Balanza Aerodinámica

 

Túnel de viento

En colaboración con la U Universidad niversidad Politécnica Politécnica Metropoli Metropolitana tana de Hi Hidalgo dalgo se realizaron las primeras pruebas de túnel de vviento iento que corresponden a la parte factorial del diseño de experimentos, para perfiles de parte posterior plana. El túnel de viento cuenta con sección de prueba de 40 *40 centímetros, centímetros, una balanza aerodinámica conectada tres displays paraFigura medir1.las fuerzas aerodinámicas y un nanómetro para medir la apresión dinámica,

Figura 1.Tunel de viento.

 

Balanza aerodinámica

La balanza aerodinámica es un instrumento preciso pre ciso y confiable para la medición de las fuerzas y momentos actuantes sobre un modelo en un túnel de viento. A diferencia de las balanzas comunes, que sirven para medir fuerzas fuer zas actuando en una dirección conocida, las balanzas de túnel de viento deben medir no tan solo fuerzas aerodinámicas cuya dirección de la resultante es desconocida, sino que también momentos alrededor de de ciertos ejes, debido a esa resultante. En el caso más general, las balanzas miden las componentes de esta resultante, llamada fuerza aerodinámica total, según tres ejes mutuamente ortogonales pasando a través de un punto arbitrario. La particularidad de un ensayo aerodinámico es que la magnitud y dirección de la fuerza total y el momento pueden pued en cambiar durante el ensayo. La principal característica de una balanza de túnel de viento es la cantidad de componentes a medir, dependiendo del ensayo a considerar, este número puedo variar de uno a seis. Dependiendo de su localización, las balanzas de túnel de viento pueden ser clasificados en 2 grupos:   Balanzas externas ubicadas fuera del modelo y la cámara de ensayo del túnel de viento.   Balanzas internas en el interior del modelo o sus soportes.

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

En las balanzas de primer grupo, la fuerza aerodinámica total y momentos son separados en sus componentes con la ayuda de varios sistemas mecánicos. Estas balanzas suelen denominarse balanzas mecánicas. El modelo es instalado en la sección de ensayo del túnel con la ayuda de soportes como pueden ser vigas o alambres, que lo vinculan a la balanza. En estas balanzas llamadas comúnmente externas las componentes de fuerzas y momentos son usualmente determinados en un sistema de ejes “balanza” paralelo

al sistema de ejes del viento. El diseño de una balanza externa incluye la incorporación de un dispositivo que cambie la actitud del modelo tanto en ángulo de incidencia como de deslizamiento. La desventaja de las balanzas mecánicas de túnel de viento es el comparativamente elevado peso de sus elementos, debido a la inercia de los sistemas de medición tales balanzas no pueden ser usadas en túneles que tienen corta duración de operación. La balanza aerodinámica con la que cuenta el túnel de vviento iento es de titipo po externo, cuenta con tres celdas carga para medir las fuerzas aerodinámicas que son registradas en los displays, Figura 2.

 

 

Figura 2.Balanza Aerodinámica.

Diseño de una balanza aerodinámica

Los requerimientos básicos de una balanza de túnel de viento son: - alta sensibilidad - linealidad - baja histéresis - repetibilidad  repetibilidad  Estas características en una balanza las determinan sus elementos sensibles a las cargas actuantes.  A fin de obtener una alta sensibilidad, es decir una apreciable seña señall eléctrica para una dada deformación, los elementos sensibles son usualmente provistos con un gran número de strain gages conectados de tal manera que cada rama del puente de medición contiene dos, tres y algunas veces cuatro strain gages. Conseguir que la mayor parte de la componente a medir sea tomada por su elemento de med medición, ición, este último debe poseer baja rigidez en la dirección de ésta componente y la mayor rigidez posible en la dirección de las componentes que no mide. Para alcanzar linealidad y reproducibilidad en las mediciones, la balanza debe formar un conjunto integrado entre sus partes, donde no ocurra desplazamiento relativo entre ellas, excepto aquellos causados por deformaciones elásticas; esto también se refiere a la conexión entre modelo y balanza.

 

 A fin de reducir la histéresis, los elementos elásticos deben ser hechos de un material de alto módulo elástico como ser aceros aleados de alta resistencia o aún mejor bronce al berilio, estos poseen buenas propiedades elásticas poca deformación y elevada resistencia a la fatiga. Diagrama de Cuerpo libre de la balanza aerodinámica

El perfil aerodinámico es bañado de fluido desde el borde de entrada en trada hasta el borde de salida, ocasionando fuerzas aerodinámicas. Las fuerzas que interactúan en un perfil aerodinámico son la fuerza de sustentación, la fuerza de arrastre y momento, Figura 3, estas fuerzas varían respecto al ángulo de ataque. Gracias a la balanza aerodinámica es posible medir estas fuerzas, la balanza con la que cuenta se restringe solo medir la fuerza de sustentación y la fuerza de arrastre.

Fuerza de sustentación (L) Dirección relativa del viento

Fuerza de arrastre (D)

Figura 3. Diagrama de las fuerzas aerodinámicas en el perfil de prueba. .

 

 A continuación se muestra el diagrama de cuerpo cue rpo libre de la balanza para medir las fuerzas aerodinámicas.

Figura 4.Diagrama de la balanza aerodinámica.

Como se menciona anteriormente la balanza dispone de tres celdas de carga, como se muestra en el diagrama estas celdas de cargas corresponden una celda ce lda de carga  A, F y D, estas a su vez son las responsables de medir cada una de las fuerzas. Cada una celdas tiene una relación con el soporte en este caso la varilla que sostiene al modelo para poder medir las fuerza y registrarlas en el display. Para medir la fuerza de sustentación se emplean las celdas de carga ca rga A y F, en este caso es la sumatoria de estas fuerzas A y F en la componente Y.

 

Respecto a la fuerza de arrastre se emplea la celda de carga D, en este caso sería la fuerza en la componente X. Ecuaciones para determinar las fuerza de sustentación y arrastre mediante el uso de la balanza aerodinámica.

    =  +   (1)

  =   (2) Para determinar las cargas se tiene: Sustentación:

1   = 2  .  .    (3)

Donde L: Sustentación (Kg) V: Velocidad de flujo (m/s²) ρ: Densidad (Kg/m3)

SL: Área proyectada del perfil (m²) (Figura 5) C: cuerda del perfil (m) E: Envergadura del modelo (m) C L: Coeficiente de sustentación

 

 

Figura 5. Áreas de proyección para determinación de fuerzas a aerodinámicas.

 Arrastre:

1  =   .  .    2 (4) Donde D: D: Arrastre  Arrastre o resistencia (Kg) V: Velocidad de flujo (m/s²) ρ: Densidad (Kg/m3)

SD: Área frontal del perfil (m²) (Figura 5) C: cuerda del perfil (m) t: Espesor del perfil (m) C D: Coeficiente de arrastre

 

Los valores que se obtienen del túnel del viento son fuerzas, pero lo que se busca son coeficientes de levantamiento y arrastre por lo tanto de las ecuaciones 3 y 4 quedan de la siguiente forma.

 =

2 

 

 . 

 =

(5)

2     .  (6) 

 

 

Arrastre y sustentación

El arrastre y la sustentación se definen como las componentes de fuerza paralela y normal, respectivamente, ejercidas sobre un cuerpo por el fluido en movimiento, a la velocidad. Tanto los esfuerzos debidos a la presión como los viscosos actúan sobre un cuerpo sumergido y uno o los dos contribuyen a las fuerzas resultantes. La acción dinámica del fluido en movimiento es la que desarrolla el arrastre y la sustentación. La velocidad del flujo sobre la parte superior del perfil aerodinámico es mayor que la velocidad de corriente libre; por consiguiente aplicando la ecuación de Bernoulli, la presión en la la parte superior es menor que la presión de corriente libre. La velocidad en la parte inferior es menor que la velocidad de corriente libre, lo que da como resultado una presión mayor que la de la velocidad de corriente libre. Este gradiente de presión es el responsable de la fuerza de sustentación sobre el perfil aerodinámico, mientras que la fuerza de arrastre es el resultado tanto de las diferencias como de los esfuerzos cortantes. Mientras tanto, la fricción viscosa entre el aire y la superficie aerodinámica disminuye el flujo de aire hasta cierto punto próximo a la superficie. Como se muestra en la figura 1, la resultante de todas estas fuerzas de presión y fricción es habitualmente se resuelven en dos fuerzas y un momento que actúan a lo largo de la cuerda a una distancia de c/4 del borde de ataque.

La fuerza de sustentación- definido para ser perpendicular a la dirección del d el flujo de aire en sentido contrario. La fuerza de sustentación es una consecuencia de la presión desigual sobre las superficies de la superficie de sustentación superior e inferior

 

La teoría y la investigación han demostrado que muchos problemas prob lemas de flujo pueden ser caracterizados por parámetros no dimensionales. El parámetro adimensional más importante para definir las características de las condiciones de flujo de fluidos es el número de Reynolds. El número de Reynolds, Re, se define por:

 =

       = =      

Donde, ρ es la velocidad del fluido, µ es la viscosidad del fluido,    =   es la

viscosidad cinemática y U  y   y L son la velocidad y longitud que caracterizan a la escala del flujo. Los coeficientes aerodinámicos de fuerza y de momento, los cuales son una función func ión del número de Reynolds, se pueden definir de dos o tres objetos tridimensionales.   Coeficientes de fuerza y de momento para el flujo alrededor de objetos bidimensionales son generalmente designados por subíndice minúscula. Coeficientes de sustentación y arrastre que se miden para el flujo alrededor de objetos tridimensionales suelen ser designados con un subíndice mayúscula. Diseño de rotor generalmente utiliza coeficientes bidimensionales, determinados para una gama de ángulos de ataque y números de Reynolds, en las pruebas en túnel de viento. El coeficiente de sustentación de dos dimensiones se define como:

 ⁄ /  ℎ    = = 1/2²  ⁄  ℎ  ⁄ /  ℎ   =  = 1/2²  ⁄  ℎ

 =

 ℎ    = 1/2²  

 

 

CELDA DE CARGA 

Las celdas de carga son los elementos de la balanza encargados de censar las fuerzas a medir y transformarlas en una señal eléctrica que se puede apreciar en un dial oque pantalla digital, están compuestas deproporcionalmente dos partes, una parte es como un sólido elástico absorbe las cargas y se deforma a esta ser una pieza metálica o plástica y la otra parte consiste en un elemento sensible a la deformación, capaz de variar alguna de sus propiedades físicas y así obtener una variación de una señal eléctrica proporcional a esta variable, a este elemento se denomina comúnmente transductor. Los transductores más empleados en la fabricación de celdas de carga son los strain gages o extensómetros, los que se valen de la propiedad de ciertas aleaciones metálicas como el Constantán, de variar su resistencia eléctrica debida la variación de la sección transversal de conductores realizados de estas aleaciones. El strain gage de película adherida es por lejos el strain gage más empleado en análisis experimentales de tensiones. Estos gages consisten en una grilla de una fina película de aleación especial unida a una base de soporte. La resistencia eléctrica de la grilla varía linealmente con la deformación.