líquido y la densidad del aire para poder conocer cual es la velocidad en la sección de pruebas del túnel. El líquido que se suele usar en estos instrumentos suele ser queroseno, ya que no se evapora y es mucho más seguro de manejar que el mercurio. 

Túneles de viento de circuito cerrado

La caída de potencia que se experimenta en un túnel abierto se puede compensar fácilmente si encerramos el flujo en un circuito, de forma que el aire no se pierda y siempre esté en recirculación. Esto es lo que se muestra en la figura que se puede ver a continuación. 

Los túneles de circuito cerrado son los modelos que más frecuentes cuando se trata de construir túneles de viento de grandes dimensiones. Una vez que el aire es acelerado hasta las condiciones operativas, el ventilador solo tiene que añadir potencia para recuperar la energía perdida debido al rozamiento con el modelo y la fricción producida en las paredes. Aunque pueda parecer poco, esta pérdida de potencia puede ser extremadamente grande. Simplemente consideremos que un túnel de viento industrial suele estar funcionando durante muchas horas al día. La fricción y la resistencia aerodinámica inducidas por el modelo situado dentro del túnel de viento y las pareces del propio túnel pueden añadir una gran cantidad de calor al flujo de aire y a las pareces mismas.

Algunos modelos de túneles muy sofisticados poseen rejillas de enfriamiento para poder paliar este efecto y mantener la temperatura constante. La mayoría de los túneles aceptan el calor extra generado, algunos de ellos se calientan tanto que para poder efectuar cambios en el modelo los operarios tienen que hacerlo con guantes especiales para no quemarse. 

Los túneles de viento transónicos están diseñados para poder hacer pruebas de aviones a velocidades de entre Mach 0,8 y Mach 0,85. Estos túneles requieren mucha más potencia que los túneles similares de menor velocidad. La pérdida de potencia debida a la fricción es proporcional a la velocidad al cubo, este es el motivo por el cual se genera una gran cantidad de calor en los túneles de alta velocidad y también es por lo que es necesario intentar remediar este incremento, ya que de no hacerlo ello introduciría errores de cálculo. 

La mayoría de los túneles tienen un retorno único como el de la figura, pero existen otros túneles que tienen varios conductos de retorno. Hubo un tiempo en el que los túneles de viento con dos retornos fueron muy populares. El túnel Kirsten de la Universidad del estado de Washington en Seattle es uno de estos tipos de doble retorno. El diseño de doble retorno tiene una gran ventaja y es que en ellos se pueden instalar dos ventiladores de menor tamaño en vez de uno solo de mayor tamaño. Otra de las ventajas de este diseño es que estos pueden ser mucho más pequeños en tamaño, pero a su vez pueden tener un área de pruebas mucho mayor. Las razones técnicas de esto no pueden ser tratadas aquí por ser muy complejas, pero está claro que pequeños motores y reducido tamaño ofrecen la ventaja de ser túneles de viento mucho más baratos de construir. La única desventaja de este tupo de túneles es que los dos conductos o canales de aire deben de unirse de forma que el aire llegue uniformemente y sin turbulencias al modelo. Esto es una dificultad técnica que no poseen los túneles de único retorno. En la imagen que sigue se puede ver uno de estos túneles de doble retorno. Se trata del famoso túnel Kirsten, al sección dedicada a las pruebas en este túnel es de 2,4x3,6 metros.

La NASA tiene un túnel llamado Ames, que mide 12x24 metros. Es el túnel de circuito cerrado más grande d elos EEUU. En la jerga ingenieril, se les llama túneles 40x80 (las medidas en pulgadas o 12 m de alto por 24 m de ancho).Este túnel puede producir vientos de entre 0 y 650 km/h. Seis ventiladores y seis motores se encargan de generar este vendaval. La NASA tiene otro túnel de circuito abierto (más bestia) que mide 24x36 metros, donde se pueden producir vientos de hasta 160 km/h y se pueden probar aviones a escala real como el F-18 que se puede ver más abajo.

Tanto como si son de circuito abierto, como si son de circuito cerrado, los túneles de viento suelen operara con una presión estática equivalente a la atmosférica. En los de circuito cerrado se suelen producir incrementos de presión, pero estos son compensados, La razón para ello es la de poder tener grandes ventanas para observar el modelo directamente y también para poder tomar fotografías. Existen excepciones, como en algunos túneles supersónicos especializados, donde se sube la presión estática con el fin de incrementar la densidad del aire.