Laboratorio de Mecánica de Fluidos II “Distribución de Presiones y Número de Mach en una Tobera Convergente -Divergente”
19 de Enero del 2016, segundo término académico. Llerena Buenaño William Llerena Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil – Ecuador
[email protected]
Resumen: En esta práctica el objetivo principal fue estudiar las fuerzas y su sustentación que actúa sobre los cuerpos a través de una corriente de aire en un túnel de viento, con esto establecer experimentalmente experimentalmente la variación de los coeficientes de arrastre (C d ) con el número de Reynolds para los distintos modelos ( disco circular, esfera lisa y rugosa ); con esto poder estudiar los coeficientes de subestación ( C l ) de un aeroforme vs. Su ángulo de vuelo o también llamado ángulo de ataque α. Para esto se usó un equipo conformado por un túnel de viento, cuerpos
romos y aerodinámicos un sistema computarizado de adquisición de datos este consistía en sensores colocados a lo largo de todo el túnel de viento y en el brazo que sujeta el elemento a someter a pruebas. Las pruebas se la realizo variando el caudal de 0% hasta llegar al 100% variando de 20 en 20 por ciento y con el equipo computacional recolectar las tabla de datos para realizar las respectivas graficas con la cuales se emitirán la conclusiones.
Palabras clave: Romo, Aerodinámico, Arrastre, Sustentación, Túnel de viento.
Abstract In practice the main objective was to study the forces and lift acting on the bodies through a stream of air in a wind tunnel, with this experimentally establish the variation coefficients of drag (Cd) with the Reynolds number for the various models (loop drive, smooth and rough sphere); with this power substation study coefficients (Cl) vs. a aeroforme Its angle of flig ht, also known angle of attack α. For this a made up of a wind tunnel and aerodynamic bodies blunt a
computerized data acquisition equipment is consisted of sensors placed throughout the wind tunnel and on the arm that holds the element is used to submit evidence . Tests were performed by varying the flow rate of 0% up to 100% ranging from 20 to 20 percent and the computer equipment to collect the data table for the respective graphics with which the findings will be issued. Keywords: Aerodynamic, Drag, Blunt, Sustainability, Wind Tunnel.
Introducción Arrastre.- Esta es la oposición que presentan los cuerpos a la fuerza ejercida por un fluido. Sustentación.- es la fuerza que se produce del fluido en dirección perpendicular al movimiento relativo al objeto solido inmersa en el fluido. Aerodinámico.- Objeto diseñado de forma que este sienta pocas fuerzas opositoras de un fluido y pueda moverse fácilmente en los fluidos. Romo.- Objeto de forma obtusa en sus terminaciones las cuales presentan una alta resistencia cuando este se mueve inmerso en un fluido. La expresión matemática para el coeficiente de arrastre está dado por la siguiente expresión matemática: =
2
(. 1)
Siendo: Fuerza de arrastre =
Densidad del fluido =
A = Área que proyecta el cuerpo sobre el
cual incide el fluido con su flujo. = Velocidad relativa del fluido en el cual
esta sumergido el cuerpo sólido. [2] El valor que genera al ingresas los respectivos datos es adimensional y como se observa en a expresión matemática aumenta directamente proporcional con la fuerza así como se observa que es inversamente proporcional a la densidad el área y la velocidad es decir si estos aumentan el coeficiente de arrastre disminuye e viceversa. Cuando existe una perturbación en el flujo de un fluido por la presencia de un cuerpo sólido, como es natural este experimentara cambios de velocidad tanto en magnitud y dirección de acuerdo al punto de incidencia del flujo sobre el cuerpo, esto da como resultado la producción de fuerzas de arrastre y sustentación sobre el cuerpo
Los cuerpos romos tienen una gran facilidad de estudio ya que desde el momento que se los introduce por sus pocas característica aerodinámicas inmediatamente se puede observar la presencia de las fuerzas ante mencionadas. Es fácil decir que en este cuerpo por su superficie dura y muy alta en rugosidad se presentaran fuerzas distintas como de presión arrastre y sustentación. Muy distinto es el caso de los cuerpos diseñados con perfiles aerodinámicos ya que estos por se diseñados para presentar poca resistencia a las fuerzas antes mencionadas y de esta forma entregar propiedades interesante y favorable para aplicaciones reales, esto se logra con la incidencia del fluido generando un llamado ángulo de ataque o ángulo de vuelo (α), definido como el ángulo comprendido entre el vector de flujo y la dirección del cuerpo aerodinámico. [3] Al estudiar fluidos que presentan flujos alrededor de un cuerpo se lo llama flujo externo, siendo esto una prioridad de estudio para la aeronáutica. A diferencia de la industria naval que busca producir estas fuerza de arrastre sobre cuerpos sumergido en fluidos incompresibles que como se sabe presentan un comportamiento distinto a los compresible, de esta forma mejorar el diseño de sur barcos, turbinas hélices sumergidas que impulsan los buques. Como se sabe cada industria dedicada a la producción tiene su parte de estudio en este gran campo tal esta como el automotriz como sus vehículos requieren ser más eficientes pero a la misma ves que estos consuman la menor cantidad de recursos es decir todos estos móviles solidos estarán trabajando en un fluido compresible (aire) el cuel será uno de los principales generados de las fuerzas opositoras al movimiento de estos he ahí porque en la actualidad los vehículos presentan formas muy aerodinámicas para disminuir el consumo de recursos y facilitar el movimiento de estos cuerpos inmersos en el fluido antes mencionado. [2] Equipos, Instrumentación y procedimiento Equipos e instrumentación:
Banco de prueba de túnel de viento
Serie: 035003-001 Modelo: GH-58 Cat. Ref.: C15-10-G Este equipo posee sensores piezoeléctricos que censan las mínimas deformaciones en los materiales de esta forma censan los cambios de presión ejercida en cada punto del túnel de viento. Como se sabe que el fluido presenta cambios debido a la temperatura se usó un termómetro para tomar la medición de temperatura en el instante de la práctica. Los cuerpos usados en la práctica son los siguientes:
Pelota lisa de 43 mm de diámetro Pelota lisa de 50 mm de diámetro Pelota de golf de 43 mm de diámetro Disco de 50 mm de diámetro Perfil aerodinámico (ala NACA 0015)
Procedimiento: Se conectó el equipo banco de prueba a la fuente de 230 V. y se lo encendió en la parte trasera del IFD7; luego se conectó: el cable USB al manómetro electrónico y a la laptop, el cable USB al IFD7 y a la laptop. Se procedió a prender el IFD7 y el manómetro con ayuda del switch mains. Se abrió el programa C1512-306 Wind Tunnel with manometer y escoger Exercise I: Project Work mas Load. Luego se dió clic en la opción Start COM Session para reconocer los cables USB y se escogieron los respectivos puertos. Para la medición de fuerza de arrastre en cuerpos romos se puso el ventilador en 0% después de sacarlo de stand-by con el botón (Fan On) y se midió la temperatura ambiente en grados Celsius, poniendo este valor en su correspondiente lugar. Se procedió a instalar la balanza encerada y el modelo a usarse dentro del túnel. Se dió clic en Sample, configure, automatic, sample interval: 1 segundo, en duration of sampling continuous. Se aumentó la velocidad del ventilador hasta el 20% y se hizo clic en el botón (Go) para adquirir los datos (50 mínimos) de los sensores, continuando a parar la toma con clic en (Stop). Se prosiguió a colocar el ventilador en 20% y se dió clic en
ventilador se estabilice para la nueva toma de datos. Se repitió este procedimiento para velocidades del ventilador desde el 20% hasta el 100% variando en 10% cada vez y disminuyendo gradualmente la velocidad del ventilador en su totalidad grabando finalmente los resultados (Save As). Se volvió a hacer lo mismo para otro cuerpo modelo, creando una nueva pestaña para los respectivos resultados. Para la medición de fuerza de sustentación en un cuerpo aeroforme, se empezó con 0° de ángulo de ataque y se incrementa la velocidad del ventilador a 15 ⁄ tomando los datos con el flujo estabilizado, luego se incrementó en 5° el ángulo de ataque y se realizó el mismo procedimiento hasta llegar a obtener 45° de ángulo de ataque. [1] Resultados En este caso como resultados obtuvimos tablas de datos para procesamiento y contrición de graficas los cuales se encuentran detallados en los anexos. Las tablas se encuentra referenciadas en el anexo A, como es natural re realizo muchos cálculos los cuales generan errores o también llamados incertidumbre detallados en la parte B, las gráficas de los datos procesados están en la parte C, como se sabe todo análisis genera resultados los cuales están detallado en la parte D, finalmente en los anexos E y F se encuentran la preguntas evaluativas y esquema de los equipos usados en el banco de prueba respectivamente.
Análisis de resultados, conclusiones y recomendaciones Se puede apreciar que el coeficiente de arrastre (Cd) mayor que se obtuvo fue el del disco y el menor valor de coeficiente de arrastre (Cd) es el de esfera de 50 mm. En el perfil aerodinámico NACA 0015 se puede observar un descenso del CL a partir del ángulo de 10° de ataque, hasta obtener el valor mínimo de CL con un ángulo de 15°. [4] El arrastre fue mayor en el disco con su cara perpendicular al flujo y el menor arrastre fue en la pelota de golf. El disco produce un cambio bastante considerable (en 90°) en el
hace que en el estancamiento producido en toda la cara plana del disco toda la energía cinética se transforme en energía de presión, obteniéndose un gradiente de presión favorable sobre toda la cara del disco, el fluido también sufre pérdidas por fricción al pasar por la cara frontal y la adyacente del disco; el flujo después de abandonar la cara adyacente pasa a la cara posterior y el flujo se desprende del disco por no tener la energía necesaria para seguir fluyendo sobre la parte trasera del disco, creándose así una gran estela (turbulencia) que produce un arrastre considerable por presión, que sumado al arrastre producido por la fricción entre el fluido y las caras frontal y adyacente del disco; conforma el arrastre total sobre este tipo de modelo. En la pelota de golf, en primera instancia, se opone al flujo de aire un punto de todo el cuerpo a diferencia del disco que se opone toda la cara frontal al flujo desde un principio; ya que solo un punto de la pelota de golf se opone al flujo, sólo un punto de incidencia del flujo convierte su energía cinética en energía de presión, produciendo un favorable gradiente de presión. Por los alveolos se hace la transición de la capa límite a turbulento del fluido sobre la pelota, con esto retrasa el desprendimiento de la capa límite; en los cráteres de la pelota se crean pequeñas estelas que hacen que el arrastre por presión disminuya, o sea menor en la pelota de golf que en el disco debido a que el espesor de las estelas es mayor en el disco que en la pelota de golf. El arrastre por fricción en régimen turbulento es menor que el arrastre por presión (producido por las estelas) y mayor al arrastre por fricción en régimen laminar, siendo el arrastre por transición insignificante y el arrastre total más pequeño en la pelota de golf que en el disco. En las pelotas con superficie lisa el flujo no llega a ser turbulento y se desprende de la superficie mucho antes de donde se desprende el flujo en la pelota de golf, haciendo esto que el arrastre sea mayor en estas pelotas que en la pelota de golf. El arrastre es mayor en la esfera de mayor diámetro (50 mm), ya que posee mayor
produciendo que el flujo varíe en dirección en mayores proporciones, aumentando la carga que incide sobre el esta pelota. Esta fuerza depende de una aceleración producida por el cambio en el vector velocidad que se da al variar la dirección del flujo de aire incidente sobre esta superficie. Para la pelota lisa de 43 mm de diámetro se obtuvo un mayor coeficiente de arrastre que para la pelota de 50 mm con una misma velocidad de flujo, debido a que el área frontal (al flujo) proyectada es mayor en la pelota de 50 mm que en la pelota de 43 mm de diámetro, siendo estas propiedades del coeficiente de arrastre y el área frontal proyectada inversamente proporcionales entre sí. Para el disco y la esfera de 50 mm, ambos bajo una misma velocidad de flujo de aire, se puede apreciar que el coeficiente de arrastre depende del arrastre en la comparación entre ambos modelos (poseen misma área frontal al flujo proyectada y es un mismo fluido), siendo el coeficiente de arrastre del disco considerablemente mayor al de la pelota lisa de 50 mm de diámetro, esto se da por la gran magnitud de estela creada en el disco por la obstrucción al flujo. Para la pelota lisa de 43 mm de diámetro se obtuvo un coeficiente de arrastre menor en comparación con el obtenido en la pelota de golf que fue el máximo del experimento, aunque en las gráficas se observa que el coeficiente de arrastre es menor en la pelota de golf a partir de un cierto valor de numero de Reynolds que para la pelota lisa de 43 mm de diámetro, siendo estos valores graficados aberrantes. Que el valor de coeficiente de arrastre sea mayor en la pelota de golf que en la pelota lisa del mismo diámetro, se debe a que el flujo sobre la superficie de la pelota de golf llega a ser turbulento produciendo estelas que producen que el desprendimiento de la capa límite sea después en comparación con el desprendimiento de la capa límite que se da mucho antes sobre la pelota lisa con flujo en régimen laminar. Para el modelo aerodinámico NACA 0015 se produce una disminución en la fuerza de sustentación con ángulos de ataque entre
15° y 20°, debido a que en este intervalo angular en la parte superior del modelo se produce un gradiente de presión adverso considerable que crea una cavitación de separación a lo largo de esta superficie, haciendo esto que el perfil de velocidades sufra perdidas y se desprenda la capa límite. El coeficiente de sustentación aumenta hasta un valor máximo posible con un ángulo máximo de ataque de 12° según la teoría de flujo potencial, a partir de este valor decae en el intervalo indicado. Con todo lo analizado se concluye que el arrastre producido por pelotas esféricas es menor que el arrastre producido por cuerpos con planicidad perpendicular al flujo de un fluido, además de que el arrastre es directamente proporcional al tamaño de los cuerpos inmersos en un fluido, también la fuerza de arrastre y por ende el coeficiente de arrastre es menor en la pelota de golf que en las pelotas lisas. Se puede concluir que para ángulos entre 13° y 20° el coeficiente de sustentación tiene un valor mínimo. [4] Se recomienda tomar la lectura del dato de temperatura ambiente con un ángulo de incidencia de 90° respecto a la superficie
indicadora del instrumento de medición (termómetro), para evitar introducir mayores errores por parte del operario al experimento, además de encerar los instrumentos de medición a usarse en la práctica antes de empezarla y comprobar que las conexiones de los cables del sistema de adquisición de datos estén debidamente realizadas antes de iniciar cada práctica.
Referencias: [1] Guía de Laboratorio de Mecánica de Fluidos II de la ESPOL (Escuela Superior Politécnica del Litoral), II término 2015, Profesor: Héctor Gabriel Espinoza Román. [2] Apuntes de Mecánica de Fluidos II de la ESPOL (Escuela Superior Politécnica del Litoral), I término 2015, Profesor: Mario Patiño Aroca, Ayudante: Luis Zambrano Palma. [3] Mecánica de Fluidos, Frank M. White, sexta edición, Mc Graw Hill, 2006 [4] http://www.grc.nasa.gov/WWW/k12/airplane/.html
Anexos Anexo A: TABLAS DE DATOS Las tablas contienen los datos promediados que fueron obtenidos experimentalmente de una muestra para cada dato aproximadamente de 50datos para cada muestra.
VELOCIDAD VENTILADOR (%) 20 30 40 50 60 70 80 90 100
VELOCIDAD AIRE (m/s) 5,9 9,5 12,7 15,8 18,7 21,8 25,2 29 32,7
FUERZA DE ARRASTRE (N) 0 0 0,04 0,12 0,22 0,26 0,32 0,39 0,49
Tabla #1: Datos promediados de la esfera de 43 mm de diámetro.
VELOCIDAD VENTILADOR (%) 20 30 40 50 60 70 80 90 100
VELOCIDAD AIRE (m/s) 5,8 9,3 12,5 15,6 18,5 21,6 25 28,7 32,3
FUERZA DE ARRASTRE (N) 0 0 0,07 0,11 0,21 0,33 0,38 0,52 0,64
Tabla #2: Datos promediados de la esfera de 50 mm de diámetro.
VELOCIDAD VENTILADOR (%) 20 30 40 50 60 70 80 90 100
VELOCIDAD AIRE (m/s) 5,8 9,4 12,7 15,7 18,7 22 25,6 29,4 33
FUERZA DE ARRASTRE (N) 0 0 0,08 0,18 0,2 0,22 0,2 0,24 0,28
Tabla #3: Datos promediados de la pelota de golf de 43 mm de diámetro.
VELOCIDAD VENTILADOR (%) 20 30 40 50 60 70 80 90 100
VELOCIDAD AIRE (m/s) 5,1 8,6 11,6 14,5 17,2 20 23,2 26,7 30,1
FUERZA DE ARRASTRE (N) 0 0,09 0,24 0,35 0,48 0,65 0,88 1,16 1,48
Tabla #4: Datos promediados para el disco de 55 mm de diámetro.
VELOCIDAD DE ÁNGULO DE VELOCIDAD DE FUERZA DE FUERZA DE 0 VENTILADOR (%) ROTACION ( ) AIRE (m/s) SUSTENTACION (N) ARRASTRE (N) 47 0 15,1 0,09 0 47 4,9 15 0,51 0,19 48 10,3 15 0,85 0 49 15,2 15,2 0,75 0,1 50 20,2 15,2 0,81 0,34 52 25,2 15 0,81 0,49 56 30,2 15 0,93 0,49 64 35,1 15 1,2 0,39 71 40,1 14,9 1,46 0,61 76 44,9 14,9 1,58 1,2 Tabla #5: Datos promediados para un cuerpo aerodinámico tipo NACA 0015.
Anexo B: CÁLCULOS La primera parte consistió en obtener los valores promedios para cada muestra para poder procesar una tabla más exacta para cada cuerpo a ser analizado. Las expresiones matemáticas usadas para esta práctica son para obtener el coeficiente de arrastre y el número de Reynolds para cada cuerpo sujeto a pruebas. =
2
;
=
Donde: FD: Fuerza de arrastre [N] : Densidad de Aire [kg/m³]
V: Velocidad del aire [m/s] A: Área característica dependiendo de la dirección del fluido y forma del objeto [m2]
: Viscosidad dinámica a 27ºC [kg/m*s]
Esfera lisa de diámetro 43mm: 2
=
= 0.38 = = 1.452− [ ] = 1.173 [⁄ ] = 29 ⁄ =
2(0.38) 1.173(29 )(1.452− ) = 0.53 =
= 1.83 − = 281258
Esfera lisa de diámetro 50mm: = 0.56 = 278309
Disco de diámetro 50mm: = 1.057 = 82712
Pelota de golf de diámetro 43mm: = 0.35 = 246885
Para el ala Aeroforme NACA0015 calculamos el coeficiente de Arrastre y Sustentación: =
2
;
=
2
: Fuerza de sustentación
FD: Fuerza de arrastre [N] : Densidad del Aire [kg/m³] V: Velocidad del aire [m/s] A: es el área característica del ala la cual depende de la inclinación de la misma para nuestro caso está dada. = 0.19 = 0.914 [ ] = 1.173[⁄ ] = 15[⁄]
=
2(0.19) 1.173(15 )(0.914) = 1.57 − =
2
= 0.515 =
2(0.515) 1.173(15 )(0.914) = 4.26 −
Anexo C: GRÁFICAS
CD vs. Re 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1 0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
-0,2 Re
Gráfica #1: Curvas de coeficiente de arrastre vs. Número de Reynolds de la p elota lisa de 43 mm de diámetro
CD vs. Re 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
Re
Gráfica #2: Curvas de coeficiente de arrastre vs. Número de Reynolds de la p elota lisa de 50 mm de diámetro
CD vs. Re 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
-0,2
Gráfica #3: Curvas de coeficiente de arrastre vs. Número de Reynolds de la p elota de golf de 43 mm de diámetro
CD vs. Re 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
Gráfica #4: Curvas de coeficiente de arrastre vs. Número de Reynolds del disco de 50 mm de diámetro
CD vs. Ángulo de Rotación 1,20E-02 1,00E-02 8,00E-03 6,00E-03 4,00E-03 2,00E-03 0,00E+00 -10
0
10
20
30
40
50
Gráfica #5: Curvas de coeficiente de arrastre vs. Ángulo de rotación del modelo aerodinámico NACA 0015
CL vs. Ángulo de rotación 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0 -10
0
10
20
30
40
50
Gráfica #6: Curvas de coeficiente de sustentación vs. Ángulo de rotación del modelo aerodinámico NACA 0015
Anexo D: RESULTADOS
VELOC. VENTILADOR (%)
COEF. DE ARRASTRE
INCERT. COEF. DE ARRASTRE
REYNOLDS
INCERT. REYNOLDS
INCERT. FUERZA ARRAST . (N)
INCERT. VELOC. AIRE (m/s)
20 30 40 50 60 70 80 90 100
-0,0548 -0,0210 0,2722 0,5555 0,7358 0,6448 0,5849 0,5447 0,5432
0,0080 0,0043 0,0124 0,0361 0,0184 0,0113 0,0253 0,0073 0,0126
57176 91357 122876 152288 180428 210656 243708 280275 316065
801 655 707 909 920 1089 1311 1309 1289
0 0 0 0,01 0,01 0 0,01 0,01 0,01
0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
Tabla #6: Resultados obtenidos de los promedios de los datos obtenidos experimentalmente para la pelota lisa de 43 mm de diámetro.
VELOC. VENTILADOR (%)
COEF. DE ARRASTRE
INCERT. COEF. DE ARRASTRE
REYNOLDS
INCERT. REYNOLDS
INCERT. FUERZA ARRAST . (N)
INCERT. VELOC. AIRE (m/s)
20 30 40 50 60 70 80 90 100
-0,0318 -0,0145 0,4049 0,3854 0,5397 0,6119 0,5340 0,5477 0,5354
0,0188 0,0058 0,0185 0,0072 0,0231 0,0251 0,0095 0,0116 0,0176
56292 89779 121157 150472 178696 209064 241241 277646 312651
536 550 710 739 858 856 1055 1246 1343
0 0 0 0 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02
0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
Tabla #7: Resultados obtenidos de los promedios de los datos obtenidos experimentalmente para la pelota lisa de 50 mm de diámetro.
VELOC. VENTILADOR (%)
COEF. DE ARRASTRE
INCERT. COEF. DE ARRASTRE
REYNOLDS
INCERT. REYNOLDS
INCERT. FUERZA ARRAST . (N)
INCERT. VELOC. AIRE (m/s)
20 30 40 50 60 70 80 90 100
-0,0561 -0,021 0,5643 0,8658 0,6601 0,5245 0,3524 0,3289 0,3007
0,008 0,0053 0,0463 0,029 0,013 0,0207 0,0056 0,0053 0,0036
56514 90580 122730 151982 181100 212651 247137 284124 319273
599 689 575 745 905 948 1334 1189 1606
0 0 0,01 0,01 0 0 0 0 0
0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2
Tabla #8: Resultados obtenidos de los promedios de los datos obtenidos experimentalmente para la pelota de golf de 43 mm de diámetro.
VELOC. VENTILADOR (%)
COEF. DE ARRASTRE
INCERT. COEF. DE ARRASTRE
REYNOLDS
INCERT. REYNOLDS
INCERT. FUERZA ARRAST . (N)
INCERT. VELOC. AIRE (m/s)
20 30 40 50 60 70 80 90 100
-0,0559 1,0324 1,5601 1,4532 1,413 1,4222 1,4164 1,4103 1,4223
0,0021 0,0185 0,023 0,014 0,0133 0,0138 0,0116 0,0126 0,0117
49197 83265 112568 139730 165894 193151 224493 258180 290696
918 702 734 752 859 1101 982 1041 1463
0 0 0 0 0 0,01 0,01 0,01 0,02
0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2
Tabla #9: Resultados obtenidos de los promedios de los datos obtenidos experimentalmente para el disco de 50 mm de diámetro.
ÁNGULO DE ROTACION (0)
COEF. DE ARRAST.
INCERT. COEF. DE ARRAST.
0
0
0
0,0008
0
4,9
0,0017
10,3
0
INCERT. FUERZA DE ARRAST. (N)
INCERT. FUERZA DE SUSTENT. (N)
INCERT. VELOC. AIRE (m/s)
0,0002
0
0,02
0,1
0,0047
0,0001
0
0,01
0,1
0
0,0077
0,0002
0
0,02
0,1
COEF. DE SUSTENT.
INCERT. COEF. DE SUSTENT.
15,2
0,0009
0,0003
0,0067
0,0007
0,03
0,08
0,1
20,2
0,003
0,0001
0,0072
0,0004
0,01
0,04
0,1
25,2
0,0045
0,0001
0,0074
0,0002
0,01
0,02
0,1
30,2
0,0044
0,0001
0,0084
0,0001
0
0,02
0,1
35,1
0,0035
0,0001
0,0109
0,0001
0,01
0,01
0,1
40,1
0,0056
0,0002
0,0134
0,0002
0,02
0,02
0,1
44,9
0,011
0,0002
0,0144
0,0003
0,02
0,03
0,1
Tabla #10: Resultados obtenidos de los promedios de los datos o btenidos experimentalmente para el perfil aerodinámico NACA 0015.
Anexo E: PREGUNTAS EVALUATIVAS 1. Investigue qué son los perfiles NACA y qué significan sus codificaciones. Incluya un esquema donde se indiquen las dimensiones del ala referidas en las codificaciones NACA. Explique qué significa la codificación NACA utilizada para el ala utilizada en esta práctica. Estos perfiles son los diseñados por la National Advisory Committe for Aeronautics (NACA) o NASA.
Codificaciones: a. 1 Four-digit series: El primer digito caracterizando la curvatura máxima en función de la cuerda (%c). El segundo digito describe la longitud de máxima curvatura desde el borde de ataque en 1/10 de la cuerda (%c). Los dos últimos dígitos describen el máximo espesor en función de la cuerda (%c). Los perfiles de Four-digit poseen una cantidad máxima de espesor del 30% de la cuerda b. 2 Five-digit series: Describe perfiles más complejos, el primer dígito multiplicado por 0.15 da el coeficiente de sustentación por sección, los siguientes dos dígitos divididos para 2 dan la longitud de curvatura máxima desde el borde de incidencia del flujo en función de la cuerda (%c) y los dos dígitos restantes dan la curvatura máxima del perfil en función de la cuerda (%c). c. 3 Modifications: Los perfiles de Four-digit y five-digit se pueden modificar por un código
de incidencia del flujo, donde 0 representa un borde afilado y a medida que aumenta este valor representa un aumento en la redondez del borde de ataque. El segundo dígito describe la longitud de espesor máximo desde el borde de ataque en 1/10 de la cuerda (%c) d. 1-series: El primer dígito describe la serie, el segundo describe la longitud a la cual está la zona de presión mínima en 1/10 de la cuerda (%c), el tercer dígito seguido de un guion describe el coeficiente de sustentación en 1/10 de la cuerda (%c), los dos dígitos continuos describen el espesor máximo en 1/10 de la cuerda (%c) e. 6-series: El segundo dígito describe la longitud donde está la mínima presión en 1/10 de la cuerda (%c), el tercer dígito describe que la resistencia se mantiene baja tantas décimas por debajo y por arriba del coeficiente de sustentación, el cuarto dígito seguido de un guion describe el espesor máximo en 1/10 de la cuerda (%c), si no se da un valor de (a) se asume a = 1 f. 7-series: El segundo dígito describe la longitud de mínima presión en el extradós en 1/10 de la cuerda (%c), el tercer dígito describe la longitud de mínima presión en el intradós en 1/10 y los dos continuos dígitos describen el espesor máximo en 1/10 de la cuerda (%c). g. 8-series: El perfil de ala NACA 0015 describe: perfil simétrico (00) y espesor máximo en el 15% de la cuerda
2. ¿Qué es la estela y por qué es importante estudiarla en cuerpos romos y aerodinámicos? Es una zona de flujo donde hay en su mayoría estados de fluidos con baja energía y movimientos en forma de vórtices producidos por pérdidas de energía del fluido, por la presencia de un gradiente de presión adverso (se produce desde el desprendimiento de la capa límite). Es importante ya que al ser una zona de baja energía crea un aumento del arrastre sobre un cuerpo, este estudio influye en el diseño de las superficies de los cuerpos aerodinámicos y romos, además de influir la estela en la capacidad con la que un cuerpo disipa calor, debido a que esta transfiere calor a las capas de fluido vecinas.
3. ¿Qué instrumento analógico utilizaría para medir las velocidades en la zona de la estela en esta práctica? Un tubo Pitot serviría para medir la velocidad de fluido en puntos específicos de manera instantánea de toda la estela y poder obtener así valores puntuales e instantáneo de la velocidad de flujo o un valor promedio de ellas.
4. Investigue y explique los factores que contribuyen al arrastre total que experimenta un cuerpo cuando se encuentra en un flujo. La condición de no deslizamiento es un factor que contribuye al arrastre debido a que el cuerpo sufre un arrastre por fricción producido por el gradiente de velocidad que el flujo tiene en las regiones cercanas a la superficie del sólido, este crea un máximo esfuerzo cortante en dicha superficie, produciéndose la fuerza de arrastre. También se produce arrastre por las estelas, hecho por la máxima presión del fluido formada en el punto más externa del cuerpo donde se presenta un estancamiento; el fluido en esta zona tiene poco cabezal de presión estático al
poseer poca energía, produciendo esto la presencia del arrastre por presión; siendo el arrastre total la suma del arrastre de presión más el de fricción.
5. Investigue y explique al menos 4 métodos que se utilizan para reducir el arrastre por fricción. ¿En qué se fundamentan estos métodos? ¿Por qué una pelota de golf sufre menos arrastre que una pelota lisa con las mismas dimensiones? Se puede disminuir el arrastre por fricción impidiendo la formación de la capa limite en régimen turbulento sobre el cuerpo, porque los mayores espesores de capa límite turbulenta producen mayores gradientes de velocidad y por ende mayor arrastre por fricción. Para reducir el arrastre por fricción se pueden hacer perfiles con ranuras succionadoras de fluido: esto consiste en succionar las capas de fluido cercanas a la superficie, de tal forma que se consigue menor gradiente de velocidad, esfuerzo en la pared y por ende menor arrastre por fricción. Se pueden hacer perfiles con geometría apropiada para mantener un flujo laminar sobre el cuerpo: las apropiadas geometrías de perfil con ciertos valores de ángulo de ataque logran un flujo laminar del fluido atravesando la superficie del cuerpo en su totalidad. Hacer perfiles con rugosidad despreciable: con un acabado superficial que tienda a ser una superficie lisa para prevenir que el flujo llegue a ser turbulento. Movimiento a velocidades relativas bajas entre el cuerpo y el fluido: movimientos a velocidades relativas bajas entre el cuerpo y el fluido asegura la formación de capa límite laminar y bajo gradiente de velocidad, por ende bajo arrastre por fricción. Tiene menos arrastre una pelota de golf, ya que el diseño que posee disminuye el tamaño de las estelas que se producen sobre el cuerpo, disminuyendo así el arrastre por presión en comparación con una pelota lisa que sufre un arrastre mucho más grande. Esto se da gracias a los cráteres que posee el diseño de la pelota de golf, que obstruyen al flujo haciendo que llegue a ser turbulento sobre la superficie del cuerpo de la pelota de golf, haciendo esto que el desprendimiento de la capa límite sea mucho después de lo que ocurre en la esfera lisa de iguales dimensiones, produciendo esto que la estela disminuya en tamaño, en cambio la esfera lisa posee el fluido laminar sobre toda su superficie.
6. ¿Cuál es la verdadera razón física por la que se produce la s ustentación? Por conservación de la energía, donde es expresado que la forma de un ala sirve para que el flujo que pasa por la parte superior recorra una mayor longitud que el flujo que pasa por la parte inferior del ala, produciendo esto que la presión en la parte superior disminuya en comparación con el valor de presión de la parte inferior, creando un gradiente que produce la fuerza de sustentación. Por segunda ley de Newton se tiene a la sustentación como la fuerza, la masa constante y la aceleración del fluido relativa al cuerpo inmerso en él, es la que produce la sustentación, esta aceleración se puede producir por variar la magnitud de la velocidad del fluido o su dirección. Por tercera ley de Newton la sustentación se genera en dirección contraria al giro del flujo, hay que tener en cuenta que todo cuerpo al estar inmerso en un flujo de algún fluido produce una aceleración con tan solo desviar dicho flujo.
Anexo F: Esquema del equipo usado en la práctica Esquema (1) del banco de prueba de la túnel de viento más el sistema de adquisición de datos
