Túnels criogènics
1992/06/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria
Problemes de l'escala
Per a adonar-nos de la influència del canvi de grandària mantenint la mateixa forma, posarem alguns exemples. Quan cau l'escarabat de la punta de l'arbre, en arribar al sòl no sofreix cap mal. Encara que caigui el gat no, però per un altre motiu. No es tracta que el cos d'un sigui més elàstic que el de l'altre, sinó que tingui una gran resistència a l'aire i una velocitat baixa en arribar al sòl. Això és el que li passa a l'escarabat. Però al gat no.
Tots dos tenen el mateix aire, però el gat és més pesat respecte a la seva superfície. El gat caurà com una pedra aproximadament, i si no té ferides és perquè té un sentit d'equilibri sorprenent i una habilitat increïble.
Fins i tot quan s'assagen maquetes d'avions, la resistència a l'aire genera molts problemes. Prenguem com a exemple la maqueta d'un model d'avió. Si fem una maqueta dues vegades més llarga, la superfície en contacte amb l'aire és quatre vegades major i el pes vuit vegades major. No obstant això, la velocitat de caiguda en l'aire depèn de la superfície i del pes i, com ja s'ha indicat, aquests dos factors no varien en la maqueta en la mateixa proporció. Les dades obtingudes amb una petita maqueta no poden, per tant, extrapolar-se al model real i a l'inrevés.
En els túnels aerodinàmics no es tracta d'estudiar la caiguda de l'avió, sinó del seu vol, és a dir, la resistència de la maqueta a la velocitat a la qual ha de circular l'avió real. No obstant això, l'exemple donat demostra clarament que l'ús de dades de baix model en aeronàutica per a grans aparells reals té les seves dificultats.
L'aire no és un fluid continu sense matèria, sinó un gas de milions de molècules com les dunes de sorra. En el cas de la sorra, sabem que la grandària del gra i la grandària del vehicle sobre el qual circularà tenen relació. L'excavadora de pneumàtics amples circularà fàcilment per la sorra, ja que és un material continu en comparació amb la grandària de les rodes. La petita maqueta d'aquesta mateixa excavadora, no obstant això, estaria molt malament en les sorres a causa de l'acumulació de grans de sorra al voltant de la roda. Si la sorra és conflictiva, el problema es complica encara més.
Cal tenir en compte, no obstant això, que les molècules d'aire són “conflictives” i que les gotes de pluja es peguen a qualsevol superfície com al vidre de la finestra.
Per a tornar a mostrar el problema de l'escala, direm que el fenomen de pegat és proporcional a la grandària del vidre. Per a cobrir tot el vidre que precedeix a l'automòbil de joguina, per exemple, n'hi ha prou amb una gota de pluja, mentre no es produeixi cap obstacle per a l'automòbil real.
Número de Reynolds
Però venim al cas de l'avió que ha de desplaçar a les molècules enfrontades. Els efectes no seran exclusivament proporcionals a les mesures de les ales. En aquest problema d'escala el número de Reynolds té una gran importància, ja que menys de 2.000 el règim és laminar i més enllà turbulent. Durant el vol de l'avió, la pressió exercida sobre la superfície de les ales exerceix una força de manteniment sobre l'aire i contraposa la resistència a l'aire per a avançar. No obstant això, a pressió superficial, el règim de la fina capa d'aire en contacte amb les ales té molt a veure.
Quan el règim és laminar, s'aplica la força de mantenir l'avió en l'aire pegant la capa al sud. Si el règim és turbulent, aquesta capa d'aire comença a turbular i s'allunya de la superfície. L'avió s'oposa més a l'aire i gasta més amb cremades. A més, si en els vessants es produeixen molts remolins, l'avió pot caure.
En ales d'igual forma i de diferent grandària (una veritable i l'altra és una maqueta), la seva resistència a l'aire a la mateixa velocitat i la seva força de manteniment en l'aire no són proporcionals a les dimensions. Per això, en aerodinàmica és fonamental saber realitzar espectres aerodinàmics en maquetes de la mateixa forma geomètrica i de diferent grandària (l'espectre és el conjunt de línies que marquen la trajectòria del fluid al voltant del sòlid).
XIX. En el segle XIX l'anglès Osborn Reynolds va investigar les magnituds que intervenen en el pas del règim laminar al turbulent, donant solució al problema de l'escala quan va publicar la seva llei de semblança. La llei estableix que els espectres aerodinàmics de dos cossos similars orientats de manera similar són similars quan la relació entre la resistència als vellositats i la resistència a la fricció laminar és la mateixa. La present llei de similitud es formula amb la següent fórmula: .v.d/e = R = constant ( R és el número de Reynolds, la longitud corresponent a la grandària del cos d, la velocitat de desplaçament del cos v, la massa específica del fluid i la viscositat del fluid e).
Tornant al nostre exemple, l'avió real i la seva maqueta hauran de tenir el mateix número que Reynolds perquè les dades siguin extrapolables. La dimensió d m de la maqueta és, lògicament, molt de menor que la d h de l'avió real, i també el número de Reynolds de la maqueta.
En Aerodinàmica es coneixen des de fa temps els factors correctors per al pas de dades de menor a major patró, però no són molt precisos i l'error del 2 o 3% no pot descartar-se de moment. Això significa que l'avió circularà més a poc a poc i cremarà més.
No obstant això, com acabem de veure, si el número de Reinolds disminueix d per a mantenir-se igual, cal augmentar r o disminuir e (no canviarem la velocitat perquè a cada avió se li aplica una velocitat d'assaig determinada).
L'ampliació r consisteix en una major pressió de l'aire en el túnel aerodinàmic. Per a això es necessita un ventall més potent i els costos augmenten.
Un altre dels paràmetres que encara tenim per a pujar el número de Reynolds i que els resultats de la simulació siguin reals és el canvi de viscositat de l'aire del túnel. Si en la fórmula de Reynolds disminueix e, R augmenta i per a reduir la viscositat de l'aire es refreda l'aire fins a -173 °C (fins a 100 kelvin) en túnels criogènics. Als Estats Units, el centre de recerca del DNA en Langley ha demostrat que la viscositat del gas de circulació en baixar la temperatura a 100 K és sis vegades menor. Així que el número de Reynolds és sis vegades major. Actuant amb la pressió i la temperatura de l'aire, s'aconsegueix mantenir el número de Reynolds el més barat possible.
Túnel criogènic alemany
El primer túnel aerodinàmic criogènic d'Europa és l'anomenat KKK (Kryo-Canal Köln), que pot aconseguir el número de Reynolds de 9 milions. Es troba prop de Colònia en el centre de recerca aerospacial DLR. Aquest túnel per a realitzar proves de baixa velocitat (fins a 400 km/h) ha canviat molt per a treballar a temperatures molt baixes.
Entre altres coses, s'ha aplicat un nou aïllament tèrmic i un sistema d'injecció de nitrogen líquid juntament amb el sistema de control.
Per a aconseguir temperatures de 100 K (-173 °C) s'utilitzen nitrogen líquid des de 65 fins a 90 tones. En quatre hores es refreda 50K per hora i després en vint hores 10K per hora. 100 K Manteniment en 24 hores requereix 58 tones addicionals de nitrogen líquid. El seu ventall és d'un megavat i el seu cost d'explotació se situa en 1.700.000 pessetes per dia.
Túnel criogènic dels Estats Units
El de la NASA en Langley serà probablement el major túnel criogènic del món. S'ha construït en l'antic túnel aerodinàmic, que ha costat uns 10.000 milions de pessetes. El seu ventall és de 90 megavats antics, amb una capacitat de nou atmosferes de pressió. Aconsegueix temperatures de fins a 124 K (-149 °C) i velocitats de 1,2 mascles.
El número de Reynolds que es pot obtenir és de 100 milions (realment s'ha obtingut en un assaig realitzat a una velocitat de 1,0 mascles), el major obtingut en cap instal·lació terrestre.
El refredament de l'aire s'aconsegueix en quatre hores utilitzant 70 tones de nitrogen líquid. Des de la seva estrena en 1984 s'han realitzat proves de maquetes com la de Boeing 757 i altres avions militars. El DNA també l'utilitza per a provar maquetes dels seus espais.
Túnel criogènic europeu
Com el túnel alemany no comprimeix l'aire, s'està construint al costat de l'altre un túnel denominat ETW (European Transonic Windtunel). França, Alemanya, Gran Bretanya i Holanda s'han unit per a finançar aquest projecte. Portarà un número de Reynolds de 50 milions a 0,9 mascles. Les temperatures oscil·laran entre els 90 i els 120 K (-150 a -183) i la pressió màxima serà de 4,5 bars. El ventilador podrà aconseguir velocitats de 1,3 mascles amb la seva potència de 50 megavats. En aquest túnel es volen provar, entre altres, els models de l'avió “Airbus”.
Provar les maquetes dels avions en túnels aerodinàmics és una tècnica costosa, però sembla que encara s'usaran durant molt de temps. La informàtica ha avançat molt i es poden realitzar simulacions en els ordinadors. No obstant això, aquestes simulacions es realitzen en dues dimensions i no en tres i condicions crítiques. A més, s'ha pogut comprovar que són cars. El túnel aerodinàmic criogènic té per tant de futur.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
