Capítulo 5

Ensayos de Túnel Aerodinámico

5.1. Introducción

Los túneles aerodinámicos, también llamados de forma no muy correcta túneles de viento (tra-ducción literal de la expresión inglesa wind tunnel), son instrumentos científico-tecnológicos cuyaaplicación es la generación de una corriente fluida de propiedades conocidas para la medida de lasacciones del viento sobre obstáculos de muy diversa naturaleza y más generalmente, el estudio de losfenómenos físicos en los que el aire en movimiento juega un papel dominante.

En el proceso de diseño de una edificación existen muchas situaciones en las que, de la aplicaciónde las normas de cálculo de las acciones del viento, no se pueden predecir con la precisión necesaria lascargas aerodinámicas sobre la estructura, normalmente porque la forma de la estructura dista muchode las formas básicas que se contemplan en las normas. En tales circunstancias de incertidumbreel proceso de diseño deberá avanzar, bien asumiendo los riesgos que supone el desconocimiento delas cargas del viento, bien aplicando factores de seguridad exagerados que den lugar a un diseño enextremo conservador, o bien, intentando determinar con más precisión las cargas aerodinámicas.

Así pues, la finalidad de los ensayos en túnel aerodinámico es suministrar a los diseñadores infor-mación sobre las particularidades del viento en las proximidades del objeto en consideración, proveerinformación sobre la distribución de presiones y sobre las cargas globales producidas por el viento enel obstáculo objeto de interés y si la estructura es flexible y susceptible de experimentar fenómenosaeroelásticos, proporcionar los datos necesarios sobre las vibraciones inducidas por el viento, todo ellocon una precisión mayor que la que se puede obtener con otros medios relativamente más económicos(estudios analíticos, análisis numérico o, simplemente, la experiencia profesional).

La descripción del flujo del viento sobre un terreno suave es una labor relativamente sencilla, enla que las observaciones meteorológicas suministran una base adicional para estimar la magnitud delas máximas velocidades del viento. No obstante, el cálculo teórico de las cargas de viento sobre unaestructura basándose en este conocimiento es muy difícil, pues las ecuaciones que describen la mecánicade los fluidos son complejas y hay muchos parámetros involucrados en las condiciones de contorno aimponer a la solución del sistema de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales que gobiernan elfenómeno, sobre todo en lo que se refiere a las condiciones de contorno que describen la geometría dela estructura y su entorno.

Sin embargo, la asombrosa evolución de los ordenadores, con un aumento de la capacidad decálculo ciertamente espectacular, el cálculo numérico de las cargas del viento sobre estructuras enflujos turbulentos comienza a ser una realidad la posibilidad de obtener con la precisión adecuada enunos pocos casos, generalmente en aquellos en los que los obstáculos en consideración son de geometríarazonablemente sencilla desde el punto de vista aerodinámico. Históricamente y hasta un cierto grado,la determinación de las cargas de viento de diseño ha estado basada en medidas en túnel aerodinámico,si bien actualmente, debido al incremento de la capacidad de cálculo y a la utilización de técnicas deparalelismo, sea cada vez más frecuente, a la par que más fiable, el empleo de métodos de cálculonumérico para la estimación de las cargas de viento sobre obstáculos de Ingeniería Civil.

Una parte del esfuerzo dedicado a los ensayos con modelos a escala se emplea en investigacionessistemáticas relacionadas con las cargas aerodinámicas sobre cuerpos de formas básicas y es en estas

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96 CAPÍTULO 5. ENSAYOS DE TÚNEL AERODINÁMICO

investigaciones donde se fundamentan los diversos algoritmos incluidos en los códigos de acciones delviento para el cálculo de las cargas eólicas. Otra parte del esfuerzo se emplea en determinar las cargasdel viento sobre estructuras de formas o de características especiales, que no están contempladas enlos códigos de cálculo. Y existe otra vertiente, no menos importante, cuyo interés se orienta hacia elestudio de problemas ambientales, principalmente en áreas urbanas.

Entre las estructuras susceptibles de requerir ensayos en túnel aerodinámico hay que contabilizarlos edificios muy altos y esbeltos, grandes cúpulas, puentes con tableros largos y en general, cualquierestructura de formas poco habituales. También puede ser preciso hacer ensayos en túnel en el casode estructuras flexibles y ligeras, edificaciones en situaciones topográficas especiales, etc. En estoscasos, cuando el recurso a los ensayos en túnel sea deseable, es conveniente que los diseñadores de laestructura conozcan, siquiera superficialmente, los principios científicos y tecnológicos que respaldanla validez y la fiabilidad de los ensayos en túnel, pues de esta forma podrán decidir con conocimientosobre la necesidad de llevar a cabo una campaña determinada de ensayos y sobre su adecuación a susrequisitos de diseño.

El uso de los túneles aerodinámicos como ayuda para el diseño estructural y la planificación deentornos urbanos ha ido creciendo de forma sostenida en los últimos años. No existe una respuestaúnica a la pregunta de cuándo es necesario hacer un ensayo en túnel, pues la respuesta depende dela importancia relativa de muchos factores, entre los cuales, de acuerdo con Dobym, Robertson & See(1982) y Liu (1991), hay que considerar al menos los enumerados en los párrafos siguientes[15]:

Coste de la estructura: dependiendo de la complejidad del estudio, un ensayo en túnel de unaestructura típica de las consideradas en Aerodinámica Civil viene a costar entre siete mil y setentamil euros, de modo que, desde un punto de vista económico, un ensayo en túnel sólo se justificacuando el ahorro esperado por hacer el ensayo es mayor que el coste de hacerlo. Como el ahorroen valor absoluto que se puede obtener en el coste de la estructura es tanto mayor cuanto mayorsea el coste total de la estructura, resulta claro que sólo aquellas edificaciones cuyo presupuestosupere un cierto umbral, corrientemente elevado, para las que el coste adicional que suponerealizar ensayos en túnel sea asumible, son susceptibles de ser ensayadas en túnel aerodinámico.

Incertidumbre en las cargas: se debe considerar la posibilidad de un ensayo en túnel cuando existael temor de que la estructura en diseño, o partes de la misma, puedan presentar problemas conel viento y además cuando en esta estructura, debido a su geometría, a su particular ubicacióno a cualquier otro factor, sea difícil estimar con la precisión requerida el comportamiento delviento en el entorno de la edificación, las cargas de presión o la respuesta estructural frente alviento. Aparte de los obstáculos típicos tradicionalmente ensayados en túnel (rascacielos, puentesde mucha luz, etc.), cada vez hay más edificaciones que resultan particularmente sensibles a lasacciones del viento, y esto es así tanto por lo atrevido de las formas exteriores de los diseños comopor la incorporación de nuevos materiales al proceso de construcción. En muchas estructuras, aunsiendo de baja altura y sin que existan expectativas de problemas aeroelásticos, la forma exteriordel edificio recomienda la realización de un ensayo en túnel, pues en el caso de tales edificacionessingulares, difícilmente se encontrará en los códigos y normas sobre acciones del viento, ni enninguna otra fuente información que permita estimar adecuadamente cómo es la distribución depresión sobre sus superficies, de modo que la única vía de generar esta información es medianteensayos en túnel de modelos a escala. Hay que decir que esta tendencia hacia la singularidady la espectacularidad de algunas edificaciones es creciente y generalmente suele contar con elbeneplácito social.

Importancia de la estructura: un edificio que ha de albergar miles de personas, aunque seaen tránsito, ha de satisfacer unos requisitos de seguridad frente al viento mucho más estrictosque, por ejemplo, una nave industrial destinada al almacenamiento de maquinaria. Aunque lascargas aerodinámicas de diseño se suelen fijar en función del uso de la estructura, en ciertasocasiones puede ser recomendable fijar valores más conservadores que los estipulados en lasnormas para minimizar así los riesgos de posibles daños futuros. También en estos casos puedeser recomendable un ensayo en túnel, pues un mejor conocimiento de las cargas puede ayudar areforzar la seguridad del diseño sin encarecer el coste de la estructura.

5.2. CONDICIONES DE SEMEJANZA 97

Criterios de funcionamiento: algunas estructuras singulares han de cumplir requisitos de fun-cionamiento especiales dictados por el uso. Se comprende que el fallo por cargas de viento deun ventanal en una casa de vecinos puede no ser un problema de especial gravedad, pero estemismo fallo sí sería un verdadero problema si ocurriera en una estructura que albergara equipose instrumentación sensibles que deban funcionar de modo continuo independientemente de lascondiciones meteorológicas, como es el caso de las torres de control de tráfico aéreo o el de uncentro de ordenadores de una compañía de servicios.

5.2. Condiciones de Semejanza

De acuerdo con los principios del análisis dimensional y de la semejanza habituales en Mecánicade Fluidos, la realización de un ensayo en túnel aerodinámico con un modelo a escala de la estructurareal requiere la existencia de semejanza geométrica, semejanza cinemática y semejanza dinámica entreel flujo alrededor del modelo y el movimiento del aire alrededor del obstáculo real[9].

Semejanza, en un sentido general, significa la existencia de una relación entre dos fenómenos,entendiéndose usualmente en Mecánica de Fluidos y Aerodinámica la relación entre un flujo a escalanatural y otro de menores dimensiones pero de contornos geométricamente semejantes. La semejanzageométrica implica que en el modelo de ensayos, que incluye tanto la estructura objeto de estudiocomo su entorno cercano, si ha lugar, se deberán reproducir fielmente a escala todos aquellos detallesde la realidad que sean aerodinámicamente significativos. La semejanza geométrica no quiere decir queel modelo de ensayo sea una maqueta escrupulosamente a escala del obstáculo real. Esto es, en muchasocasiones físicamente imposible por las escalas que se manejan; así en el modelo de ensayos sólamrnenteestán reproducidos con realismo aquellos elementos del conjunto aerodinámicamente relevantes (verFigura 5.1).

Figura 5.1: Modelo sin ensamblar de un avión para ensayar en un túnel aerodinámico

Las cargas aerodinámicas medidas en túnel aerodinámico sobre un modelo como el que se muestraen la Figura 5.2a y sobre un modelo como el de la Figura 5.2b serán prácticamente las mismas, pues,en este caso, el escalonamiento que forman las gradas es un ejemplo de detalle aerodinámicamenteirrelevante para las cargas sobre la cubierta.

Dos flujos constituidos por líneas de corriente semejantes se llaman cinemáticamente semejantes.Como los contornos forman alguna de las superficies de corriente, es evidente que los flujos cinemáti-camente semejantes han de ser, necesariamente, geométricamente semejantes.

Evidentemente, un requisito previo para que las líneas de corriente sean semejantes es que las

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Figura 5.2: Sección de la grada y cubierta del modelo de ensayos en túnel aerodinámico de unainstalación deportiva con gradas que reproducen el escalonamiento de los asientos de los espectadores(a) y con un plano inclinado liso (b). Salvo muy cerca de las gradas escalonadas, el campo fluido esprácticamente igual en ambos casos.

condiciones de la corriente incidente sean también semejantes, lo que significa que al estar los obstáculosobjeto de interés en Aerodinámica Civil en la capa límite terrestre, al ensayar con modelos a escalatambién habría que reproducir de forma apropiada una capa límite semejante. Esto significa que tantoel perfil de velocidad media en cada punto de la corriente incidente como las características de laturbulencia deben ser semejantes en la corriente incidente real y en el flujo que incide sobre el modelo.

Todavía hace falta definir un tercer tipo de semejanza, la llamada semejanza dinámica, lo queimplica que la distribución de fuerzas en los flujos es tal que en puntos homólogos las fuerzas de tiposidénticos (de presión, de rozamiento, etc.) son paralelas y la relación entre sus módulos es constante.Además, la relación debe ser la misma para los distintos tipos de fuerzas presentes. Así pues, en elcaso de flujos dinámicamente semejantes deberá existir una relación sencilla y de fácil cálculo entrelas fuerzas aerodinámicas que actúan sobre contornos semejantes, de modo que midiendo estas fuerzassobre el modelo (presión, sustentación, resistencia aerodinámica...) se podrá predecir la intensidadde las cargas aerodinámicas sobre la estructura real. La cóndición de semejanza dinámica exige quelos flujos, alrededor del modelo y en la realidad, sean cinemáticamente semejantes y además que larelación entre las densidades del fluido en uno y otro flujo en puntos homólogos tenga el mismo valoren todos los puntos del dominio. Los puntos que satisfacen esta última condición se dice que tienendistribuciones de masas semejantes.

Para establecer las relaciones matemáticas que subyacen en el principio de semejanza es aconsejableacudir al análisis dimensional (ver apartado 1.3). En general, una ley de modelizado describe unacondición de equivalencia o de proporcionalidad entre el prototipo (la estructura real) y el modelo deensayo, fijando además las condiciones de ensayo del modelo y el procedimiento para la interpretacióny aplicación de los resultados obtenidos en el ensayo a la estructura real. Formalmente las leyes demodelizado se formulan considerando el número adecuado de parámetros adimensionales relevantes.En las aplicaciones de la Aerodinámica Civil el número de parámetros a considerar es tan grande quees imposible satisfacer a todos ellos simultáneamente, por lo que, habitualmente, al modelizar no setienen en cuenta los parámetros cuya importancia es menor para la explicación del caso en estudio,reteniendo únicamente aquellos que son realmente significativos.

Teniendo en cuenta lo dicho respecto a las condiciones a satisfacer para asegurar la existencia desemejanza dinámica, resulta claro que, en primer lugar, los modelos a ensayar deben ser geométrica-mente semejantes a la estructura real, de acuerdo con una cierta escala de longitudes. El flujo de fluidoalrededor del modelo debe ser también semejante al flujo alrededor del prototipo, lo que se consiguecuando las fuerzas que actúan sobre una masa de aire están en la misma relación sobre el modelo queen la escala real.

5.3. LOS TÚNELES AERODINÁMICOS 99

5.3. Los túneles aerodinámicos

A la vista de los argumentos expuestos en apartados anteriores y teniendo en cuenta la cantidad deaplicaciones de los túneles aerodinámicos, se entiende que la mayoría de los mismos estén construidospara un cierto uso específico, lo que suele condicionar muchos aspectos del diseño. Se comprende que untúnel para aplicaciones de Aerodinámica posee unas características específicas de este tipo de ensayosmuy distintas a las que posee un túnel para ensayos aeronaúticos, en lo que se refiere a: ensayos decalibración, números de Mach, tamaños de cámaras de ensayo, formas de los conductos...

Atendiendo al primer concepto (número de Mach), los túneles podrán ser de régimen subsónico,de régimen transónico, de régimen supersónico o de régimen hipersónico. Respecto al tamaño, si éstese mide, por ejemplo, por el área de la sección de la cámara de ensayos, los valores típicos de lassecciones de ensayo pueden variar en muchos órdenes de magnitud, desde valores típicos de 1− 2 m2

de los túneles supersónicos hasta 102 m2 de algunos grandes túneles subsónicos (ver las Figuras 5.3 y5.4).

Figura 5.3: El profesor Wiley Sherwood junto a uno de sus diseños de túnel aerodinámico

En relación con la geometría global del conducto, los túneles aerodinámicos pueden ser, segúntengan o no conducto de retorno, de circuito fluido cerrado (con un circuito de retorno específico) ocircuito fluido abierto (el aire retorna a través del local donde está el túnel -tipo Eiffel- o bien se tomadirectamente de la atmósfera y se descarga posteriormente a ésta). Respecto a la cámara de ensayos,ésta puede ser de sección abierta, es decir, sin paredes laterales, o de sección cerrada.

En lo que se refiere a las aplicaciones, un túnel es, como ya se ha dicho, un instrumento científico ytecnológico de aplicación a problemas aerodinámicos tanto aeronáuticos como otros relacionados conmuy diversos aspectos de la ciencia y la tecnología que aparecen en la vida cotidiana. (ver Figuras 5.5y 5.6 )

Ciñendo la exposición al caso de los túneles aerodinámicos de baja velocidad para aplicacionesde Aerodinámica Civil principalmente, la primera consideración a tener en cuenta es que los túnelesaerodinámicos suelen ser instrumentos voluminosos, que requieren mucho espacio en un laboratorio oincluso un edificio dedicado.

A la hora de fijar los valores nominales de estas magnitudes hay otros condicionantes a teneren cuenta. El tamaño del modelo está limitado por el tamaño de la cámara de ensayos, pues éste nopuede bloquear excesivamente el conducto si se quiere evitar la corrección por bloqueo de los resultadosmedidos. Un valor máximo típico del coeficiente de bloqueo (la relación entre el área frontal del modeloy el área frontal de la sección de ensayo) puede ser 0,1, lo que significa que la cámara de ensayos hade tener (al menos) un área frontal de un orden de magnitud superior a la del modelo.

Hay otra razón que también aconseja que la cámara de ensayos sea grande, sobre todo en lostúneles para simulación de capa límite atmosférica. La razón es que si se pretende que la relación

100 CAPÍTULO 5. ENSAYOS DE TÚNEL AERODINÁMICO

Figura 5.4: Modelo de la NASA en un tunel aerodinámico de 80 x 120 ft

entre el tamaño del modelo y el espesor de la capa límite del túnel guarde una cierta proporcióncon la realidad, la escala del modelo fijará la de la capa límite. Y como el espesor de la capa límiteterrestre es grande, la consecuencia es obvia: o la cámara de ensayos es grande o se elige una escala muypequeña para el modelo de ensayos. Esta segunda opción es poco recomendable, pues entonces, apartede los problemas asociados a un número de Reynolds bajo, se complica enormemente la construccióne instrumentación del modelo de ensayos.

Además, si los requisitos de ensayo lo permiten, diseñar un túnel aerodinámico de grandes di-mensiones que funcione a baja velocidad presenta otras ventajas adicionales, pues al ser la velocidadpequeña, también lo serán las cargas aerodinámicas sobre las diversas partes del conducto, lo quepermite abaratar su construcción, ya que al estar poco solicitado, se podrán emplear materiales másbaratos en su fabricación. Entre las desventajas de la baja velocidad hay que señalar que una velocidadpequeña reduce la relación señal/ruido de las señales generadas por los sensores de medida.

La parte más crítica del diseño de un túnel aerodinámico es la definición de los elementos queconforman el conducto, elementos que en casi todos los túneles están ordenados según la secuenciaclásica de contracción, cámara de ensayos, adaptador, ventiladores y difusor (y circuito de retorno silo hubiera), como se indica en las Figuras 5.7 y 5.8.

La contracción tiene como finalidad que la corriente llegue a la cámara de ensayos con un perfil develocidades uniforme, baja turbulencia y capa límite delgada. La contracción puede ser bidimensional(se contrae únicamente en la dirección de uno de los planos de simetría del túnel), lo que simplificaenormemente el proceso de construcción, o tridimensional (se contrae en las dos direcciones de losplanos de simetría), lo que permite un control mayor sobre el crecimiento de la capa límite. Un valorrazonable para el coeficiente de contracción o cociente entre el área de entrada a la contracción y el

5.3. LOS TÚNELES AERODINÁMICOS 101

Figura 5.5: Modelo de un coche de carreras LeMans/GY-type en un túnel aerodinámico.

Figura 5.6: Modelo de una embarcación en un túnel aerodinámico

área de salida puede estar entre 3 y 10.

La cámara de ensayos, si es cerrada, suele ser de área constante, de sección cuadrada o rectangular.En este último caso una de las dimensiones transversales suele ser alrededor de 1,4 veces la otra. Lacámara de ensayos puede tener las esquinas biseladas, para minimizar interferencias entre capas límites,debiendo tener ventanas y puertas para permitir la instalación y el desmontaje de los modelos en suinterior. Los túneles para usos aeronáuticos suelen tener cámaras de ensayos cortas, con longitudesque suelen ser dos o tres veces el tamaño característico transversal de la cámara de ensayos. Estono es así en los túneles de simulación de capa límite, donde se precisa de una cierta distancia paraque la capa límite se pueda desarrollar (al menos diez veces la dimensión transversal característica).Para generar la capa límite en el túnel se suelen colocar generadores de torbellinos en la sección deentrada (generalmente obstáculos planos de sección triangular) seguidos de una superficie rugosa detamaño de rugosidad controlado (ver Figuras 5.9 y 5.10) que facilite la generación de la capa límitepor crecimiento natural de acuerdo con la ley de escalado de Jensen (Vickery 1976, Liu l99l, Dyrbye& Hansen 1997, Farell & Iyengar 1999)[2].

Casi con toda seguridad será preciso adaptar el conducto desde la sección de salida de la cámara deensayos a la sección de entrada a los ventiladores, pues ambas secciones en general no coincidirán ni enárea ni en forma. El adaptador es un predifusor y como tal ha de ser diseñado. El ángulo de divergenciade las paredes ha de ser pequeño (menor de 7o) para evitar el desprendimiento de la corriente. Si esta

102 CAPÍTULO 5. ENSAYOS DE TÚNEL AERODINÁMICO

Figura 5.7: Esquema de túnel aerodinámico en circuito abierto (tipo Eiffel) con cámara de ensayoscerrada: 1) contracción, con enderezadores de corriente y rejillas para uniformi- zar la corriente yreducir la turbulencia en la sección de entrada; 2) cámara de ensayos, habitualmente corta en lostúneles para aplicaciones aeronáuticas; 3) adaptador de la sección de la cámara de ensayos a la secciónde ventiladores; 4) ventilador o ventiladores, con enderezadores de corriente para atenuar la torsiónde la vena fluida inducida por el ventila- dor si fuera necesario; 5) difusor (en un túnel de circuitoabierto el aire retorna a la sección de entrada a través del local donde está instalado el túnel).

Figura 5.8: Esquema de túnel aerodinámico en circuito cerrado con cámara de ensayos cerrada: 1)contracción; 2) cámara de ensayos; 3) adaptador; 4) deflectores; 5) con- ducto de retorno; 6) ventilador.

limitación en el ángulo de expansión diera lugar a longitudes del adaptador intolerables o incompatiblescon otros requisitos del diseño, se deberá acudir a adaptadores multiconducto en los que se cumplaindividualmente en cada uno de ellos la limitación antes citada.

Utilizar una matriz de ventiladores comerciales fabricados en serie en vez de un ventilador único,normalmente fabricado bajo demanda, tiene ciertas ventajas económicas. Los ventiladores comercialesde serie suelen ir movidos por motores eléctricos de velocidad regulable también de serie, así comotodos los dispositivos de regulación y control asociados.

El difusor tiene como finalidad decelerar la corriente de modo que ésta descargue al ambiente conuna velocidad lo más baja posible y de esta forma incrementar la presión y mejorar el rendimientoenergético del túnel. Las consideraciones de diseño, respecto al posible desprendimiento de la capalímite, son análogas a las realizadas para el adaptador. Ante una situación de falta de espacio sepuede suprimir el difusor a costa de penalizar el rendimiento del túnel (a costa de la velocidad en lacámara de ensayos o del consumo de energía eléctrica) y de aumentar el ruido aerodinámico durantesu funcionamiento.

5.4. INSTRUMENTACIÓN 103

Figura 5.9: Esquema de la cámara de ensayos de un túnel aerodinámico para simulación de capalímite terrestre: la cámara ha de ser lo suficientemente larga para que se puedan colocar corrientearriba del modelo de ensayos los elementos de rugosidad que permiten generar la turbulencia y elperfil de velocidad deseados.

5.4. Instrumentación

Un factor determinante en la definición de las prestaciones de un túnel aerodinámico es el de lainstrumentación de medida disponible, que puede ser muy variable dependiendo del tipo de ensayosque se desee o pueda realizar. Los elementos clásicos del equipamiento de un túnel aerodinámico sonlos transductores de presión y de cargas y los transductores de velocidad.

En general, un transductor es un dispositivo que al recibir una señal de entrada de un ciertosistema suministra una señal de salida a otro. Los transductores convencionales de presión funcionanpor lo general, gracias a algún elemento elástico que se deforma debido a la señal de entrada delsistema de presiones, proporcionando una señal de desplazamiento al sistema mecánico de medida.Muchos instrumentos llevan además una segunda unidad que transforma el desplazamiento en unaseñal eléctrica, lo que facilita notablemente la automatización del proceso de medida, pues sabida es lafacilidad con la que las señales eléctricas pueden ser amplificadas, transmitidas, controladas y leídas.

Los transductores que incorporan en su diseño esta segunda unidad eléctrica, conocidos comotransductores eléctricos, se pueden clasificar a su vez en activos o pasivos: un transductor eléctricoactivo es aquel que genera directamente una señal eléctrica en función del desplazamiento del sistemamecánico, mientras que un transductor pasivo es, por contra, el que requiere una entrada eléctricaauxiliar que es modificada en función del desplazamiento del sistema elástico.

Los tradicionales manómetros de agua o de mercurio son transductores de presión mecánicos, quetransforman una señal de presión en una determinada altura de la columna de líquido (ver Figura5.11). Hay otros muchos transductores que utilizan exclusivamente elementos elásticos sólidos: tubosen espiral cuya deformación depende de la presión en su interior, fuelles, diafragmas, etc., aunque estetipo de transductores suelen ser de poca aplicación en un laboratorio, en razón de lo dicho respectoa la conveniencia de que la señal de salida sea eléctrica. Respecto a los transductores eléctricos, unejemplo típico de transductores activos son los piezoeléctricos, mientras que en el grupo de los pasivosestán incluidos los basados en el uso de células extensiométricas.

Los transductores piezoeléctricos funcionan en virtud del efecto descubierto por los Curie a finalesdel siglo XIX: determinados cristales (que no tienen un centro de simetría) producen una diferencia depotencial en su superficie cuando son comprimidos según ciertas direcciones. El cuarzo es el materialpiezoeléctrico más conocido, aunque hay otros materiales que presentan la misma propiedad (com-puestos de bario-titanio o de plomo- zirconio-titanio ). En las balanzas piezoeléctricas los esfuerzosmecánicos inducidos en un elemento de cuarzo por la carga que se quiere medir (que pueden ser detracción o de compresión) producen una señal eléctrica de salida proporcional a la fuerza aplicada.En esquema, un sensor de fuerza piezoeléctrico está formado por un elemento de cuarzo comprimido

104 CAPÍTULO 5. ENSAYOS DE TÚNEL AERODINÁMICO

Figura 5.10: Modelo de ciudad en tunel aerodinámico con gerneradores de torbellinos para simular lacapa límite terrestre

Figura 5.11: Medidor tradicional de manómetro de agua; transforman la señal de presión en unadeterminada altura de la columna de líquido.

entre dos arandelas metálicas que sirven como elemento de fijación del sensor (el modelo se fija a unade las arandelas y la otra se fija al sistema de referencia). Una balanza que sirva para medir las trescomponentes de una fuerza tiene tres elementos de cuarzo, dos para medir las componentes lateralesy el tercero para la componente axial, todos ellos en el interior de una carcasa.

Un extensímetro (transductor pasivo) es un elemento cuya resistencia eléctrica varía con la defor-mación. Pegando un número apropiado de extensímetros sobre el elemento flexible del transductor sepuede conocer la deformación de éste y en consecuencia la carga que ha producido tal deformación.Se entiende que al variar la resistencia eléctrica al aplicar, por ejemplo, una diferencia de potencialconstante, la intensidad de la corriente que circula por el circuito es una medida de la carga aplicada.Puesto que las variaciones de la resistencia eléctrica de los extensímetros son muy pequeñas, parapoder medir estos cambios con precisión, lo normal es que estos elementos estén integrados en puentesde Wheatstone. Es frecuente además, utilizar dos o cuatro extensímetros formando parte del puentede Wheatstone para poder compensar tanto los efectos de la temperatura como los de cargas espurias.

Transductores pasivos que utilizan extensímetros son las cápsulas manométricas o captadores depresión. Una cápsula manométrica es, en esencia, una cámara dividida en dos por una membrana

5.4. INSTRUMENTACIÓN 105

elástica intermedia instrumentada con extensímetros. Al aplicar presiones diferentes en cada uno delos recintos, la membrana se deforma proporcionalmente a la diferencia entre las presiones a un lado ya otro de la misma, siendo la deformación de la membrana, más concretamente la señal suministradapor los extensímetros, la señal de salida del sensor. Por supuesto, esta descripción es en extremosimplista, y en la misma se ha omitido toda referencia a la electrónica interna del sensor.

También son transductores pasivos las células de carga. En esencia, una célula de carga es unabarra metálica instrumentada con extensímetros. Al aplicar una carga axial, la deformación a tracción-compresión de la barra, medida con los extensímetros, proporciona una medición de la carga aplicada.Conceptualmente, una balanza extensiométrica compacta es semejante a una célula de carga, pero convarios elementos flexibles instrumentados cada uno para medir a la vez las deformaciones tracción-compresión y las de flexión, lo que permite conocer las tres componentes de la fuerza y las tres delmomento (balanza de seis componentes).

Respecto a los transductores de velocidad, sin duda el más conocido es el tubo de Pitot. Como essabido, la ecuación de Bernoulli establece la relación entre la presión estática y la dinámica a lo largode una línea de corriente en un movimiento potencial, incompresible y estacionario. Esta ecuaciónexpresa que la presión total o de remanso de todas las partículas fluidas que discurren a lo largo deuna misma línea de corriente es la misma. La constante puede variar en un caso general de una líneade corriente a otra, pero si las condiciones corriente arriba son uniformes (tal sería el caso de un túnelaerodinámico en circuito abierto que tomara el aire de una atmósfera en reposo), la constante seráidéntica en todas las líneas de corriente, e igual a la presión atmosférica en el recinto que contiene altúnel.

La ecuación de Bernoulli es una consecuencia del principio de conservación de la cantidad demovimiento, pues en régimen incompresible, en ausencia de turbulencia y fricción, no puede haberpérdida de presión de remanso a lo largo de una línea de corriente. Las hipótesis que han permitidoobtener esta sencilla relación entre presión estática y velocidad restringen su aplicación a aquellasregiones del dominio fluido en las que no sean dominantes los efectos viscosos o turbulentos, como esel caso de estelas y capas límites (donde habrá que recurrir a la ecuación de cantidad de movimiento).

Enseña la experiencia que en un fluido la transformación de presión (energía potencial) en velocidad(energía cinética) se ajusta casi exactamente a la ecuación de Bernoulli, sin degradación apenas.No suele ocurrir lo mismo en sentido inverso, y la transformación de velocidad en presión suele iracompañada de pérdidas. Una excepción importante es la deceleración del movimiento de un fluidoen las proximidades de un punto de remanso, prácticamente isentrópica, propiedad empleada en lostubos de Pitot para medir la velocidad en fluidos.

Un tubo de Pitot está formado por dos tubos concéntricos y para las medidas se coloca con el ejecomún orientado a la corriente. De esta forma, el tubo interior tiene su extremo abierto orientado ala corriente incidente; por otra parte, el tubo exterior está provisto de taladros laterales dispuestos enuna sección suficientemente alejada de la inicial, taladros que durante la medida quedan orientadosperpendicularmente a la corriente incidente. Cuando se conectan las salidas de los tubos del Pitot a unmanómetro, la presión en el tubo interior, dado que no hay movimiento en el mismo y en su extremohay un punto de remanso, será la de remanso, Po, mientras que en los orificios del tubo exterior semedirá la presión estática, p, registrándose por tanto en el manómetro la diferencia po − p = 1/2ρU2.

Otro modo, más sofisticado, de medir velocidades en fluidos es el que se conoce con el nombre deanemometría de hilo caliente, que se basa en el hecho de que un hilo conductor calentado eléctrica-mente sometido a una corriente incidente es enfriado por ésta. La resistencia eléctrica del hilo dependede la temperatura y este hecho proporciona un medio para medir la temperatura fácilmente o paramantenerla constante si ésto es lo que se desea. El hilo suele ser de diámetro muy pequeño (menosde una décima de milímetro) y está integrado en un puente de Wheatstone para medir con precisiónlos cambios de resistencia eléctrica del hilo, modificándose la alimentación de forma que la temper-atura del hilo permanezca constante. La potencia eléctrica requerida para mantener la temperaturaconstante proporciona una medida de la refrigeración producida por el movimiento del aire, y ésta, dela velocidad.

106 CAPÍTULO 5. ENSAYOS DE TÚNEL AERODINÁMICO

5.5. Técnicas de ensayo

Una diferencia remarcable entre los túneles aerodinámicos para ensayos aeronáuticos y los túnelesempleados para la medida de las cargas de viento sobre obstáculos civiles es que en los primeros sepretende que la corriente que incide sobre el modelo sea muy uniforme y con turbulencia muy baja,mientras que en los segundos se desea que el flujo incidente reproduzca el perfil de velocidades y laturbulencia de la capa límite terrestre, lo que se suele traducir en muy diferentes longitudes de lascámaras de ensayos, como ya se ha explicado. Por supuesto, se pueden emplear túneles aeronáuticos consecciones de ensayo cortas en aplicaciones de Ingeniería Civil, añadiendo, si es necesario, dispositivospasivos en la sección de entrada para generar turbulencia. Sin embargo, la turbulencia así generadano suele cumplir escrupulosamente los requisitos básicos de semejanza necesarios para la simulaciónde la capa límite atmosférica.

Respecto a las técnicas de ensayo, los procedimientos empleados en los estudios sobre modelos entúneles aerodinámicos varían ampliamente dependiendo de los objetivos particulares y los recursosdisponibles. No obstante, hay ciertos tipos característicos de ensayos, como se explica en los párrafossiguientes. En un primer tipo se pueden incluir los ensayos de modelos topográficos, empleados paradeterminar las condiciones de viento en flujos sobre terrenos complejos (Figura 5.12).

Figura 5.12: Modelo de ensayos a escala 1/2000 de la ampliación del puerto de Ferrol (ETSI Navales}en la cámara de ensayos del túnel A9 de IDR/UPM.

Las escalas típicas en este tipo de ensayos oscilan entre 1/2000 y 1/5000. Si la escala elegidaes muy pequeña, del orden de 1/5000 o incluso menos, los números de Reynolds asociados a losensayos en túnel serán muy bajos. La capa límite atmosférica simulada con números de Reynoldsmuy bajos puede presentar una distorsión significativa de la modelización, haciendo que sea difícilinterpretar los resultados obtenidos de los ensayos. A veces se aumenta la rugosidad de la superficiedel modelo deliberadamente para obtener una simulación mejorada de la capa límite y evitar lasllamadas superficies aerodinámicamente lisas.

En estos ensayos lo que se suele medir es la distribución de velocidad en el entorno del obstáculo

5.5. TÉCNICAS DE ENSAYO 107

en consideración, y no la distribución de presión, empleándose habitualmente anemometría de hilocaliente para la medida del campo de velocidades. A esta categoría de ensayos pertenecen también losensayos en túnel encaminados a determinar las características aerodinámicas de las estelas de barrerascortavientos, pantallas acústicas y en general obstáculos de cualquier forma.

En el siguiente tipo se pueden considerar los ensayos de medida de presiones locales empleandomodelos a escala rígidos instrumentados con tomas de presión. Las escalas típicas suelen estar entre1/75 y 1/500. Las presiones medias y fluctuantes se miden conectando, por medio de tubos flexibles,las tomas de presión dispuestas sobre el modelo en los lugares donde se desea conocer la presión conlos transductores de presión. Estos ensayos son, como se ha dicho, los que con mayor frecuencia sellevan a cabo en los túneles aerodinámicos para aplicaciones civiles (ver Figura 5.13).

Figura 5.13: Modelo de ensayos para medida de presiones de la torre de control del aeropuerto deMadrid-Barajas.

En otros casos, lo que se pretende conocer no es la distribución de fuerzas de presión, sino la medidadirecta de la resultante de las cargas de viento. En este tipo de ensayos, en los que las escalas típicasestán entre 1/75 y 1/500, el modelo se fija a una balanza que mide la carga total que actúa sobreél. Para ello existen balanzas de alta frecuencia especialmente diseñadas, que pueden emplearse paramedir la carga de viento total fluctuante sin distorsiones significativas producidas por las vibracionesnaturales del modelo. Los modelos empleados en estos ensayos deben tener una frecuencia natural másalta que las frecuencias más significativas de la carga de viento.

Otro tipo de ensayos es el de modelos bidimensionales. Las técnicas que se emplean son análogasa las utilizadas en el caso de modelos tridimensionales, utilizándose tomas de presión o balanzassegún se quiera medir distribuciones de presión o cargas globales. Las escalas típicas de los modelosbidimensionales suelen oscilar entre 1/50 y 1/100.

Cabe citar, por último, los ensayos aeroelásticos empleando modelos a escala dinámica de edificios.Las escalas típicas en este caso son del orden de 1/100. En los ensayos aeroelásticos los movimientosdel modelo deben ser afines a los movimientos de la estructura real, y las frecuencias naturales y el

108 CAPÍTULO 5. ENSAYOS DE TÚNEL AERODINÁMICO

amortiguamiento estructural deben ser también semejantes. La construcción de los modelos aeroelás-ticos (réplica estructural) es a menudo compleja y lenta, debido a la necesidad de que en el modelo sereproduzcan con precisión los muchos modos significativos que pueden contribuir al comportamientovibratorio inducido por el viento. Los ensayos aeroelásticos suelen ser muy costosos, sin embargo estosmétodos numéricos son más aconsejables que los experimentales si se emplean técnicas numéricas deacoplamiento fluido-estructura. En ocasiones puede ser suficiente con ensayar un modelo rígido sobreapoyos elásticos, lo que abarata notablemente los costes de fabricación del modelo y por tanto, delensayo.