Túneles criogénicos

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

• Ingeniaritza
• Fisika

No clásico túnel aerodinámico, un abanico potente fai circular o aire en circuíto pechado. Os desvíos de aire en cóbados reducen as turbulencias, mantendo o fluxo de aire regular e a temperatura constante. O aire pasa por un estreito tubo situado máis adiante que a cámara de ensaio paira aumentar a velocidade. Ademais da refrixeración do aire do túnel, como se pode apreciar na figura, inxéctase nitróxeno líquido. As condicións de ensaio do túnel réxense por computador. (Nota: Paira ver ben esta foto podes ir ao pdf).

Problemas da escala

Paira darnos conta da influencia do cambio de tamaño mantendo a mesma forma, imos pór algúns exemplos. Cando cae o escaravello da punta da árbore, ao chegar ao chan non sofre ningún dano. Aínda que caia o gato non, pero por outro motivo. Non se trata de que o corpo dun sexa máis elástico que o do outro, senón de que teña una gran resistencia ao aire e una velocidade baixa ao chegar ao chan. Iso é o que lle pasa ao escaravello. Pero ao gato non.

Ambos teñen o mesmo aire, pero o gato é máis pesado respecto da súa superficie. O gato caerá como una pedra aproximadamente, e si non ten feridas é porque ten un sentido de equilibrio sorprendente e una habilidade incrible.

Mesmo cando se ensaian maquetas de avións, a resistencia ao aire xera moitos problemas. Tomemos como exemplo a maqueta dun modelo de avión. Si facemos una maqueta dúas veces máis longa, a superficie en contacto co aire é catro veces maior e o peso oito veces maior. Con todo, a velocidade de caída no aire depende da superficie e do peso e, como xa se indicou, estes dous factores non varían na maqueta na mesma proporción. Os datos obtidos cunha pequena maqueta non poden, por tanto, extrapolarse ao modelo real e ao revés.

Nos túneles aerodinámicos non se trata de estudar a caída do avión, senón do seu voo, é dicir, a resistencia da maqueta á velocidade á que debe circular o avión real. Con todo, o exemplo dado demostra claramente que o uso de datos de baixo modelo en aeronáutica paira grandes aparellos reais ten as súas dificultades.

Túnel criogénico. O túnel criogénico do DNA en Langley está a probar a maqueta do espazo. Substitúese o aire por nitróxeno. Primeiro o aire comprimido seco reduce a humidade ambiental e o osíxeno. O obxectivo é dispor dun único gas, debido á simplificación dos cálculos e evitar a formación de cristais de xeo que poden causar danos na maqueta. A temperatura ambiente pode haber 50 kg de vapor de auga e recoméndase baixar até 100 g.

O aire non é un fluído continuo sen materia, senón un gas de millóns de moléculas como as dunas de area. No caso da area, sabemos que o tamaño do gran e o tamaño do vehículo sobre o que vai circular teñen relación. A escavadora de pneumáticos anchos circulará facilmente pola area, xa que é un material continuo en comparación co tamaño das rodas. A pequena maqueta desta mesma escavadora, con todo, estaría moi mal nas areas debido á acumulación de grans de area ao redor da roda. Se a area é conflitiva, o problema complícase aínda máis.

Hai que ter en conta, con todo, que as moléculas de aire son “conflitivas” e que as pingas de choiva péganse a calquera superficie como ao vidro da xanela.

Paira volver mostrar o problema da escala, diremos que o fenómeno de pegado é proporcional ao tamaño do vidro. Paira cubrir todo o vidro que precede ao automóbil de xoguete, por exemplo, basta cunha pinga de choiva, mentres non se produza ningún obstáculo paira o automóbil real.

Número de Reynolds

Pero vimos ao caso do avión que ten que desprazar ás moléculas enfrontadas. Os efectos non serán exclusivamente proporcionais ás medidas das ás. Neste problema de escala o número de Reynolds ten una gran importancia, xa que menos de 2.000 o réxime é laminar e máis aló turbulento. Durante o voo do avión, a presión exercida sobre a superficie das ás exerce una forza de mantemento sobre o aire e contrapón a resistencia ao aire paira avanzar. No entanto, a presión superficial, o réxime da fina capa de aire en contacto coas ás ten moito que ver.

Cando o réxime é laminar, aplícase a forza de manter o avión no aire pegando a capa ao sur. Se o réxime é turbulento, esta capa de aire comeza a turbular e afástase da superficie. O avión oponse máis ao aire e gasta máis con queimaduras. Ademais, si nas ladeiras prodúcense moitos remolinos, o avión pode caer.

En ás de igual forma e de diferente tamaño (una verdadeira e a outra é una maqueta), a súa resistencia ao aire á mesma velocidade e a súa forza de mantemento no aire non son proporcionais ás dimensións. Por iso, en aerodinámica é fundamental saber realizar espectros aerodinámicos en maquetas da mesma forma xeométrica e de diferente tamaño (o espectro é o conxunto de liñas que marcan a traxectoria do fluído ao redor do sólido).

XIX. No século XIX o inglés Osborn Reynolds investigou as magnitudes que interveñen no paso do réxime laminar ao turbulento, dando solución ao problema da escala cando publicou a súa lei de semellanza. A lei establece que os espectros aerodinámicos de dous corpos similares orientados de forma similar son similares cando a relación entre a resistencia aos vellosidades e a resistencia á fricción laminar é a mesma. A presente lei de similitude formúlase coa seguinte fórmula: .v.d/e = R = constante ( R é o número de Reynolds, a lonxitude correspondente ao tamaño do corpo d, a velocidade de desprazamento do corpo v, a masa específica do fluído e a viscosidad do fluído e).

O túnel criogénico estadounidense estreouse en 1984, polo que se realizaron probas de numerosas maquetas, incluída a de Boeing 757.

Volvendo ao noso exemplo, o avión real e a súa maqueta deberán ter o mesmo número que Reynolds para que os datos sexan extrapolables. A dimensión d m da maqueta é, loxicamente, moito menor que o d h do avión real, e tamén o número de Reynolds da maqueta.

En Aerodinámica coñécense desde hai tempo os factores correctores paira o paso de datos de menor a maior patrón, pero non son moi precisos e o erro do 2 ou 3% non pode descartarse de momento. Isto significa que o avión vai circular máis amodo e queimará máis.

Con todo, como acabamos de ver, se o número de Reinolds diminúe d paira manterse igual, hai que aumentar r ou diminuír e (non cambiaremos a velocidade porque a cada avión aplícaselle una velocidade de ensaio determinada).

A ampliación r consiste nunha maior presión do aire no túnel aerodinámico. Paira iso necesítase un abanico máis potente e os custos aumentan.

Outro dos parámetros que aínda temos paira subir o número de Reynolds e que os resultados da simulación sexan reais é o cambio de viscosidad do aire do túnel. Si na fórmula de Reynolds diminúe e, R aumenta e paira reducir a viscosidad do aire arrefríase o aire até -173 ºC (até 100 kelvin) en túneles criogénicos. En Estados Unidos, o centro de investigación do DNA en Langley demostrou que a viscosidad do gas de circulación ao baixar a temperatura a 100 K é seis veces menor. Así que o número de Reynolds é seis veces maior. Actuando coa presión e a temperatura do aire, conséguese manter o número de Reynolds o máis barato posible.

Túnel criogénico alemán

O primeiro túnel aerodinámico criogénico de Europa é o chamado KKK (Kryo-Canle Köln), que pode alcanzar o número de Reynolds de 9 millóns. Atópase preto de Colonia no centro de investigación aerospacial DLR. Este túnel paira realizar probas de baixa velocidade (até 400 km/h) cambiou moito paira traballar a temperaturas moi baixas.

Entre outras cousas, aplicouse un novo illamento térmico e un sistema de inxección de nitróxeno líquido xunto co sistema de control.

Paira alcanzar temperaturas de 100 K (-173 ºC) utilízanse nitróxeno líquido desde 65 até 90 toneladas. En catro horas arrefríase 50K por hora e despois en vinte horas 10K por hora. 100 K Mantemento en 24 horas require 58 toneladas adicionais de nitróxeno líquido. O seu abanico é dun megawatt e o seu custo de explotación sitúase en 1.700.000 pesetas por día.

Túnel criogénico de Estados Unidos

O da NASA en Langley será probablemente o maior túnel criogénico do mundo. Construíuse no antigo túnel aerodinámico, que custou uns 10.000 millóns de pesetas. O seu abanico é de 90 megawatts antigos, cunha capacidade de nove atmosferas de presión. Alcanza temperaturas de até 124 K (-149 ºC) e velocidades de 1,2 machos.

No túnel criogénico europeo quérense probar, entre outros, os modelos do avión Airbus.

O número de Reynolds que se pode obter é de 100 millóns (realmente obtívose nun ensaio realizado a unha velocidade de 1,0 machos), o maior obtido en ningunha instalación terrestre.

O arrefriado do aire conséguese en catro horas utilizando 70 toneladas de nitróxeno líquido. Desde a súa estrea en 1984 realizáronse probas de maquetas como a de Boeing 757 e outros avións militares. O DNA tamén o utiliza paira probar maquetas dos seus espazos.

Túnel criogénico europeo

Como o túnel alemán non comprime o aire, está a construírse xunto ao outro un túnel denominado ETW (European Transonic Windtunel). Francia, Alemaña, Gran Bretaña e Holanda uníronse paira financiar este proxecto. Levará un número de Reynolds de 50 millóns a 0,9 machos. As temperaturas oscilarán entre os 90 e os 120 K (-150 a -183) e a presión máxima será de 4,5 bares. O ventilador poderá alcanzar velocidades de 1,3 machos coa súa potencia de 50 megawatts. Neste túnel quérense probar, entre outros, os modelos do avión “Airbus”.

Probar as maquetas dos avións en túneles aerodinámicos é una técnica custosa, pero parece que aínda se usarán durante moito tempo. A informática avanzou moito e pódense realizar simulacións nos computadores. Con todo, estas simulacións realízanse en dúas dimensións e non en tres e condicións críticas. Ademais, púidose comprobar que son caros. O túnel aerodinámico criogénico ten por tanto futuro.