Un túnel de viento o túnel aerodinámico es una herramienta diseñada y fabricada para el estudio del comportamiento del aire cuando se mueve alrededor de objetos sólidos. Estos objetos sólidos pueden ser de muy diversa naturaleza, desde vehículos de transporte hasta edificios o estructuras como puentes.
En la Formula 1 su importancia es elevadísima, hasta el punto de que un pequeño error cometido en las pruebas en el túnel de viento puede significar pasar de ganar carreras a quedar fuera del podio. Por esta razón los equipos se afanan en tener el túnel de viento más avanzado posible, y si no es posible alquilan uno que sea suficientemente avanzado.
Los túneles aerodinámicos usados actualmente en la Formula 1 son estructuras cerradas, donde se hace pasar aire a través de un conducto el cúal contiene unas rejillas por las que se le hace pasar. Estas rejillas estabilizadoras tienen por cometido garantizar que el flujo de aire sea laminar, o colocamos obstáculos u otros objetos para trabajar con flujo turbulento. El aire, una vez controlado su comportamiento (normalmente se trabaja en flujo laminar), se hace pasar a una zona (la más importante) llamada garganta o sección de prueba, con paredes transparentes para poder observar o filmar, donde encontramos el monoplaza colocado en una superficie llamada balanza. Esta es una cinta móvil (simula el movimiento del vehículo) y que contiene sensores que nos dan los datos para poder calcular la deportancia generada por el aire (downforce en inglés) y el arrastre o resistencia aerodinámica que se generan en el modelo. El aire además está impulsado normalmente por un enorme ventilador accionado por un motor de mucha potencia. Deciros también que en la sección de prueba, el modelo es colocado en la zona de menor sección, ya que por efecto venturi el aire se verá acelerado y nos ahorrará trabajo del ventilador.
Una vez obtenidos estos resultados (por medio de supercomputadores), se comparan con los resultados teóricos ya que se trabaja con modelos a escala la mayoría de veces, y se validan o no. ¿Cómo validamos, o que criterios seguimos? Pues usamos como criterio fundamental, el número de Reynolds.
El número de Reynolds o Re es un número adimensional que es usado en mecánica de fluidos para caracterizar el movimiento de un fluido cualquiera. Este Re es función de la densidad del fluido, velocidad, dimensión típica del fluido y viscosidad, siendo la dimensión típica el diámetro del conducto que atraviesa o la longitud de fluido que consideremos escoger (sistema homogéneo). ¿Cómo influye el Re en mi cálculo? Pues en aeronáutica hay un concepto que es el de capa límite, que es la zona donde el movimiento del aire es perturbado por la presencia de un sólido en movimiento. En la superficie de este sólido se forma esta capa límite que puede fluir en régimen laminar o turbulento. La diferencia fundamental entre el régimen laminar y el turbulento estriba en que en el primero el flujo es estable y forma laminas delgadas y su movimiento es predecible. En régimen turbulento el movimiento es tridimensional, caótico e impredecible. Deciros que la diferencia entre trabajar en régimen laminar (que es como trabajan los alerones del monoplaza normalmente) y turbulento (usando el DRS por ejemplo, el antiguo F-Duct, u otros aditamentos en alerones traseros para reducir arrastre) depende en gran medida de la propia superficie (de su geometría), de la rugosidad de la superficie, de la turbulencia de la corriente de aire libre (de ahí que se utilicen términos como “ruedas en aire limpio” para decir que no tiene ningún monoplaza delante) y de la distribución de presiones.
Pero aquí no acaban los problemas de calculo, ya que al trabajar con objetos en un túnel de viento nos encontramos con el problema del tamaño muchas veces. En estructuras porque sería imposible hacerlo a escala 1:1, y en aeronáutica tampoco es posible muchas veces debido también al tamaño del objeto de estudio. En Formula 1 el tamaño no sería tanto problema, pero trabajar a escalas de reducción del 50% o 60% hace que sea menos costoso, además de que los datos son extrapolables. Debido a esas dificultades ecónomicas y de espacio, la modelización es exigible para trabajar en un túnel de viento y he aquí cuando aparece la teoría de las semejanzas.
La teoría de las semejanzas se emplea para trabajar con modelos a escala y nos ayuda a que el comportamiento del modelo sea lo más parecido posible a la realidad. La teoria exige que entre el modelo y el objeto real existan tres semejanzas que están relacionadas entre si:
- Semejanza geométrica: Dos objetos (modelo y real) son semejantes geométricamente si sus dimensiones son proporcionales, siendo este el caso más sencillo de semejanza.
- Semejanza cinemática: Dos objetos (modelo y real) son semejantes cinemáticamente si, además de serlo geométricamente, sus vectores velocidad son proporcionales y la orientación es la misma. Esta semejanza está determinada por los ángulos de posición del cuerpo respecto al vector velocidad de la corriente de aire.
- Semejanza dinámica: Dos objetos (modelo y real) son semejantes dinámicamente si además de cumplirse la semejanza cinemática, se cumple que los vectores fuerza son proporcionales y su orientación la misma. Resumiendo, en fenómenos aerodinámicos, para que dos objetos sean semejantes deben de tener fuerzas de rozamiento y presión proporcionales, lo que simplifica bastante el problema.
Después de observar los problemas de cálculo (los he simplificado bastante para su comprensión) quizá os hayan venido a la mente los programas CFD o Dinámica de Fluidos Computacional. Si bien resuelven los problemas sencillos con bastante rápidez y economía de uso, un problema tan complejo como un monoplaza completo de F1 no lo resuelven tan bien y a los hechos me remito, ya que aunque equipos de menor calado intentaron introducirlos en sustitución de los costosos túneles de viento, tuvieron que echar marcha atrás y seguir usando los túneles debido a que el CFD está muy lejos de simular aún condiciones reales.
Bien, ¿todos los túneles de viento son iguales? Por supuesto que no y podemos difrenciarlos en varios tipos según dos criterios fundamentales:
- Por la circulación de aire en su interior, pueden ser abiertos o cerrados. El abierto toma el aire de la atmósfera y lo devuelve a la misma, el cerrado usa un difusor para que el aire recupere su energía incial.
- Por la velocidad de flujo serían subsónicos (menor que la del sonido), transónicos (velocidad entre los 980 y 1230 Km/h), supersónicos (velocidad superior a la del sonido) e hipersónicos (velocidad 5 o más veces mayor que la del sonido).
Las partes de las que se compone un túnel de viento son:
- Ventilador: La velocidad de la corriente de aire que genera debe ser adecuada al experimento.
- Cámara de ensayo: La parte más importante en el diseño de un túnel de viento. Si es de grandes dimensiones, permite acercarse más a escalas reales y así la semejanza del nº de Reynolds es más sencilla de mantener.
- Estabilizadores de corriente tras el ventilador: Para anular el retorno de la corriente al ventilador por rotación.
- Ventanillas anti-pompaje: Ventanillas o rejillas que estabilizan el flujo de aire y evitan oscilaciones críticas.
- Difusor: Para reducir la velocidad del flujo, expandirlo y darle de nuevo presión se usa el difusor. Pero el difusor es muy sensible a errores de diseño, aunque sean pequeños. Puede producir vibraciones perniciosas en el túnel, y es difícil de detectar esos errores. Además no trabajan con flujo laminar ya que se encuentran con el aire salido de la cámara de ensayos.
- Cono de contracción: Su función es aumentar la velocidad de flujo, al contrario que el difusor, y se sitúa en la cámara de ensayo. El cono de contracción aprovecha el efecto venturi y reduce el trabajo del ventilador.
Por último os voy a hablar de un problema adicional en el diseño que no os he explicado antes, se trata de el fenómeno del bloqueo o interferencia. Este fenómeno se define como el radio de la sección frontal del modelo por el área de la sección de prueba (la del túnel). El bloqueo para pruebas aerodinámicas no debe exceder el 5%. El bloqueo ocurre debido al tamaño relativamente grande del modelo con respecto a la sección total del túnel (tamaños limitados). Entonces la presión del aire en las paredes del túnel aumenta bastante y se deben de realizar correcciones adicionales a los cálculos, debido al bloqueo.
Espero haber arrojado algo de luz sobre los aspectos que influyen en el diseño y el funcionamiento de un túnel de viento, y que sepais ver los porqués de los problemas que tienen los equipos muchas veces con piezas que usadas en la pista, no producen la mejora esperada y hay que volver a probar en el túnel de viento.
Espero que sea de su interes el artículo!