Un soplador ( túnel de viento en inglés ) es una instalación de prueba utilizada en aerodinámica para estudiar los efectos de un flujo de aire en un cuerpo, generalmente un patrón de tamaño reducido en comparación con el real. En un túnel de viento se pueden realizar mediciones, por ejemplo, de fuerzas y visualizaciones de flujo, que en la mayoría de los casos son imposibles de realizar en condiciones reales de viaje. Hay varios cientos de túneles de viento en todo el mundo, la mayor parte de los cuales se encuentran en los Estados Unidos.
Un túnel de viento también se refiere a un simulador de caída libre. En este caso, el flujo de aire se dirige hacia arriba.
Los primeros experimentos con el objetivo de probar el flujo de aire en los cuerpos se realizaron mediante caída libre o con tiovivos, en particular por George Cayley alrededor de 1800; el cuerpo está sostenido por un brazo giratorio. Este segundo método, que tiene el inconveniente de introducir efectos centrífugos y de hacer que el cuerpo evolucione en su propia estela aerodinámica, ha surgido la idea de crear un movimiento de aire sobre un cuerpo estacionario. El primer túnel de viento fue inventado y construido en Inglaterra por Francis Herbert Wenham en 1871. Constantin Tsiolkovski construyó y probó el primer túnel de viento ruso en 1897 (imagen opuesta). Los hermanos Wright , buscando analizar y mejorar el rendimiento de sus planeadores, también fabricaron un pequeño túnel de viento en 1901. Después del de Charles Renard , los primeros túneles de viento franceses fueron los de Gustave Eiffel en su laboratorio aerodinámico construido en el Champ-de. - Mars (París) en 1909 y reinstalada en el distrito de Auteuil en 1912 (imagen opuesta). El primer túnel de viento de circuito cerrado fue el de Ludwig Prandtl en el Centro de Investigación Aerodinámica de Göttingen en 1909.
Con el desarrollo de la aeronáutica militar a partir de 1910, y después de la Primera Guerra Mundial, las grandes naciones construyeron más túneles de viento. el de Chalais-Meudon fue el más grande en 1929.
Un túnel de viento consiste en un circuito aerodinámico que comprende un flujo de prueba. El circuito de aire puede estar abierto o cerrado:
El flujo de prueba puede ser abierto o "libre" como en los túneles de viento de Eiffel, guiado (por ejemplo, por un piso para probar automóviles) o cerrado. En la mayoría de los sopladores de retorno, la corriente de prueba está cerrada, lo que permite controlar (y cambiar) la temperatura y la presión del aire.
El flujo de aire generalmente se aspira y no se sopla en el modelo, el ventilador (o compresor) se coloca aguas abajo del conducto de prueba.
En el caso de un móvil (avión, vehículo), se considera que el efecto del aire en movimiento sobre el modelo estacionario es el mismo que sobre el modelo en movimiento en una masa de aire fija. Para tener resultados de prueba válidos en una escala reducida, es necesario seguir la ley de similitud que requiere mantener el número de Reynolds reflejando la relación entre las fuerzas de inercia y la viscosidad del aire.
Número de Reynolds : Re = V. L. rho / mu V: velocidad del aire, L: longitud del cuerpo (la cuerda del perfil de un ala) rho: densidad del aire, mu: viscosidad dinámicaTeniendo en cuenta las dimensiones de los aviones más grandes (grandes aviones), se deben obtener números de Reynolds muy altos en el túnel de viento; para eso podemos jugar en V, L y rho. Para L y V, debemos aumentar el tamaño del modelo y la velocidad del aire: esto conduce a ventiladores más grandes y motores más potentes. También puede aumentar rho (la densidad del aire) aumentando la presión del aire en el soplador (soplador presurizado) o disminuyendo la temperatura del aire (soplador criogénico), o ambos.
Como el aire es compresible, el número de Mach también debe respetarse en el caso de altas velocidades. La mayoría de los aviones de pasajeros (jets) vuelan por encima de M 0.8.
Dependiendo de la velocidad y los requisitos de Reynolds, las características físicas del flujo se pueden cambiar:
Estudiar túneles de viento
Modelos sencillos con fines educativos, generalmente circuito abierto. Dimensión de la vena del orden de 60 × 60 cm . Los menos potentes tienen una potencia de unos pocos kilovatios, lo que permite poner en movimiento una vena fluida de unos pocos decímetros cuadrados de sección.
Túneles de viento universitarios
Vetas de 1 a 5 m 2 de sección, velocidad del orden de 40 a 60 m / s , permiten probar modelos de planeadores y aviones a baja velocidad (menos de 200 km / h ). Ejemplos, el túnel de viento S4 de ISAE, o el de la Universidad de Orleans.
Vetas de 5 a 8 m 2 de sección, velocidad del orden de 50 a 100 m / s , permiten probar modelos de aviones más grandes a mayor velocidad. Ejemplo típico, el túnel de viento de la American Texas University de 7 x 10 pies (6,32 m 2 ).
Túneles de viento subsónicos
Estos sopladores tienen una velocidad del aire de hasta 100 m / s ( 360 km / ho M 0.3). Allí se pueden probar vehículos de carretera y aviones durante el despegue o el aterrizaje. Ejemplos, túneles de viento F1 (presurizados) y F2 de Onera, túneles de viento atmosféricos y climáticos de CSTB .
Túneles de viento muy grandes
El mayor túnel de viento de retorno subsónico es el de ONERA en Modane (más de 120 metros de circuito, veta de experiencia de 8 m de diámetro), encargado en 1952 . Muy potente (88 MW), podemos probar modelos de 4 m de envergadura, a más de 300 m / s . El túnel de viento subsónico de circuito abierto más grande es el del Centro de Investigación Ames de la NASA; tiene una sección de prueba abierta de 80 x 120 pies o 24 x 36 m, casi 900 m 2 ; tiene seis ventiladores con una potencia total de 100 MW (135.000 CV).
Túneles de viento transónicos
Tienen una velocidad del aire que va desde M 0.5 a M 1.3, lo que hace posible probar aviones de transporte civil que generalmente vuelan alrededor de M 0.80-0.85. El túnel de viento transónico criogénico europeo Transonic Wind Tunnel (ETW) se establece en Colonia, Alemania. La combinación de presión (hasta 4,5 bares) y muy baja temperatura (hasta -160 grados ) permite obtener un número de Reynolds equivalente al de los aviones de pasajeros más grandes ( Re 80 M para el ala del A380). La capacidad instalada es de 50 MW (68.000 CV).
Túneles de viento supersónicos
Operando desde M 1.5 a 5 , se utilizan para probar aviones de combate y misiles. Ejemplos, el túnel de viento Onera S2 MA, el túnel de viento EDITH de la plataforma FAST ubicada en el laboratorio ICARE, CNRS, Orleans.
Túneles de viento hipersónicos
Los sopladores de ráfagas, que soplan un aire almacenado a alta presión en tanques, permiten alcanzar velocidades muy altas, hasta 25 Mach para probar vehículos hipersónicos y reingresar a la atmósfera. Ejemplos, los túneles de viento Onera S3 ( Mach 5,5 ) y S4 ( Mach 12 ) y F4. El túnel de viento MARHy en funcionamiento continuo en la plataforma FAST ubicada en el laboratorio ICARE (Orleans) permite la simulación de flujos enrarecidos Mach20 .
Túneles de viento supersónicos de alta entalpía
Túneles de viento destinados a la simulación de determinadas condiciones de la fase de alta entalpía de reentrada atmosférica. Permiten probar la resistencia térmica de los materiales utilizados para la protección térmica de las naves espaciales. Ej: el túnel de viento PHEDRA supersónico, de alta entalpía y funcionamiento continuo de la plataforma FAST ubicada en el laboratorio ICARE (Orleans).
Túneles de viento deportivos
Reproduciendo las condiciones de un cuerpo en caída libre, fueron diseñados originalmente para entrenar paracaidistas. También llamado simulador de vuelo de caída libre , el túnel de viento se ha convertido gradualmente en un deporte por derecho propio, supervisado en Francia por la Federación Francesa de Paracaidismo, que actualmente está trabajando para convertirlo en un deporte olímpico a partir de 2024. Cada vez más practicantes, muchos son ya no necesariamente paracaidistas. El túnel de viento deportivo ahora tiene equipos nacionales y sus propias competiciones.
Ver también
Mediciones
Los túneles de viento se utilizan principalmente para medir presiones locales (en la superficie del modelo), campos de presión (aguas abajo del modelo), fuerzas de sustentación aerodinámicas (verticales y laterales) y resistencia , momentos aerodinámicos en los tres ejes: cabeceo , balanceo , guiñada .
Medidas de ruido.
Visualización
El uso de hilos flexibles, chorros de aire de colores o productos químicos sensibles a la naturaleza del flujo permiten visualizar las líneas de flujo y su naturaleza (pegadas, despegadas). La estrioscopia permite visualizar los conos de ondas de choque en flujo supersónico.
Comportamiento
El comportamiento en vuelo de un modelo a escala pilotado remotamente se puede estudiar en un túnel de viento; si el modelo no está alimentado, se puede probar en una corriente de aire inclinada. Cuando el modelo está motorizado (por hélice o por chorro de aire comprimido), se puede probar en un túnel de viento normal.
Hay túneles de viento de eje vertical para probar el comportamiento de los aviones que giran .
Efectos climáticos Los efectos climáticos - viento, lluvia y nieve - en estructuras de ingeniería civil o en vehículos se estudian en túneles de viento climáticos como el túnel de viento Jules Verne en CSTB ubicado en Nantes. Este tipo de túnel de viento permite estudiar:
Simulador de caída libre
