Elaboració d'un túnel de vent tipo NPL E (1/12) - (1/32)

Aquest apartat es centrarà amb la memòria de la part pràctica del treball; el disseny, la elaboració i la posterior experimentació amb un túnel de vent per a velocitats baixes i aire bufat tipo NPL (circuit obert i secció d’assajos tancada) per a vehicles entre una escala de E 1/12 fins a E 1/32.

Disseny

Un cop decidit tirar endavant aquest projecte i tenir prèviament els coneixements teòrics sobre aerodinàmica i túnels de vent que es requerien, feia falta elaborar un disseny previ del túnel de vent abans de dur-ne a terme la seva elaboració. En aquest procés es decidirien els components i materials bàsics amb els que es compondria posteriorment el túnel de vent i la seva disposició en el mateix.

Per començar vaig realitzar una recerca exhaustiva de models i maneres de construir una maqueta funcional d’un túnel de vent, per així saber-ne els avantatge i inconvenients que presentaven cada una. Un cop realitzada la recerca vaig fer una preselecció de models i la vaig presentar al meu tutor, amb el qual vam discutir quina era la millor opció i alhora la més viable de portar a terme. En aquesta fase van quedar descartats models de cicle tancat, ja que comportaven una dificultat d’elaboració massa gran i també representaven un cost inicial molt elevat. També van quedar descartats alguns processos per crear peces a través de materials com la fibra de vidre per la seva difícil i perillosa elaboració. Finalment vam estar d’acord en elegir un model de tipo NPL, es a dir, de circuit obert pels extrems, ja que així permetria una major manipulació i interacció amb l’interior del túnel i amb la secció d’assajos “tancada” en els moments de l’experimentació però que es pogués obrir per manipular els models i perfils els quals s’estudiarien posteriorment. També vam elegir la posició del ventilador, aquest es trobaria inicialment per darrera el model a estudiar, de tal manera que l’aire fos expirat de dins el túnel, amb aquesta idea volíem prioritzar la uniformitat del flux (posteriorment vam veure que necessitàvem guanyar velocitat a la cambra d’assajos així que vam decidir canviar-lo al costat oposat fent així que l’aire fos bufat i guanyar uns quants m/s en la velocitat del vent dins el túnel).Així doncs, com a “prototip” a seguir van elegir el següent (present a la imatge) però realitzant alguns canvis per optimitzar-ne el funcionament:

Fig. 1 - Prototip a seguir pel túnel de vent

Un cop amb tot això aclarit vaig començar a elaborar diferents dissenys esquemàtics del túnel de vent i a preparar una llista amb tots els material que requeriria la pràctica. A diferència del prototip escollit vaig preferir incorporar uns “cons” per contraure l’aire i obtenir una millor velocitat a la secció de test, aquests cons configurarien una reducció total de 90mm entre la fase de condicionament del flux i la resta del túnel.

Fig. 2 – Un dels primers croquis del túnel de vent

També vaig optar per incorporar un panell d’abelles elaborat per mi a base de palletes just en el final de la fase de condicionament del flux (color negre en la imatge anterior) per tal que el flux fos completament laminar i així evitar que es creessin turbulències en la cambra d’assajos però cal tenir en compte que tant la condició de flux laminar com la turbulent té els seus avantatges i inconvenients. Una capa límit laminar produeix una menor resistència a l’avanç que una turbulenta perquè es crea una menor superfície. En canvi, el despreniment d’una capa límit turbulenta es pot endarrerir, generant major càrrega aerodinàmica. Així que pot resultar interessant tenir un flux o altre per determinats experiments i amb aquest accessori ho podré modificar fàcilment.

Fig. 3 - Panell d'abelles disenyat per mi

A tot això cal recordar que estem treballant a una escala reduïda (entre un 90% i un 97% més petita que la real) i que per tant cobra gran importància el nombre de Reynolds, un dels nombres adimensionals més importants en la mecànica de fluids i és utilitzat per determinar la similitud fluid-dinàmica d’un flux. També es fa servir per identificar i predir diferents règims de flux, tals com el flux laminar o el turbulent. El flux laminar té lloc a nombres de Reynolds baixos, quan les forces viscoses són dominants, i es caracteritza per un fluid de moviment suau i constant mentre que, per altre banda, el flux turbulent ocorre a nombres de Reynolds elevats i és dominat per les forces inercials.

En l'ús de models a escala és essencial que la velocitat del flux no sigui tan baixa com perquè hi hagi flux laminar, quan el flux en el prototip és turbulent. A més, les condicions en el model no han de ser tals que condicionin que la tensió superficial sigui important, si aquestes condicions no existeixen en el prototip.

Elaboració (components i muntatge)

A continuació començaré realitzant una llista de tots els components que s’han requerit per a la elaboració de la maqueta del túnel de vent i conjuntament elaboraré el pressupost total del projecte i les hores invertides en ell. Seguidament explicaré pas per pas el procés de muntatge i construcció que vaig seguir a l’hora d’elaborar el túnel de vent.

Més enllà d’aquest material principal també s’ha requerit d’altres materials i eines típiques d’un taller com per exemple, una serra, paper de vidre, tenalles, serjant, una dremel... per realitzar la elaboració del túnel.

Òbviament, per realitzar la part pràctica s’ha requerit de temps, primer s’han agut d’invertir hores d’estudi pel disseny i més tard, per la seva elaboració i finalment en el seu estudi i experimentació. Les següents hores queden representades en un quadre a continuació:

Fase Hores invertides

Disseny i preparatius 6 hores

Elaboració i muntatge 43 hores

Proves i experimentació 11 hores

TOTAL: 60 hores

Un dels moments claus en la primera fase va ser l’elecció del ventilador, ja que és probablement la peça més important i la qual, en el meu cas, determinaria la mida i forma de la resta de components. El ventilador havia de complir unes especificacions determinades i no podia ser excessivament gran. Per tal de elegir-ne un de correcte vaig recorre a l’ajut de especialistes, concretament amb un dels enginyers de la empresa Soler & Palau , especialistes amb sistemes de ventilació. Ell em va recomanar un extractor industrial axial i amb una potencia orientativa d’uns 80-120w i que mogués un flux d’aire aproximat de 2000 m³/h per tal de instal·lar-lo en un túnel de com a molt 2,5 metres, si el que volia obtenir resultats acceptables.

Així doncs la primera opció de ventilador va ser un extractor cilíndric axial de diàmetre 250mm amb una potència de 70w i amb un cabal de 1150m³/h. Quan semblava tenir-ho tot bastant clar, com no, van sorgir problemes, concretament amb l’enviament de la comanda que venia des de Alemanya obligant-me a replantejar-me el model. La següent opció, importada des de Anglaterra, va ser un model de ventilador quadrat, axial, amb el mateix diàmetre que l’anterior (250mm) però aquesta vegada vaig fer més cas de les recomanacions del enginyer i vaig optar per un de més potent, aquest cop amb 95w i alhora amb més del doble de cabal (2500m³/h) i que a més a més incorporava ja de sèrie un regulador de velocitat. Òbviament aquest canvi va fer que el pressupost es vegues alterat però a canvi obteníem una garantia de efectivitat.

Fig. 4 – (Esquerra) model definitiu, (dreta) primera opció.

Un cop ja vaig tenir l’extractor a les meves mans, vaig realitzar les comprovacions pertinents per tal de confirmar el seu bon funcionament i un cop ho vaig tenir enllestit, vaig definir les mides finals del túnel; la de les seves etapes, la llargada total, els diferents diàmetres interiors i exteriors... Quan ja ho vaig tenir tot apuntat vaig demanar a diferents empreses de la zona que hem realitzessin un pressupost estimat del cost de les peces restants del túnel ( les 2 reduccions i el tub central) en diferents materials com PVC, metacrilat, policarbonat... Sent el PVC amb el que finalment em quedaria ja que s’adaptava al que necessitava i el cost no era tant excessiu com el dels altres materials.

Arribat a aquest punt ja ho tenia tot preparat per començar el muntatge del túnel, realitzar els primers experiments i extreuren les primeres conclusions.

Fig. 5 – Elements principals del túnel de vent. De esquerra a dreta: ventilador incrustat sobre la sota arqueta, reducció 250-200, anemòmetre, reducció 200-160, model F1 E (1/12) i al fons el tub central de PVC.

7.2.2 Muntatge

El primer pas que vaig haver de realitzar per construir el túnel de vent va ser adaptar una sota raqueta per tal de que aquesta connectes el ventilador amb la primera reducció. Podria haver estat un senzill pas, simplement anar tallant la sota raqueta poc a poc fins obtenir el diàmetre desitjat però a la tenda on la vaig comprar van anar amb preses i es van passar de tal manera que no encaixava l’arqueta amb el ventilador. La solució va ser escalfar el plàstic de la arqueta amb un bufador (“soplet”) i fer entrar a pressió el ventilador.

Fig. 6 - Realitzant petites modificacions a l’arqueta.

Tot seguit vaig tallar i després llimar les protuberàncies internes de l’arqueta per tal d’intentar que el flux es trobes amb el menor nombre de obstacles i fos el més laminar possible. (Imatge anterior). Quan vaig tenir enllestits aquets primers preparatius vaig haver de elegir la mida i la posició definitiva de la cambra d’assajos, aquesta estaria pràcticament centrada en el tub de 160mm i tindria 40cm de longitud per tal de que si poguessin observar perfils i models de vehicles a escales des de 1/32 fins a 1/12. Aquesta zona la vaig enrotllar amb paper transparent de manera provisional per tal de evitar pèrdues i obtenir uns primers resultats més fidedignes.

Per fi va arribar el moment de acoblar totes les peces i comprovar-ne el seu funcionament, observar les millores obtingudes en la velocitat gràcies al con de contracció i fer una primera revisió al túnel.

Fig.7 – Primera vegada que muntava tot el túnel.

D’aquesta primera revisió en vaig poder extreure bastantes coses, com per exemple que la millora en velocitat havia estat bastant considerable passant d’uns 26 km/h sense la reducció fins a arribar pràcticament a 39 km/h. També vaig detectar que hauria de fabricar algun tipo de suport per tal de que el túnel quedes completament anivellat amb el terra. També vaig aprofitar per substituir el paper transparent per unes làmines de plàstic més rígides i que no es movien amb el pas del vent. El resultat va ser el següent:

Fig. 8 – Incorporació dels suports i el plàstic més rígid.

Ara que ja tenia una cambra d’assajos ben definida, sense pèrdues i anivellada tocava instal·lar el panell d’abelles que havia fabricat prèviament amb un total de 230 palletes col·locades horitzontalment per tal de que el flux fos completament laminar al arribar a la secció d’experimentació.

Fig. 9 – Panell d’abelles instal·lat al final de la fase de condicionament.

Ara bé, com tot en la vida, si vols aconseguir alguna cosa en tens que sacrificar una altre, en aquest cas el fet de prioritzar la “puresa” del flux va provocar un descens considerable en la velocitat del mateix caient dels 39 km/h anteriors fins als 32.3 km/h. Aquest fet va limitar l’ús del panell d’abelles a tant sols aquells casos en els que fos imprescindible que el flux fos lineal, com per exemple, quan volgués observar les capes límit d’un perfil aerodinàmic, però en altres moments de l’experimentació com en els de calcular càrregues aerodinàmiques en models a escala aquest complement seria retirat del túnel de vent per tal de guanyar velocitat.

Arribats a aquest punt tan sols quedava fer els últims retocs al túnel i ja centrar-se amb la part estètica, però no per això menys important. El primer que vaig fer va ser desmuntar el túnel i llimar-lo tot amb paper de vidre per tal de que la pintura s’imprimís més bé. Els colors que vaig elegir van ser els mateixos que els del model “prototip”, platejat per l’exterior i negre mate per les reduccions (amb la idea de diferenciar zones) i també per l’interior ja que així generaria una major sensació de contrast. En total vaig realitzar unes 4 capes de pintura per la part exterior i 5 per la part interior.

Fig. 10 – Primeres capes de pintura en esprai.

Més tard, seguint amb la idea de generar contrast a la cambra d’assajos, vaig pensar que resultaria atractiu i milloraria considerablement la visió de la zona si instal·les una tira de LED’s a la part superior del túnel, de manera que quedessin dissimulats i augmentessin la sensació de contrast quan passes el flux per aquell lloc. Després de buscar una mica vaig trobar una tira de 80cm ideal per el meu túnel la qual podia canviar el color dels LED’s i la seva intensitat.

[endif]--

Fig. 11. - Localització dels LED's

Ara tan sols faltava idear algun mecanisme per tal de que la cambra d’assajos estigués tancada durant les proves, sense pèrdues de flux i alhora s’hauria de poder veure lo del seu interior. Així doncs aquesta part hauria de reunir els requisits següents: ser transparent, estable al pas del flux, mal·leable i de fàcil extracció per tal de manipular l’interior del túnel. Després de provar diverses opcions menys viables finalment em vaig quedar amb una làmina de PVC transparent suficientment rígida com per no deformar-se amb el pas del flux i alhora tant mal·leable com per adoptar la forma cilíndrica del túnel. Aquesta “pantalla” es desplaçaria lliscant cap a la dreta per damunt d’unes vies de plàstic creant així una porta corredora. Per segellar encara més la zona i així evitar pèrdues vaig incorporar al voltant de tot el marc de la cambra un rivet autoadhesiu. El resultat va ser el que es mostra a continuació:

Fig. 12 – Porta corredora.

I fins aquí la part de construcció del model funcional del meu túnel de vent tipo NPL de aire bufat. El resultat final va ser el següent:

Fig. 13 – Resultat final.

7.3 Proves i experimentació

Resultaria estúpid haver invertit diners i hores en alguna cosa que un cop acabada no servis per res més que per fer bonic i acumular pols, així que un cop acabat el túnel va començar el procés d’experimentació amb perfils i de la realització de proves aerodinàmiques centrades a experimentar amb el principi de la càrrega aerodinàmica.

7.3.1 Càrrega aerodinàmica

Prova 1: Quanta càrrega aerodinàmica generen els models a escala a una velocitat de 40km/h?

Materials:

• Túnel de vent

• Balança digital amb possibilitat de tarar-la.

• Models a escala de vehicles de competició/superesportius. (E 1/12 – 1/32)

Procediment:

Un cop elegit el model s’introdueix aquest dins el túnel sobre la balança prèviament instal·lada dins la cambra d’assajos. Tot seguit es tara la balança i es tenca la cambra amb la porta corredora i es comprova que la balança estigui a 0g. Seguidament cal engegar el ventilador a màxima potencia i observar de nou el pes de la balança el qual degut al principi de la càrrega aerodinàmica augmentarà en diferents magnituds segons la preparació aerodinàmica del model estudiat i de la seva escala.

Resultats:

Aquesta prova va ser realitzada amb els models següents; F1 F14T (E 1/12), Mercedes SLS AMG (E 1/24), Ferrari 458 Italia (E 1/32), Subaru Impreza STI ’07 (E 1/32) i els resultats van ser els que es mostren a la següent taula:

Conclusions:

Un cop realitzada la prova podem observar que després de normalitzar els resultats a una escala determinada podem distingir-ne 2 grups. En el cas dels models de competició, degut a incorporar gran número de apèndix aerodinàmics aconsegueixen generar una càrrega aerodinàmica relativa més gran que els models superesportius enfocats a una conducció més “normal” i no tant agressiva. Un altre resultat sorprenent és la gran càrrega que genera el cotxe de rallye però resulta lògica al ser un cotxe preparat per ser ràpid en corbes i no en rectes, per això a diferencia dels superesportius de carrer incorpora un gran spoiler posterior que l’ajudarà a mantenir-se enganxat a la carretera en tot moment.

Prova 2: Quin apèndix aerodinàmic genera més càrrega aerodinàmica en un fórmula 1 F14T?

Materials:

• Túnel de vent.

• Balança digital amb possibilitat de tarar-la.

• Model a escala d’un F1 F14T desmuntable.

Procediment:

Per a realitzar aquesta prova començarem desmuntant tots els apèndix possibles al nostre model. Tot seguit anirem realitzant diverses proves de càrrega aerodinàmica incorporant cada vegada apèndix diferents per així determinar quin és el que genera més càrrega aerodinàmica. Seguirem la següent seqüencia:

-Sense cap apèndix, tan sols amb el fons pla i la carrosseria. Fase1.

-Amb l’aleró davanter + fons pla + carrosseria.

-Amb l’aleró posterior + fons pla + carrosseria.

Fig. 7.14 – Els diversos apèndix del model F1 F14T.

Resultats:

Configuració Càrrega resultant (mN)

Sense cap apèndix, fons pla + carrosseria (Fase 1) 913,6

Fase 1 + aleró davanter 1337,1

Fase 1 + aleró posterior 1312,5

Fig. 7.15 – Repartiment en %, responsables de la càrrega aerodinàmica.

Conclusions:

Si estudiem les dades i fem simples càlculs per esbrinar quin % de càrrega aerodinàmica origina cada element del monoplaça, ens pot sorprendre que el principal responsable d’aquest fenomen sigui el fons pla conjuntament amb el difusor i que la carrosseria tingui un paper més aviat secundari. També resulta interessant el fet de que els 2 spoilers principals originin pràcticament la mateixa càrrega aerodinàmica.

7.3.2 Comportament de diferents perfils al pas del flux

Per realitzar aquest experiment vaig necessitar d’un complement extern al túnel de vent, en el meu cas una vaporeto, per tal de que el flux d’aire fos visible a la cambra on s’hi instal·larien els diferents perfils dissenyats amb el programa Sketchup i construïts amb la impressora 3D del centre on estudio.

Fig. 16 - Disseny de les peces (esquerra) i la impressora 3D utilitzada (dreta).

Realitzar aquest experiment ens permet observar com es comporta el flux depenent del perfil que travessa i l’angle amb el qual té en aquell moment. Cal dir que el fet d’utilitzar vapor d’aigua per tal de que es vegi el flux no ha estat la millor opció, doncs la pantalla s’entela si es fa servir de manera continuada i al sortir a tanta pressió i amb tanta quantitat no ajuda a que es defineixi molt bé el recorregut real que fa.

Fig. 17 – Diversos perfils amb més o menys resistència aerodinàmica.

Com es pot observar, a través de les fotografies encara s’aprecia menys l’afecte, però en directe es pot distingir mitjanament bé el recorregut que realitza el flux al voltant del perfil. Per mostrar d’una manera exagerada el que realment es veu dins de la secció vaig realitzar la següent prova fora del túnel:

Fig. 18 - De esquerra a dreta: angle d’atac negatiu, anivellat, angle d’atac positiu.

Finalment, i una mica insatisfet amb el resultat de l’anterior prova, vaig voler observar el fenomen de sustentació positiva que presentava el perfil alar que havia creat. En aquest cas, el resultat va ser molt bo, ja que la sustentació va superar fàcilment la força pes de la peça, donant lloc a un “vol” controlat del perfil.

Fig. 19 – Perfil alar experimentant sustentació positiva.

![endif]--![endif]--