Caracterizacin Tnel de Viento de Capa Lmite Universidad del Valle

characterization of the universidad del valle boundary layer wind tunnel

Jorge H. Murcia Arias (1) (P); Peter Thomson (2); Jos E. Vanegas (3)

(1) Ing. Civil. Estudiante de maestra. Universidad del Valle. Cali. Colombia(2) PhD. Profesor titular. Universidad del Valle. Cali. Colombia(3) Esp. Laboratorista. Universidad del Valle. Cali. ColombiaDireccin de Correspondencia: jorge.murcia@correounivalle.edu.co; (P) presentador

ResumenLa interaccin fluido estructura es un tema de vital importancia para ingeniera estructural en el cual se presentan fenmenos complejos que involucran gran cantidad de variables. Algunos de los efectos de interaccin fluido estructura son el arrastre aerodinmico, las presiones positivas y negativas y la aeroelasticidad. Aunque estos fenmenos se pueden estudiar mediante mtodos numricos, analticos y ensayos experimentales, la forma ms precisa es mediante ensayos experimentales en tnel de viento. Un tnel de viento permite estudiar de forma experimental los efectos producidos por las cargas elicas sobre modelos a escala reducida para tener una buena descripcin del fenmeno real. El Reglamento Colombiano de Construccin Sismo Resistente NSR-10 exige que las estructuras con forma irregular o caractersticas de respuesta inusuales sean estudiadas y diseadas usando modelos a escala ensayados en tneles de viento. En este artculo se presenta un resumen del diseo, construccin y caracterizacin del tnel de viento de la Universidad del Valle. Se hace una descripcin de los equipos, de los modelos numricos realizados para la calibracin y de los parmetros de funcionamiento y de diseo. Tambin se presentan recomendaciones para futuras modificaciones.Palabras clave: Tnel de viento; cargas elicas, modelos a escala, perfil de presiones, capa limite, perfil de velocidades.

AbstractFluid-structure interaction is an important area related to structural engineering that involves complex phenomena and a large number of variables. Some of these effects of fluid-structure interaction include drag, positive and negative pressure with respect to atmospheric pressure, and aeroelasticity. Although these effects can be considered numerically, analytically and experimentally, it is by means of experimental studies in wind tunnels that most precise results are usually obtained. Wind tunnels allow tests to be conducted on scaled models of structures and, with a careful modeling of the air flow and structure, results similar to those obtained from full scale testing can be obtained. The Colombian Building Code (NSR-10) requires engineers to conduct wind tunnel testing for non-conventional structures and for those that might have unusual response to wind loads. In this paper, a description is given of the design, construction and characterization of the Universidad del Valle Boundary Layer Wind Tunnel. Details of the equipment, calibration numerical models and specifications are provided, as well as recommendations for future upgrades and modifications.Keywords: Wind tunnel, wind loads, scaled models, pressure profile, boundary layer, velocity profile.

1. Introduccin

El conocer los efectos de la interaccin fluido estructura es de importancia para la ingeniera, la manera adecuada de estudiar estos efectos es mediante modelos a escala ensayados en tnel de viento como lo hicieron (Blackmore, Tsokri 2006), (Shuguo Liang 2004), (Rdiger y Uwe 2007). El conocer estos efectos implica llevar a cabo un diseo adecuado de las estructuras ante cargas elicas y por ende mayor garanta de seguridad para los usuarios de las estructuras, las aseguradoras y los propietarios. En trminos sociales, puede afirmarse que la construccin de un tnel de viento es pertinente y prioritaria pues se trata del desarrollo de metodologas para la determinacin de cargas elicas sobre estructuras (BSI-95) (Cermak 2003). Este artculo describe el diseo, construccin y los modelos de calibracin de un tnel de capa lmite de circuito abierto, con velocidades de 0 a 30 m/s (rgimen incompresible) y para aplicaciones relacionadas a la ingeniera civil. El diseo del tnel fue realizado tomando en cuenta todos los parmetros aerodinmicos y fsicos que influyen directa o indirectamente en el comportamiento y la trayectoria del flujo de viento.

Se describen los componentes del tnel, entre los que se encuentran la tobera, los honeycombs, la seccin de ensayos, el mecanismo para el control de cada de presiones y el ventilador. Se presenta tambin la calibracin del tnel realizada por medio de modelos numricos, como por medio de ensayos iniciales, por ltimo se muestra un anlisis de resultados y las conclusiones

2. Metodologa

2.1. Estructura del tnel

El tnel de viento de la Escuela de Ingeniera Civil de la Universidad del Valle es un tnel de capa lmite y circuito abierto construido con fibra de vidrio. El tnel tiene una longitud de 32 m, seccin inicial de 4 m x 4 m y reduce a una seccin de 2 m x 2 m. Una de las ventajas de este tnel es su bajo costo en comparacin con un tnel de circuito cerrado. Mediante un diseo cuidadoso la potencia ptima de operacin de ambos circuitos (cerrado y abierto) es semejante, dado que las prdidas son relativamente similares, pues las prdidas en las esquinas del circuito cerrado, son intercambiadas por las prdidas a la entrada y salida del circuito, sugerido por (Martnez 2010). Los componentes principales del tnel de viento descritos en este artculo se muestran en la Figura 1. Estos son: los honeycombs, pantallas de turbulencia, tobera, seccin de ensayos, escner automtico del perfil de velocidades, seccin de control cada de presin, mesa balanza, ventilador, nacelle y la unidad de potencia hidrulica (ver Figura 1).

Figura 1: Esquema y Ubicacin Tnel de Viento

2.2. Honeycomb y pantalla de turbulencia

2.2.1. Los Honeycombs

Son conocidos como enderezadores de flujo, su objetivo es proporcionar un flujo espaciado, relativamente uniforme y estable de aire en la seccin de pruebas. Existen diferentes arreglos para los honeycombs: circulares, cuadrados, hexagonales y triangulares (ver Figura 2). Los parmetros de diseo son el radio de la celda, la longitud, el dimetro hidrulico y la porosidad. (Jewel. William y Alan 1999) proponen que la relacin adecuada entre la longitud y el dimetro de la celda est en un rango de 6-8, con una porosidad cercana a 0.8. Para este tnel de viento se colocaron a la entrada de la tobera y antes del ventilador, se utilizo seccin cuadrada con un dimetro de 1 in y 20 cm de longitud.

Figura 2. Corte transversal Honeycombs (Tolentino 2003)

Estos valores llevan a un coeficiente de prdida ecuacin (1) alrededor de 0.5 para los honeycombs.

(1)

Donde: Dimetro Hidrulico Porosidad de los honeycombs Longitud o espesor a lo largo del flujo

2.2.2. Las pantallas

Un flujo uniforme es obtenido con los honeycomb junto con pantallas o rejillas para el paso del aire. La resistencia al flujo de una pantalla de alambres (rejilla) es aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad. La resistencia al flujo es mayor en los puntos de mayor velocidad. La cada de presin para las pantallas se puede obtener usando la ecuacin (2), donde Ks es el factor de densidad de la pantalla, para n pantallas la cada presin se puede obtener con la ecuacin (3) propuesta por (Jewel. William y Alan 1999).

(2) (3)

En las pantallas o mallas el coeficiente de cada de presin que depende de la porosidad y el nmero de Reynolds (Re) se calcula como (Tolentino R. et al 2004):

(4) (5) (6)

Donde:K = coeficiente de cada de presin = porosidad nmero de Reynolds dimetro del alambreM = tamao celda mallaU = velocidad del flujoviscosidad cinemtica del flujo.

Se utilizaron rejillas con una tamao de celda de 1 in y dimetro del alambre de 2.5 mm, para una porosidad de 0.81 y una cada de presin K de 0.10.

2.3. Tobera

La tobera es el componente donde se toma el flujo y permite mejorar la eficiencia de tnel debido a un aumento de velocidad del fluido en su recorrido a lo largo de la tobera. Los valores tpicos de aumento de velocidad estn un rango de 6-10 veces, que va acompaado por una cada de la presin como lo evidenci (Camacho 2011). A la entrada, la tobera tiene una seccin constante de 90 cm de longitud donde estn ubicados los honeycombs y las pantallas para reducir la turbulencia, similares a las utilizadas por (Mehta y Bradshaw1979). Para garantizar un flujo uniforme a la salida se hizo un cambio de seccin suave de 4 m x 4 m a 2 m x 2 m con un perfil de pared de contraccin como se observa en la Figura 3.

Figura 3: Seccin Tobera.

2.4. Seccin de Ensayo

La forma de la seccin de ensayos se basa en consideraciones aerodinmicas de los modelos a ensayar, para este tnel de viento se tiene una seccin cuadrada de 2 m x 2m, estas dimensiones facilitan la construccin e instrumentacin de los modelos ya que el rea proyectada del modelo a escala debe ser menor que el 8% del rea de la seccin transversal de ensayo a menos que se haga una correccin por bloqueo (NSR 2010). La seccin de ensayos tiene 3 ventanas rectangulares lo que permite tener una adecuada observacin al momento de realizar pruebas. El tnel tiene una longitud de 32 m que permite el desarrollo de la capa lmite y el perfil de velocidades antes de la seccin de ensayo, propuesto por autores como (Jack y Cermak1999) y (Alvarez et al. 2004).

2.5. Control Cada De Presin

Este mecanismo permite variar entre la configuracin 1 y 3, la pendiente de la seccin del tnel como se observa en la figura 4, para controlar la cada de presin y eliminar el fenmeno de flotabilidad. Por medio de un sensor mvil ubicado antes de la seccin de ensayos se toma el perfil de velocidad para un plano representativo en la seccin de ensayos. Los datos tomados por este escner permiten analizar la uniformidad espacial de velocidad, la uniformidad espacial de presin esttica, como la intensidad de turbulencia, realizado en (Ramrez 2005).

Figura 4: Esquema Seccin Control Cada de Presin.

2.6. Mesa de Balanza

La mesa de balanza es un mecanismo con una placa circular de aluminio de 1.60 m de dimetro, esta placa circular puede girar en su eje vertical y sobre esta se empotran los modelos a ensayar (ver Figura 5). Est apoyada tanto vertical como horizontalmente sobre 4 celdas de carga LC101-500 y 3 celdas LC101-250 respectivamente, por medio de las cuales se medir la fuerza de arrastre ejercida por el flujo de viento sobre los modelos a escala.

Figura 5: Mesa Balanza.

2.7. Ventilador

Para el diseo del ventilador una de las variables ms importantes es el manejo de las rpm que pueden estar limitadas por diferentes factores, otra variable importante para el ventilador es la ubicacin, para este tnel de viento se encuentra ubicado al final del tnel. El flujo de aire se genera por medio de este ventilador axial que cuenta con 13 aspas impulsado por un motor hidrulico de 100 hp, con torque mximo de 7000 lbf.in, alimentado por dos unidades de potencia, que permiten un rango de velocidad angular de 100 a 1050 rpm.

2.7.1. Unidad de Potencia Hidrulica

La unidad de potencia hidrulica se encuentra ubicada en el cuarto de mquinas del Laboratorio de Dinmica Estructural e Ingeniera Ssmica (LINSE) de Ingeniera Civil. Una unidad proporcionar un flujo de aceite de 68gpm y la otra 25gpm al ventilador para obtener una potencia de 100 hp, un torque de 7000 lbf.in y un rango de revoluciones de 100 rpm a 1050 rpm.

Figura 6: Unidad de Potencia Hidrulica

2.7.2. Nacelle

El dimetro del nacelle del ventilador axial es de 1 m, segn (Jewel. William y Alan 1999) este debe estar alrededor de 30-50% del dimetro en la seccin del ventilador. Con el fin de disminuir la fuerza de arrastre sobre el ventilador axial y obtener una mejor distribucin del flujo aguas abajo se procedi a realizar un proceso de diseo de un nacelle aerodinmico evaluando la reduccin del arrastre de manera numrica, utilizando CFD y el software ANSYS V14 utilizando una mitologa similar a la usada por (Sargison 2004).

Figura 7. Malla del dominio computacional modelado.

2.7.3. Aspas

El ventilador del tnel de viento tiene 13 aspas en fibra de vidrio, estas aspas pueden llegar hasta 700 rpm segn especificaciones del fabricante. Para verificar las condiciones de flujo desarrolladas por las aspas, se llev a cabo un levantamiento tridimensional de este elemento, luego se realiz un modelo numrico utilizando el software ANSYS V14 (ver Figura 8).

Figura 8. Lneas de corriente generadas por el ventilador axial.

3. Anlisis de Resultados

3.1. Caracterizacin del Sistema Hidrulico

Se realiz un circuito cerrado, donde se le aplic diferentes voltajes a la vlvula que se encuentra en la unidad de potencia y por medio de un caudalimetro se tomaron registros de los gpm suministrados por el sistema hidrulico al motor del ventilador (ver Tabla 1).

Tabla 1: Calibracin vlvulaVoltaje (V)Amperaje (A)Galones (Gpm)

50.350

60.5825

70.8150

81.1060

La siguiente curva muestra los galones por minuto (gpm) suministrados al motor del ventilador para diferentes voltajes aplicados a la vlvula del sistema.

Figura 9: Voltaje Vs Galones

3.2. Calibracin del ventilador

Se midi la velocidad angular del ventilador por medio de un sensor de proximidad inductivo, la Figura 10 permite visualizar la velocidad angular esperada en el ventilador para diferentes niveles de voltaje aplicados a la vlvula.

Figura 10: Voltaje Vs Rpm Ventilador

3.3. Perfil de presiones longitudinales

Para este montaje experimental se localizaron 4 sensores de presin (142PC05D), ubicados en L=0, L/4, L/2 y en 3/4L, donde L es la longitud del tnel, se tomaron registros para 4.6 voltios a 6 voltios cada 0.2 voltios. De modo que se obtuvo los resultados reportados en la Figura 11-a para la velocidad del ventilador.

Figura 11: Hz Vs voltaje y Perfil de presiones

Tambin se obtuvo un perfil de presiones para los diferentes sensores Figura 11-b donde el sensor P1 est localizado en L = 0, y el sensor P4 en 3/4L, para esta configuracin se obtuvo una velocidad mxima de 54 Km/h.

3.4. Modelos numricos de la Nacelle y Aspas

Los modelos numricos de la nacelle se realizaron para condiciones de flujo que cubren todo el rango de funcionamiento del tnel de 0 a 30 m/s y se obtuvo una reduccin de la fuerza de arrastre mxima del 88,68 % en el ventilador.

Figura 12. Contorno de velocidades sobre el nacelle.

De los modelos numricos del ventilador-aspa se pudo verificar que la velocidad de viento en la zona de prueba de 30 m/s se obtiene para una velocidad angular del ventilador de 1000 rpm.

3.5. Modelos numricos tnel de viento

Se realizan modelos numricos para evaluar el comportamiento del flujo a lo largo del tnel, para evaluar el desarrollo de la capa lmite por medio de los elementos de rugosidad para la generacin del perfil de velocidades y ajustarlo a la ley potencial. Se evala un rango de velocidades y de altura de los elementos de rugosidad con el fin de caracterizar los mismos. A continuacin se ilustra en la Tabla 2 los valores de las velocidades y alturas de los elementos de rugosidad evaluados, para cada altura se analiz en el rango de velocidad descrito en la tabla.

Tabla 2: Puntos de AnlisisAlturasVelocidades

10 mm5 m/s

30 mm10 m/s

60 mm15 m/s

90 mm20 m/s

120 mm25 m/s

----28.4 m/s

El Reglamento colombiano de construccin NSR-10 presenta los coeficientes para la ley potencian como 0.25, 0.15, 0.11 para la exposicin B, C y D respectivamente, la ley de potencial se define como.

(7)

3.5.1. Clculo Terico De La Longitud De Rugosidad

Los objetos de rugosidad se ubican con una densidad geomtrica calculada con base en (Arun Iyengar 2001) de un tnel con similitud geomtrica con respecto a este estudio. Dicha densidad se establece de la siguiente manera.

(8)

Para elementos de rugosidad de rea en planta circular con dimetro de 50 mm y altura 60 mm, se encuentra una densidad de rea en planta de .(Lettau 1969) ha proporcionado mtodos analticos mediante el cual la longitud de la rugosidad superficial puede calcularse directamente basado en las dimensiones y separaciones de los elementos de rugosidad. Se presenta la siguiente ecuacin para calcular la longitud de rugosidad superficial, Zo que contiene bases de los dos mtodos:

(9)

Donde:H: Altura promedio del obstculoAf: es el rea frontal de los obstculos Ad: es el rea total cubierta por los obstculosf: densidad de rea frontal de los obstculos0,5: es un coeficiente de resistencia aerodinmica media de los obstculosPara los elementos simulados se obtuvo un Zo ilustrado en la siguiente tabla.

Tabla 3: Longitud de rugosidad Zo.H(mm)Zo(mm)

100,063

300,592

602,366

905,324

1209,465

3.5.2. Simulacin Numrica

La malla implementada en todos los modelos numricos es automtica, con elementos tetradricos a los cuales se les controla la relacin de aspecto en todo su volumen, se utilizan capas volumtricas hexadricas en la zona cercana a las condiciones de pared y a los elementos de rugosidad, con tamao de los elementos de aproximadamente 0.1 mm. Figura 13. Se realiza un anlisis de independencia de malla para parametrizar el tamao de los elementos en funcin de las variables de los modelos, altura de los obstculos y velocidades.

Figura 13. Malla Tnel de viento CFD y Planos de Corte.

En el post procesamiento se realizan 9 planos de corte ubicados a 0.10m, 0.8m, 2.2m, 4.8m, 13m, 22m, 24m y 26m (Figura 13) con el objetivo de visualizar el comportamiento del perfil de velocidades a lo largo del tnel. Esto se realiza con el dominio del tnel completo y se compara este perfil de velocidades con el perfil obtenido implementando los elementos de rugosidad. En la siguiente figura se puede observar el desarrollo del perfil en el dominio vacio para un rango de velocidades a lo largo del tnel.

Figura 14. Perfil de velocidades sin elementos de rugosidad

Figura 15: Perfil de velocidades con elementos de rugosidad

En la figura se puede observar el perfil de velocidades a lo largo del tnel para varias velocidades implementando los elementos de rugosidad, analizando sus variaciones para el rango de alturas evaluadas.

Figura 16: Ajuste ley Potencial

Se tomo el perfil velocidades para el plano 7 (Ver Figura 16) que corresponde al plano de ensayo de los mldelos y se ajusto al perfil de la ley potencial y se obtuvieron los datos consignados en la tabla 5.

Tabla 4: Coeficientes de Exposicin SimulacinAltura Ele. Simulacin

1 cm-----

3 cm-----

6 cm0,09

9 cm0,15

12 cm0,30

4. Conclusiones

Se puede apreciar una relacin directamente proporcional entre el caudal suministrado al motor y su velocidad angular; con la unidad de potencia hidrulica de 68 gpm se alcanzar una velocidad de 700 rpm, teniendo en cuenta que la especificacin del motor permite alcanzar hasta 1050 rpm. Para aumentar la velocidad angular del motor se debe utilizar simultneamente la unidad de potencia hidrulica de 68 gpm y 25 gpm.

Mediante la calibracin del tnel se obtuvo una velocidad de 14.97 m/s (54 Km/h), esta velocidad se obtuvo para un 30% de la capacidad mxima del motor, se espera en un futuro alcanzar 30m/s como se obtiene en los modelos numricos.

Para mejorar la eficiencia del tnel de viento se puede implementar un mecanismo que permita variar el ngulo de las aspas del ventilador. Este mecanismo permite modificar el rendimiento, teniendo para cada frecuencia el ngulo de ataque ptimo.

Los ensayos experimentales realizados no cumplen con las expectativas para los modelos a ensayar en el tnel, se debe de hacer algunos ajustes finales al tnel, como un balanceo del ventilador, configurar la seccin de control cada de presin, calibrar el sensor de velocidad de flujo, entre otros. Y realizar nuevamente ms ensayos.

Analizando los resultados de los modelos numricos y de la metodologa implementada en la evaluacin, se puede apreciar que al variar las velocidades normales que se tienen en el modelo se tiene un rango muy amplio en el cual el nmero de Reynolds vara mucho y como consecuencia afecta la metodologa de enmallado de cada uno de los modelos, se sugiere realizar un estudio detallado de cmo influye afecta el nmero de Reynolds y la relacin de aspecto del enmallado a los resultados numricos, validando los resultados obtenidos experimentalmente.

Los resultados de los perfiles presentados en este documento actualmente se encuentran en el proceso de validacin experimental por medio de las pruebas en el tnel de viento, ahora se est realizando la calibracin del tnel y de los modelos para realizar posteriormente los ajustes requeridos al modelo numrico y su validacin metodolgica y experimental.

5. Agradecimientos

Los autores agradecen a la Universidad del Valle y a Colciencias por la financiacin del proyecto Investigacin y desarrollo de metodologas para la evaluacin de cargas elicas en estructuras, cdigo del proyecto 1106-489-25296, y al Grupo de Investigacin en Ingeniera Ssmica, Elica, Geotcnica y Estructural G-7.

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