INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA PLANTEL: TICOMÁN. INGENIERÍA EN AERONÁUTICA.
Luna Contreras Didier David Rodríguez Camacho Dante Arturo Castillo Caldelas Julio Adolfo
Dinámica de fluidos. Practica de Laboratorio. Práctica No. 4 Calibración del túnel de presión de impacto.
Grupo: 4AM2 Introducción
Un túnel de viento es esencialmente un Venturi. Se trata de un conducto de sección variable en el que el fluido se acelera en la parte convergente (donde la sección disminuye) y se decelera en la región divergente (aumento de sección). El tubo Venturi es un buen ejemplo del principio de
Bernoulli que relaciona presión y velocidad en un fluido que no sufre aporte de energía. Al aumentar la velocidad se produce una disminución de la presión estática, que se mide en dirección perpendicular al flujo. La presión total, que es la suma de estática y dinámica, permanece constante y se mide en la dirección del flujo. La densidad y la temperatura se mantienen esencialmente constantes en un túnel sub-sónico(Velocidad en la cámara por debajo de 0.6 veces la velocidad local del sonido). Esto no ocurrirá en un túnel transónico (Mach entre 0.6 y 1.5 típicamente).Existen diferentes formas para los túneles aerodinámicos, se pueden agrupar en: Túnel de circuito cerrado, “Prandtl”. Túnel de circuito abierto, “Eiffel”.
Túnel de aire comprimido o de densidad variable. El túnel utilizado para la práctica es de circuito abierto, la sección de prueba se encuentra a la descarga del viento, por lo que este túnel recibe el nombre de túnel de presión de impacto opresión total al ser el valor de presión estática muy bajo o casi nulo. Para entender un poco mas de esta herramienta, el túnel de viento es una instalación experimental que sirve para estudiar cómo actúa el viento al incidir sobre objetos de distintas formas y naturaleza. Estos estudios permiten predecir las fuerzas generadas cuando estos cuerpos se desplazan en el seno del aire (cohetes, aviones, automóviles, motocicletas) o por la acción del viento sobre cuerpos estacionarios (edificios, antenas). Túnel de viento subsónico TE 44 Plint & Partners. Túnel cuya 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.
Objetivo:
Obtener la constante de calibración del túnel de presión total marca Plint & Partners modelo TE-44. Equipo y material:
-Túnel de presión Plint & Partners, modelo TE-44. -Mecanismo de exploración transversal. -Manómetro de 36 columnas. -Tubo pitot.
1) Determinación de las condiciones ambientales.
Iniciales Temperatura ambiente (C) 19.9 Presión barométrica (mm Hg) 589 Humedad relativa. 0.79
Finales 20.5 589 0.78
Promedio 20.2 589 0.785
Para obtener la densidad del aire en el laboratorio: Corrigiendo a presión barométrica 589*1+0.0000184(20.2) = 589.00261 .1+0.0001818(20.2)
Convirtiendo a Kgf/m2 589.00261 14.7 = 11.3925
760
0.4536
11.3925
1
1 0.0006451
= 8009.8549
= 2.685+3.535 × 10
().
Entonces, la presión corregida es: 8009.8549 Obtenemos la presión de saturación.
Necesitamos T en grados Farenheit.9 Entonces:
= 5(20.2)+32 = 68.36 = 2.685+3.535 × 10 (68.36 ) .
= 49.1922
Convirtiendo esta presión a 49.1922 0.4536 1 = 241.611
1 0.09290304
Finalmente, obtenemos la densidad del aire en el laboratorio. Hr = Humedad relativa Pv = Hr Ps = 0.785 241.611
= 189.665
= 8009.8549 =
1
(-0.3779
- (0.3779)(189.665
) )
29.256
(295.5 ) = 0.918224 Entonces la densidad del aire en el laboratorio es de: 0.918224
2)Determinación de la constante de calibración del túnel de viento TE-44 a)Colocar el tubo Pitot en la posición 0,0 del mecanismo de explotación transversal.
b)Seleccionar un nivel de referencia en el manómetro de 36 columnas, observando que este se encuentre perfectamente nivelado y conectar dos columnas a sendas tomas de presión estática y total. c) Accionar el tunel y ajustar las copuertas de esntrada de aire hasta que se obtenga en el manómetro inclinado una lectura de presión diferencia (PDR) igual a 5 mmH2O y proceder a medir la presión total y la presión estática, anotando los resultados los resultados en la tabla siguiente, para posteriormente continuar y repetir las mediciones para PDR's igual a 10,15 20 25 mmH2O Y PDR MÁXIMO. El manómetro es inclinado, por lo que debemos corregir las presiones multiplicando el valor de cada una por el seno del ángulo de inclinación 1.PT = (130-122 )(Sen 30) = 4 mm H2O Pn = (130 -130)(Sen 30) = 0 mm H 2O
2.PT = (130-110 )(Sen 30) = 10 mm H2O Pn = (130 -130)(Sen 30) = 0 mm H2O
3.PT = (130-100 )(Sen 30) = 15 mm H2O Pn = (130 -130)(Sen 30) = 0 mm H2O
4.PT = (130-90 )(Sen 30) = 20 mm H2O Pn = (130 -130)(Sen 30) = 0 mm H2O
5.PT = (130-78 )(Sen 30) = 26 mm H2O Pn = (130 -132)(Sen 30) = - 1 mm H 2O
6.PT = (130-66 )(Sen 30) = 32 mm H2O Pn = (130 -132)(Sen 30) = -1 mm H2O
7.PT = (130-56 )(Sen 30) = 37 mm H2O Pn = (130 -132)(Sen 30) = -1mm H2O
8.PT = (130-44 )(Sen 30) = 43 mm H 2O Pn = (130 -130)(Sen 30) = -1 mm H2O
9.PT = (130-34 )(Sen 30) = 48 mm H2O Pn = (130 -134)(Sen 30) = -2 mm H2O
PDRMAX PT = (46)
= 46 mm H2O
Pn = (130-143) (Sen 30)= -2 mm H2O
Aplicamos, q = PT – PN
1)q = 4-0 = 4 mm H2O 2)q = 10-0 = 10 mm H2O 3)q = 15-0 = 15 mm H2O 4)q = 20-0 = 20 mm H2O 5)q = 26-(-1) = 27 mm H 2O 6)q = 32-(-1) = 33 mm H 2O 7)q = 37-(-1) = 38 mm H 2O 8)q = 43-(-1) = 44 mm H 2O 9)q = 48-(-2) = 50 mm H 2O PDRMAX q = 46-(-2) = 48 mm H 2O
Continuamos a obtener la velocidad.
=2
Para este cálculo, necesitamos la presión en N/m 2. 1 mm H2O = 1 Kg/m 2 Calculamos presión y velocidad. 1) 4 9.81 = 39.24
2(39.24
=
2)
10
)
0.918224
=
9.24496
=
14.6176
9.81 = 98.1 2(98.1
=
0.918224
)
3)
15
9.81 =147.15 2(147.15
)
0.918224
4)
20
9.81 = 196.2 2(196.2
5)
27
=
0.918224
9.81=
264.87
=2(264.87 ) = 24.0191
0.918224
6)33 9.81 = 323.73 =2(323.73 ) = 26.5541
0.918224
7)38 9.81 = 372.78
)
=
20.6724
2(372.78
=
8)
44 9.81
)
0.918224
=
= 431.64 2(431.64
)
28.4949
0.918224
9)
50
9.81
= 490.5 2(490.5
=
10)
48
)
0.918224
9.81
32.6859
=
32.0255
= 470.88 2(470.88
=
=
)
0.918224
Ahora obtenemos datos q/ PDR para el cálculo de la constante de calibración.
1) = 0.8
4)= 1
7)= 1.0857
2)
= 1
5)= 1.08
8)= 1.1
3)
= 1
6)
9)= 1.1111
= 1.1
10) = 1.0434
TABLA: PDR
Pr
Pt
q
V
q / PDR m/s
mm H2O
mm H2O
mm H2O
mm H2O
5
4
0
4
0.8
10
10
0
10
1
15
15
0
15
1
20
20
0
20
1
25
26
-1
27
1.08
30
32
-1
33
1.11
35
37
-1
38
1.0857
40
43
-1
44
1.1
45
48
-2
50
1.1111
PDR MAX
46
-2
48
1.0434
Procedemos con el cálculo de la constante de calibración
= S10 K= 1.03302
3) Registro gráfico.
q vs PDR. 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0
10
20
30
40
50
60
Velocidad vs PDR 35 30 25 20 15 10
5 0 0
10
20
30
40
50
Cuestionario 1.- En la práctica se emplearon como unidades de presión los mmH2O, pero si las columnas del manómetro hubieran tenido alcohol en lugar de agua, explique cómo puede obtener la equivalencia entre milímetros de alcohol y milímetros de agua.
Con el peso específico del agua, obtenemos la presión en Unidades Británicas o en el SI., Con esas unidades podemos hacer equivalencias entre Presión, como por ejemplo cambiar la presión de atmósferas a mmH2O, y a Pascales, o sus similares en el Sistema Británico. Con el peso específico, o con la densidad en su defecto, podemos establecer equivalencias entre cualquier líquido manométrico y el Agua. 2.-¿Es posible obtener la velocidad del viento en el túnel solamente con el valor de la densidad del aire y la lectura PDR?. Si su respuesta es afirmativa explique cómo hacerla.
Las lecturas de presión estática y diferencial pueden ser transformadas en velocidad o número de MACH o cualquier otro dato que sea necesario utilizando las ecuaciones adecuadas. Se han desarrollado una gran cantidad de métodos para determinar la velocidad del aire. Independientemente del método utilizado el teorema de Bernoulli es el más usado para calcular la velocidad a partir de la presión. 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 algunas propiedades físicas del aire, como son presión, temperatura, densidad, etc. En el momento en que se traslada un túnel de viento que opera en perfectas condiciones a un sitio donde algunas de estas propiedades cambian; el 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 le 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 (consulte bibliografía)
Por medio de una comparación de los tipos de presiones que pueden actuar en el túnel de viento como las presiones dinámicas, estáticas y totales. Se obtienen las diferencias entre las presiones obtenidas reales y las medidas, mediante un factor de corrección del manómetro usado. De la misma manera se obtiene una constante de calibración para dicho túnel. Los valores obtenidos a partir de este momento en adelante tienen manera de ser corregidos.
Otro método puede ser siguiendo los siguientes pasos: -Conectar el manómetro digital en la posición más cercana a la sección de salida del flujo de aire -Centrar el tubo pitot respecto al centro de la sección de salida del flujo de aire y nivelarlo a un ángulo de cero grados respecto al flujo. -Encender el túnel y tomar 10 mediciones variando el voltaje con potenciómetro de de éste en intervalos de 10V, partiendo de 20V -Obtener la curva velocidad vs voltaje -Posicionar el tubo pitot en la primera estación correspondiente a su grupo de trabajo, centrado respecto a la sección salida del flujo de aire. -Utilizar la máxima velocidad del túnel y medir la velocidad en la estación correspondiente. -Graficar velocidad vs posición. -Analizar el comportamiento del flujo (Campo de velocidades) a lo largo del riel para distintas velocidades del túnel de viento.
5.- Además de obtener la constante de calibración ¿Qué tras actividades intervienen en la calibración del túnel?
La densidad del aire, la variación de velocidad, la temperatura del ambiente, la presión atmosférica, así como la humedad relativa. 6.-¿Cuáles son las características de un túnel 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 cinco componentes básicos: 1)Cámara de establecimiento: Su objetivo es enderezar y uniform izar el flujo de aire 2)Cono de aceleración: Su función es comprimir el aire y acelerar la velocidad del flujo
para conducirlo a la cámara de ensayos. 3)Cámara de ensayos: Lugar donde se encuentra el modelo que queremos estudiar y donde se realizan las mediciones. 4)Difusor: Una vez que el airea ya ha salido de la cámara de ensayos, el difusor reduce la velocidad del flujo mediante su perfil divergente. Nos interesa que el aire salga a la menor velocidad posible ya que la velocidad de salida irá relacionada con las pérdidas energéticas de túnel. A menor velocidad, menores son las pérdidas. 5)Ventilador: Genera el flujo de aire, la selección del motor para el ventilador dependerá de los siguientes parámetros.
∑El
gasto de flujo que está en función del tamaño de la sección 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 definirlo porque de éste dependen ciertas características aerodinámicas.
CONCLUSIÓN: La importancia de la correcta calibración de un túnel de viento es imperativa, ya que al no llevarse a cabo correctamente, los experimentos realizados en él arrojarán datos erróneos, lo cual puede traducirse en pérdidas importantes de tiempo, y dinero.
