Objetivo de la prácticas

El objetivo de las prácticas es la obtención experimental de la distribución de presiones sobre la superficie de un perfil aerodinámico inmerso en un fluido. El movimiento relativo del fluido respecto al perfil es, suficientemente lejos del perfil, uniforme y a altos números de Reynolds.

El conocimiento de dicha distribución permite calcular las fuerzas que el fluido ejerce sobre el sólido la cual normalmente se descompone en su componentenormal al movimiento fluido conocida como sustentación L, y una paralela al movimiento denominada resistencia D. El cálculo de estas fuerzas es fundamental para el correcto diseño de las alas de los aviones.

Es bien conocido que en el caso de que el sólido sea aerodinámico, es decir, aquellos cuya dimensión en la dirección del movimiento es mucho mayor que en su dirección transversal, y siempre que las capas límites permanezcan adheridas al perfil, la fuerza resultante coincide prácticamente con la sustentación (L >> D).

Bajo las condiciones anteriormente expuestas, la teoría potencial permite calcular teóricamente dichas distribuciones de presiones y las fuerzas con notable exactitud. Comprobaremos en la presente práctica la idoneidad de dicha teoría comparándola con los resultados experimentales.

Es práctica común adimensionalizar las presiones con la presión dinámica

donde cp se denomina coeficiente de presiones y p1, U1 ,p son, respectivamente, la presión, velocidad y densidad del fluido lejos del objeto

De la misma manera se adimensionalizan la sustentación y la resistencia dando lugara los conocidos coeficiente de sustentación y resistencia dados, en el caso bidimensional, por:

Respectivamente, donde c la cuerda del perl y L y D son fuerzas por unidad de longitud.Mediante la integración de cp a lo largo del perl pueden calcularse el coeficiente deSustentación:

y el coeficiente de resistencia de presión :

donde ny, nx representa la proyección según x e y de la normal del obstáculo, es el ángulo de

ataque de la corriente y lp es la curva que describe al perfil.

Medida de la distribución de presiones en un perfil NACA 0013

Montaje experimental en el túnel de viento

En la siguiente figura se muestra el túnel de viento (de circuito abierto) con el cuál se realizará está práctica. El túnel de viento de sección cuadrada tiene una longitud de 23 m, un altura de 1; 80 m y una anchura de 1; 40 m. El túnel funciona con 9 ventiladores (suministrando una potencia de 90 kW) que aspiran el aire desde la sección de entrada donde se encuentra un enderezador de flujo hasta la sección de salida (donde se sitúan los ventiladores).

La cámara de ensayo del túnel mide unos 5 m de longitud. En la cámara de ensayo del túnel de viento (ver _gura 2) colocaremos un ala recta compuesta por perfiles simétricos NACA-0013, como se observa en la _gura 3. El ala recta tiene una cuerda de longitud c = 359 mm y una envergadura s = 857; 5 mm.

Túnel de viento de circuito abierto. Se puede alcanzar velocidades máximas del orden de 30 m/s

La distribución de presiones se mide con sensores mecánicos de presión, como se puede ver en la foto de la gura 3. Las tomas de presión están situadas sobre el extradós del perfil, dispuestas en 5 las de 12 agujeros cada una (teniendo así 60 tomas disponibles).

Ala recta (compuesta por perfiles NACA-0013) en el túnel de viento del laboratorio.

Tomas de presión del ala conectadas, mediante tubos, a sensores mecánicos de presión.

Las filas están dispuestas en la dirección y (dirección transversal al movimiento del aire) tomando como origen y = 0 la pared lateral del túnel de viento, que sujeta el ala) de la forma siguiente :

Los agujeros de cada fila, están dispuestos en la dirección x (la dirección del flujo de aire), según la siguiente distribución (donde x = 0 representa el borde de ataque del ala):

Para la medida de la velocidad del flujo de aire en la cámara de ensayo, se utiliza un tubo de Pitot situado aguas arriba de la cámara de ensayo. El tubo de Pitot también está conectado a unos sensores para medir la presión de remanso y la presión estática.

Realización de la práctica

Debido al número importante de datos, se aconseja utilizar el programa Matlab para analizar los datos. Se pide, lo siguiente para la memoria de la práctica:

1. Tomar la velocidad U1 con el manómetro digital conectado al tubo de Pitot.Calcular el número de Reynolds Re y comparar su valor con el caso real, es decir a escala real para vuelos de aviones comerciales.

2. Medir la distribución de presiones tanto en el extrados como el intrados del perfil para ángulos de ataque entre 0 y 15 grados. Los datos experimentales de las medidas de distribución de presiones durante la práctica se guardan en un fichero Matlab (del tipo .mat).

3. Representar la curva de cP (intrados) y cP (extrados) frente a x/c. Comentar como varía la diferencia cP = cP (intrados) - cP (extrados) a lo largo de la envergadura s del ala recta?

4. A partir de las distribuciones de presión cP anteriores, calcular el coeficiente de sustentación para cada ángulo de ataque y representar cL frente a. Comentar la evolución de cL.

Medidas de la distribución de presiones en un perfil NACA 0012

Medidas de la distribución de presiones

Túnel de viento con una cámara de ensayos de la misma anchura que el perfil NACA 0012.

Perfil NACA 0012 con su tomas de presión.

En la cámara de ensayo del túnel de viento colocaremos un perfil simétrico NACA0012 con sus correspondientes tomas de presión. Su geometría viene de definida por la ecuación:

donde c es la cuerda que en nuestro caso toma el valor de c = 152; 4 mm.

Las tomas de presión, agujeros en el extradós del perfil, están situadas en las siguientes coordenadas con respeto al borde de ataque del perl en la dirección x (sentido del flujo de aire):

Para la caracterización de la velocidad del aire en la cámara de ensayo, aguas arriba del perfil se encuentra situado un tubo de Pitot. Tanto las tomas de presión como el tubo de Pitot están conectados a un multimanómetro.

Este multimanómetro, ver la foto de la gura 5, consiste en una serie de columnas de agua (con un poco de pigmento para apreciar el contraste) que miden la diferencia de presión de cada toma con respecto a la del ambiente pa. La primera columna está conectada al ambiente mientras que la segunda corresponde al tubo de Pitot.

Las siguientes doce columnas corresponden ordenadamente a las doce tomas de presión situadas sobre el extradós del perfil. En cuanto a las restantes columnas de agua están conectadas al ambiente pa. Por lo tanto, para calcular la presión p(x) en cada toma, se necesita únicamente tomar la diferencia entre la cota de p(x) y la cota de pa, y aplicando fluidoestática se obtiene que

Multimanómetro para medir la distribución de presiones sobre el perfil NACA-0012 para (a): = 12 grados y (b) = 12 grados.

Realización de la práctica

En esta práctica se va a realizar para una única velocidad del fluido V que deberá medirse mediante el tubo de Pitot. El proceso consistirá en:

1. Medir la velocidad V mediante el tubo de Pitot que esta conectado a las 2 primeras columnas del multimanómetro (partiendo de la derecha). Calcular el número de Reynolds Re. Comparar el valor obtenido con el valor de Re a escala real.

2. Calcular la distribución de presiones (intradós e extradós) para 4 ángulos de ataque respectivamente.

3. Representar la curva de cp frente a (x=c) para el extradós e intradós.

4. Compare el resultado experimental con la curva predicha por la teoría lineal para ángulos de ataque pequeños.Comentar las diferencias entre la experiencia y la teoría lineal.

5. Comparar los resultados experimentales obtenidos para el perfil NACA 0012 con los resultados teóricos obtenidos mediante el método de los paneles y mediante la teoría linealizada.

6. Compare los resultados del coeciente de sustentación cL obtenidos en el caso del ala recta compuesta por perles NACA-0013 y el cl del perl NACA 0012.

Comentar y explicar las diferencias que observan.

Medida de la resistencia aerodinámica de un perfil NACA 0020

La resistencia aerodinámica La fuerza de resistencia aerodinámica D se opone al movimiento por lo que su conocimiento resulta de interés para diversas aplicaciones: cuerpos que se mueven en el seno de aire así como cuerpos inmóviles en una corriente de aire (edificios, puentes,...).

La resistencia aerodinámica de un cuerpo inmerso en una corriente fluida tiene dos contribuciones, como se puede ver en la siguiente figura por un lado se tiene la llamada resistencia de rozamiento que representa la integral de esfuerzo cortante sobre la superficie del cuerpo

Contribuciones respectivas de las fuerzas de presión y de fricción que participan en la fuerza de resistencia total que se ejerce sobre un objeto inmerso en un fluido.

donde representa la proyección de los esfuerzos viscosos en la dirección del movimiento y por otro lado está la resistencia de presión resultado de integrar todas las fuerzas normales a dicha superficies del cuerpo.

con representando la proyección según x de la normal al obstáculo.

El cálculo de la resistencia resulta muy complejo, por lo que hay que recurrir a medidas experimentales como principal método para la obtención de la resistencia de un perfil o cuerpo determinado. En la actualidad, existen tres métodos experimentales empleados para la determinación de la resistencia aerodinámica:

medidas de fuerza con balanza.medidas de presiones sobre el cuerpo.medidas de la estela aguas abajo.

Medida de la resistencia con el método de la estela

Los métodos de determinación de la fuerza de resistencia a partir de medidas en la estela están basados en el hecho de que la resistencia D de un cuerpo es igual a la pérdida de cantidad de movimiento en la estela del cuerpo o, lo cual para el caso de flujo bidimensional puede expresarse, teniendo en cuenta el volumen de control de la siguiente figura

Esquema bidimensional del volumen de control para medir la resistencia sobre el perfil NACA 0020 con el del perl de velocidades u(y) de la estela.

Suponiendo que las presiones son las mismas aguas arriba y abajo (p1 = p2), entonces tenemos que la ecuación de conservación de cantidad de movimiento, para un flujo estacionario, proyectada en la dirección del movimiento (dirección x) es :

donde D es la fuerza de resistencia que ejerce el aire sobre el perfil NACA. Por lo tanto, midiendo el perfil u(y) en la estela y conociendo la velocidad se calcula el valor de D.

Realización de la práctica

El objetivo de esta practica es medir el perfil de velocidades u(y) de la estela, desplazando el tubo de Pitot en la dirección y transversal al flujo de aire.Se pide:1. Fijar el perfil a un ángulo de ataque dado

2. Fijar un valor de p0, es decir se fija un valor de , y tomar el nivel de la columna del multimanómetro conectada al tubo de Pitot a medida que se desplaza el tubo de Pitot en la dirección transversal.

3. Representar el perfil u(y) y la velocidad en una misma gráfica en función de y. Comentar lo que observan y la forma de la estela.

4. Calcular el coeficiente de cd. Para ello, pueden utilizar por ejemplo el método de los trapezoides para calcular la integral de la ecuación. (Pueden utilizar directamente la función "trapz"de Matlab, si lo desean). Comparar el resultado con las medidas realizadas con el método de la balanza.

5. ¿Cómo pueden explicar, si lss hay, las diferencias entre los dos valores de cd obtenidos a través la medida realizada mediante el método de la balanza y el de la estela?

PRACTICA DE LABORATORIO DE AERODINAMICA

EXPERIMENTO DE USO DE TÚNEL DE VIENTO Y TUNEL DE AGUA

MATRICULA ALUMNO225842 Paulina López Guerrero.218356 Jesús Roberto Briano Borunda.239513 Ana Hernández214859 Jesús Heli Valdez Pérez