Túneles criogénicos

1992/06/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Ingeniaritza
• Fisika

En el clásico túnel aerodinámico, un abanico potente hace circular el aire en circuito cerrado. Los desvíos de aire en codos reducen los turbulencias, manteniendo el flujo de aire regular y la temperatura constante. El aire pasa por un estrecho tubo situado más adelante que la cámara de ensayo para aumentar la velocidad. Además de la refrigeración del aire del túnel, como se puede apreciar en la figura, se inyecta nitrógeno líquido. Las condiciones de ensayo del túnel se rigen por ordenador. (Nota: Para ver bien esta foto puedes ir al pdf).

Problemas de la escala

Para darnos cuenta de la influencia del cambio de tamaño manteniendo la misma forma, vamos a poner algunos ejemplos. Cuando cae el escarabajo de la punta del árbol, al llegar al suelo no sufre ningún daño. Aunque caiga el gato no, pero por otro motivo. No se trata de que el cuerpo de uno sea más elástico que el del otro, sino de que tenga una gran resistencia al aire y una velocidad baja al llegar al suelo. Eso es lo que le pasa al escarabajo. Pero al gato no.

Ambos tienen el mismo aire, pero el gato es más pesado respecto a su superficie. El gato caerá como una piedra aproximadamente, y si no tiene heridas es porque tiene un sentido de equilibrio sorprendente y una habilidad increíble.

Incluso cuando se ensayan maquetas de aviones, la resistencia al aire genera muchos problemas. Tomemos como ejemplo la maqueta de un modelo de avión. Si hacemos una maqueta dos veces más larga, la superficie en contacto con el aire es cuatro veces mayor y el peso ocho veces mayor. Sin embargo, la velocidad de caída en el aire depende de la superficie y del peso y, como ya se ha indicado, estos dos factores no varían en la maqueta en la misma proporción. Los datos obtenidos con una pequeña maqueta no pueden, por tanto, extrapolarse al modelo real y al revés.

En los túneles aerodinámicos no se trata de estudiar la caída del avión, sino de su vuelo, es decir, la resistencia de la maqueta a la velocidad a la que debe circular el avión real. Sin embargo, el ejemplo dado demuestra claramente que el uso de datos de bajo modelo en aeronáutica para grandes aparatos reales tiene sus dificultades.

Túnel criogénico. El túnel criogénico del DNA en Langley está probando la maqueta del espacio. Se sustituye el aire por nitrógeno. Primero el aire comprimido seco reduce la humedad ambiental y el oxígeno. El objetivo es disponer de un único gas, debido a la simplificación de los cálculos y evitar la formación de cristales de hielo que pueden causar daños en la maqueta. A temperatura ambiente puede haber 50 kg de vapor de agua y se recomienda bajar hasta 100 g.

El aire no es un fluido continuo sin materia, sino un gas de millones de moléculas como las dunas de arena. En el caso de la arena, sabemos que el tamaño del grano y el tamaño del vehículo sobre el que va a circular tienen relación. La excavadora de neumáticos anchos circulará fácilmente por la arena, ya que es un material continuo en comparación con el tamaño de las ruedas. La pequeña maqueta de esta misma excavadora, sin embargo, estaría muy mal en las arenas debido a la acumulación de granos de arena alrededor de la rueda. Si la arena es conflictiva, el problema se complica aún más.

Hay que tener en cuenta, sin embargo, que las moléculas de aire son “conflictivas” y que las gotas de lluvia se pegan a cualquier superficie como al vidrio de la ventana.

Para volver a mostrar el problema de la escala, diremos que el fenómeno de pegado es proporcional al tamaño del vidrio. Para cubrir todo el vidrio que precede al automóvil de juguete, por ejemplo, basta con una gota de lluvia, mientras no se produzca ningún obstáculo para el automóvil real.

Número de Reynolds

Pero venimos al caso del avión que tiene que desplazar a las moléculas enfrentadas. Los efectos no serán exclusivamente proporcionales a las medidas de las alas. En este problema de escala el número de Reynolds tiene una gran importancia, ya que menos de 2.000 el régimen es laminar y más allá turbulento. Durante el vuelo del avión, la presión ejercida sobre la superficie de las alas ejerce una fuerza de mantenimiento sobre el aire y contrapone la resistencia al aire para avanzar. No obstante, a presión superficial, el régimen de la fina capa de aire en contacto con las alas tiene mucho que ver.

Cuando el régimen es laminar, se aplica la fuerza de mantener el avión en el aire pegando la capa al sur. Si el régimen es turbulento, esta capa de aire comienza a turbular y se aleja de la superficie. El avión se opone más al aire y gasta más con quemaduras. Además, si en las laderas se producen muchos remolinos, el avión puede caer.

En alas de igual forma y de diferente tamaño (una verdadera y la otra es una maqueta), su resistencia al aire a la misma velocidad y su fuerza de mantenimiento en el aire no son proporcionales a las dimensiones. Por ello, en aerodinámica es fundamental saber realizar espectros aerodinámicos en maquetas de la misma forma geométrica y de diferente tamaño (el espectro es el conjunto de líneas que marcan la trayectoria del fluido alrededor del sólido).

XIX. En el siglo XIX el inglés Osborn Reynolds investigó las magnitudes que intervienen en el paso del régimen laminar al turbulento, dando solución al problema de la escala cuando publicó su ley de semejanza. La ley establece que los espectros aerodinámicos de dos cuerpos similares orientados de forma similar son similares cuando la relación entre la resistencia a los vellosidades y la resistencia a la fricción laminar es la misma. La presente ley de similitud se formula con la siguiente fórmula: .v.d/e = R = constante ( R es el número de Reynolds, la longitud correspondiente al tamaño del cuerpo d, la velocidad de desplazamiento del cuerpo v, la masa específica del fluido y la viscosidad del fluido e).

El túnel criogénico estadounidense se estrenó en 1984, por lo que se han realizado pruebas de numerosas maquetas, incluida la de Boeing 757.

Volviendo a nuestro ejemplo, el avión real y su maqueta deberán tener el mismo número que Reynolds para que los datos sean extrapolables. La dimensión d m de la maqueta es, lógicamente, mucho menor que la d h del avión real, y también el número de Reynolds de la maqueta.

En Aerodinámica se conocen desde hace tiempo los factores correctores para el paso de datos de menor a mayor patrón, pero no son muy precisos y el error del 2 o 3% no puede descartarse de momento. Esto significa que el avión va a circular más despacio y quemará más.

Sin embargo, como acabamos de ver, si el número de Reinolds disminuye d para mantenerse igual, hay que aumentar r o disminuir e (no cambiaremos la velocidad porque a cada avión se le aplica una velocidad de ensayo determinada).

La ampliación r consiste en una mayor presión del aire en el túnel aerodinámico. Para ello se necesita un abanico más potente y los costes aumentan.

Otro de los parámetros que aún tenemos para subir el número de Reynolds y que los resultados de la simulación sean reales es el cambio de viscosidad del aire del túnel. Si en la fórmula de Reynolds disminuye e, R aumenta y para reducir la viscosidad del aire se enfría el aire hasta -173 ºC (hasta 100 kelvin) en túneles criogénicos. En Estados Unidos, el centro de investigación del DNA en Langley ha demostrado que la viscosidad del gas de circulación al bajar la temperatura a 100 K es seis veces menor. Así que el número de Reynolds es seis veces mayor. Actuando con la presión y la temperatura del aire, se consigue mantener el número de Reynolds lo más barato posible.

Túnel criogénico alemán

El primer túnel aerodinámico criogénico de Europa es el llamado KKK (Kryo-Canal Köln), que puede alcanzar el número de Reynolds de 9 millones. Se encuentra cerca de Colonia en el centro de investigación aerospacial DLR. Este túnel para realizar pruebas de baja velocidad (hasta 400 km/h) ha cambiado mucho para trabajar a temperaturas muy bajas.

Entre otras cosas, se ha aplicado un nuevo aislamiento térmico y un sistema de inyección de nitrógeno líquido junto con el sistema de control.

Para alcanzar temperaturas de 100 K (-173 ºC) se utilizan nitrógeno líquido desde 65 hasta 90 toneladas. En cuatro horas se enfría 50K por hora y después en veinte horas 10K por hora. 100 K Mantenimiento en 24 horas requiere 58 toneladas adicionales de nitrógeno líquido. Su abanico es de un megavatio y su coste de explotación se sitúa en 1.700.000 pesetas por día.

Túnel criogénico de Estados Unidos

El de la NASA en Langley será probablemente el mayor túnel criogénico del mundo. Se ha construido en el antiguo túnel aerodinámico, que ha costado unos 10.000 millones de pesetas. Su abanico es de 90 megavatios antiguos, con una capacidad de nueve atmósferas de presión. Alcanza temperaturas de hasta 124 K (-149 ºC) y velocidades de 1,2 machos.

En el túnel criogénico europeo se quieren probar, entre otros, los modelos del avión Airbus.

El número de Reynolds que se puede obtener es de 100 millones (realmente se ha obtenido en un ensayo realizado a una velocidad de 1,0 machos), el mayor obtenido en ninguna instalación terrestre.

El enfriamiento del aire se consigue en cuatro horas utilizando 70 toneladas de nitrógeno líquido. Desde su estreno en 1984 se han realizado pruebas de maquetas como la de Boeing 757 y otros aviones militares. El DNA también lo utiliza para probar maquetas de sus espacios.

Túnel criogénico europeo

Como el túnel alemán no comprime el aire, se está construyendo junto al otro un túnel denominado ETW (European Transonic Windtunel). Francia, Alemania, Gran Bretaña y Holanda se han unido para financiar este proyecto. Llevará un número de Reynolds de 50 millones a 0,9 machos. Las temperaturas oscilarán entre los 90 y los 120 K (-150 a -183) y la presión máxima será de 4,5 bares. El ventilador podrá alcanzar velocidades de 1,3 machos con su potencia de 50 megavatios. En este túnel se quieren probar, entre otros, los modelos del avión “Airbus”.

Probar las maquetas de los aviones en túneles aerodinámicos es una técnica costosa, pero parece que todavía se usarán durante mucho tiempo. La informática ha avanzado mucho y se pueden realizar simulaciones en los ordenadores. Sin embargo, estas simulaciones se realizan en dos dimensiones y no en tres y condiciones críticas. Además, se ha podido comprobar que son caros. El túnel aerodinámico criogénico tiene por tanto futuro.