diseño y construcción de un túnel de viento facultad de ingeniería y arquitectura ingeniero mecánico

170 Pages·2017·32.17 MB·Spanish

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA
“JOSE SIMEON CAÑAS”

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TÚNEL DE VIENTO

TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

PARA OPTAR AL GRADO DE
INGENIERO MECÁNICO

POR:
FRANCISCO ERNESTO CHICAS MOLINA

MAYO 2012
ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A.

RECTOR
ANDREU OLIVA DE LA ESPERANZA, S.J.

SECRETARIA GENERAL
CELINA PÉREZ RIVERA

DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
CARLOS GONZALO CAÑAS GUTIÉRREZ

COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
MARIO WILFREDO CHÁVEZ MOLINA

DIRECTOR DEL TRABAJO
ROBERTO CORDOVA

LECTOR
ISMAEL SÁNCHEZ

RESUMEN EJECUTIVO
Un túnel de viento es un equipo que genera una corriente de aire, limitado por un
conducto de sección específica y/o variable a lo largo del mismo, para lograr condiciones
especiales en el flujo y simular el movimiento de objetos con el fin de analizar fenómenos
aerodinámicos, como fuerzas y líneas de corriente, entre otros. En el túnel de viento
también es posible analizar el rendimiento y funcionamiento de ventiladores generando
sus curvas características.
Las clasificaciones básicas de un túnel de viento son: de acuerdo a su arquitectura básica
(circuito abierto - circuito cerrado); de acuerdo a la velocidad (subsónico - transónico -
supersónico - hipersónico); de acuerdo a la presión (atmosférico, densidad variable); de
acuerdo al tamaño (ordinarios - escala real). Existen otros túneles que son únicos en su
categoría (meteorológicos, túneles de choque, chorro plasmático, tiro caliente).
Las posibilidades de uso de un túnel de viento pueden dividirse principalmente en 3 ramas
que son:
Aerodinámica y teoría de fluidos: medición de caudal, distribución velocidad y presión,
número de Reynolds, visualización de flujo, arrastre sobre cuerpos esféricos y perfiles
especiales, gradiente de presiones sobre perfiles aerodinámicos, medición de fuerzas de
arrastre y sustentación sobre perfiles aerodinámicos, investigación del desarrollo de la
capa límite en objetos mediante la medición de la distribución de carga total, efecto de las
corrientes de aire sobre automóviles, trenes, edificios, esculturas, corrientes de aire sobre
líneas de transmisión, antenas, vallas publicitarias, avisos informativos, semáforos,
evaluación de equipos para deportes, termodinámica y transferencia de calor, procesos
químicos (balances de materia y energía, convección libre y forzada, manejo de carta
sicométrica, procesos de secado de productos vegetales, dispersión de contaminantes).
La segunda es calibración: generación de curvas de ventiladores, calibración de medidores
de flujo, velocidad y presión.
i
La tercera es el diseño de ventiladores, álabes y hélices: se logra mediante la combinación
de las 2 primeras ramas, en donde es necesario implementar las técnicas de medición y
adquisición de datos relevantes de la teoría aerodinámica y combinarlo con el
rendimiento y eficiencia mostrada por un ventilador, turbina de viento, hélice y cualquier
otro equipo sometido a diseño.
El túnel de viento es ahora indispensable para el desarrollo moderno aeronáutico. Es difícil
contemplar la posibilidad de diseñar objetos aerodinámicos, sin primero medir las
propiedades de sustentación y arrastre, estabilidad y habilidades de control en un túnel
de viento. Hacer pruebas en el túnel, y luego pruebas reales, es el orden más conveniente.
El diseño y construcción de un túnel de viento como proyecto de tesis tiene puntos
positivos que lo hacen muy atractivo:
− Se presta como un estudio dirigido sistemáticamente que corresponde a una
necesidad o problema concreto en el área de la mecánica de los fluidos. Este
implica un proceso de observación, exploración, descripción, interpretación y
explicación.
− A nivel nacional se cuenta con muy poca información sobre el tema. Por tal motivo
es importante crear un aporte sobre el tema, y brindar la posibilidad de abrir
mucho más esta información para el progreso y desarrollo del país. Un túnel de
viento es símbolo de tecnología, de estudio, análisis, diseño, lo cual permitiría que
tanto la academia como la industria se nutran cada vez más de conocimiento.
− A nivel de docencia el proyecto, serviría en gran medida para realizar estudios
aerodinámicos, generando y motivando el espíritu investigativo y de diseño en
estudiantes y profesores. Sería un primer paso, a una rama que aún no ha sido
explotada en la universidad y es cuestión de arriesgarse a desarrollar un tema
realmente complejo, en donde se cruza la teoría y la experimentación.
− A nivel personal es un reto ambicioso, por la cantidad de conceptos y la
complejidad que lleva el manejar un proyecto de tal magnitud. El objetivo es lograr
un diseño que satisfaga las necesidades que serán listadas más adelante.
ii
INDICE
RESUMEN EJECUTIVO ..................................................................................................... i
INDICE DE TABLAS ........................................................................................................ vii
INDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... ix
SIGLAS .......................................................................................................................... xi
SIMBOLOGÍA ............................................................................................................... xiii
PRÓLOGO .................................................................................................................. xvii
CAPÍTULO 1 : INTRODUCCIÓN AL TÚNEL DE VIENTO ................................................. 1
1.1 Justificación ............................................................................................................. 1
1.2 Antecedentes .......................................................................................................... 2
1.3 Objetivos ................................................................................................................. 3
1.3.1 Objetivo general ................................................................................................. 3
1.3.2 Objetivos específicos .......................................................................................... 3
1.4 Alcances y limitaciones ........................................................................................... 4
CAPÍTULO 2 : TEORÍA AERODINÁMICA Y NÚMEROS ADIMENSIONALES. .................... 5
2.1 Teoría de capa límite .............................................................................................. 5
2.2 Números adimensionales. ...................................................................................... 6
2.3 Introducción y definición de análisis dimensional. ................................................. 7
2.4 Dimensiones y unidades. ........................................................................................ 8
2.5 Semejanza geométrica, cinemática y dinámica. ..................................................... 9
2.6 Parámetros adimensionales. ................................................................................ 11
2.7 El teorema п de Buckingham. ............................................................................... 12
CAPÍTULO 3 : DISEÑO DEL TÚNEL DE VIENTO ........................................................... 15
3.1 Descripción general del túnel de viento. .............................................................. 15
3.2 Criterios de diseño de las secciones del túnel de viento ...................................... 19
3.3 Cámara de pruebas ............................................................................................... 19
3.3.1 Definición y función .......................................................................................... 19
3.3.2 Parámetros y cálculo de pérdidas ..................................................................... 19
3.4 Difusor ................................................................................................................... 23
3.4.1 Definición y función .......................................................................................... 23
3.4.2 Parámetros y cálculo de pérdidas ..................................................................... 25
3.5 Mallas de seguridad y mallas correctoras velocidad ............................................ 26
3.5.1 Definición y función .......................................................................................... 26
3.5.2 Parámetros y cálculo de pérdidas ..................................................................... 26
3.6 Cámara de ajustes ................................................................................................. 28
3.6.1 Definición y función .......................................................................................... 29
3.6.2 Parámetros y cálculo de pérdidas ..................................................................... 29
3.7 Acondicionador de flujo ........................................................................................ 29
3.7.1 Definición y función .......................................................................................... 29
3.7.2 Parámetros y cálculo de pérdidas .................................................................... 30
3.8 Diseño del cono de contracción ........................................................................... 31
3.8.1 Definición y función .......................................................................................... 31
3.8.2 Parámetros y cálculo de pérdidas .................................................................... 32
3.9 Modelo ................................................................................................................. 33
3.9.1 Parámetros y cálculo de pérdidas .................................................................... 33
3.10 Selección de la propulsión .................................................................................... 34
3.11 Ecuación de energía y definición de pérdidas totales del sistema. ..................... 34
CAPÍTULO 4 : FABRICACIÓN DEL TUNEL DE VIENTO ................................................. 39
4.1 Partes existentes .................................................................................................. 39
4.1.1 Cámara de pruebas .......................................................................................... 39
4.1.2 Ventilador ......................................................................................................... 40
4.1.3 Motor................................................................................................................ 41
4.1.4 Variador de frecuencia ..................................................................................... 42
4.2 Fabricación de partes no existentes..................................................................... 42
4.2.1 Cono de contracción y cámara de ajustes ....................................................... 42
4.2.2 Difusor .............................................................................................................. 47
4.2.3 Acondicionador de flujo ................................................................................... 50
4.2.4 Estructura de soporte ....................................................................................... 50
4.2.5 Panel de control ............................................................................................... 51
CAPÍTULO 5 : DISEÑO DE LA BALANZA AERODINÁMICA ........................................... 53
5.1 Diseño ................................................................................................................... 56
5.2 Soporte de modelos ............................................................................................. 59
5.3 Sensor de fuerza por resistencia (FSR) ................................................................. 61
5.4 Sistemas electrónicos ........................................................................................... 61
5.5 Calibración ............................................................................................................ 61
5.6 SELECCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN. ............................................................... 63
5.7 Presión .................................................................................................................. 63
5.8 Velocidad .............................................................................................................. 64
5.9 Medición de flujo en conductos ........................................................................... 66
5.10 Caudal ................................................................................................................... 68
CAPÍTULO 6 : EXPERIMENTOS EN UN TÚNEL DE VIENTO PEQUEÑO .......................... 69
6.1 Consejos prácticos para realizar experimentos en el túnel de viento ................. 70
6.2 Plantear un experimento ..................................................................................... 71
6.3 Puntos claves a considerar en pruebas aerodinámicas ....................................... 71
6.4 Práctica de laboratorio. Medición del coeficiente de arrastre de una esfera. .... 72
CAPÍTULO 7 : CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................. 77
7.1 Conclusiones ......................................................................................................... 77
7.2 Recomendaciones ................................................................................................ 78
BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 79

ANEXOS
ANEXO A. MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
ANEXO B. HOJAS TÉCNICAS DEL VENTILADOR
ANEXO C. LISTADO PARÁMETROS DEL VARIADOR DE FRECUENCIA
ANEXO D. HOJAS TÉCNICAS DEL VARIADOR DE FRECUENCIA GE AF-300
ANEXO E. HOJAS TÉCNICAS DEL PANEL DE CONTROL
ANEXO F. HOJAS TÉCNICAS DEL CONTACTOR SIEMENS
ANEXO G. HOJAS TÉCNICAS DEL MEDIDOR FLUKE 975
ANEXO H. FACTORES DE CORRECCIÓN DE DENSIDAD DEL AIRE
ANEXO I. HOJAS TÉCNICAS DEL SENSOR DE FUERZA FSR-400
ANEXO J. HOJAS TÉCNICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL LM-392
ANEXO K. PLANOS ILUSTRATIVOS DEL TÚNEL DE VIENTO