Balanza de túnel de viento

Qué ocurre

Un túnel de viento de circuito abierto aspira el aire a través de una embocadura acampanada, un panal y unas mallas hacia una cámara de ensayos de 0,8 × 0,6 m y lo expulsa por un difusor y un ventilador de 8 kW; su velocidad máxima es de 35 m/s. Por la inercia del aire y las pérdidas (K = 0,45) alcanza el 99,5 % de 25 m/s en 11,2 s, y el accionamiento consume entonces 2,90 kW. Un ala rectangular de 0,5 m de envergadura y 0,1 m de cuerda (alargamiento 5, perfil Joukowski con sustentación nula a −2,10°) pivota en su cuarto de cuerda sobre un montante que se apoya en una balanza de galgas extensométricas de tres componentes bajo el suelo: el bastidor métrico cuelga de dos bielas de sustentación separadas 0,2 m y de una biela de resistencia, cada una de ellas un elemento flexible cuyo puente mide su esfuerzo de tracción. La característica del ala tiene la pendiente de sustentación del ala finita 2π·AR/(AR + 2) y la separación en el borde de salida según Kirchhoff: C_L alcanza su máximo de 0,942 a 11,2° y cae a 0,595 a 17,6°; L/D alcanza su máximo de 14,0 a 4,3°. En la balanza real, las bielas de sustentación están inclinadas 1°, la biela de resistencia está girada 0,3° y las ganancias difieren de las nominales hasta un 3 %, de modo que cada puente lee una mezcla de sustentación, resistencia y momento.

Un ensayo toma el cero sin viento, acelera el ventilador y barre el ala de −4° a 20°. Con las sensibilidades nominales del plano, la resistencia a 4° se lee un 27 % por debajo, C_D = 0,0250 en lugar de 0,0341: la inclinación pasa a la biela de resistencia sin 1° de la sustentación, 0,157 N del error de 0,171 N, y ese error, trasladado al eje del ala, 0,55 m por encima del centro de la balanza, convierte C_m = −0,050 en +0,008. Una pesa por canal corrige las ganancias, pero no la interacción entre canales: la resistencia sigue leyéndose un 24 % por debajo. Quince cargas combinadas ajustadas por mínimos cuadrados reproducen correctamente todo el barrido si no hay ruido. Con 20 µV/V de ruido del amplificador, la resistencia se dispersa 31,6 mN al promediar 10 muestras y la mitad al promediar 40. El autocalentamiento de los puentes, 3,1 K en dos minutos, desplaza el cero de la resistencia 0,092 N.

Modelo: aerodinámica cuasiestacionaria a partir de la característica dada, sin correcciones de pared, efectos del número de Reynolds ni pérdida dinámica; la balanza es un único cuerpo métrico rígido sobre tres bielas articuladas en sus extremos, en el plano del flujo, con amortiguadores junto a ellas, que vibra a 29, 62 y 71 Hz; las pesas actúan como fuerzas constantes; la densidad del aire es fija. Los pasos de RK4 terminan en los instantes del reloj de muestreo de 1 kHz del amplificador, de modo que las lecturas no dependen del paso de fotograma; el ruido usa una semilla fija. El balance de energía del túnel cuadra (accionamiento = energía cinética del aire + pérdidas), y también el de la balanza (trabajo de las cargas = su energía + amortiguadores). El humo es ilustrativo: flujo potencial con la circulación propia del ala, elevado por encima de la zona de aire muerto.

Qué probar

Observe cómo el barrido traza la polar en la pantalla del carro de medida: la resistencia medida queda por debajo de la curva real en la parte de sustentación que le transmiten las bielas inclinadas. Después elija la calibración por mínimos cuadrados, incline las bielas, añada ruido o acorte el promediado, y vuelva a barrer el ángulo.