PRLOGO
Disear y construir un tnel de agua para prueba de perfiles
hidrulicos y modelos de mquinas que interacten con el agua en
movimiento, es el desafo que este documento pretende abordar y
resolver. Las pruebas consisten en montar modelos a escala de
perfiles alabes u objetos de geometras simples (esferas, conos,
cubos), para visualizar el campo de flujo, y medicin de fuerzas
hidrulicas, entre otras pruebas que pueden ser realizadas. Debido a
la naturaleza didctica del diseo, el tamao de modelos debe
adecuarse a las capacidades de los estudiantes, y se debe tener
presente que el tamao del mismo condicionar en forma directa el
tamao del tnel. Sin embargo el anlisis dimensional permite realizar
estudios a escala de estos modelos. Es importante anotar que antes
de realizar pruebas para la industria y anlisis complejos con
resultados confiables, es necesario realizar experimentaciones y
adquirir cierta experiencia para que en un momento dado obtener
anlisis y resultados que sirvan para el desarrollo industrial.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO INGENIERA MECNICA
EL GRUPOI
RESUMEN
Se presentan algunos criterios de diseo para un Tnel de agua, un
tipo de instalacin orientada a la investigacin experimental en reas
relacionadas con la Mecnica de Fluidos. Se proponen estrategias de
ahorro energtico y un diseo compacto para favorecer su viabilidad
en pases como Colombia donde no son muy comunes. La clasificacin
del circuito de flujo se hace en dos zonas, la Zona principal y el
sistema de bombeo, la cual determinar la configuracin del
acoplamiento mutuo para cerrar el circuito. Una metodologa de diseo
es propuesta y aplicada para el diseo de un tnel orientado hacia la
evaluacin experimental de nuevas Mquinas Hidrocinticas (MH) y
Pequeos Submarinos (PS), ambos utilizados en el campo de la
generacin de energa renovable en pequea escala a partir de recursos
hdrico.II
INDICEContenidoPRLOGOIRESUMENIII.INTRODUCCIN:1A.JUSTIFICACIN:1B.ANTECEDENTES:1C.OBJETIVOS:1II.TEORAS
DE FLUJO:2A.NMEROS ADIMESIONALES:2B.INTRODUCCIN Y DEFINICIN DE
ANLISIS DIMENSIONAL:3C.DIMENSIONES Y UNIDADES:3D.SEMEJANZA
GEOMTRICA, CINEMTICA Y DINMICA:3E.PARMETROS
ADIMENSIONALES:5F.TEOREMA DE BUCKIGHAM:5III.TNEL DE
AGUA:6A.RESUMEN:6B.INTRODUCCIN:6C.ELEMENTOS PARA EL
DISEO:9D.METODOLOGA:10E.RESULTADOS DEL PROCESO DE DISEO:101.ZONA
PRINCPAL DEL TUNEL:112.SISTEMA DE BOMBEO:113.TUBERAS Y SECCIONES
RECTANGULARES:134.RESULTADOS:13IV.CARACTERIZACIN DEL PROTOTIPO DE
TUNEL DE AGUA:14A.HIPTESIS O SUPUESTOS TERICOS:14B.DATOS DEL
FLUIDO:14C.ESQUEMA DEL TUNEL DE AGUA:14D.CALCULOS DEL PROTOTIPO DE
TUNEL DE AGUA:141.CLCULO DE SECCIONES:142.CLCULO DE VELOCIDADES Y
NMERO DE REYNOLDS:153.CLCULO DE PRESIONES POR
SECCIONES:16V.CARACTERIZACIN DE LOS MODELOS DE TUNEL DE
AGUA:17A.Para T. expansin inicial 1:17B.Para T. expansin inicial
218C.Salida T. media luna 80019D.Salida del contractor20VI.SELECCIN
DEL PROPULSOR:21A.INCREMENTO DE PRESIN GENERADO:21B.TRAYECTORIA DEL
FLUIDO A SU PASO POR EL PROPULSOR:21C.PROPULSOR ELEGIDO PARA EL
PROTOTIPO:21VII.DISEO Y MODELADO EN 3D DEL TUNEL DE AGUA:22A.SECCIN
DE PRUEBAS:23B.SECCIN DE
ACONDICIONAMIENTO:24C.TUBERAS:25D.PROPULSOR:27VIII.SIMULACIN DE
FLUJO EN 2D DEL TUNEL DE AGUA:28A.MAPA DE PRESIN ABSOLUTA:28B.MAPA
DE VELOCIDAD:29C.MAPA DE
TEMPERATURA:30IX.CONCLUSIONES:31X.BIBLIOGRAFA:31XI.ANEXOS:31
III
ANALISIS DE SEMEJANZA DE UN TUNEL DE
AGUAINTRODUCCIN:JUSTIFICACIN:
El objetivo desde un punto de vista terico es realzar un diseo
de un tnel de agua que permita la realizacin de investigaciones,
diseos, prcticas de laboratorio para estudiantes, proyectos de
tesis, trabajos en conjunto con la industria y muchos ms, se abre
la posibilidad de generar un pequeo centro de investigacin, y
enriquecer las actividades acadmicas que all se desarrollen. Al
agregar el tnel de agua al laboratorio, se da un gran paso para
ampliar su rango de servicios. El tnel de agua servir como
herramienta en la enseanza y para la experimentacin de modelos
hidrulicos y otras mquinas que interactan con el agua en
movimiento. La universidad cuenta con un laboratorio de mecnica de
fluidos muy completo (red de prdidas en accesorios y tuberas, canal
de pendiente variable, banco de pruebas de bombas centrfugas),
agregar un tnel de viento es un avance tecnolgico a su haber.
ANTECEDENTES:
Actualmente no se cuenta con un equipo capaz de llevar a cabo
experimentos relacionados a las fuerzas que ejerce el aire en
movimiento sobre modelos a escala o prototipos conceptuales, tanto
mecnicos como arquitectnicos. Las aplicaciones de este tipo de
pruebas, ayudan a los investigadores a desarrollar diseos
eficientes de estructuras, medios de transporte, edificaciones, y
dems objetos que por su uso o naturaleza estn expuestos a vientos o
se mueven a velocidades subsnicas impactando al aire quieto.
OBJETIVOS: Objetivo General:Disear un tnel de agua en el que se
puedan realizar tareas acadmicas, con el fin de enriquecer
conceptos importantes, y demostrar fenmenos que ocurren en la
mecnica de fluidos Industriales, con el fin de elaborar y analizar
las condiciones de operacin de modelos de ventiladores, sopladores,
turbinas elicas y cualquier otro equipo en el que interacte aire en
movimiento.
Objetivo Especficos:Pre-disear las secciones del tnel de agua,
realizando bosquejos iniciales, clculos previos y soluciones a
problemas de integracin de cada una de las partes principales del
tnel.
Integrar la solucin para cumplir condiciones de diseo de un tnel
de agua. Dar dimensiones finales a las partes del tnel de acuerdo a
los resultados obtenidos. Realizar el diseo del tnel de agua para
la medicin de fuerzas involucradas en los fenmenos hidrulicos.
Redactar un documento donde se resuma el trabajo realizado,
incluyendo planos constructivos, manual de operacin y
mantenimiento.TEORAS DE FLUJO:NMEROS ADIMESIONALES:Las fuerzas
presentes en un fenmeno en el cual un cuerpo se mueve a travs de un
fluido, se pueden distinguir como debidas a la viscosidad del
medio, a su elasticidad, a su inercia y a la fuerza de gravedad. Se
puede decir que son proporcionales a determinadas variables,
as:
Donde : es la densidad, es una dimensin caracterstica del
fenmenoV: es la velocidad : es la aceleracin de la gravedad : es la
velocidad de las ondas mecnicas en el fluido que est intrnsecamente
relacionado con la elasticidad de este. Se puede relacionar dichas
fuerzas para determinar en este caso particular condiciones
hidrulicas , y dichas relaciones se le atribuyen a quienes
inicialmente tomaron la iniciativa de definirlas:
El nmero de Reynolds es el que llega a tener ms importancia en
los fenmenos hidrulicos y aerodinmicos de bajas velocidades, cuando
las fuerzas de inercia llegan a cierto nivel ms altas que las
fuerzas viscosas, el flujo entra en inestabilidad y se presentan
los fenmenos de turbulencia, adems el nmero de Reynolds est
implicado en las fuerzas de friccin interna del fluido y por eso es
importante la descripcin de prdidas.INTRODUCCIN Y DEFINICIN DE
ANLISIS DIMENSIONAL:Los parmetros adimensionales profundizan de
manera significativa nuestra comprensin de los fenmenos de flujo de
fluidos en forma parecida al caso de un gato hidrulico, donde la
relacin de los dimetros de pistn determina la ventaja mecnica, un
numero adimensional que es independiente del tamao total del gato.
Permiten aplicar resultados experimentales limitados en nmero a
situaciones en que se tengan diferentes dimensiones fsicas y, a
veces diferentes propiedades de fluido. Los conceptos de anlisis
dimensional presentados, ms una comprensin de la mecnica del tipo
de flujo en estudio, hacen posible realizar esta generalizacin de
datos experimentales. La consecuencia de tal generalizacin es
mltiple, ya que ahora se puede describir el fenmeno en su totalidad
sin estar restringido a la discusin del experimento especializado
que se realiz. As es posible realizar menor nmero de experimentos,
aunque de carcter altamente selectivo, para describir las facetas
escondidas del problema y lograr as importantes ahorros de tiempo y
dinero.DIMENSIONES Y UNIDADES:Las dimensiones de la mecnica son
fuerza, masa, longitud y tiempo; ellas estn relacionadas con la
segunda ley de movimiento de Newton
Para todos los sistemas fsicos, probablemente sera necesario
introducir dos dimensiones adicionales, una que trate con la
electromagntica y la otra con los efectos trmicos. Para el trabajo
de comprensibilidad en este documento, no es necesario incluir una
unidad trmica porque las ecuaciones de estado unen la presin, la
densidad y la temperatura. La segunda ley de movimiento de Newton
en forma dimensional es:
Que muestra que solo tres de las dimensiones son independientes.
F es la dimensin de fuerza, M la dimensin de masa, L la dimensin de
longitud y T la dimensin de tiempo. Un sistema comn. Empleado en
anlisis dimensional es el sistema MLT.SEMEJANZA GEOMTRICA,
CINEMTICA Y DINMICA: Semejanza Geomtrica:Entre el modelo y el
prototipo existe semejanza geomtrica cuando las relaciones entre
todas las dimensiones correspondientes u homlogas en modelo y
prototipo son iguales. Tales relaciones pueden escribirse.
Semejanza Cinemtica:Entre modelo y prototipo existe semejanza
cinemtica si: La trayectoria de las partculas mviles homologas son
geomtricamente semejantes Las relaciones entre las velocidades de
las partculas homologas son iguales. A continuacin se escriben las
siguientes relaciones tiles:
Semejanza Dinmica:Entre dos sistemas de semejanza geomtrica y
semejanza cinemtica, existe una semejanza dinmica si las relaciones
entre las fuerzas homlogas en modelo y prototipo son las mismas.
Las condiciones requeridas para la semejanza completa se obtienen a
partir del segundo principio del movimiento de Newton, F=ma. Las
fuerzas que actan pueden ser cualquiera de las siguientes, o una
combinacin de las mismas: fuerzas viscosas, fuerzas debidas a la
presin, fuerzas gravitatorias, fuerzas debidas a la tensin
superficial y fuerzas elsticas. Entre modelo y prototipo se
desarrolla la siguiente relacin de fuerzas:
Esta ecuacin expresa la ley general de la semejanza dinmica
entre modelo y prototipo y se le conoce con el nombre de ecuacin
newtoniana.
PARMETROS ADIMENSIONALES: RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA A
LAS DE PRESION (NUMERO DE EULER):
RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA A LAS VISCOSAS (NUMERO DE
REYNOLDS):
RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA A LAS GRAVITATORIAS (NUMERO
DE FROUDE):
La raz cuadrada de esta relacin se llama NUMERO DE FROUDE.
RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA A LAS ELSTICAS. (NUMERO DE
CAUCHY. NMERO DE MACH):
La raz cuadrada de esta relacin se llama NUMERO DE MACH.
RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA A LAS DE TENSION SUPERFICIAL.
(NUMERO DE WEBER):
TEOREMA DE BUCKIGHAM:Permitido establecer la relacin
funcional:
Al considerar un flujo modelo y un flujo prototipo alrededor de
una esfera (los flujos son geomtricamente semejantes), estos
resultaran dinmicamente semejantes si:
Pudindose utilizar los resultados determinados en el estudio del
modelo para predecir el arrastre en un prototipo de escala
completa. Pero la fuerza real que acta sobre el objeto debido al
fluido o en la misma en ambos casos, pero su valor adimensional si
los es. Se debe de tener en cuenta que las pruebas se pueden
realizar utilizando diferentes fluidos de acuerdo con que fluido es
mejor trabajar , para esto se tiene que el nmero de REYNOLDS sea el
mismo en todos los experimentos que se realiz con diferentes
fluidos.TNEL DE AGUA:RESUMEN:Un tnel de agua es un equipo que
genera una corriente de agua, limitado por un conducto de seccin
especfica y/o variable a lo largo del mismo, para lograr
condiciones especiales en el flujo y simular el movimiento de
objetos con el fin de analizar fenmenos aerodinmicos, como fuerzas
y lneas de corriente, entre otros. En el tnel de agua tambin es
posible analizar el rendimiento y funcionamiento de ventiladores
generando sus curvas caractersticas.Las clasificaciones bsicas de
un tnel de agua son: de acuerdo a su arquitectura bsica (circuito
abierto - circuito cerrado); de acuerdo a la velocidad (subsnico
transnico supersnico - hipersnico); de acuerdo a la presin
(atmosfrico, densidad variable); de acuerdo al tamao (ordinarios -
escala real). Existen otros tneles que son nicos en su categora
(meteorolgicos, tneles de choque, chorro plasmtico, tiro
caliente).El tnel de agua es ahora indispensable para el desarrollo
moderno aeronutico. Es difcil contemplar la posibilidad de disear
objetos aerodinmicos, sin primero medir las propiedades de
sustentacin y arrastre, estabilidad y habilidades de control en un
tnel de agua. Hacer pruebas en el tnel, y luego pruebas reales, es
el orden ms conveniente.INTRODUCCIN:En las reas relacionadas con la
mecnica de fluidos y la transferencia de calor y masa, la
experimentacin es la fuente primaria de informacin y la base para
otorgar validez a modelos tericos y computacionales. As se
investigan en la actualidad numerosos fenmenos aunque sus
resultados dependen de la instrumentacin e instalaciones
disponibles. Los tneles de agua, geomtricamente similares a los ms
conocidos tneles de viento, son instalaciones de pruebas
experimentales generalmente en circuito cerrado donde se bombea
agua en diferentes condiciones, para estudiar su interaccin con el
objeto bajo estudio en una zona de prueba. El objeto puede tener
algn tipo de superficie lisa o rugosa, trmicamente estable o
inestable, en reposo o en movimiento de traslacin y/o rotacin,
inerte o incluso algn tipo de ser vivo.Los tneles de viento y de
agua han sido parte fundamental del desarrollo de diversas ramas
del conocimiento. Como evidencia de esto estn los primeros estudios
sobre Fuerzas aerodinmicas sobre perfiles aerodinmicos en 1901,
Capa Lmite en 1904, Conveccin Forzada en 1917, entre otros
(Shaughnessy et al, 2005) (Lienhard IV & Lienhard, V, 2003).
Los estudios modernos se amplan hacia temas como cavitacin (LMH,
2011), diseo de turbomquinas y aeronaves (ASME, 2011) (Cummings
& Morton, 2006), flujo interno a travs de varios componentes
(Klem & Gabi, 2003), evaluacin de prototipos (Bahaj et al,
2007), efectos de la separacin de flujo sobre superficies y cuerpos
(Subramanian et al, 2004) (VHE, 2012), sistemas de propulsin
(Germain, 2006), desarrollo de rganos artificiales (Lin et al,
2006), captura o almacenamiento de CO2 (Warzinski, 2000), estudio
de la hidrodinmica y locomocin de animales subacuticos (FML, 2012),
entre otros).En estos experimentos el flujo incidente debe tener lo
que se conoce como Perfil de velocidades uniforme, que se confunde
comnmente con el orden propio del Flujo Laminar. Esa uniformidad se
consigue en flujo turbulento antes de que se obtenga un perfil
completamente desarrollado en el interior del conducto, esto es,
con un pequeo espesor de la Capa lmite del flujo viscoso en
contacto con las fronteras slidas. As, el gradiente de velocidades
que se genera en direccin perpendicular al flujo depende en gran
parte del Nmero de Reynolds y tiende a ser plano an con flujo
turbulento, de hecho, esta condicin de frontera es la que se suele
utilizar en la Dinmica de Fluidos Computacional. La necesidad de
generar un perfil de velocidades uniforme surge porque se busca
analizar el comportamiento del flujo debido solamente a la
interaccin con el objeto de estudio.Este trabajo se basa en una
investigacin acerca de las estrategias que pueden ser consideradas
en el diseo y construccin de un tnel de agua de mediano tamao, en
este caso, para la evaluacin experimental de nuevas mquinas
hidrocinticas (MH) y pequeos submarinos (PS) utilizados en el campo
de la generacin de energa en pequea escala.
De las imgenes. Algunas investigaciones en tneles de agua. (a)
Cavitacin sobre un perfil NACA 16020, (b) cavitacin en propulsin,
(c) lneas de corriente: flujo pulstil sobre un cilindro para el
desarrollo de un pulmn artificial, (d) lneas de corriente alrededor
de un avin supersnico, (e) estudio de la capa lmite en superficies
cubiertas por algas, (f) validacin de modelos computacionales con
tcnicas acsticas en un ventilador centrfugo, (g) y (h) generacin
elctrica con nuevas mquinas hidrulicas, (h) pequeo submarino, (i)
estudio de la locomocin de tiburones. Ver el numeral 7.1 las
referencias asociadas.
ELEMENTOS PARA EL DISEO:El diseo de estas instalaciones
comprende dos partes: una estructural y otra hidrodinmica. La
primera se adapta a los requerimientos dictados por la hidrodinmica
y debe apoyarse en la aplicacin de normas para recipientes a presin
segn el tamao de la instalacin y la normativa de cada regin (el
cdigo ASME es uno de los ms reconocidos en el mundo). En el diseo
hidrodinmico, la Zona de pruebas (Test section) es la ms importante
y sus caractersticas determinarn en gran parte el tamao y el
consumo energtico de toda la instalacin. Esas caractersticas
dependern del tamao de los modelos bajo estudio que se rige por las
Leyes de Similitud y el Anlisis dimensional. Cuando la relacin
entre las reas transversales entre modelo y Zona de prueba es
cercana a 1.0 las fronteras slidas condicionan el comportamiento
del flujo, por lo cual se deben calcular los factores de correccin
adecuados para las variables medidas dependiendo del tipo de
geometra y movimiento del modelo.Como resultado, las caractersticas
de la Zona de prueba ms importantes son: rea transversal (forma y
tamao), longitud, intensidad de turbulencia ( 19.6 kPa
TRAYECTORIA DEL FLUIDO A SU PASO POR EL
PROPULSOR:TIPOPRESINCAUDAL
CentrfugosIncremento elevadoCaudal reducido
TangencialesIncremento medioCaudal muy reducido
AxialesIncremento bajoCaudal elevado
PROPULSOR ELEGIDO PARA EL
PROTOTIPO:ModeloCaudal(m3/h)Velocidad(rpm)SuministroElctrico230 V
(A)Potencia de Entrada(W)Nivel de Sonido(db)Peso(kg)
HEPT-45-6M/H49009551.42255615.5
DIMENSIONES (mm)
ABCDE
54050046022012
DISEO Y MODELADO EN 3D DEL TUNEL DE AGUA:En este apartado se
mostrarn el diseo y modelado en 3D del tnel de agua, pieza por
pieza, con el software anteriormente explicado, SolidWorks
2015.Este tnel de agua ser de tipo Gttingen, es decir, ser de
circuito cerrado y seccin de pruebas cerrada.La idea principal a la
hora de disear este tipo de tnel de agua, era facilitar el flujo
laminar a lo largo del tnel. En trabajos anteriores de diseo de
tneles de viento, la seccin del conducto se haba diseado de manera
rectangular. En este proyecto, se han redondeado las esquinas de la
seccin del conducto, hacindolo ms circular, de manera que se evitan
turbulencias debido a las esquinas.A la hora de elegir las
dimensiones, el tnel no deba ser demasiado grande, de manera que
cupiese en un laboratorio educativo.El material elegido para las
tuberas y zona de acondicionamiento es el tol de acero negro. El
panel de abejas es de PVC y las mallas estn hechos de alambres
aluminio y los marcos de ambos son de madera ajustados a la
geometra. La seccin de pruebas es de plexigls o
polimetilmetacrilato, que posee propiedades de resistencia a la
interperie, transparencia y resistencia al rayado.
SECCIN DE PRUEBAS:
SECCIN DE ACONDICIONAMIENTO:
CONO DE CONTRACCIN:
CONO DE EXPANSIN:
TUBERAS: TUBERA MEDIA-LUNA 600mm:
TUBERA MEDIA-LUNA 800mm:
TUBERA DE EXPANSIN INICIAL (600mm 800mm):
TUBERA DE EXPANSIN FINAL (400mm 600mm):
TUBERA DE ENTRADA A LA SECCIN DE PRUEBAS:
PROPULSOR:
SIMULACIN DE FLUJO EN 2D DEL TUNEL DE AGUA: MAPA DE PRESIN
ABSOLUTA:
MAPA DE VELOCIDAD:
MAPA DE TEMPERATURA:
CONCLUSIONES:El proyecto promete en conjunto con el soporte
institucional, realizar trabajos que combinen los aspectos tericos
y prcticos, brindando apoyo a la labor docente, investigativa y de
la industria. Segn lo abarcado en el proyecto, no solo es
indispensable el definir parmetros como tamaos, relaciones de
forma, velocidades, entre otros, sino tambin parmetros que aseguren
un ambiente de pruebas acorde al deseado, el cual pretende un flujo
paralelo, continuo y bajos niveles de turbulencia en la cmara de
pruebas. A pesar de los avances tecnolgicos y el desarrollo
computacional para analizar el comportamiento de los fluidos, aun
es necesario emplear mtodos experimentales.Los requerimientos para
hacer pruebas en la mecnica de fluidos se han incrementado
significativamente en los ltimos anos. El punto es que se debe
centrar el diseo en mejorar las condiciones de flujo. Para esto
existen varios puntos clave que ayudan a mejorarlo como: definicin
de nmero de mallas a emplear y su geometra, acondicionador de
flujo, diseo suavizado y estudiado de la contraccin, cmara de
pruebas con parmetros importantes geomtricos como ngulos de salida,
y relaciones de forma. Muchos autores han brindado grandes aportes
gracias a su experiencia, por tanto, resulta conveniente el retomar
dichas recomendaciones y a partir de ellas generar nuevas
propuestas mejoras y nuevos diseos.BIBLIOGRAFA: CENGEL, CIMBALA.
2006. Mecnica de Fluidos: Fundamentos y Aplicaciones. Mxico D.F.:
The McGraw-Hill Inc. IRVING H. SHAMES. 1995. Mecnica de Fluidos.
Colombia: The McGraw-Hill Inc. Robert L. Mott. 2006. Mecnica de
Fluidos. Mxico D. F.: PEARSON Educacin.
http://bibliotecadigital.univalle.edu.co/bitstream/10893/5951/1/12-%20Criterios%20de%20dise%C3%B1o%20para%20un%20t%C3%BAnel%20de%20agua%20de%20bajo%20costo.pdf
http://www.edutecne.utn.edu.ar/cytal_frvm/CyTAL_2010/Trabajos%20y%20Prologo/Trabajos%20CyTAL%202010/TF%20-%20001%20-%20%20An%C3%A1lisis%20del%20Flujo.pdf
http://www.epicos.com/EPCompanyProfileWeb/Content/AERONAUTICA_AVANZADA/Wind_Tunnel.pdf
ANEXOS:Pgina 16 | 35
