TÚNELES DE VIENTO ¿CÓMO TRABAJAN?

Bueno, vamos a empezar la segunda entrega de los artículos sobre los túneles de vientos. En el post anterior nos centramos en diferenciar las partes que forman los túneles y los distintos tipos que existían. Recordar que  los podíamos diferenciar por su forma, cerrado o abierto y por el tipo de ventilación que se producía, si el aire es aspirado o soplado etc pero todos coincidían en dos aspectos, antes de llegar a la cámara de ensayos siempre se instalan sistemas para uniformar el flujo y asegurar una buena calidad en la sección de ensayos. Una vez tamizado el aire  todos conducían el flujo a un cono de aceleración cuya función era reducir costes al utilizar ventiladores de menor potencia y conseguir velocidades altas. Por tanto todos los túneles se basan en el principio de un tubo de Venturi  pero ¿por qué se produce este efecto? Para aclarar el concepto vemos un corte de un tubo de Venturi.

Vemos que el diámetro del tubo va disminuyendo hasta llegar a la sección intermedia, lo que sería la cámara de ensayos y la aumentamos después de ella. Bien, si creamos un flujo de aire con los ventiladores de por ejemplo 100Km/h que circula por la zona ancha del tubo cuando llega a la zona estrecha todo ese volumen de aire se comprime por que sigue llegando más aire por detrás que lo empuja, pero para evacuar la misma cantidad de volumen en una zona más estrecha solo se puede hacer de una manera, aumentando la velocidad del tránsito, por tanto con solo disminuir el diámetro se puede llegar a conseguir velocidades del flujo de 300Km/h que luego volverán a disminuir a 100Km/h cuando salgan de la cámara de ensayo, imaginaros la cantidad de energía que se ahorra. 

 Un ejemplo práctico ¿cuántos habéis tapado parcialmente la salida de una manguera de agua con el grifo abierto? Seguro que todos, pues  lo mismo que hace al agua salir más rápido y llegar más lejos pasa con el aire. Este aumento de velocidad en el estrechamiento trae consigo una consecuencia, las moléculas de aire van tan rápido que dejan de ejercer parte de la presión en las paredes del tubo, esa es la causa de que una tubería de agua con diámetros grandes tiene que estar más reforzadas sus paredes que un tubo pequeño ya que al ir el agua más despacio aumenta la presión sobre las paredes del fluido y las roturas son más frecuentes. Este aspecto es importante para las mediciones de la velocidad y presión.

Seguimos. Debido a la viscosidad del aire, la sección de los túneles suele ser circular porque estos proporcionan un flujo más uniforme y laminado. La razón es que en las esquinas de una sección rectangular se produce una concentración del flujo y aparecen pequeños vórtices (remolinos). A veces esto no es posible o es complicado de implementar cuando también se quiere suelo rodante. Además de esto, los acabados interiores también son muy importantes, deben ser muy lisos con el objetivo de reducir la fricción al máximo posible.

Vórtices.

 ¿Qué información deseamos conocer?

Las magnitudes más importantes que queremos conocer cuando trabajamos en un túnel de viento serán la velocidad, la presión, las fuerzas y los momentos. Los cuatro elementos están estrechamente relacionados y a veces se superponen ya que si la velocidad aumenta otros factores como la presión y las fuerzas también lo pueden hacer pero para conseguir mediciones exactas será necesario tener controladas todas las variables termodinámicas: temperatura, presión, volumen y densidad. El nivel de control de estas variables depende de la calidad del túnel y evidentemente influirá en los resultados y como muestra un ejemplo. Dicen ingenieros de mucho prestigio que uno de los problemas más importantes que tiene el túnel de viento de Ferrari es no estar instalado dentro de un edificio mayor, sus paredes están directamente en la intemperie. ¿Qué importancia tiene esto? Mucha. Como comente, es necesario tener controladas todas  variables. El hecho de que no tenga una cubierta exterior hace que sea más sensible a las condiciones meteorológicas, es decir, si hace calor la estructura se dilata y si hace frio se contrae haciendo que las mediciones pierdan precisión que si por ejemplo está dentro de un edificio que lo aislé del exterior como sucede en el de Toyota donde se mantiene unas condiciones de temperatura y presión más estables todo el año. Hasta ese punto puede ser sensible un túnel.
1. Velocidad: Es sin duda una de las magnitudes más importantes que debemos conocer y su precisión es fundamental, el menor de los errores de medición en una maqueta a escala se puede convertir en errores más grandes en pista. Una de las maneras más utilizadas para medir la velocidad es usar un tubo Pitot. Esta pieza las habréis visto infinidad de veces instaladas en los F1 sobre todo en los periodos de pruebas como vemos en las imágenes de abajo. 

Múltiples tubos de Pitot.

 El funcionamiento es muy sencillo. El sistema consta básicamente de un tubo y en el otro extremo del aparato,  una cámara equipada con una membrana flexible. Por la apertura del tubo Pitot entra la corriente de aire derivado del movimiento del aire o del coche. Como el sistema es estanco, cuanto más rápido vaya el  aire, mayor será la presión dentro del tubo y por tanto mayor será el desplazamiento de la membrana. Por tanto esta membrana se moverá inducida por las presiones a las que es sometida. La ventaja de la sonda Pitot frente a otros métodos de medición  es que es muy puntual, quiere decir esto que si se quiere, se puede hacer una medición precisa y rápida de la velocidad en un único punto del coche frente a otros aparatos que hacen mediciones más genéricas. Además, podrá utilizarlos a altas temperaturas y a velocidades de flujo muy elevadas. Esta capacidad puntual de medición de la de velocidades es muy útil para hacer perfiles completos en todos los puntos de una pieza aunque también se podre medir la velocidad utilizando anemómetros de hilo caliente o tecnología láser. Para hacer ensayos de calibración se suelen usar peines de tomas de presión total.

2. Presión: La presión es una magnitud estrechamente relacionada con la velocidad y con la fuerza. Hay dos tipos de presiones que nos van a interesar, la estática y la dinámica (producida por la velocidad). Se puede medir de diversas formas. Una de ellas es agujereando el modelo y poniendo diversas tomas de presión en la superficie dónde nos interesa conocer la presión y su distribución. Más recientemente se ha evolucionado y se usan pinturas que cambian de color según la fuerza que se les aplique (en nuestro caso la fuerza la aplica el aire). Las medidas de presión son muy eficaces para medir y evitar o no deformidades en las estructuras. Se tiende a evitar que determinadas zonas del coche puedan cambiar de forma por la presión ejercida por el viento en su estructura ya que pueden inducir perdidas de eficacia en el tránsito de los flujos, etc o todo lo contrario como sucede con las alas flexibles o el famoso morro deformable del Red Bull, buscar lo límites sin pasarse llevará muchas jornadas de mediciones y ensayos.

3. Fuerzas y Momentos: Este es el parámetro más complejo de todos ya que aglutina muchos tipos de fuerzas, unas positivas para el ingeniero (la carga) y otras negativas (el rozamiento) y todas dependen de los factores que las producen pero la fuerza más importante de todas, la que  interesa conocer y pulir a los ingenieros es el resultante total de todas ellas, la fuerza que ejerce nuestro bólido sobre el suelo y su equilibrio, eso es lo que realmente hace a un coche ganador o perdedor. 

¿Qué es esto? Bien, sabemos que un coche corre más o menos dependiendo de la carga aerodinámica que sus elementos producen, pero ¿qué es la carga aerodinámica? Son las fuerzas verticales que los distintos elementos aerodinámicos ejercen sobre el coche. Como he comentado en otras ocasiones, para que un coche pueda correr mucho hay que intentar  que el aire que circula por él lo “empuje” hacia el suelo, que lo pegue cuanto más mejor para que los neumáticos  puedan mejorar el agarre para un mismo coeficiente de adherencia neumático-suelo. Para decirlo de forma clara, es como si pusiéramos el peso de una báscula encima del coche, a más carga, mayor tamaño del peso que presiona al coche. Luego las cosas no son tan fáciles ya que cuando uno aumenta la carga con alerones o elementos normalmente lleva consigo un aumento de la resistencia al avance del coche producidas por las fuerzas de rozamiento que hace disminuir la eficacia,  el  llamado drag pero soluciones originales como los escapes soplados por poner un ejemplo producen mucha carga sin resistencia alguna y eso es lo que hay que buscar y quien lo encuentra, gana mundiales. Para medir las fuerzas y los momentos se utiliza un aparato llamado balanza. Existen diferentes tipos que pueden hacer diferentes medidas. Una bastante común es la de 6 componentes que miden las fuerzas y los momentos en sus tres ejes principales.

Lineas de corriente.

 Bueno hasta aquí la segunda entrega, para una próxima  os voy a hablar de un elemento que  llama mucho la atención, es lo más “conocido” del trabajo en el túnel de viento, las líneas de corriente o de flujo. Intentaré que podáis interpretarlas de forma fácil, mostrando ejemplos de por qué un avión vuelas y un coche se pega al suelo, pero eso será otra historia.

Nota: Algunos de ustedes pueden estar más avanzado en los aspectos técnicos de la F1, así que hasta cierto punto puede que esté familiarizado con la siguiente información y que las explicaciones dadas sobre conceptos sean ya conocidos. Como ignorante que soy de todo lo concerniente a la mecánica y demás conceptos de la F1 y tras intentar encontrar artículos que dieran algo de luz sobre el tema con explicaciones fáciles y entendibles y no encontrar mucho, mis artículos están dirigidos sobre todo a los que, como yo quieren encontrar artículos didácticos, de fácil asimilación para salir de las dudas y podamos aprender todos juntos. Espero que os gusten.