Túnel de viento: todos los secretos

En el ámbito de la ingeniería, los túneles de viento son una herramienta indispensable para el estudio del comportamiento del aire en movimiento alrededor de objetos sólidos. Estos recintos, cuidadosamente diseñados, permiten recrear las condiciones del mundo real de forma controlada, proporcionando información valiosa para el desarrollo y optimización aerodinámica.

Se utilizan en el motorsport, para conseguir hacer más eficientes y con mejor rendimiento a los vehículos de competición, pero también se usan para los coches de calle, y para otras muchas aplicaciones. Dada su importancia, aquí vamos a dedicar un artículo solo a ellos…

¿Qué es un túnel de viento?

Un túnel de viento consiste en un conducto cerrado por el que se hace circular aire a velocidades controladas. Pueden ser de pequeño tamaño, o también de gran tamaño, ocupando incluso edificios completos. Sea como sea, el objeto de estudio, ya sea un modelo a escala o un prototipo a tamaño real, se coloca dentro del flujo de aire, mientras que sensores y cámaras capturan datos sobre el comportamiento del aire a su alrededor, es decir, detalles de aerodinámica.

Es una forma más precisa de obtener información sobre el drag o resistencia aerodinámica, o sobre la carga aerodinámica o downforce, así como de vórtices generados, flujo laminal, etc. En la mayoría de los casos, supera la fidelidad de las simulaciones por CFD, aunque no es un sustituto, pueden ser complementos perfectos para afinar los diseños, mientras que se diseña y prueba en CFD, se puede verificar en el túnel de viento.

No obstante, al igual que el CFD, la fiabilidad del túnel de viento dependerá del nivel de detalle simulado o de las variables. Por ejemplo, se puede mejorar los datos, haciendo que se correlacionen mejor con la realidad si el túnel de viento cuenta con suelo móvil para simular el asfalto, si se pueden simular movimiento de suspensiones y alturas diferentes, curvas moviendo el prototipo, así como usar un prototipo a una escala lo más parecida a la real o a la real si es posible.

Un aspecto positivo es que, como son condiciones controladas, siempre puedes generar esas mismas condiciones para probar distintas piezas o modificaciones en las mismas condiciones exactas, algo que no se puede hacer en pruebas reales en pista, donde dependerás de la velocidad del viento y su dirección, presiones por la altitud, etc.

Entre las aplicaciones de un túnel de viento, no solo está la aerodinámica de aviones, automóviles, motos, camiones, etc., también se puede usar para estudiar estructuras para arquitectura como comprobar el flujo de viento en los edificios altos, para mejorar el equipamiento deportivo como cascos, pelotas, etc., así como para mejorar la refrigeración, etc.

Partes del túnel de viento

Ahora que sabes qué es, lo siguiente es conocer las partes comunes que suelen tener los túneles de viento:

• Sección de entrada: por donde se ingresa el aire al túnel de viento. Es donde se encuentra la rejilla de entrada, que asegura la distribución uniforme del flujo de aire, minimizando turbulencias y distorsiones.
• Secciones de acondicionamiento del flujo: aquí se encuentra los panales de malla que reducen la velocidad del aire y eliminan partículas no deseadas, asegurando aire limpio y uniforme. También están las pantallas de flujo recto, que son perfiles que alinean el aire, eliminando vórtices y turbulencias generadas en la sección de entrada. Luego estará la cámara de asentamiento, que permite que el flujo de aire se estabilice y alcance una distribución uniforme antes de llegar al objeto de estudio.
• Sección de prueba: es el corazón del túnel, donde se coloca el objeto de estudio. Esta sección debe ser transparente o con ventanas de cristal para permitir la observación del flujo de aire y la realización de mediciones. Aquí suele haber otros elementos, como el soporte que sujeta el prototipo, cintas transportadoras para simular el asfalto, iluminación, etc., dependiendo del tipo de túnel.
• Sección de salida: básicamente es un difusor, aumenta gradualmente la velocidad del aire a medida que sale del túnel, minimizando perturbaciones en la presión y la temperatura. Finalmente está la tobera de salida, por donde el aire vuelve al exterior.

¿Existen los túneles de agua?

Sí, existen los túneles de agua, que son herramientas similares a los túneles de viento, pero usan el agua (u otro líquido) como fluido. Como sabes, el agua es más densa que el aire, pero también se puede usar para analizar distintos detalles como la hidrodinámica de barcos y submarinos, embarcaciones deportivas, ingeniería marina para estudiar flujos de agua, estructuras, etc.

Criterios de diseño de un túnel de viento

Para diseñar un túnel de viento libre, se pueden tener en cuenta multitud de criterios. Es cierto que en las categorías de motorsport, como la F1, los túneles de viento también están controlados por normativa para evitar que los equipos gasten ingentes cantidades de dinero en ellos para obtener ventajas, pero en otros sectores hay libertado absoluta, pudiendo elegir sin restricciones:

• Dimensionamiento y forma del túnel: el tamaño del túnel de viento guarda una estrecha relación con las dimensiones del prototipo de estudio, por ejemplo, un túnel para modelos a escala 1:1 será más grande que uno a escalas inferiores. Recuerda que un túnel demasiado pequeño puede generar efectos de pared, distorsionando el flujo de aire, mientras que uno demasiado grande puede resultar costoso e ineficiente. La forma del túnel también juega un papel crucial, minimizando la formación de vórtices y turbulencias no deseadas.
• Velocidad del flujo: se debe elegir entre un compresor de aire o un ventilador, y las RPM o presiones a las que trabaja, para que sea lo más real posible. Por ejemplo, no es lo mismo simular vientos para arquitectura, que velocidades de un F1, etc.
• Secciones de acondicionamiento del flujo: antes de que el aire llegue al objeto de estudio, atraviesa una serie de secciones diseñadas para acondicionarlo y eliminar turbulencias no deseadas. Panales de malla, pantallas de flujo recto y cámaras de asentamiento son algunos ejemplos de estas secciones, garantizando un flujo de aire uniforme y predecible. Por ejemplo, en los túneles de viento donde se usan cintas móviles para simular el movimiento del suelo, suele haber elementos para evitar que este giro absorba o altere de alguna manera el flujo de aire que viaja por la zona baja, ya que eso alteraría los resultados en elementos como el ala delantera o el fondo plano y difusor…
• Sistema de control y medición: no todos los túneles de viento o propósitos necesitan los mismos sistemas de monitorización o medición, ni tampoco la misma precisión de estos elementos. Todo dependerá de la aplicación.

Instrumentación de medida

Los túneles de viento, cual sensores del mundo real, dependen de una amplia gama de instrumentos de medición y monitorización para capturar datos precisos sobre el comportamiento del flujo de aire. Estos instrumentos pueden ser:

• Sensores de velocidad: por ejemplo, se pueden incluir anemómetros para medir la velocidad del flujo de aire en un punto, mediante anemómetros de hélice o láser de efecto Doppler. También son frecuentes los famosos tubos de Pitot, que vemos en todos los F1 en el morro, esos tubos finos en forma de F que puede medir presiones y velocidades de aire.
• Sensores de presión: pueden ser sensores como los manómetros que medirán las presiones estáticas y dinámicas del aire, o también transductores de presión electrónicos. No solo pueden estar para medir el flujo, también se pueden situar bajo las ruedas, para medir la carga aerodinámica, etc.
• Sensores de temperatura y humedad: la humedad y la temperatura pueden alterar la densidad y el comportamiento del flujo de aire. Si se quiere controlar estos detalles, también encontraremos higrómetros, termistores, termocuplas, etc.
• Sensores de dirección del flujo: se usan los denominados como vane anemómetros, que miden la velocidad y la dirección del flujo de aire en un punto determinado. Son útiles para estudiar la distribución del flujo alrededor del objeto de estudio. Por ejemplo, alrededor del neumático…
• Sistemas de visualización del flujo: como el aire es transparente, se pueden incluir elementos para poder visualizar los flujos de forma más visual, algo que ayuda a los científicos o ingenieros. Por ejemplo, se inyecta humo en el flujo de aire para visualizar las líneas de corriente y las zonas de turbulencia. También se pueden agregar tintes, tanto en el aire como en fluidos como el agua para los túneles de agua de los que hablé anteriormente. Otra forma de hacerlo es mediante las conocidas como partículas trazadoras, que se introducen en el flujo de aire para seguir su trayectoria y visualizar el patrón del flujo.
• Sistemas de adquisición y procesamiento de datos: para recoger y analizar todos los datos de los sistemas anteriores, es necesario tener registros en tiempo real o a ciertos intervalos, así como sistemas de adquisición de datos o DAQ que conviertan las señales analógicas de los sensores en datos digitales para ser procesadas por un ordenador, así como software de análisis de datos para visualizar y analizar los datos obtenidos.

Tipos de túnel de viento

Si bien comparten el mismo objetivo fundamental, los túneles de viento se clasifican en diferentes tipos según sus características, capacidades y aplicaciones específicas. Los más populares según la velocidad del flujo son:

• Túneles de viento subsónicos: estos túneles simulan velocidades de aire por debajo de la velocidad del sonido, lo que los convierte en la opción ideal para estudiar una amplia gama de aplicaciones, cono puede ser la aerodinámica de conductos y tubos, aerodinámica de automovilismo, deportes, o para ingeniería civil.
• Túneles de viento supersónicos: ssimulan velocidades de aire que superan la velocidad del sonido, siendo cruciales para el desarrollo de aeronaves y proyectiles que operan a velocidades supersónicas. Suelen utilizarse para diseñar aviones de alta velocidad, como los cazas de combate, también para misiles, cohetes, motores a reacción, etc.
• Túneles de viento hipersónicos: van un paso más allá, con velocidades de aire que superan varias veces la velocidad del sonido, utilizados para el diseño de vehículos espaciales y misiles hipersónicos, e incluso para investigación científica de otro tipo.

Según la temperatura a la que trabajan, también podemos ver:

• Túneles de viento convencionales: operan a temperaturas normales, generalmente las que solemos tener a nivel ambiental.
• Túneles de viento criogénicos: con temperaturas extremadamente bajas, simulando las condiciones de flujo de aire a grandes altitudes o en el espacio exterior. Pueden ser útiles para naves espaciales, que están a muy bajas temperaturas, y también para otras aplicaciones de análisis en sistemas criogénicos.

Según su arquitectura, también encontramos:

• Túneles de viento con retorno cerrado: en estos túneles, el aire circula en un circuito cerrado, impulsado por un ventilador o compresor. El objeto de estudio se coloca dentro del flujo de aire, y el aire recircula a través del túnel. Este diseño ofrece varias ventajas, como la mayor eficiencia, ya que el aire recircula, lo que reduce el consumo de energía y la necesidad de aire fresco, además de permitir un mejor control del flujo en cuanto a velocidad, temperatura y humedad. También son más silenciosos.
• Túneles de viento con retorno abierto: a diferencia de los túneles con retorno cerrado, en estos el aire circula en un circuito abierto. El aire es impulsado a través del túnel y luego se libera a la atmósfera. Este diseño es común en túneles de gran tamaño, donde la recirculación del aire no es práctica o eficiente. Gracias a este diseño tenemos mayores capacidades para prototipos más grandes, además de ser menos costosos al tener una arquitectura más simple que los circulares. Otro detalle importante es que el retorno abierto permite simular mejor las condiciones del viento real, ya que el aire no está recirculando, algo positivo por ejemplo para aerodinámica de vehículos.

Imágenes | Canva | NASA | F1