¿Cómo se utilizan los túneles de viento con modelos a escala?

Durante el desarrollo, se utilizan muchos túneles de viento diferentes. Las escalas van desde la escala completa hasta menos de 1/100 y, a veces, no solo se deben modelar correctamente las propiedades geométricas, sino también las dinámicas y elásticas de la aeronave que se va a probar.

Hoy en día, el trabajo preliminar se realiza principalmente en simulaciones numéricas, pero antes de la disponibilidad de computadoras, los primeros modelos de túnel de viento tendrían una escala de entre 1/50 y 1/16 (dependiendo del tamaño del artículo real y del túnel de viento disponible), a menudo utilizando modelos modulares en los que se podrían probar diferentes ubicaciones de motores o geometrías de cola. Dado que las pruebas en túnel de viento cuestan dinero real, las primeras pruebas están restringidas a túneles pequeños y de bajo costo que funcionan a temperatura y densidad ambiente. Las diferencias en el número de Reynolds entre el artículo de prueba y el avión real se cubren con factores de corrección y experiencia.

Solo cuando un diseño avanza durante el desarrollo, se utilizan túneles más grandes y costosos. Nuevamente, no es posible hacer coincidir el número de Reynolds y ni siquiera es necesario para algunas pruebas: para un túnel de giro, el artículo de prueba debe escalarse dinámicamente (para que tenga momentos de inercia correctos), pero el flujo separado se ve menos afectado por el número de Reynolds , por lo que la precisión de un modelo a escala 1/20 es suficiente. Además, un modelo de caída libre en un túnel giratorio necesita bastante espacio para moverse, por lo que incluso los modelos pequeños ya necesitan secciones de prueba con un diámetro de varios metros.

Para reducir costos y evitar los horarios ajustados de los túneles de viento, también se utilizan modelos de vuelo libre o controlados por radio. Vea cómo los ingenieros de Dornier probaron el comportamiento dinámico del entonces nuevo engranaje triciclo del Do-335 en este video (a partir de las 2:00') o las características de zanjeo (a partir de las 2:13').

Solo cuando es necesario hacer coincidir tanto el número de Mach como el de Reynolds, se utilizan túneles de viento criogénicos y presurizados. Debido a su demanda y disponibilidad de energía, dichas pruebas deben programarse con años de anticipación y planificarse meticulosamente. Los modelos pueden costar millones de dólares o euros, por lo que tales pruebas en su mayoría reducirán los parámetros que se habían medido previamente en pruebas más simples. Los grandes túneles como el LLF de 9,5 x 9,5 m en Marknesse (Países Bajos) se utilizan principalmente para pruebas de características de baja velocidad y gran elevación, ya que su motor de 12,6 MW solo puede soportar una velocidad de 62 m/s a máxima potencia. En el otro extremo de la escala están los tubos de purga hipersónicos que soportan una sección de prueba de 0,5 m de diámetro en la que se puede alcanzar Mach 6 por una fracción de segundo.

Las pruebas a gran escala en un túnel de viento solo son posibles con aviones pequeños; consulte las respuestas a esta pregunta para ver ejemplos. Incluso entonces, las velocidades no coinciden con la velocidad máxima de la aeronave, por lo que las cargas son una fracción de las cargas reales.

Jan Roskam observa en su libro " Historias de guerra de aviones de Roskam ":

Sin duda, es un lujo inusual para un ingeniero disponer de datos completos del túnel del Número de Reynolds.

Por lo general, para casos subsónicos bajos, se iguala el número de Reynolds, mientras que para casos transónicos y supersónicos, se iguala el número de Mach. En caso de que solo desee la similitud del número de Reynolds, puede optar por un túnel de agua.

La única forma de obtener la similitud de los números de Reynolds y Mach para los modelos (a menos que cambie el medio) es usar un túnel de viento presurizado y/o criogénico. El túnel de viento criogénico logra el número de Reynolds requerido al reducir las fuerzas viscosas en lugar de aumentar las fuerzas de inercia; incluso entonces, los números de Reynolds reales que se encuentran en vuelo rara vez se logran y uno tiene que recurrir a leyes de escala.

La escala del modelo utilizado depende de la aplicación. En algunos casos (como las pruebas de vehículos hipersónicos) se utilizan modelos a escala 1:1, mientras que en otros casos, como las pruebas del A380, se utilizaron incluso modelos 200:1.

Aunque la fuerza que actúa sobre los modelos diferiría según las aplicaciones (e incluso se acercaría a las fuerzas reales en algunos casos), las fuerzas que actúan sobre los modelos a escala más pequeña son bastante pequeñas (observe la escala de elevación y arrastre como el cuadrado de la dimensión siempre que los demás parámetros sean los mismos). , que ni siquiera es el caso aquí). En general, se utilizan varias leyes de escala para llegar a las fuerzas experimentadas por el avión real. Por ejemplo , este video muestra las fuerzas en un modelo a escala A380 en el orden de Newtons. Por lo general, le gustaría encontrar el coeficiente de elevación (o arrastre) del modelo y usarlo en el caso real.

El túnel de viento de Kirsten en la imagen que ha vinculado puede medir una elevación máxima de poco más de una tonelada con las otras fuerzas de un orden de magnitud menor que eso. Tenga en cuenta que este es un túnel subsónico bastante grande y los túneles más pequeños pueden medir incluso menos. Tienes que escalar los resultados de acuerdo con el modelo. La velocidad del aire se da como ~ 90$ms^{-1}$.

Hay una serie de cosas que se miden y observan en el túnel de viento, que solo pueden estar vagamente relacionadas con las mediciones de fuerza, como la visualización del flujo, el efecto del desecho de la tienda, el análisis de la estela, entre otros.

Gracias por las otras respuestas. La última parte de mi pregunta, es decir, cuál es el punto de probar usando modelos pequeños que no coinciden con el número de Reynolds, parece ser respondida por el gráfico en esta respuesta :

^{Coeficiente de sustentación sobre el ángulo de ataque para modelos y aeronaves a escala real, tomado de la monografía de Joseph Chambers sobre pruebas con modelos ( Vuelo de modelado: el papel de los modelos de vuelo libre escalados dinámicamente en apoyo de los programas aeroespaciales de la NASA ).}

Este gráfico muestra que el coeficiente de sustentación del modelo y el avión a escala real son idénticos en ángulos de ataque ordinarios; divergen en ángulos más pronunciados (elevación máxima), a medida que la entrada en pérdida se vuelve inminente (el modelo entra en pérdida más fácilmente); y volver a ser idénticos después de la parada. Incluso cuando están más alejados, no son muy diferentes (por ejemplo, la diferencia es un factor de 2 en lugar de un factor de 50).

El documento del que se tomó este gráfico tiene mucha más información.

Además , este vídeo del European Transonic Windtunnel explica cómo consiguen números de Reynolds realistas: bajando la temperatura (por ejemplo, a 110 K, es decir, -160 °C) evaporando nitrógeno líquido después del compresor, sin oxígeno (que se licuaría), y aumentando la presión (hasta 4,5 bar).

Reclama una precisión del 99% (y mejor).

Los modelos más grandes en los que puede caber tienen una envergadura de aproximadamente 1,6 metros.