INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
FACULTAD DE INGENIERÍA DE
PRODUCCIÓN Y SERVICIOS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
CURSO:
ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS.
DOCENTE:
ING. EDGAR ROBLES FALCON.
DISTRIBUCION DE PRESIONES EN UN
PERFIL ALAR.
INTEGRANTES:



CHAVEZ BENAVIDES SETH.
CUNO PARIAAPAZA ALEJANDRO ROBERTO.
MARROQUIN TELLO ANDRES MANUEL.
AREQUIPA–PERÚ
2022-A
1
INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
INDICE:
I.
INTRODUCCION.
II.
OBJETIVOS.
1. OBJETIVO GENERAL.
2. OBJETIVOS ESPECIFICOS.
III.
EQUIPO EPERIMENTAL.
IV.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.
V.
MARCO TEORICO.
VI.
ANALISIS DE DATOS.
1. DETERMINACION DE LA VELOCIDAD
2. DETERMINACION DEL CAUDAL DE AIRE
VII.
RESULTADOS.
VIII. CONCLUSIONES.
IX.
BIBLIOGRAFIA.
2
INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
I.
INTRODUCCION.
Los términos de presión pueden o no estar presentes, dependiendo de la
naturaleza del flujo fuera de la capa límite. La ecuación del movimiento se
debe atacar directamente. Esta ecuación, aun incluyendo las simplificaciones
de la capa limite, es mucho más difícil de resolver que la ecuación de flujo de
potencial. Se introducen complicaciones adicionales por el hecho de que el
flujo en la capa limite podría ser laminar o turbulento.
Estas ecuaciones son fundamentales para determinar parámetros para el
diseño y optimización de perfiles aerodinámicos, por ello en este informe se
observará y analizara algunos conceptos aerodinámicos en base a datos
experimentales que serán analizados.
II.
OBJETIVOS.
1. OBJETIVO GENERAL.
1) Estudiar y visualizar tanto el comportamiento de las presiones sobre el
perfil aerodinámico.
2. OBJETIVOS ESPECIFICOS.
1) Obtener los resultados de la distribución de perfil, en la forma de
coordenadas (x, y).
2) Reconocer las partes de un perfil alar.
III.
EQUIPO EXPERIMENTAL.





IV.
Túnel aerodinámico
Motor de corriente continua
Batería piezométrica
Regulador de compuerta lateral
Transformador de CC.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.
 Se acciona el ventilador centrifugo (alabes hacia atrás) por medio de
un motor de corriente continua.
 Se colocan las mangueras en cada uno de los orificios del perfil.
 Se coloca la compuerta lateral en una posición de 50% de abertura.
(0°) y se procede a tomar las presiones en diferentes puntos del perfil
aerodinámico y su presión total y estática.
 Se procede con la toma de medidas ya establecidas, pero ahora en
ángulos de - 10° hasta 20° (negativas).
3
INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
V.
MARCO TEORICO.
aerodinámica
Aerodinámica es la parte de la mecánica de fluidos que estudia los gases en
movimiento y las fuerzas o reacciones a las que están sometidos los cuerpos
que se hallan en su seno. A la importancia propia de la aerodinámica hay que
añadir el valor de su aportación a la aeronáutica. De acuerdo con el número de
Mach o velocidad relativa de un móvil con respecto al aire, la aerodinámica
se divide en subsónica y supersónica según que dicho número sea inferior o
superior a la unidad. Hay ciertas leyes de la aerodinámica, aplicables a
cualquier objeto moviéndose a través del aire, que explican el vuelo de objetos
más pesados que el aire.
Ecuación de Bernoulli.
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INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
En dinámica de fluidos, el principio de Bernoulli, también denominado
ecuación de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido moviéndose
a lo largo de una línea de corriente.
El principio de Bernoulli se puede aplicar a varios tipos de flujo de fluidos que
dan como resultado varias formas de la ecuación de Bernoulli por lo que hay
diferentes formas de la ecuación de Bernoulli para diferentes tipos de flujo.
La forma simple de la ecuación de Bernoulli es válida para flujos
incompresibles, como la mayoría de los flujos de líquidos y gases que se
mueven a un bajo número de Mach. Se describe de la siguiente manera:
𝑃 𝑉2
+
+ 𝑧 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
𝛾 2𝑔
Perfil Alar.
En aeronáutica se denomina perfil aerodinámico, perfil alar, o simplemente
perfil, a la forma de la sección transversal de un elemento, que al moverse en
el seno de un fluido es capaz de crear una distribución de presiones a su
alrededor de manera que genere sustentación.
Tal y como explica Anderson [1], la configuración de esta sección es una de
las consideraciones más importantes a la hora de diseñar superficies
sustentadoras como alas, o de otros elementos similares como las palas de
hélices, los rotores en helicópteros, los álabes de una turbina y/o compresor y
estabilizadores.
Según el propósito que se quiera conseguir en el diseño de estos cuerpos, los
perfiles pueden ser más finos o gruesos, simétricos o no, curvos o poligonales,
e incluso poseer una sección variable a lo largo de la envergadura.
Partes de un perfil alar. (Fundamentals of Aerodynamics, John D. Anderson.)
5
INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
Tipos de perfil alar.
Existen una gran variedad de perfiles, y cada uno de ellos ha sido diseñado para
cumplir unas necesidades de vuelo. Podemos clasificarlos atendiendo a la forma
del extradós e intradós en:
Perfiles simétricos: perfiles aerodinámicos en los que el extradós e intradós son
idénticos. En ellos la cuerda y la línea de curvatura media coinciden.
Generalmente poseen una menor resistencia al avance, aunque generan menor
sustentación. Este tipo de perfiles suelen ser utilizados para vuelos supersónicos,
ya que disminuyen la resistencia asociada a la onda de choque.
Perfiles asimétricos: perfiles aerodinámicos en los que el extradós e intradós no
tienen la misma forma, por lo que la línea de curvatura media no coincide con la
cuerda. Se caracterizan por general una mayor sustentación, a pesar de generar
una mayor resistencia al avance. Esto último no es muy deseado en vuelo
supersónico, por lo que este tipo de perfiles están asociados a vuelo subsónico.
Fuerzas aerodinámicas
Las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre un perfil alar se deben a dos motivos:
la distribución de presiones, y el esfuerzo cortante sobre la superficie del perfil.
Ambos son producidos por la interacción del perfil con el flujo de aire que lo
atraviesa. La presión se ejerce de forma perpendicular a la superficie del perfil,
mientras que el esfuerzo cortante es tangente a esta. El sumatorio de ambas fuerzas
a lo largo de la superficie del perfil da lugar a una fuerza y momento aerodinámico
resultante.
Fuerzas aerodinámicas en un perfil alar. (Fundamentals of Aerodynamics, John
D. Anderson).
La fuerza aerodinámica resultante R se puede descomponer en una
componente perpendicular a la dirección de la corriente libre, denominada
sustentación L, y una componente paralela, denominada resistencia D.
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INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
Componentes de la fuerza aerodinámica resultante (Fundamentals of
Aerodynamics, John D. Anderson.)
La corriente o flujo libre es el movimiento de la masa de aire que se encuentra
lo suficientemente alejado del perfil, de forma que no sufra los efectos de su
presencia. Las propiedades del flujo libre se escriben acompañadas de un
infinito en el subíndice.
El ángulo de ataque α o AOA, de sus siglas en inglés Angle Of Attack, es el
ángulo formado entre la dirección de la corriente libre, y la cuerda del perfil.
La sustentación está asociada a la geometría del ala, al fluido por el que se
desplaza, y al movimiento que realiza. Esto queda reflejado en la ecuación de
sustentación:
1
𝑳 = 𝜌𝑠𝐶𝐿 𝑣 2
2
La superficie alar s es el área resultante de proyectar el contorno del ala de una
aeronave sobre un plano horizontal. Una mayor superficie alar implica una
mayor área expuesta al flujo de aire. Por tanto, más cantidad de flujo es
redirigido hacia abajo aumentando la sustentación. La superficie alar es un
parámetro que podemos controlar y modificar, pero hasta cierto punto, ya que
al final su tamaño se ve limitado por razones de diseño.
Teoría de la capa limite
El aire es un fluido viscoso, pero la influencia de la viscosidad, difusión de
masa, y conductividad térmica se limita a una delgada capa inmediata a la
superficie del perfil alar, llamada capa límite. El flujo de aire exterior a la capa
límite se puede considerar no viscoso.
La viscosidad del aire es la causante de los esfuerzos cortantes producidos
sobre la superficie del perfil. El cortante requiere de un gradiente de
velocidades, siendo sus efectos significativos en aquellos puntos donde el
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INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
gradiente es mayor. En el flujo libre, los gradientes de velocidad son mínimos,
y por consecuencia también lo son los esfuerzos cortantes. En contraposición,
en la capa límite los gradientes de velocidad son importantes, originándose
fuertes tensiones cortantes.
Numero de Reynolds
El número de Reynolds Re es un parámetro adimensional que relacionando
las fuerzas viscosas e inerciales de un fluido. Se define como:
𝑅𝑒 =
𝜌𝑢𝑙𝑐
𝜇
Siendo la longitud característica lc, la componente horizontal de la velocidad
u, la viscosidad dinámica µ y la viscosidad cinemática ν. La cual se expresa
como:
𝜇
ν=
𝜌
Debido a las fuerzas viscosas e inerciales de las moléculas que componen un
fluido, podemos encontrar dos tipos de flujo: laminar, y turbulento. Un flujo
laminar se caracteriza por un movimiento ordenado de las partículas del
fluido, como si fueran láminas que fluyen paralelas entre sí, y sin
entremezclarse. El caso contrario es el de un flujo turbulento, donde las
partículas describen un movimiento caótico, y aleatorio. Se suele tomar los
siguientes valores orientativos:


Sí 𝑅𝑒 ≤ 5⋅105 se considera flujo laminar.
Sí 𝑅𝑒 > 5⋅105 se considera flujo turbulento.
Podemos concluir que la capa límite es una región de pequeño espesor
adyacente a la superficie del perfil, donde la velocidad de una partícula de
fluido pasa de ser nula en la pared del perfil, a acercarse infinitamente a la del
flujo libre en el contorno de esta, debido a los efectos viscosos presentes en
dicha región.
Capa limite en una superficie alar. (Fundamentals of Aerodynamics, John D.
Anderson).
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INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
La forma efectiva de un perfil alar es la silueta que describe el flujo de aire
que atraviesa dicho perfil. Cuando el flujo es laminar la forma efectiva posee
el aspecto del propio perfil. Por lo contrario, cuando se genera un flujo
turbulento en cualquier parte del perfil, la forma efectiva cambia, siendo
distinta a la del perfil, disminuyendo la generación de sustentación, y
aumentando la resistencia aerodinámica.
El punto de estancamiento, o de separación de la capa límite, varía en función
del ángulo de ataque. Cuando el ángulo de ataque disminuye, el punto de
estancamiento se desplaza hacia el borde de salida. Por lo contrario, al
aumentar el ángulo de ataque, el punto de estancamiento se desplaza hacia el
borde de ataque. En el momento que el ángulo de ataque coincide con el
crítico, se produce la separación total de la capa límite en el extradós,
disminuyendo de forma brusca la sustentación. Este fenómeno se conoce
como entrada en pérdida.
Resistencia.
La resistencia es la fuerza aerodinámica que se opone al movimiento de la
aeronave a través del aire, siendo siempre opuesta a su trayectoria. La
ecuación que define la fuerza de resistencias es:
𝑫=
1
𝜌𝑠𝐶𝐷 𝑣2
2
Como podemos observar, la ecuación de la resistencia se asemeja a la de la
sustentación, con la diferencia de emplear el coeficiente de resistencia 𝐶𝐷 , en
vez del de sustentación 𝐶𝐿 . El coeficiente de resistencia es un parámetro
adimensional que refleja la influencia de los complejos efectos aerodinámicos
que intervienen en la resistencia de la aeronave. Al igual que el de
sustentación, su valor depende el perfil alar empleado, y de las condiciones de
vuelo. Se determina experimentalmente a través de un túnel de viento donde
se simula de forma controlada dichas condiciones de vuelo.
Centro de presiones
El centro de presiones es el punto sobre el que actúa la fuerza aerodinámica
resultante, debida a la distribución de presiones ejercida sobre el perfil alar.
Es un punto móvil, ya que la distribución de presiones varía según las
condiciones de vuelo.
Peso.
En una aeronave no solo actúan fuerzas aerodinámicas, sino que también
aparecen fuerzas de diferente índole, como el peso y el empuje. El peso es la
fuerza generada por la acción del campo gravitatorio de la tierra en la
aeronave. Su dirección y sentido es siempre al centro de la tierra. Su magnitud
depende de la masa total de la aeronave (incluidos pasajeros, combustibles,
etc.).
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INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
El peso total del avión se ejerce en el centro de gravedad. Dado que este no es
constante, debido al consumo de combustible durante del vuelo, y que la
distribución de pesos en la aeronave es variable, por el propio movimiento de
pasajeros o de cargas, el centro de gravedad es móvil.
Empuje.
El empuje es la fuerza mecánica de avance generada por el sistema de
propulsión de la aeronave. Su dirección y sentido es el de la aeronave, y su
magnitud proporcional al incremento de velocidad impreso en el flujo de aire.
El empuje debe ser suficiente para generar una fuerza de sustentación que se
oponga al peso, y vencer la fuerza de resistencia que se ejerce sobre la
aeronave.
Numero de mach
El número de Mach permite determinar la magnitud de los efectos de
compresibilidad. La compresibilidad del aire es la causante de que a alta
velocidad se produzcan ondas de choque, expansión, y generación de calor.
A partir de M = 0,3 obtenemos que 𝜌/𝜌0 < 5%, por lo que el aire debe tratarse
como un fluido compresible.
Una aeronave en vuelo produce una alteración en al aire que lo rodea. Estas
pequeñas perturbaciones se transmiten a través del aire en forma de ondas de
presión, que son a su vez ondas de sonido.
La velocidad del sonido es la velocidad a la que se propaga dicha onda. Esta
onda se transmite como resultado de múltiples colisiones entre las moléculas
de aire.
Relación entre la variación de densidad y el número de Mach. (Fundamentals
of Aerodynamics, John D. Anderson).
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INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
VI.
ANALISIS DE DATOS.
1. DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD.
De acuerdo con los pasos seguidos en el procedimiento experimental se
obtuvieron los siguientes datos los cuales han sido adjuntados en la
siguiente tabla.
Grado de ataque
L1
-10
-20
0
10
20
Extrados (mm H2O)
L2
11
1.3
10.1
6.3
0.25
0.5
-11
-4.2
-11.6
-5.3
L5
L9
0.4
1.2
-2
-5.5
-7.5
Intrados (mm H2O)
L10
-3
-4.3
-6
-5.9
0.7
0.45
2.2
3.3
1.7
4.2
L11
-7.6
-5.3
-0.3
4.3
6.5
Presiones obtenidas a diferentes posiciones del extrado e intrados
Con ello se obtuvieron las siguientes graficas.
Extrados en función del ángulo de ataque.
Extrado L1
Extrado L2
Extrado L5
25
20
15
10
5
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
-5
-10
-15
-20
-25
Graficas de las presiones en los extrados en función del ángulo de ataque.
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INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
presiones tomadas en los extrados
-10 grados
-20 grados
0 grados
10 grados
20 grados
15
10
5
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
-5
-10
-15
Presiones tomadas en diferentes puntos del extrado para distintos ángulos de ataque.
Luego se realizo una grafica en la cual se tabularon los valores de las presiones tomadas
a lo largo del intrado.
presiones tomadas en los intrados
-10 grados
-20 grados
0 grados
10 grados
20 grados
8
6
4
2
0
-2
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
-4
-6
-8
-10
Presiones tomadas en diferentes puntos del intrado para distintos ángulos de ataque.
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INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
Intrados en función del ángulo de ataque
Intrado L9
Intrado L10
Intrado L11
25
20
15
10
5
0
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
-5
-10
-15
-20
-25
Graficas de las presiones en los intrados en función del ángulo de ataque.
Para determinar la velocidad se utilizará la fórmula de la presión dinámica la cual se
muestra a continuación:
𝑞 = 𝑃𝑡 − 𝑃𝑠 =
1 2
𝜌𝑉
2
→ 𝑉=√
2(𝑃𝑡 − 𝑃𝑠)
𝜌
donde:





𝜌 = Densidad del aire (kg/m³).
𝑉 = Velocidad del aire en m/s.
𝑃𝑡 = Presión total (Pa).
𝑃𝑠 = Presión estática (Pa).
𝑞 = Presión dinámica en pascales.
Grado de ataque
-10
-20
0
10
20
L1
42.4015
40.6299
6.3923
42.4015
43.5425
L2
14.5766
32.0889
9.0400
26.2005
29.4322
velocidad (m/s)
L5
L9
8.0856
22.1435
14.0047
31.3156
18.0801
10.6963
29.9824
18.9625
35.0119
16.6690
L10
26.5106
31.0535
8.5761
23.2242
26.2005
L11
35.2445
29.4322
7.0024
26.5106
32.5943
Cuadro de las velocidades a diferentes posiciones en m/s
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INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
Velocidades tomadas en los extrados.
-10 grados
-20 grados
0 grados
10 grados
20 grados
50,0000
45,0000
40,0000
35,0000
30,0000
25,0000
20,0000
15,0000
10,0000
5,0000
0,0000
0,0000
0,5000
1,0000
1,5000
2,0000
2,5000
3,0000
3,5000
Velocidades tomadas en los intrados.
-10 grados
-20 grados
0 grados
10 grados
20 grados
40,0000
35,0000
30,0000
25,0000
20,0000
15,0000
10,0000
5,0000
0,0000
0,0000
0,5000
1,0000
1,5000
2,0000
2,5000
3,0000
3,5000
2. DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE AIRE.
Para determinar el caudal de aire se utilizó la siguiente formula:
𝑄= 𝑉𝑥𝐴
Donde área del túnel es igual a 0.01 m².
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INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
Grado de ataque
L1
-10
-20
0
10
20
L2
0.424
0.406
0.064
0.424
0.435
0.146
0.321
0.090
0.262
0.294
Caudal (m³/s)
L5
L9
0.081
0.221
0.140
0.313
0.181
0.107
0.300
0.190
0.350
0.167
L10
0.265
0.311
0.086
0.232
0.262
L11
0.352
0.294
0.070
0.265
0.326
Cuadro de caudales a diferentes posiciones en m³/s
Luego de ello se halló el grafico del caudal en función del grado de ataque.
Caudal en función del grado de ataque.
Caudal L1
Caudal L2
Caudal L5
Caudal L9
Caudal L10
Caudal L11
25
20
15
10
5
0
0,000
-5
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0,350
0,400
0,450
-10
-15
-20
-25
Graficas de los caudales a diferentes puntos de presión en función del ángulo de
ataque.
VII.
RESULTADOS.
En base a las presiones tomadas en los extrados e intrados, se obtuvo un perfil
de velocidades para diferentes puntos.
De acuerdo con las velocidades obtenidas se obtuvo un diagrama de campo de
presiones en el cual se puede observar que en la superficie superior las
velocidades obtenidas son mayores lo que produce una presión resulto
negativa y en la superficie inferior o intrado las velocidades son menores a
comparación de las tomadas en los extrados lo que ocasiona que la presión
resulto positiva lo cual va de acuerdo con el principio de Bernoulli.
15
0,500
INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
Campo de presiones sobre el ala. Colores cálidos indican positivo y fríos
negativos.
VIII. CONCLUSIONES.
1) Se verifico el comportamiento de las presiones sobre el perfil alar
aerodinámico.
2) Se comprobó la distribución de presiones alrededor del perfil, en la forma
de coordenadas en gráficas.
3) Para ángulos negativos en el extradós las presiones son positivas y en el
intradós las presiones son negativas.
4) Para ángulos positivos en el extradós en la mayoría de los datos tomados
las presiones tienden a ser negativas mientras que en el intradós son
positivas.
5) La sensibilidad del manómetro no ayuda a tomar valores aproximad
debido a que toma rangos de valores.
6) Para reducir el caudal del aire se abre una de las ventanas del costado del
túnel de viento
16
INFORME DE LABORATORIO TUNEL DE VIENTO
7) Se pudo determinar las velocidades y los caudales para diferentes
presiones en los extrados e intrados.
IX.
BIBLIOGRAFIA.
1) J.D Anderson, Fundamentals of aerodynamics, 4ª ed., McGraw-Hill,
2007.
2) Antonio Barrero Ripoll and Miguel Pérez-Saborid Sánchez Pastor,
Fundamentos y aplicaciones de la mecánica de fluidos, McGraw-Hill.
3) M. Nili Ahmadabadi, F. Ghadak, and Mohammadi M., Subsonic and
transonic airfoil inverse design via ball-spine algorithm, Elsevier,
Computers and Fluids (2013).
4) Anibal Isidoro Carmona, Aerodinámica y actuaciones del avión, 12ª ed.,
Thomsom-Paraninfo, 2004.
17