El túnel de vent (teoria)

Ara que ja som conscients del paper protagonista que té l’aerodinàmica en el món de la competició, cal parlar de la que ve a ser l’eina per excel·lència per estudiar-la a nivell professional, el túnel de vent.

Els túnels de vent són una part vital del procés de disseny y desenvolupament però resulta una eina molt cara amb la que investigar. La quantitat de proves que els equips realitzen amb aquesta eina està, naturalment, relacionada amb el pressupost del que disposen i només aquells equips més poderosos comptaran amb un túnel de vent propi (per exemple Ferrari, Red Bull...), mentre que els altres hauran de limitar-se a o bé alquilar-los o a utilitzar simuladors com el CFD (Computational Fluid Dynamics) per realitzar aquestes proves .

Fig.– Túnel de vent amb sistema de recirculació de Red Bull E 1/1

Però que és realment un túnel de vent? Els més experts et contestarien amb alguna cosa com aquesta: “és un instrument enfocat a la investigació, desenvolupat per ajudar als enginyers en l'estudi dels efectes del comportament de l'aire al voltant d'objectes sòlids. Amb aquest estri d’experimentació se simulen les condicions que experimentarà l'objecte en una situació real, la qual s’intenta imitar el millor possible”. Així doncs, el túnel de vent ens permet investigar i preparar millor el nostre vehicle de competició abans de que sigui l’hora de la veritat i hagi de sortir a circuit. Podríem dir que la feina del túnel de vent es emular tant bé com sigui possible i sense turbulències una situació de carrera en un circuit amb l’avantatge i la tranquil·litat de que no ho sigui, i per tant, permetent als enginyers i pilots modificar parts i estudiar determinats aspectes, com els següents:

• Els tres coeficients aerodinàmics, com la sustentació (CL), la resistència aerodinàmica (Cx) i el coeficient lateral (CY).

• La visualització del fluid al llarg del vehicle per localitzar els punts de separació de flux, les capes límit i les turbulències.

• La distribució de la pressió en la superfície del mòbil.

Tot i la complexitat dels càlculs i de totes les proves que s’hi fan, un túnel de vent és, a primera vista, un dispositiu bastant simple com veurem més endavant quan s’expliquin els seus components. Un dels avantatges del túnel de vent és que no hi ha la necessitat de tenir un model acabat, equipat i llest perquè funcioni de manera autònoma, amb una maqueta a escala ja es pot fer els experiments. Per això, actualment hi ha una gran varietat de perfils que passen per aquesta prova, no només està dissenyats per objectes mòbils com avions, naus espacials, míssils, cotxes, camions, motos, etc. Sinó que també s’hi sometent edificis i ponts (a escala) per comprovar que tenen la resistència necessària per aguantar forces externes com per exemple, el vent.

Des de llavors fins ara: breu història del túnel de vent

Els primers instruments d’experimentació d’aquesta família van sorgir en el segle divuit i com era d’esperar no van ser directament els túnel de vent sinó que es tractava d’uns braços giratoris els quals anaven destinats a obtenir dades sobre resistència en el camp de l’aviació.

No seria fins 1871 que naixeria el primer túnel de vent, de la mà de l’enginyer Francis Herbert Wenham i el seu amic John Browning. Els seus experiments van mostrar que les altes ales llargues i estretes tenien una millor relació entre les forces de sustentació i arrossegament que les ales curtes i gruixudes amb igualtat d'àrea aerodinàmica. El treball de Wenham pot haver estat una influència clau per als germans Wright, pioners en aviació.

Fig. – Túnel de vent

fet pels germans Wright

Des de llavors fins avui diversos tipus de túnels s'han anat creant amb aquest objectiu, els primers funcionaven amb la força de gasos comprimits i posteriorment van evolucionar i van comptar amb la incorporació de motors i compressors per accelerar el flux en la càmera d'assajos. Avui dia existeixen instal·lacions aerodinàmiques de tot tipus i grandària, des de petits túnels en universitats i altres centres d'investigació fins a macro-túnels on poder estudiar vehicles a escala real.

Classificació i funcionament dels diferents túnels de vent

Quan parlem de túnels de vent cal que els diferenciem en dos grans grups: els de cicle obert i els de cicle tancat, és cert que el funcionament i les parts essencials són pràcticament les mateixes, però el de cicle tancat en té algunes de més, doncs la seva complexitat les requereix per poder controlar l’aire dins del recorregut. Altres factors que cal tenir en compte a l’hora de classificar un túnel de vent són els següents: si l’aire es bufat o espirat, si la cambra d’assajos està oberta o tancada i la velocitat relativa que pot assolir l’aire dins el túnel.

Components

La tipologia concreta d'un túnel de vent varia segons la utilització determinada que es vulgui donar a la instal·lació. No obstant això, la majoria d’ells presenten quatre components comuns, que constitueixen els eixos de disseny de qualsevol infraestructura d'aquest tipus.

Fig. Parts significatives d’un túnel de vent (cicle obert / aire espirat)

Secció de test o cambra d’assaig

Aquesta secció és el component més important d'un túnel de vent, ja que aquí és on es realitza l'assaig. S'hi instal·la el model sota estudi, controlant que el flux presenti unes característiques de turbulència i velocitats idònies per a una correcta reproducció de la situació que es pretén simular. Els seus paràmetres de disseny es defineixen a partir de requisits operatius, principalment accessibilitat per a la manipulació del model i els diferents instruments de mesura necessaris per a l'assaig, així com la correcta caracterització del flux per reproduir l'entorn desitjat. A causa d'això, moltes cambres d'assaigs presenten seccions rectangulars, ja que en faciliten l'operació, i la seva superfície interna no ha presenta rugositat significativa, perquè les variacions de velocitat i pressió dinàmica del flux no superin el 25% i 50% dels seus valors mitjans, respectivament.

Zona de condicionament del flux

Aquesta secció té el propòsit de dotar el flux dels paràmetres de qualitat necessaris (direcció, turbulència, perfil de velocitats, etc.) per a una correcta realització de l'assaig. Aquest condicionament s'aconsegueix fent circular el fluid a través d'una sèrie de dispositius que li confereixen una turbulència isòtropa (la fluctuació mitjana del corrent turbulent és igual a totes direccions, fins i tot en escales de longitud petites) i eliminen els vòrtex més grans, deixant passar únicament aquells de petita magnitud que s'extingiran ràpidament en seccions posteriors. Aquests dispositius són, principalment:

• Panell d'abelles: Elements en forma de panell mallat amb la funció de dotar el flux de la direcció desitjada. El fluid circula a través dels diferents elements de la malla adoptant una disposició paral·lela al seu pas.

• Pantalles de turbulència: Dispositius encarregats d'uniformar el perfil de velocitats del fluid, a costa però, d'una considerable pèrdua de pressió. En la realització d'aquesta funció s'introdueixen, a més, petites turbulències en el flux. Per millorar l'eficiència del condicionament i corregir les deficiències que presenten aquests dispositius, es disposen diversos muntatges “Panell-Pantalla” de manera consecutiva, deixant un petit espai entre els sistemes.

Con de contracció i difusor

La secció del con de contracció se situa entre la zona de condicionament i la cambra d'assaig. La seva missió consisteix en dotar al flux, adequadament condicionat, de la velocitat necessària per a realitzar l’assaig. Aquesta acceleració és generada mitjançant una reducció gradual de la seva secció recta, produint així un increment continu i proporcional de la velocitat.

L'etapa del difusor se situa a continuació de la secció d’assaig i realitza una tasca oposada a la del con de contracció, disminueix la velocitat i incrementa la pressió del flux, mitjançant un augment progressiu de la seva secció recta, possibilitant així l'ús de propulsors menys potents per mantenir la velocitat del flux.

Laboratori o sala de recull de dades

Just al davant de la cambra d’assajos es situa aquesta zona on es troben tots els investigadors, mecànics i enginyers els quals poden observar de primera mà el que està succeint a la secció de testos d’on a través de sensors els i arribarà tota mena d’informació digitalitzada en programes de simulació com el CFD (Dinàmica de Fluids Computacional) per tal d’interpretar el comportament aerodinàmic del vehicle estudiat.

Túnel de vent de cicle obert

En aquest tipus de túnel el flux d'aire que circula pel seu interior descriu una trajectòria recta; penetra en el circuit des de l'exterior a través de la secció d'entrada, que sol albergar la zona de condicionament de flux. Arriba al con de contracció on perd pressió i guanya velocitat, entrant posteriorment a la cambra d'assaig. A continuació, circula a través del difusor i la secció del propulsor, per tornar finalment a l'exterior per mitjà de la secció de sortida.

- Els seus principals avantatges són:

• Costos de construcció menors que instal·lacions de circuit tancat.

• Possibilitat d'utilitzar tècniques de visualització del flux amb fum, sense inconvenients, a causa de l’origen i destinació externa de l'aire.

- Els seus majors desavantatges són:

• Necessitat de major condicionament de flux. Aquest flux estarà fortament influït per l'entorn en què està instal·lada la infraestructura.

• Major consum d'energia per a taxes d'operacions elevades.

• Font important de contaminació acústica, el que pot limitar les hores d'operació del túnel o comportar costosos processos d’insonorització.

Túnel de vent de cicle tancat

En aquest cas el fluid descriu una trajectòria tancada per l'interior del túnel, fent-lo circular de forma continua pel circuit de retorn, amb poc o cap contacte amb l'exterior.

- Les instal·lacions d'aquest tipus tenen com a avantatges:

• Un major control de la qualitat del flux a l'interior del circuit. Poca o cap influència de l'entorn de la instal·lació en el fluid.

• Menor consum d'energia a causa del continu “reciclatge” del flux pel seu interior. Aquest factor resulta particularment beneficiós per a taxes d'operació elevades.

• Una menor contaminació acústica.

- Els seus inconvenients principals són:

• Major cost inicial, a causa d’una infraestructura també major.

• Complexitat de disseny per a possibilitar la utilització de tècniques de visualització determinades (mitjançant fum, pintura, etc.) o la operació de motors de combustió interna.

• Necessitat de dispositius de refrigeració o intercanviadors de calor per a instal·lacions amb taxes d'operació elevades.

Fig. – Esquema d’un túnel de vent de cicle tancat

Classificacions principals entre els túnels de vent

Existeixen diverses solucions en quant a la construcció de túnels de vent, cadascuna amb els seus respectius avantatges i inconvenients. Cada tipus serà adequat per a algunes aplicacions i no per a d’altres. L'elecció de la tipologia del túnel condicionarà moltes coses.

Velocitat d’operació dins el túnel

Tenint en compte la velocitat del flux al seu pas per la secció de test, els túnels de vent poden classificar-se com:

TIPUS VELOCITAT ÒPTIMA

De baixa velocitat *M < 0,6

Subsònic 0,6 < M < 0,85

Transsònic 0,85 < M < 1,2

Supersònic 1,2 < M < 5

Hipersònic M > 5

Taula 1: Rangs de velocitats d'operació

*El Número de Mach (M) és un nombre adimensional que es defineix com el quocient entre la velocitat relativa que porta un objecte i la velocitat del so en el medi en què es mou aquest mòbil. Si Mach = 1, la velocitat equivaldrà a la velocitat del so ( 343 m/s).

Un cop s’arriba a règims majors a 0.85 Mach, les ones de xoc pertorben considerablement el flux, tornant-se molt més complicat l'estudi aerodinàmic en túnels de vent i l'obtenció de resultats significatius. Les característiques de disseny de la infraestructura queden també afectades per aquesta mateixa causa, resultant molt més complexes que per a instal·lacions subsòniques o de baixa velocitat.

Configuració de la cambra d’assajos

El fet de tenir la cambra d'assajos oberta o tancada, va en funció a la grandària del model. En una cambra tancada sovint es posen models de vehicles a escala reduïda o real com motos, F1, automòbils, bicicletes, etc. En canvi, en una cambra oberta es pot posar models més grans o directament a escala real, molt utilitzades amb avions i naus espacials. El desavantatge que té la cambra oberta és que el flux d'aire està menys controlat i que les pèrdues relacionades amb l'aire augmenten considerablement ja que és inevitable que s’escapi.

Segons el tipus de retorn del flux i la configuració de secció de test que posseeix una instal·lació en concret, classificarem els túnels de vent, per la seva topologia física, com:

Tipo Eiffel

Tipo Prandtl

Tipo NPL

Tipo Göttingen

Disposició dels ventiladors

Finalment cal tenir en compte la disposició del ventilador respecte el model, si aquest es troba per davant del model estudiat l’aire serà, òbviament, bufat i obtindrem una millor velocitat en la cambra d’assajos.

En contraposició, en el túnel que s’aspira l’aire la uniformitat del fluid serà més regular i uniforme.

Els túnels de vent i la competició automobilística

Tot el que portem dit pot sonar senzill a la teoria, però l’esforç necessari per a aconseguir que les coses surtin bé i poder obtenir resultats útils que corresponguin amb la realitat, és molt elevat. En una eina com aquesta amb l’objectiu de modelar petites peces per anar obtenint petites millores que acaben representen mil·lèsimes de segon en una volta ràpida, cal que tot estigui dissenyat a la perfecció i sense possibilitats d’error.

Actualment els túnels de vent són utilitzats com a suport fiable per verificar els resultats obtinguts amb el famós programa informàtic CFD (Dinàmica Computacional dels Fluids) el qual té el paper protagonista en les primeres fases de disseny i elaboració dels perfils dels vehicles.

Fig. - Modelat d’un F1 amb el programa Informàtic CFD.