Practica No 4

[PRACTICA NO. 4 – CALIBRACIÓN DEL TÚNEL DE PRESIÓN DE IMPACTO] 3 de Abril De 2013

Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica Unidad Profesional Ticomán Ingeniería en Aeronáutica Laboratorio de Aerodinámica Dinámica de Fluidos Práctica No. 4 – Calibración del túnel de presión de impacto Profesor: Fernández Roque Tiburcio

Grupo: 4AM1 Turno: Matutino Integrantes del Equipo: Carbajal Gutiérrez Carlos Carrillo Lima José Iván Hernández León Pablo

Fecha de elaboración de práctica: 20 de Marzo de 2013 Fecha de entrega de práctica: 3 de Abril de 2013 Dinámica de Fluidos | Laboratorio de aerodinámica

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Objetivo

Material, herramientas y equipo utilizado

Túnel de presión Plint &Partners, modelo TE-44 Mecanismo de exploración transversal Manómetro de 36 columnas Tubo Pitot

Consideraciones teóricas

El túnel de viento es una de las herramientas de diseño e investigación de gran importancia en la ingeniería, ya que permite simular las condiciones que un objeto experimentaría en una situación real. Hoy en día es común experimentar con modelos a escala de puentes, edificios, barcos, automóviles, etc., que permanecen estacionarios mientras se propulsa aire o gas alrededor del mismo.

Un túnel de viento es esencialmente un Tubo Venturi, es decir, un conducto de sección variable en el que el fluido se acelera en la parte convergente y se decelera en la sección divergente. En el tubo Venturi, al aumentar la velocidad se produce una disminución de la presión estática, que se mide perpendicular al flujo. La presión total, que es la suma de la presión estática y presión dinámica, permanece Dinámica de Fluidos | Laboratorio de aerodinámica

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constante y se mide en la dirección del flujo. La densidad y la temperatura se mantienen esencialmente constantes en un túnel subsónico (Velocidad en la cámara por debajo de 0.6 veces la velocidad local del sonido). Esto no ocurre en un túnel transónico (Mach entre 0.6 y 1.5 típicamente).

Los túneles de viento se pueden clasificar de varias formas, sin embargo una clasificación sencilla es la siguiente: Túnel de circuito cerrado, o Prandtl. (Fig. 1 – A) Túnel de circuito abierto, o Eiffel. (Fig. 1 – B) Túnel de aire comprimido o de densidad variable.

A

B

Fig. 1 – Túneles de viento de circuito cerrado (A) y abierto (B)

El túnel utilizado para la práctica es de circuito abierto, la sección de prueba se encuentra a la descarga del viento, es decir, después del Dinámica de Fluidos | Laboratorio de aerodinámica

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generador de viento, que es un ventilador centrífugo; por estas características, el túnel recibe el nombre de túnel de presión de impacto o presión total, al ser el valor de presión estática muy bajo o casi nulo.

El túnel de viento subsónico Plint & Partners TE-44 posee una sección de trabajo cerrada es de 457 x 457 cm. La salida del flujo es directa hacia la atmósfera. La velocidad del flujo es variable, alcanzándose un máximo de 33 m/s. Posee una balanza electrónica de tres componentes y la amplia gama de modelos e instrumentos disponibles para efectuar diferentes ensayos. En las paredes del túnel, se encuentra un manómetro diferencial, el cual nos permite medir la presión diferencial de referencia (PDR), que es la diferencia que existe entre la presión estática en la sección mayor y la presión estática en la sección menor.

La constante de calibración de un túnel de viento, es un número que al ser multiplicado por la presión diferencial de la PDR obtenemos el valor de la presión dinámica, pudiendo así calcular el valor de la velocidad en la sección de prueba de un tubo Pitot o algún otro instrumento de medición de velocidad del viento.

Desarrollo

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Cálculos y resultados

Las condiciones ambientales registradas en el laboratorio durante la práctica se presentan en la tabla 1. Tabla 1 Iniciales

Finales

Promedio

Temperatura

21

22.5

21.75

Presión

588.5

5888

588.25

Humedad Relativa

64.5%

66%

65.25%

De los datos de la tabla 1, se calculan: Presión Corregida: 586.52548241 mmHg = 7973.849418 kgf/m2 Presión de saturación: 53.590853 lbf/ft2 = 261.654272 kgf/m2 Presión de vapor: 170.7294130696 kgf/m2 Densidad del aire (𝜌z): 0.093450367 UTM/m3 = 0.9171219 kg/m3

Los valores de referencia seleccionados fueron: PT = 21.2 mmH20 PE = 21.4 mmH20

Las presiones medidas se presentan en la tabla 2

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[PRACTICA NO. 4 – CALIBRACIÓN DEL TÚNEL DE PRESIÓN DE IMPACTO] 3 de Abril De 2013 Tabla 2 PDR

PT

PE

mmH2O

mmH2O

mmH20

5

20.6

21.4

10

20

21.5

15

19.5

21.5

20

18.8

21.6

15

18.4

21.6

40.5 (Max)

16.8

21.6

Para calcular las presiones reales, hay que tomar en cuenta la diferencia de las presiones medidas con las presiones de referencia, además se debe considerar que el manómetro empleado para la medición posee una inclinación de 30°, por lo que también hay que obtener la componente vertical. Los

cálculos correspondientes se

presentan en la tabla 3 Tabla 3 PDR

PT mmH2O

PE mmH20

mmH2O

(Real)

(Real)

5

(21.2 - 20.6)*(Sen 30) = 0.3

(21.4 - 21.4)*(Sen 30) = 0

10

(21.2 – 20)*(Sen 30) = 0.6

(21.4 - 21.5)*(Sen 30) = -0.05

15

(21.2 - 19.5)*(Sen 30) = 0.85

(21.4 - 21.5)*(Sen 30) = -0.05

20

(21.2 - 18.8)*(Sen 30) = 1.2

(21.4 - 21.6)*(Sen 30) = -0.1

25

(21.2 - 18.4)*(Sen 30) = 1.4

(21.4 - 21.6)*(Sen 30) = -0.1

40.5 (Max)

(21.2 - 16.8)*(Sen 30) = 2.2

(21.4 - 21.6)*(Sen 30) = -0.1

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Ahora procedemos al cálculo de “q”, que corresponde al valor de presión dinámica, el cual se calcula mediante la ec. 1:

Ec. 1

Realizando los cálculos, la tabla 4 presenta los resultados: Tabla 4 PDR

PT mmH2O

PE mmH20

q

mmH2O

(Real)

(Real)

mmH20

5

0.3

0

(0.3 – 0) = 0.3

10

0.6

-0.05

(0.6 – (-0.05)) = 0.65

15

0.85

-0.05

(0.85 – (-0.05)) = 0.90

20

1.2

-0.1

(1.2 – (-0.1)) = 1.3

25

1.4

-0.1

(1.4 – (-0.1)) = 1.5

40.5 (Max)

2.2

-0.1

(2.2 – (-0.1)) = 2.3

Para el cálculo de la velocidad se emplea la ec. 2, considerando al valor de “q” en Pascales, por lo que se debe realizar la conversión de mmH2O a Pa (1 mmH2O = 9.806 Pa). Los resultados se muestran en la tabla 5.

√

Eq. 2

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Tabla 5 PDR

PT mmH2O

PE mmH20

q

q

v

mmH2O

(Real)

(Real)

mmH20

Pa

m/s

5

0.3

0

0.3

2.9418

2.532841

10

0.6

-0.05

0.65

6.3739

3.728241

15

0.85

-0.05

0.90

8.8254

4.3870104

20

1.2

-0.1

1.3

12.7478

5.2725303

25

1.4

-0.1

1.5

14.709

5.663606

40.5 (Max)

2.2

-0.1

2.3

22.5538

7.0131209

Lo siguiente, es calcular la constante de calibración “K” para cada punto de PDR, esto se realiza con la ec. 3, los resultados se muestran en la tabla 6.

Ec. 3

Tabla 6 PDR

PT mmH2O

PE mmH20

q

q

v

mmH2O

(Real)

(Real)

mmH20

Pa

m/s

5

0.3

0

0.3

2.9418

2.532841

0.06

10

0.6

-0.05

0.65

6.3739

3.728241

0.065

15

0.85

-0.05

0.90

8.8254

4.3870104

0.06

20

1.2

-0.1

1.3

12.7478

5.2725303

0.065

25

1.4

-0.1

1.5

14.709

5.663606

0.06

40.5 (Max)

2.2

-0.1

2.3

22.5538

7.0131209

0.05679

q / PDR

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Finalmente, se obtiene la constante de calibración K para el túnel de viento, la cual consiste en un promedio aritmético de las constantes de cada punto, debido a que disponemos de los datos de seis puntos, se usará la ec. 4.

∑(

)

Ec. 4

Realizando sustituyendo valores y resolviendo, la ec. 4 da el siguiente valor de la constante de calibración “K”:

K= 0.06113166

A continuación se mostrarán las gráficas de los datos obtenidos.

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Fig. 4 – Gráficas Presión–Velocidad, para q, PT y PE.

Fig. 5 – Gráficas Presión–K, para q, PT y PE.

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Cuestionario

1.-

2.-

3.- ¿Cuál es la ventaja de calibrar al túnel de viento?

Cuando se diseña y se construye un túnel de viento, este se basa en lagunas propiedades físicas del aire, como son presión, temperatura, densidad, entre otras características. En el momento en que se traslada un túnel de viento que opera en perfectas condiciones (llamémoslas estándar) a un sitio donde (por ejemplo) la temperatura cambia. Este túnel ya no funciona como debería operar normalmente, es por ello la importancia de calibrar un túnel de viento, donde más que alterarlo físicamente, solo se construye una constante que representa la desviación de las condiciones “normales” y con ello acercarlo lo más posible a una lectura más real.

4.- Explique un método general para calibrar a cualquier tipo de túnel de viento.

Existen diferentes artefactos de calibración ya establecidos, como el guiñómetro en el cual solo se tiene que seguir una serie de pasos concretos y concisos para poder calibrar el túnel.

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5.- Además de obtener la constante de calibración, ¿qué otras actividades intervienen en la calibración del túnel?

La variación de la velocidad, la densidad del aire, la temperatura y la presión atmosférica.

6.- ¿Cuáles son las características de presión total?

Las características generales de diseño se pueden dividir en dos grupos que son: los requerimientos de potencia y el diseño aerodinámico. Un túnel de viento abierto consiste esencialmente de cuatro componentes básicos:

Sección de entrada: Esta se localiza la corriente arriba de la sección de trabajo y puede contener la toma de aire y la cámara de tranquilización. Sección de pruebas: En este parte se montan los modelos para ser estudiandos y donde se pueden hacer las observaciones requeridas. Difusor: La función del difusor es convertir la energía cinética del aire, a la salida de la sección de prueba, en energía de presión tan eficiente como sea posible. Unidad motriz: La selección del motor, invariablemente, depende de cuatro parámetros que son:

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El gasto de flujo que esta en función de la selección de prueba y de la velocidad en éste. Las pérdidas de presión causadas por cada uno de los componentes del sistema como ductos,

redes, panales,

reducciones y obstáculos. Espacio disponible y costo del motor. Tipo de control, aunque éste es implícito al costo del conjunto motriz, es importante defirnilos porque de éste depende ciertas características aerodinámicas.

Conclusiones

Bibliografía

John King Vennard Elementos de la Mecánica de Fluidos Editorial Continental S.A., 3ra Edición, 1979, 814 págs.

Robert W. Fox Introducción a la Mecánica de Fluidos Editorial Interamericana, 6ta Edición

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Jewel. B. Barlow; William H. RAE, Jr.; Alan Pope. Low Speed Wind Tunnel Testing Estados Unidos, Wiley-Interscience, 3ra Edición, 1999

Raymundo Peña García Tesis Profesional: Corrección y calibración del túnel de viento del Instituto de Investigaciones Eléctricas México D.F.,1985

Wikipedia (es.wikipedia.org) Túnel de Viento es.wikipedia.org/wiki/Túnel_de_viento

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