Túnel de viento

El matemático y físico inglés Isaac Newton (1642-1726) mostró un precursor del túnel de viento moderno en la Proposición 36/37 de su libro Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

El ingeniero militar y matemático inglés Benjamin Robins (1707 – 1751) inventó un aparato de brazo giratorio para determinar la resistencia ^{[ 5 ]} y realizó algunos de los primeros experimentos en aerodinámica.

Sir George Cayley (1773–1857) también utilizó un brazo giratorio para medir la resistencia y la sustentación de varios perfiles aerodinámicos. ^{[ 6 ]} Su brazo giratorio tenía 5 pies (1,5 m) de largo y alcanzaba velocidades de entre 10 y 20 pies por segundo (3 a 6 m/s).  

Otto Lilienthal utilizó un brazo giratorio para realizar mediciones en perfiles aerodinámicos de alas con diferentes ángulos de ataque , estableciendo sus diagramas polares de relación sustentación-resistencia , pero carecía de las nociones de resistencia inducida y números de Reynolds . ^{[ 7 ]}

Las desventajas de las pruebas de brazo giratorio son que no producen un flujo de aire confiable. Las fuerzas centrífugas y el hecho de que el objeto se mueva en su propia estela también hacen que el examen detallado del flujo de aire sea difícil. Francis Herbert Wenham (1824–1908), miembro del Consejo de la Sociedad Aeronáutica de Gran Bretaña , abordó estos problemas inventando, diseñando y operando el primer túnel de viento cerrado en 1871. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Una vez que se logró este avance, se extrajeron rápidamente datos técnicos detallados mediante el uso de esta herramienta. A Wenham y a su colega John Browning se les atribuyen muchos descubrimientos fundamentales, incluida la medición de las relaciones l/d y la revelación de los efectos beneficiosos de una alta relación de aspecto .

En 1897, Konstantin Tsiolkovsky construyó un túnel de viento de sección abierta con un soplador centrífugo y determinó los coeficientes de arrastre de placas planas, cilindros y esferas.

El inventor danés Poul la Cour utilizó túneles de viento para desarrollar turbinas eólicas a principios de la década de 1890. Carl Rickard Nyberg utilizó un túnel de viento para diseñar su Flugan a partir de 1897.

El inglés Osborne Reynolds (1842-1912), de la Universidad de Manchester, demostró que el patrón de flujo de aire sobre un modelo a escala sería el mismo que sobre un vehículo a escala real si un determinado parámetro de flujo fuera el mismo en ambos casos. Este parámetro, conocido actualmente como número de Reynolds , se utiliza para describir todas las situaciones de flujo de fluidos, incluyendo la forma de los patrones de flujo, la eficacia de la transferencia de calor y el inicio de la turbulencia. Esto constituye la principal justificación científica para el uso de modelos en túneles de viento para simular fenómenos de la vida real.

El uso que hicieron los hermanos Wright de un sencillo túnel de viento en 1901 para estudiar los efectos del flujo de aire sobre diversas formas durante el desarrollo de su Wright Flyer fue, en cierto modo, revolucionario. ^{[ 10 ]} Sin embargo, estaban utilizando la tecnología aceptada en aquel momento, aunque esta aún no era una tecnología común en Estados Unidos.

En Francia , Gustave Eiffel (1832-1923) construyó su primer túnel de viento de circuito abierto en 1909, impulsado por un motor eléctrico de 67 hp (50 kW) , en el Campo de Marte, cerca de la base de la torre que lleva su nombre.  

Entre 1909 y 1912, Eiffel realizó aproximadamente 4000 pruebas en su túnel de viento, y su experimentación sistemática estableció nuevos estándares para la investigación aeronáutica. En 1912, el laboratorio de Eiffel se trasladó a Auteuil, un suburbio de París, donde su túnel de viento con una sección de prueba de 2 metros (7 pies ) sigue en funcionamiento hoy en día. ^{[ 11 ]} Eiffel mejoró significativamente la eficiencia del túnel de viento de retorno abierto al encerrar la sección de prueba en una cámara, diseñar una entrada acampanada con un enderezador de flujo de panal y agregar un difusor entre la sección de prueba y el ventilador ubicado en el extremo aguas abajo del difusor; esta disposición fue seguida por varios túneles de viento construidos posteriormente; de ​​hecho, el túnel de viento de baja velocidad de retorno abierto a menudo se denomina túnel de viento tipo Eiffel. 

Posteriormente, el uso de túneles de viento se generalizó a medida que se consolidaban la ciencia de la aerodinámica y la disciplina de la ingeniería aeronáutica, y se desarrollaban los viajes aéreos y la generación de energía aérea.

En 1916, la Armada de los Estados Unidos construyó en el Astillero Naval de Washington uno de los túneles de viento más grandes del mundo hasta ese momento . La entrada tenía casi 3,4 metros (11 pies) de diámetro y la salida, 2,1 metros (7 pies) de diámetro. Un motor eléctrico de 500 hp (370 kW) impulsaba las palas del ventilador. ^{[ 13 ]}    

En 1931, la NACA construyó un túnel de viento a escala real de 9,1 x 18,3 metros (30 x 60 pies ) en el Centro de Investigación Langley en Hampton, Virginia. El túnel funcionaba con dos ventiladores impulsados ​​por motores eléctricos de 4000 hp (3000 kW) . Su diseño, de doble retorno y circuito cerrado, podía albergar numerosas aeronaves reales de tamaño real, así como maquetas. El túnel fue clausurado y, aunque fue declarado Monumento Histórico Nacional en 1995, su demolición comenzó en 2010.   

Hasta la Segunda Guerra Mundial, el túnel de viento más grande del mundo, construido entre 1932 y 1934, se encontraba en Chalais-Meudon , un suburbio de París , Francia. ^{[ 14 ]} Fue diseñado para probar aeronaves de tamaño real y contaba con seis grandes ventiladores impulsados ​​por potentes motores eléctricos. ^{[ 15 ]} El túnel de viento de Chalais-Meudon fue utilizado por ONERA bajo el nombre S1Ch hasta 1976 para el desarrollo de, por ejemplo, los aviones Caravelle y Concorde . Hoy en día, este túnel de viento se conserva como monumento nacional.

Ludwig Prandtl fue profesor de Theodore von Kármán en la Universidad de Göttingen y sugirió la construcción de un túnel de viento para probar los dirigibles que estaban diseñando. ^{[ 16 ] : 44} En el túnel se probó la calle de vórtices de turbulencia aguas abajo de un cilindro. ^{[ 16 ] : 63} Cuando más tarde se trasladó a la Universidad de Aquisgrán, recordó el uso de esta instalación:

Recordé que el túnel de viento de Gotinga se había creado inicialmente como herramienta para estudiar el comportamiento de los zepelines, pero que había demostrado ser valioso para todo lo demás, desde determinar la dirección del humo de la chimenea de un barco hasta si un avión determinado volaría. Sentía que el progreso en Aquisgrán sería prácticamente imposible sin un buen túnel de viento. ^{[ 16 ] : 76}

Cuando von Kármán comenzó a trabajar como consultor para Caltech , colaboró ​​con Clark Millikan y Arthur L. Klein. ^{[ 16 ] : 124} Se opuso a su diseño e insistió en un flujo de retorno que hiciera que el dispositivo fuera «independiente de las fluctuaciones de la atmósfera exterior». Se completó en 1930 y se utilizó para las pruebas de Northrop Alpha . ^{[ 16 ] : 169}

En 1939, el general Arnold preguntó qué se necesitaba para el avance de la USAF, y von Kármán respondió: «El primer paso es construir el túnel de viento adecuado». ^{[ 16 ] : 226} Por otro lado, tras los éxitos del Bell X-2 y la perspectiva de una investigación más avanzada, escribió: «Estaba a favor de construir un avión así porque nunca he creído que se puedan obtener todas las respuestas de un túnel de viento». ^{[ 16 ] : 302–03}

En 1941, Estados Unidos construyó uno de los túneles de viento más grandes de la época en Wright Field, Dayton, Ohio. Este túnel de viento comienza con 14 metros (45 pies) de diámetro y se estrecha hasta los 6,1 metros (20 pies ) . Dos ventiladores de 12 metros (40 pies ) eran impulsados ​​por un motor eléctrico de 30 000 kW (40 000 hp) . Se podían probar modelos de aeronaves a gran escala a velocidades de hasta 640 km/h (400 mph ) . ^{[ 17 ]}       

Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania desarrolló diferentes diseños de grandes túneles de viento para ampliar sus conocimientos en aeronáutica. Por ejemplo, el túnel de viento de Peenemünde fue un diseño innovador que permitió investigar el flujo de aire a alta velocidad, pero planteó varios desafíos de diseño en cuanto a su construcción a gran escala. Sin embargo, se utilizaron con éxito grandes cuevas naturales que se ampliaron mediante excavación y luego se sellaron para almacenar grandes volúmenes de aire que posteriormente se canalizaban a través de los túneles de viento. Al final de la guerra, Alemania contaba con al menos tres túneles de viento supersónicos diferentes, uno de ellos capaz de generar flujos de aire caliente a Mach 4,4.

Un gran túnel de viento en construcción cerca de Ötztal , Austria, habría tenido dos ventiladores accionados directamente por dos turbinas hidráulicas de 50 000 hp (37 000 kW) . La instalación no se completó al final de la guerra y el equipo desmantelado fue enviado a Modane , Francia, en 1946, donde fue reconstruido y aún es operado allí por ONERA . Con su sección de prueba de 8 m (26 pies ) y una velocidad aerodinámica de hasta Mach 1, es la instalación de túnel de viento transónico más grande del mundo. ^{[ 18 ]} Frank Wattendorf informó sobre este túnel de viento para una respuesta de EE. UU. ^{[ 19 ]}   

El 22 de junio de 1942, Curtiss-Wright financió la construcción de uno de los túneles de viento subsónicos más grandes del país en Buffalo, Nueva York . El primer hormigón para la construcción se vertió el 22 de junio de 1942 en un terreno que posteriormente se convertiría en Calspan , donde el túnel de viento aún funciona. ^{[ 20 ]}

Al final de la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos había construido ocho nuevos túneles de viento, incluido el más grande del mundo en Moffett Field, cerca de Sunnyvale, California , que fue diseñado para probar aeronaves de tamaño real a velocidades inferiores a 250 mph (400 km/h) ^{[ 21 ]} y un túnel de viento vertical en Wright Field, Ohio, donde la corriente de viento es ascendente para probar modelos en situaciones de giro y los conceptos y diseños de ingeniería para los primeros helicópteros primitivos que volaron en Estados Unidos. ^{[ 22 ]}  

Investigaciones posteriores sobre flujos de aire cercanos o superiores a la velocidad del sonido emplearon un método similar. Se utilizaron cámaras de presión metálicas para almacenar aire a alta presión, que luego se aceleraba a través de una tobera diseñada para generar un flujo supersónico. La cámara de observación o instrumentación ("sección de prueba") se colocaba entonces en la ubicación adecuada dentro de la garganta o tobera para obtener la velocidad del aire deseada.

En Estados Unidos, la preocupación por el retraso de las instalaciones de investigación estadounidenses en comparación con las construidas por los alemanes dio lugar a la Ley del Plan Unitario de Túneles de Viento de 1949, que autorizó el gasto para construir nuevos túneles de viento en universidades y centros gubernamentales. Algunos túneles de viento alemanes de la época de la guerra fueron desmantelados para su envío a Estados Unidos como parte del plan para aprovechar los avances tecnológicos alemanes. ^{[ 23 ]}

En Estados Unidos, muchos túneles de viento fueron clausurados entre 1990 y 2010, incluyendo algunas instalaciones históricas. La presión sobre los túneles de viento restantes se debe a la disminución o el uso irregular, los altos costos de la electricidad y, en algunos casos, al alto valor de los terrenos donde se ubican. Por otro lado, la validación de CFD aún requiere datos de túneles de viento, y es probable que esto continúe siendo así en el futuro previsible. Se han realizado estudios y otros están en curso para evaluar las futuras necesidades de túneles de viento militares y comerciales, pero el resultado sigue siendo incierto. ^{[ 24 ]} Más recientemente, un uso creciente de vehículos no tripulados instrumentados propulsados ​​por chorro, o drones de investigación, ha reemplazado algunos de los usos tradicionales de los túneles de viento. ^{[ 25 ]} El túnel de viento más rápido del mundo a partir de 2019 es el túnel de viento LENS-X, ubicado en Buffalo, Nueva York. ^{[ 26 ]}

El modelo se monta sobre una balanza que mide fuerzas y momentos. Se miden la sustentación, la resistencia y las fuerzas laterales, así como los momentos de guiñada, balanceo y cabeceo, en un rango de ángulos de ataque . Se generan curvas comunes, como el coeficiente de sustentación en función del ángulo de ataque.

El modelo debe mantenerse inmóvil, y estos soportes externos generan resistencia aerodinámica y posibles turbulencias que afectarán las mediciones. Las estructuras de soporte se mantienen lo más pequeñas posible y con forma aerodinámica para minimizar las turbulencias.

• Fumar
• Inyección de dióxido de carbono
• Se pueden aplicar mechones, minimechones o conos de flujo a un modelo y mantenerlos adheridos durante las pruebas. Los mechones se pueden usar para medir los patrones de flujo de aire y la separación del flujo . A veces, los mechones están hechos de material fluorescente y se iluminan con luz negra para facilitar su visualización. También se utilizan en aeronaves en vuelo. Durante las pruebas de vuelo del avión cohete experimental SpaceShipOne, se colocaron mechones en la superficie de las alas. No se realizaron pruebas en túnel de viento en la aeronave.
• Las suspensiones evaporables son simplemente una mezcla de algún tipo de polvo fino, talco o arcilla disueltos en un líquido con un bajo calor latente de evaporación. Al aplicar el viento, el líquido se evapora rápidamente, dejando atrás la arcilla en un patrón característico del flujo de aire.
• Aceite: Cuando se aplica aceite a la superficie del modelo, se puede observar claramente la transición del flujo laminar al turbulento, así como la separación del flujo.
• Pintura témpera: Al igual que el óleo, se puede aplicar a la superficie del modelo mediante la aplicación inicial de puntos espaciados. Tras realizar la prueba en el túnel de viento, se puede identificar la dirección y la separación del flujo. Otra estrategia para el uso de la pintura témpera consiste en emplear luz ultravioleta para crear un patrón de flujo luminoso.
• La niebla (generalmente formada por partículas de agua) se crea con un nebulizador piezoeléctrico ultrasónico . Esta niebla se transporta al interior del túnel de viento (preferiblemente de circuito cerrado y sección de prueba cerrada). Se inserta una rejilla calentada eléctricamente antes de la sección de prueba, la cual evapora las partículas de agua en su proximidad, formando así láminas de niebla. Estas láminas de niebla actúan como líneas de corriente sobre el modelo de prueba cuando se iluminan con un haz de luz.
• Sublimación: Si el flujo de aire en el túnel es suficientemente poco turbulento, una corriente de partículas liberada en el flujo de aire no se fragmentará a medida que el aire se desplaza, sino que permanecerá unida formando una línea delgada y definida. Múltiples corrientes de partículas liberadas desde una red de boquillas pueden generar una forma tridimensional dinámica del flujo de aire alrededor de un cuerpo. Al igual que con el equilibrio de fuerzas, estos conductos y boquillas de inyección deben tener una forma que minimice la introducción de flujo de aire turbulento en la corriente de aire.
• Sublimación (definición alternativa): Una técnica de visualización de flujo consiste en recubrir el modelo con un material sublimable. Al activarse el viento, en las zonas de flujo laminar, el material permanece adherido al modelo, mientras que en las zonas turbulentas se evapora. Esta técnica se emplea principalmente para verificar que los puntos de activación colocados en el borde de ataque para forzar una transición cumplen con el objetivo previsto.

Las turbulencias y los vórtices a alta velocidad pueden ser difíciles de ver directamente, pero las luces estroboscópicas y las cámaras de película o las cámaras digitales de alta velocidad pueden ayudar a capturar eventos que resultan borrosos a simple vista.

También se requieren cámaras de alta velocidad cuando el objeto de la prueba se mueve a gran velocidad, como la hélice de un avión. La cámara puede capturar imágenes a cámara lenta de cómo la pala corta las corrientes de partículas y cómo se generan vórtices a lo largo de los bordes de salida de la pala en movimiento.

• Pintura sensible a la presión (PSP): la presión del aire sobre una superficie se mide con recubrimientos de pintura que reaccionan a las variaciones de presión cambiando de color.
• Velocimetría de imágenes de partículas (PIV) y velocimetría láser Doppler : la velocidad del aire se mide con láseres.
• Medición de la deformación del modelo (MDM): mide cuánto se dobla y se tuerce un modelo. ^{[ 31 ]}

Las principales subcategorías en los túneles de viento aeronáuticos son:

Túneles con flujo de aire vertical

Los túneles de viento verticales cuentan con una sección de prueba donde el aire fluye hacia arriba. Se utiliza la fotografía para registrar las características de giro en vuelo libre de los modelos de aeronaves. Se instalan redes por encima y por debajo de la sección de prueba para evitar que el modelo se eleve demasiado y para atraparlo cuando el flujo de aire cesa. ^{[ 34 ]}

Los túneles de viento para automóviles se dividen en dos categorías:

• aquellos que se utilizan para determinar los coeficientes aerodinámicos del vehículo,
• Túneles climáticos que evalúan la operatividad de los vehículos bajo una amplia gama de condiciones ambientales simuladas, que incluyen frío extremo, nieve, radiación solar y humedad.

Las pruebas de automóviles en túneles de viento comenzaron en la década de 1920, ^{[ 35 ]} con coches como el Rumpler Tropfenwagen y el Chrysler Airflow . Inicialmente, se probaban modelos a escala, y luego se construyeron túneles de viento más grandes para probar coches a escala real con la capacidad de medir la resistencia aerodinámica, lo que permite realizar mejoras para reducir el consumo de combustible. Wunibald Kamm construyó el primer túnel de viento a escala real para vehículos de motor. ^{[ 36 ]}

Estos túneles se utilizan en los estudios del ruido generado por el flujo y su supresión.

Un túnel de viento de alta entalpía se utiliza para estudiar el flujo de aire alrededor de objetos que se mueven a velocidades mucho mayores que la velocidad local del sonido ( velocidades hipersónicas ). La entalpía es la energía total de una corriente de gas, compuesta por la energía interna debida a la temperatura, el producto de la presión y el volumen, y la velocidad del flujo. La reproducción de las condiciones del vuelo hipersónico requiere grandes volúmenes de aire caliente a alta presión; dos técnicas utilizadas son los grandes depósitos calientes presurizados y los arcos eléctricos. ^{[ 37 ]}

Los principios aerodinámicos del túnel de viento funcionan igualmente en embarcaciones, con la diferencia de que el agua es más viscosa y, por lo tanto, ejerce mayores fuerzas sobre el objeto sometido a prueba. Para las pruebas hidrodinámicas subacuáticas se suele utilizar un canal de flujo continuo . La interacción entre dos tipos de fluidos diferentes implica que las pruebas en túnel de viento puro solo son parcialmente relevantes. Sin embargo, se realiza un tipo de investigación similar en un tanque de remolque .

El aire no siempre es el mejor medio de prueba para estudiar principios aerodinámicos a pequeña escala, debido a la velocidad del flujo de aire y al movimiento del perfil aerodinámico . Un estudio de las alas de la mosca de la fruta, diseñado para comprender cómo generan sustentación, se realizó utilizando un gran tanque de aceite mineral y alas 100 veces más grandes que su tamaño real, con el fin de ralentizar el aleteo y facilitar la visualización y comprensión de los vórtices generados por las alas del insecto. ^{[ 38 ]}

Las pruebas en túneles de viento se utilizan para determinar las velocidades del viento alrededor de edificios y puentes, y las fuerzas del viento sobre ellos. ^{[ 39 ]}

Los túneles de viento ambientales se utilizan para simular la capa límite de la atmósfera en condiciones de viento cerca de la superficie terrestre. El viento cerca del suelo es altamente turbulento. ^{[ 40 ]} Mientras que los túneles de viento para vehículos tienen características para producir aire constante y en línea recta que se aproxima al modelo de prueba, los túneles ambientales necesitan agujas seguidas de pequeños cubos en el suelo para que el aire represente la capa límite de la atmósfera a medida que se aproxima al objeto de prueba. ^{[ 41 ]} Es necesario comprender las fuerzas causadas por el viento en edificios altos y puentes para que puedan construirse utilizando un mínimo de materiales de construcción y, al mismo tiempo, ser seguros en vientos muy fuertes. Otra aplicación importante para el modelado de la capa límite en túneles de viento es la comprensión de los patrones de dispersión de gases de escape para hospitales, laboratorios y otras fuentes emisoras. Otros ejemplos de aplicaciones de túneles de viento de capa límite son las evaluaciones de la comodidad de los peatones y la acumulación de nieve. El modelado en túneles de viento se acepta como un método para ayudar en el diseño de edificios sostenibles . Por ejemplo, el uso del modelado de la capa límite en túneles de viento puede utilizarse como crédito para la certificación de Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental (LEED) a través del Consejo de Construcción Verde de EE. UU.