Aero-hidrodinámica: Túneles de agua ...y de aceite.

A pesar de que agua y aire son dos estados distintos de la materia y poseen una viscosidad y una densidad diferente, comparten propiedades comunes. Ambos son fluidos. Los túneles de aire no son exclusivos de los aviones y de la misma forma los túneles de agua tampoco lo son de barcos y submarinos. Los túneles de agua (y también de aceite) han sido utilizados de una forma u otra para explorar la mecánica de fluidos y los fenómenos aerodinámicos desde los tiempos de Leonardo da Vinci.

Como ya se ha comentado muchas veces en este Blog, la mecánica de fluidos y las ecuaciones de Navier-Stokes son una materia muy compleja de la que los ingenieros aeronáuticos hacen uso constante cuando diseñan nuevos modelos de aviones. Para poder entender mejor el comportamiento de las aeronaves, hace algún tiempo que se han empezado a utilizar los Túneles de Agua como instalaciones para la evaluación crítica de campos de flujo complejos. Estos túneles (a veces también los de aceite) han demostrado su utilidad en muchos tipos de vehículos, como coches de fórmula 1 y aviones de alto rendimiento. Los elementos hidrodinámicos recrean muy convenientemente los mismos efectos que se dan en el fluido gaseoso. Por poner un ejemplo, el efecto venturi se emplea desde hace años en las bombas de combustible que se encuentran sumergidas en los tanques de muchos aviones.

Estos túneles de agua o aceite son instalaciones experimentales no excesivamente complejas donde se pueden hacer pruebas de cuerpos (en su mayoría modelos a escala) sumergidos y así comprobar su comportamiento con respecto al fluido que los rodea. En hidrodinámica se suele emplear estos túneles en estudios sobre cavitación. Como decimos no es nada nuevo, ya Arquímedes hizo muchos experimentos de cuerpos sumergidos en fluidos, el más famoso es el que nos cuenta cómo descubrió que la corona del Rey Hierón no era de oro puro, con trágicas consecuencias para el orfebre que quiso engañar al rey (acabó decapitado).

Los túneles de agua son muy similares a los túneles de aire con recirculación. La diferencia es que en aquellos lo que recircula es el agua. Haciendo recircular el agua se pueden estudiar muchos fenómenos relacionados con los fluidos, como por ejemplo las fuerzas que actúan en un cuerpo, la sustentación, la resistencia al avance, la visualización de vórtices en perfiles, etc. Estas mediciones se pueden hacer perfectamente en modelos o maquetas a escala. En numerosas ocasiones los túneles de agua y de aceite pueden ser usados en lugar de los túneles de aire para poder aplicar técnicas PIV o particle image velocimetry, las cuales son más fáciles de llevar a cabo en este tipo de instalaciones.

Debido a que el número de Reynolds es equivalente, los resultados de estas pruebas en muchos casos son perfectamente válidos y extrapolables al mundo aeronáutico. Lo contrario también es cierto. Un submarino podría ser probado en un túnel del viento haciendo las transformaciones pertinentes. Para números de Reynolds bajos es mas apropiado utilizar los túneles de aceite. La ventaja de ello consiste en que en estos casos la mayor viscosidad cinemática permite al fluido ir más rápido y al ser el número de Reynolds bajo se puede mantener fácilmente su estabilidad. Mientras que en los túneles de viento se emplean grandes y complejos ventiladores o motores con hélices múltiples de paso variable muy sofisticados, en los túneles de agua y aceite se hace circular al fluido por medio de bombas. Por lo tanto se trata de crear una diferencia de presiones entre dos puntos distintos del recorrido en vez de impartir momento al propio fluido. Los túneles de agua han ocupado un papel muy importante como instalaciones de investigación para comprender los flujos complejos dominados por los vórtices y las interacciones de vórtices. La visualización de flujo en túneles de agua proporciona un excelente medio para observar detalladamente el flujo alrededor de una amplia variedad de configuraciones. Quizás la característica más valiosa sea la capacidad de medir simultáneamente fuerzas y observar la visualización del flujo.

Las técnicas de visualización incluyen el uso de colorantes que son iluminados con lámparas especiales, como se puede ver en las ilustraciones inferiores. Si se comparan las visualizaciones del flujo en experimentos con modelos llevados a cabo en túneles de agua y túneles de viento, encontraremos que los patrones de flujo y los vórtices son casi idénticos, lo que demuestra claramente que las observaciones del túnel de agua tienen aplicación directa a la aerodinámica.

En la ilustración superior se muestra un túnel de agua de flujo vertical y circuito abierto. Opera bajo la acción de la gravedad.

Esta imagen de arriba muestra un modelo de plástico a escala 1/48 de un F-18 dentro del "túnel de agua" de la NASA. El agua se bombea a través del túnel en la dirección del flujo de aire normal sobre el avión; Entonces, los colorantes son inyectados a través de tubos con válvulas de aguja. Los colorantes fluyen hacia atrás a lo largo de la estructura del avión y sobre los perfiles aerodinámicos destacando sus características aerodinámicas. El avión también puede moverse a través de sus ejes para observar las interrupciones del flujo de aire mientras simula el vuelo real con ángulos de ataque altos. La visualización de flujo en túneles de agua ayuda a determinar la fuerza de los vórtices, su ubicación y los posibles métodos para controlarlos. Otros usos del túnel son los estudios de cómo las antenas, sondas, pilones, paracaídas y otros elementos afectan el flujo de aire.