Método esfera de turbulencia: Evaluación de la calidad del flujo del túnel de viento

Fuente: José Roberto Moreto y Xiaofeng Liu, Departamento de Ingeniería Aeroespacial, Universidad Estatal de San Diego, San Diego, CA

Las pruebas de túnel de viento son útiles en el diseño de vehículos y estructuras que se someten a flujo de aire durante su uso. Los datos del túnel de viento se generan aplicando un flujo de aire controlado a un modelo del objeto que se está estudiando. El modelo de prueba suele tener una geometría similar, pero es una escala más pequeña en comparación con el objeto de tamaño completo. Para garantizar que se recopilen datos precisos y útiles durante las pruebas de túnel de viento de baja velocidad, debe haber una similitud dinámica del número de Reynolds entre el campo de flujo de túnel sobre el modelo de prueba y el campo de flujo real sobre el objeto de tamaño completo.

En esta demostración, se analizará el flujo del túnel de viento sobre una esfera lisa con características de flujo bien definidas. Debido a que la esfera tiene características de flujo bien definidas, se puede determinar el factor de turbulencia para el túnel de viento, que correlaciona el número efectivo de Reynolds con el número de Reynolds de prueba, así como la intensidad de turbulencia de corriente libre del túnel de viento.

Para mantener la similitud dinámica en los flujos de baja velocidad, el número Reynolds de un experimento debe ser el mismo que el número De Reynolds del fenómeno de flujo que se está estudiando. Sin embargo, los experimentos realizados en diferentes túneles de viento y en aire libre, incluso en el mismo número de Reynolds, podrían proporcionar resultados diferentes. Estas diferencias pueden atribuirse al efecto de la turbulencia de la corriente libre dentro de la sección de prueba del túnel de viento, que podría ser percibida como un "número de Reynolds efectivo" más alto para la prueba del túnel de viento [1].

Un método simple que se utiliza para obtener el número efectivo de Reynolds para un túnel de viento y estimar su intensidad de turbulencia es el uso de la esfera de turbulencia. Este método obtiene una medición indirecta de la intensidad de turbulencia determinando el factor de turbulencia del túnel de viento. El factor de turbulencia, TF, correlaciona el número de Reynolds efectivo, R_eff, con el número de túnel Reynolds, Re_test, como

La intensidad de la turbulencia se puede medir directamente mediante un estudio de campo de flujo de velocimetría de revestimiento de hilo caliente, velocimetría doppler láser o imagen de partícula. Antes de la introducción de estos métodos de medición directa, una esfera de turbulencia era la forma principal de medir la turbulencia relativa de un túnel de viento. Dado que los métodos directos suelen llevar mucho tiempo y son costosos, el método de esfera de turbulencia convencional sigue siendo una alternativa rápida y económica para medir la calidad del flujo de aire.

El método de la esfera de turbulencia se basa en dos resultados empíricos: la crisis de arrastre de esfera y la fuerte correlación entre el número crítico de Reynolds, Re_c, y la intensidad de la turbulencia de flujo. La crisis de arrastre se refiere al fenómeno que el coeficiente de arrastre de la esfera, C_d, se desprende repentinamente debido al desplazamiento hacia atrás del punto de separación de flujo. Cuando el flujo alcanza el número crítico de Reynolds, la transición de la capa límite del flujo laminar al flujo turbulento se produce muy cerca del borde delantero de la esfera. Esta transición temprana provoca una separación de flujo retardada porque la capa límite turbulenta es más capaz de negociar un gradiente de presión adverso para una distancia más larga y, por lo tanto, es menos propensa a la separación que la capa límite laminar. La separación retardada promueve una mejor recuperación de la presión, lo que reduce el tamaño de la estela y la resistencia a la presión y disminuye significativamente el arrastre general.

Las esferas de turbulencia utilizadas en esta demostración tienen un grifo de presión en el borde delantero y cuatro grifos de presión en puntos situados a 22,5o del borde de arrastre. Se investigarán tres esferas con diámetros de 4.0, 4.987 y 6.0 in, respectivamente. Para una esfera suave, el número crítico de Reynolds está bien definido y se produce cuando C_D es 0,3. Esto corresponde a un valor deP/q a 1.220, dondeP es la diferencia entre la presión media medida en los cuatro puertos de presión trasera y la presión de estancamiento en el borde delantero de la esfera, y q es el flujo dinámico dinámico Presión.

Mientras que Re_c está bien definido por C_D yP/q, depende en gran medida de la turbulencia del flujo. Esta demostración utilizando esferas se puede utilizar para definir el factor de turbulencia. Las primeras mediciones de vuelo encontraron que en la atmósfera libre, Re_c a 3,85 x 10⁵ para una esfera suave. La crítica de aire libre Reynolds está correlacionada con la turbulencia del túnel de viento mediante la siguiente ecuación:

1. Preparación de la esfera de turbulencia en el túnel de viento

1. Conecte el tubo pitot del túnel de viento al puerto #1 en el escáner de presión y conecte el puerto de presión estática al puerto #2 en el escáner de presión.
2. Bloquee el equilibrio externo.
3. Fije el puntal de la esfera al soporte de la balanza dentro del túnel de viento.
4. Instale la esfera con 6 de diámetro.
5. Conecte el grifo de presión de vanguardia al puerto #3 en el escáner de presión y conecte los cuatro grifos de presión de popa al puerto #4 del escáner de presión.
6. Fije la línea de suministro de aire al regulador de presión y ajuste la presión a 65 psi.
7. Conecte el colector del escáner de presión a la línea de presión.
8. Inicie el sistema de adquisición de datos y el escáner de presión. Asegúrese de encenderlos al menos 20 minutos antes de la prueba.
9. Estimar la presión dinámica máxima basada en el número crítico de Reynolds al aire libre para una esfera suave: . Consulte las Tablas 1 y 2 para conocer los parámetros de prueba recomendados.
10. Defina el rango de prueba de presión dinámica de 0 a q_máx. y defina los puntos de prueba dividiendo el rango en 15 intervalos.

Tabla 1. Parámetros para la primera prueba.

Cuadro 2. Parámetros para la segunda prueba.

2. Realización de la estabilización y medición del escaneo de presión

1. Lea la presión barométrica y la temperatura ambiente y registre los valores.
2. Aplique las correcciones a la presión barométrica utilizando ecuaciones proporcionadas por el fabricante del manómetro.
3. Configure el software de adquisición de datos y conéctelo al escáner de presión, estableciendo la dirección IP adecuada.
4. Inserte los siguientes comandos presionando intro después de cada comando.
   >calz
   >establecer chan1 0
   >establecer chan 1-1..1-4
   >establecer fps 10
5. Compruebe que la sección de prueba y el túnel de viento estén libres de escombros.
6. Cierre las puertas de la sección de prueba.
7. Establezca el marcado rápido del túnel de viento en cero.
8. Encienda el túnel de viento y el sistema de enfriamiento del túnel de viento.
9. Con la velocidad del viento a 0 mph, inicie la grabación de datos y, a continuación, inserte el siguiente comando para escanear la presión:
   >Escanear
10. Registre la temperatura del aire del túnel de viento.
11. Aumente la velocidad del viento hasta la siguiente presión dinámica del punto de prueba tal como se define en el paso 1.10.
12. Espere hasta que la velocidad del aire se estabilice, luego repita los pasos 2.9 - 2.11 hasta que se ejecute el último punto de prueba.
13. Reduzca lentamente la velocidad del aire a cero.
14. Cuando se hayan medido todos los puntos, sustituya el 6 en esfera por la siguiente esfera siguiendo los pasos 1.2 - 1.5.
15. Repita los pasos de 2.3 a 2.14 para repetir los experimentos de estabilización y escaneo de presión.
16. Espere a que el túnel de viento se enfríe después de que se ejecute la prueba para las tres esferas.
17. Apague el túnel de viento y el software de adquisición de datos.

Para cada esfera, se midieron la presión de estancamiento y la presión en los puertos de popa. La diferencia entre estos dos valores da la diferencia de presión,P. También se midieron la presión total, P_t, y la presión estática, P_s, de la sección de ensayo, que se utilizan para determinar la presión dinámica de prueba, q - P_t - P_s, y la normalizada presión . También se registró la presión de aire ambiente, La presión de aire P_amby la temperatura del flujo de aire para calcular las propiedades del flujo de aire, incluida la densidad del aire, la _pruebay la viscosidad, la_prueba. La densidad se obtiene utilizando la ley de gas ideal, y la viscosidad se obtiene utilizando la fórmula de Sutherland. Una vez que se determina la densidad del aire y la viscosidad, se puede calcular el número de Reynolds de prueba.

Al trazar el número de Reynolds de prueba con respecto a la diferencia de presión normalizada, se determinó el número crítico de Reynolds para cada esfera (Figura 1). El número crítico de Reynolds corresponde a un valor de presión normalizado de 1.220. Las tres curvas para las tres esferas proporcionan una estimación más precisa del número crítico de Reynolds, túnel Re_C,porque se utiliza un valor promediado. Con la estimación del túnel Re_C, el factor de turbulencia, TFy el número de Reynolds efectivo se pueden determinar de acuerdo con las siguientes ecuaciones:

Y

Figura 1. Número de Reynolds crítico para cada esfera.

Las esferas de turbulencia se utilizan para determinar el factor de turbulencia del túnel de viento y estimar la intensidad de la turbulencia. Este es un método muy útil para evaluar la calidad del flujo de un túnel de viento porque es simple y eficiente. Este método no mide directamente las fluctuaciones de velocidad y velocidad del aire, como la anemometría de hotwire o la velocimetría de imagen de partículas, y no puede proporcionar un estudio completo de la calidad del flujo del túnel de viento. Sin embargo, un estudio completo es extremadamente engorroso y caro, por lo que no es adecuado para comprobaciones periódicas de la intensidad de turbulencia del túnel de viento.

El factor de turbulencia se puede comprobar periódicamente, como después de realizar pequeñas modificaciones en el túnel de viento, para medir la calidad del flujo. Estas comprobaciones rápidas pueden indicar la necesidad de un estudio completo de turbulencia de flujo. Otra información importante obtenida del factor de turbulencia es el número efectivo de Reynolds del túnel de viento. Esta corrección en el número Reynolds es importante para garantizar la similitud dinámica y la utilidad de los datos obtenidos de modelos escalados y su aplicación a objetos a escala completa.

El principio de la esfera de turbulencia también se puede utilizar para estimar el nivel de turbulencia en otros entornos además de la sección de prueba del túnel de viento. Por ejemplo, este método se puede utilizar para medir la turbulencia a bordo. Una sonda de turbulencia se puede desarrollar sobre la base de los principios de la esfera de turbulencia e instalarse en aviones para medir los niveles de turbulencia en la atmósfera en tiempo real [2].

Otra aplicación es el estudio de las estructuras de flujo durante un huracán. Las mediciones in situ del flujo dentro de un huracán pueden ser extremadamente peligrosas y complicadas de obtener. Métodos como la anemometría hotwire y la velocimetría de imagen de partículas son inalcanzables en estas condiciones. El principio de la esfera de turbulencia se puede utilizar para hacer un sistema de medición prescindible que se puede colocar en una región propensa a huracanes para medir la turbulencia de flujo dentro de un huracán de forma segura y a un bajo costo [3].