Low-speed wind tunnel flow visualization

Jaime Gómez - Proyecto Final de Carrera Grado Oficial de Piloto de Aviación Comercial y Operaciones Aéreas (CESDA)

Smoke-wire technique design

Volar ha cautivado al ser humano desde el inicio de sus tiempos. Pero, ¿cómo se podía conseguir imitar el vuelo de un ave? Ésta es la pregunta que ocupaba las mentes de los pioneros de lo que hoy conocemos como aviación. Es esta cuestión a la que dieron una respuesta rotunda los hermanos Wright a inicios del siglo XX con el éxito del primer vuelo a motor de la historia.

"CESDA, Piloto aviación comercial, Escuela de pilotos, TFG Jaime Gómez"

 Ya ellos desarrollaban un principio que perseguirá este sector a lo largo de toda su existencia: es necesario estudiar, entender, comprender y consolidar los fundamentos del comportamiento del medio y la estructura en éste para su diseño y posterior control en vuelo. De aquí, y mirando atrás, la aparición de muchos de los sistemas de estudio que han permitido poner en vuelo aeronaves cada vez más sofisticadas y mejoradas, entre ellos uno de los más utilizados: el túnel de viento.

La práctica de la aerodinámica experimental de baja velocidad ha continuado evolucionando y sigue siendo una piedra angular en el desarrollo de una amplia gama de vehículos y otros dispositivos que deben realizar sus funciones bajo las fuerzas impuestas por las fuertes corrientes de aire o agua. El túnel de viento era el medio utilizando por excelencia, aunque un grupo importante de expertos preveía que la necesidad de estos experimentos aerodinámicos, sobretodo en el régimen subsónico, desaparecería rápidamente a medida que la dinámica de fluidos computacional evolucionaba con mayor capacidad para presentar toda la información necesaria a partir de simulaciones computacionales a un costo-efectividad mayor a la de los experimentos.

Sin embargo, los cálculos o simulaciones computacionales no son tan fehacientes como lo que los ojos pueden ver. Por esta razón, y debido al desarrollo primitivo de estas nuevas estructuras, muchos estudios se han realizado sobre bases empíricas, físicas y visibles. Y es todo el recogido de estos datos que permitirá el futuro diseño y construcción de sistemas de simulación complejos, aunque la forma más sencilla de entender e interpretar lo que está ocurriendo es por medio de la vista, incluso cuando se trata de un medio no visible.

El uso de técnicas de visualización de flujo permiten hacer partícipe el sentido de la vista con un medio no visible como es el aire. Diferentes métodos se utilizarán para estudiar los múltiples, variados y complejos fenómenos de la aerodinámica de un perfil alar o toda la estructura de una aeronave. Uso de trazas adheridas a la superficie de la que se quiere estudiar sus regímenes laminares y turbulentos, incluso de separación de la capa límite; también sistemas de inyección de humo que permiten una visualización directa; o el rociado de aceites sobre las estructuras a estudiar para observar a posteriori su distribución y composición al ser expuestos a diferentes actitudes y situaciones de vuelo.

Por tanto, el uso de los sistemas de visualización de flujo en los túneles de viento va presumiblemente dirigido a la experimentación del comportamiento del aire sobre las diferentes estructuras aerodinámicas de las aeronaves. La más importante de todas ellas es el perfil alar del que se estudiará las líneas de corriente o “streamlines” a lo largo de éste a diferentes ángulos de incidencia con el flujo de aire o viento relativo. De ello se extraerán los conceptos fundamentales en el diseño de un ala como son su coeficiente de sustentación, coeficiente de resistencia, ángulo de pérdida y generación de vórtices.

Es este estudio de un perfil y la atribución empírica y visible de todos los conceptos, cálculos y simulaciones a los que se refiere una muy amplia bibliografía en esta parte de la física de fluidos llamada aerodinámica, la que llevaría a realizar una investigación fundamentada en el diseño y construcción de un túnel de viento. El objetivo: generar y visualizar “streamlines”, normalmente invisibles, así como su comportamiento en diferentes estadios de ángulo de ataque, velocidad, configuración de dispositivos hipersustentadores, etc. con un coste reducido y con aplicación para la instrucción y enseñanza.

Smoke-wire technique Design

Tras una extensa investigación de los sistemas de visualización de flujo se llegaría a una conclusión final: la técnica a utilizar en el diseño del túnel de viento sería la que se conoce como “smoke-wire technique”.

El concepto se basa en pasar corriente eléctrica a través de un hilo de metal fino cubierto con aceite. A medida que el hilo se caliente según el principio de Ohm por resistencia eléctrica, el aceite se evapora. Éste forma gotas a lo largo del hilo que genera filamentos finos de humo (“streamlines”) al llegar el metal a su estado de incandescencia y temperatura de evaporación del aceite. Varias sustancias se pueden utilizar para rociar y cubrir el hilo de metal: aceite mineral, comercial, sintético y vegetales. Los requerimientos más importantes en el diseño de esta técnica de visualización de flujo es el diámetro del hilo, el tipo de hilo, el régimen de alimentación del hilo y tipo de líquido o sustancia utilizada.

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