AERODINAMICA

Túneles aerodinámicos

  Para estudiar las fuerzas que se producen sobre un avión cuando vuela o cualquier otro objeto que se desplaza en el aire, es lo mismo que el móvil se traslade por el aire o que permanezca quieto y sea el aire el que circule a su alrededor. Esto simplifica enormemente el trabajo de los diseñadores, ya que permite construir modelos a escala y observar su comportamiento de una manera más sencilla y económica. Para poner en práctica este concepto se creó una herramienta como el túnel aerodinámico, denominado también túnel de viento, que evolucionó tan rápido como el mismo desarrollo de la aviación. Imaginemos un tubo en el que el ventilador hace circular por su interior una corriente de aire en la que se coloca una maqueta de un avión, como puede apreciarse en el dibujo 1 (dibujo de túnel de viento). Este es ni más ni menos que un túnel aerodinámico elemental, como el que usaron los precursores de la aviación en sus primeros ensayos.

  Hoy día se logró un grado de perfeccionamiento muy grande en este tipo de instalaciones, convirtiéndose en verdaderos laboratorios aeronáuticos. Los constructores importantes suelen disponer de sus propios túneles, pero a veces es necesario realizar ensayos muy precisos y costosos, por lo que cada vez más se recurre a los grandes centros de investigación, como la NASA (National Aeronautics and Space Administration) en los Estados Unido o la ONERA (Office National d’Etudes et de Recherches Aeronautiques) en Francia. Estos lugares cuentan con túneles para diversos usos e incluso los más modernos están equipados con tecnología lasérica. Nuestra ex FMA (Fábrica Militar de Aviones-9 disponía de dos túneles de viento –de alta y baja velocidad- que oportunamente tuvieron gran actividad pero actualmente son puestos en funcionamiento esporádicamente.

  Los túneles se clasifican de acuerdo con su régimen de velocidad. En los de baja velocidad  la corriente de aire llega generalmente hasta los 500 o 600 km/h, es decir, aproximadamente la mitad de las velocidad del sonido (M 0,5); en los de alta velocidad se alcanza desde unos 500 km/h hasta aproximadamente 800 km/h; están los transónicos, en donde la corriente de aire alcanza valores sónicos (Mach 1 = 1200 km/h), desde unos 800 km/h hasta 1300 o 1400 km/h; están  también los supersónicos, en donde la corriente de aire supera holgadamente M1 y pueden alcanzar 2000 o 3000 km/h (M2 ó M3); y finalmente los hipersónicos (que son muy pocos), en los que se pueden hacer pruebas hasta más allá de los 4000 km/h (M4, M5 o más). A medida que la velocidad aumenta crece también la complejidad del túnel, ya que la composición del aire en el interior es distinta, también son otros los sistemas de medición y de visualización de la corriente, como veremos adelante.

  Los primeros túneles de viento estaban construidos con madera y eran de circuito abierto, es decir, como se aprecia en el dibujo 1 el aire entraba por un extremo aspirado por el ventilador, circulaba alrededor de la maqueta y salía al exterior. Posteriormente se hicieron de circuito cerrado, en donde es posible obtener un rango de velocidades más amplio y variar las características del aire para alterar su viscosidad y por consiguiente también el Número de Reynolds.

  El aire ingresa desde el exterior, es acelerado por un gigantesco ventilador a una velocidad previamente establecida y lo hace circular por el interior. En esta sección el túnel puede llegar a tener tres o cuatro m de diámetro; pero luego se achica para provocar el efecto venturi y aumentar la velocidad, pasa por una grilla semejante aun panal de abejas para alinear los filetes de aire y luego llega a la cámara de trabajo en donde se instaló el modelo, que poder ser el de un avión completo, ala, fuselaje, empenajes, etc. En los codos del túnel existen aletas directrices que mantienen uniforme la corriente y evitan la turbulencia.

  Las cámaras de trabajo tienen un tamaño que depende de las características del túnel, pero que varían en forma inversamente proporcional a la velocidad.  Algunas tienen un tamaño tal que pueden circular las personas libremente, en otras solamente hay lugar para el modelo. En los túneles primitivos las maquetas se montaban sobre balanzas, que mediante un juego de palancas medían las fuerzas que se producían cuando circulaba el aire. En estos casos se introducía humo en la corriente para visualizar el flujo de aire o también se colocaban penachos de lana o algodón sobre las superficies a estudiar. Los modernos tienen dispositivos muy precisos que además de medir las fuerzas también pueden variar su posición de acuerdo con el ensayo a realizar y para visualizar el flujo suelen utilizarse aceites especiales coloreados.

  Los túneles súper e hipersónicos trabajan con un sistema diferente. Como es difícil acelerar la corriente hasta esos valores con un ventilador, se recurre a depósitos de aire a presión (ver dibujo 2, diagrama de un túnel supersónico / mediante técnicas apropiadas es posible visualizar las ondas de choque en un modelo supersónico). En un extremo hay un tanque con aire a alta presión y en el otro extremo un tanque en el que se hizo el vacío. Entre ellos se encuentra el túnel propiamente dicho con su cámara de trabajo. Cuando se abre la válvula el aire sale y por la diferencia de presiones alcanza gran velocidad cuando pasa por la cámara de trabajo. En muchos de estos túneles el venturi que se encuentra antes de esta cámara es de sección variable para lograr un mayor rango de velocidades.

  Los ensayos en estos túneles duran segundo, razón por la cual se recurre a dispositivos fotográficos muy sensibles para visualizar las corrientes de aire, que trabajan en base a las diferencias de densidad que adquiere el aire en la cámara. En los túneles modernos los modelos se conectan a un manojo de sondas, que mediante cables envían la información a las computadoras para luego imprimir los resultados. Los túneles de última generación trabajan con haces laséricos en lugar de cámaras fotográficas, que permiten visualizar el flujo de aire en forma mucho más precisa y con colores indicativos para las diferentes velocidades que adquiere el aire cuando pasa a través del modelo.

Bibliografía

Revista aeroespacio 584 – Ficha técnica aerodinámica n°18: Túneles aerodinámicos (Autor, Archytas)