OrígenesEditar
El ingeniero militar y matemático inglés Benjamin Robins (1707-1751) inventó un aparato de brazo giratorio para determinar la resistencia aerodinámica e hizo algunos de los primeros experimentos de la teoría de la aviación.
Sir George Cayley (1773-1857) también utilizó un brazo giratorio para medir la resistencia aerodinámica y la sustentación de varios perfiles aéreos. Su brazo giratorio tenía 5 pies (1,5 m) de largo y alcanzaba velocidades máximas de entre 10 y 20 pies por segundo (3 a 6 m/s).
Otto Lilienthal utilizó un brazo giratorio para medir con precisión los perfiles aéreos de las alas con distintos ángulos de ataque, estableciendo sus diagramas polares de relación entre sustentación y arrastre, pero carecía de las nociones de resistencia inducida y números de Reynolds.
Sin embargo, el brazo giratorio no produce un flujo fiable de aire que impacte en la forma de prueba con una incidencia normal. Las fuerzas centrífugas y el hecho de que el objeto se mueve en su propia estela dificultan el examen detallado del flujo de aire. Francis Herbert Wenham (1824-1908), miembro del Consejo de la Sociedad Aeronáutica de Gran Bretaña, abordó estos problemas inventando, diseñando y operando el primer túnel de viento cerrado en 1871. Una vez logrado este avance, se pudieron extraer rápidamente datos técnicos detallados mediante el uso de esta herramienta. A Wenham y a su colega John Browning se les atribuyen muchos descubrimientos fundamentales, como la medición de las relaciones l/d, y la revelación de los efectos beneficiosos de una relación de aspecto elevada.
Konstantin Tsiolkovsky construyó un túnel de viento de sección abierta con un soplador centrífugo en 1897, y determinó los coeficientes de resistencia de placas planas, cilindros y esferas.
El inventor danés Poul la Cour aplicó los túneles de viento en su proceso de desarrollo y perfeccionamiento de la tecnología de las turbinas eólicas a principios de la década de 1890.Carl Rickard Nyberg utilizó un túnel de viento cuando diseñó su Flugan a partir de 1897.
En un conjunto clásico de experimentos, el inglés Osborne Reynolds (1842-1912) de la Universidad de Manchester demostró que el patrón de flujo de aire sobre un modelo a escala sería el mismo para el vehículo a escala real si un determinado parámetro de flujo era el mismo en ambos casos. Este factor, ahora conocido como número de Reynolds, es un parámetro básico en la descripción de todas las situaciones de flujo de fluidos, incluidas las formas de los patrones de flujo, la facilidad de transferencia de calor y la aparición de turbulencias. Esto constituye la justificación científica central para el uso de modelos en túneles de viento para simular fenómenos de la vida real. Sin embargo, existen limitaciones en las condiciones en las que la similitud dinámica se basa únicamente en el número de Reynolds.
El uso por parte de los hermanos Wright de un sencillo túnel de viento en 1901 para estudiar los efectos del flujo de aire sobre diversas formas mientras desarrollaban su Wright Flyer fue en cierto modo revolucionario. Sin embargo, de lo anterior se desprende que simplemente utilizaron la tecnología aceptada de la época, aunque todavía no era una tecnología común en América.
En Francia, Gustave Eiffel (1832-1923) construyó su primer túnel de viento de retorno abierto en 1909, impulsado por un motor eléctrico de 50 kW, en Champs-de-Mars, cerca del pie de la torre que lleva su nombre.
Entre 1909 y 1912, Eiffel realizó unas 4.000 pruebas en su túnel de viento, y su experimentación sistemática estableció nuevas normas para la investigación aeronáutica.En 1912, el laboratorio de Eiffel se trasladó a Auteuil, un suburbio de París, donde su túnel de viento con una sección de prueba de dos metros sigue funcionando hoy en día. Eiffel mejoró notablemente la eficacia del túnel de viento de retorno abierto encerrando la sección de pruebas en una cámara, diseñando una entrada abocinada con un enderezador de flujo en forma de panal y añadiendo un difusor entre la sección de pruebas y el ventilador situado en el extremo inferior del difusor; esta fue una disposición seguida por varios túneles de viento construidos posteriormente; de hecho, el túnel de viento de retorno abierto de baja velocidad se denomina a menudo túnel de viento tipo Eiffel.
Uso generalizadoEditar
El uso posterior de los túneles de viento proliferó a medida que se establecían la ciencia de la aerodinámica y la disciplina de la ingeniería aeronáutica y se desarrollaban los viajes aéreos y la energía.
La Marina de los Estados Unidos construyó en 1916 uno de los túneles de viento más grandes del mundo en aquella época en el astillero de la Marina de Washington. La entrada tenía casi 11 pies (3,4 m) de diámetro y la parte de descarga tenía 7 pies (2,1 m) de diámetro. Un motor eléctrico de 500 CV impulsaba las palas del ventilador de tipo pala.
En 1931 la NACA construyó un túnel de viento a escala real de 30 por 60 pies en el Centro de Investigación Langley en Langley, Virginia. El túnel estaba alimentado por un par de ventiladores accionados por motores eléctricos de 4.000 CV. El trazado era un formato de doble retorno y bucle cerrado y podía albergar muchos aviones reales de tamaño natural, así como modelos a escala. El túnel acabó cerrándose y, aunque fue declarado Monumento Histórico Nacional en 1995, su demolición comenzó en 2010.
Hasta la Segunda Guerra Mundial, el mayor túnel de viento del mundo, construido entre 1932 y 1934, estaba situado en un suburbio de París, Chalais-Meudon, Francia. Estaba diseñado para probar aviones de tamaño normal y contaba con seis grandes ventiladores accionados por motores eléctricos de gran potencia. El túnel de viento de Chalais-Meudon fue utilizado por ONERA bajo el nombre de S1Ch hasta 1976 en el desarrollo de, por ejemplo, los aviones Caravelle y Concorde. Hoy en día, este túnel de viento se conserva como monumento nacional.
Ludwig Prandtl fue profesor de Theodore von Kármán en la Universidad de Göttingen y sugirió la construcción de un túnel de viento para las pruebas de los dirigibles que estaban diseñando.:44 En el túnel se probó la calle de vórtices de la turbulencia aguas abajo de un cilindro.:63 Cuando más tarde se trasladó a la Universidad de Aquisgrán, recordó el uso de esta instalación:
Recordé que el túnel de viento de Göttingen se inició como una herramienta para estudiar el comportamiento de los Zeppelines, pero que había demostrado ser valioso para todo lo demás, desde determinar la dirección del humo de la chimenea de un barco, hasta si un determinado avión volaría. El progreso en Aquisgrán, pensaba, sería prácticamente imposible sin un buen túnel de viento.:76
Cuando von Kármán comenzó a consultar con Caltech, trabajó con Clark Millikan y Arthur L. Klein.:124 Se opuso a su diseño e insistió en un flujo de retorno que hiciera al dispositivo «independiente de las fluctuaciones de la atmósfera exterior». Se completó en 1930 y se utilizó para las pruebas de Northrop Alpha.:169
En 1939 el general Arnold preguntó qué se necesitaba para el avance de la USAF, y von Kármán respondió: «El primer paso es construir el túnel de viento adecuado.»:226 Por otro lado, tras los éxitos del Bell X-2 y la perspectiva de una investigación más avanzada, escribió: «Yo estaba a favor de construir un avión de este tipo porque nunca he creído que se puedan obtener todas las respuestas en un túnel de viento»:302-03
Segunda Guerra MundialEditar
En 1941 los EE.UU. construyeron uno de los túneles de viento más grandes de la época en Wright Field en Dayton, Ohio. Este túnel de viento comienza a 45 pies (14 m) y se estrecha a 20 pies (6,1 m) de diámetro. Dos ventiladores de 40 pies (12 m) eran accionados por un motor eléctrico de 40.000 CV. Los modelos de aviones a gran escala podían probarse a velocidades del aire de 400 mph (640 km/h).
El túnel de viento utilizado por los científicos alemanes en Peenemünde antes y durante la Segunda Guerra Mundial es un ejemplo interesante de las dificultades asociadas a la ampliación del alcance útil de los grandes túneles de viento. Utilizaba unas grandes cuevas naturales que se aumentaban de tamaño mediante la excavación y luego se sellaban para almacenar grandes volúmenes de aire que luego podían ser conducidos a través de los túneles de viento. Este enfoque innovador permitió la investigación de laboratorio en regímenes de alta velocidad y aceleró enormemente el ritmo de avance de los esfuerzos de la ingeniería aeronáutica alemana. Al final de la guerra, Alemania contaba con al menos tres túneles de viento supersónicos diferentes, uno de ellos capaz de alcanzar flujos de aire de Mach 4,4 (calentado).
Un gran túnel de viento en construcción cerca de Oetztal, Austria, habría tenido dos ventiladores accionados directamente por dos turbinas hidráulicas de 50.000 caballos de potencia. La instalación no se completó al final de la guerra y el equipo desmantelado se envió a Modane, Francia, en 1946, donde se volvió a montar y sigue siendo operado allí por la ONERA. Con su sección de pruebas de 8 metros y una velocidad del aire de hasta Mach 1, es la instalación de túnel de viento transónico más grande del mundo.
El 22 de junio de 1942 Curtiss-Wright financió la construcción de uno de los túneles de viento subsónicos más grandes del país en Buffalo, N.Y. El primer hormigón para la construcción se vertió el 22 de junio de 1942 en un lugar que con el tiempo se convertiría en Calspan, donde todavía funciona el mayor túnel de viento de propiedad independiente de los Estados Unidos.
Para el final de la Segunda Guerra Mundial, los EE.UU. habían construido ocho nuevos túneles de viento, incluyendo el más grande del mundo en Moffett Field, cerca de Sunnyvale, California, que fue diseñado para probar aviones de tamaño completo a velocidades de menos de 250 mph y un túnel de viento vertical en Wright Field, Ohio, donde la corriente de viento es hacia arriba para las pruebas de modelos en situaciones de giro y los conceptos y diseños de ingeniería para los primeros helicópteros primitivos volados en los EE.UU..
Después de la Segunda Guerra MundialEditar
Reproducir medios de comunicación
La investigación posterior de los flujos de aire cerca o por encima de la velocidad del sonido utilizó un enfoque relacionado. Se utilizaron cámaras de presión metálicas para almacenar aire a alta presión que luego se aceleraba a través de una boquilla diseñada para proporcionar un flujo supersónico. La cámara de observación o de instrumentación («sección de prueba») se colocaba entonces en el lugar adecuado de la garganta o tobera para la velocidad del aire deseada.
En Estados Unidos, la preocupación por el retraso de las instalaciones de investigación americanas en comparación con las construidas por los alemanes llevó a la Ley del Plan Unitario de Túneles de Viento de 1949, que autorizaba el gasto para construir nuevos túneles de viento en universidades y en emplazamientos militares. Algunos túneles de viento alemanes de la época de la guerra se desmantelaron para enviarlos a Estados Unidos como parte del plan para explotar los desarrollos tecnológicos alemanes.
Para aplicaciones limitadas, la dinámica de fluidos computacional (CFD) puede complementar o posiblemente sustituir el uso de los túneles de viento. Por ejemplo, el avión cohete experimental SpaceShipOne se diseñó sin utilizar túneles de viento. Sin embargo, en una de las pruebas, se fijaron hilos de vuelo a la superficie de las alas, realizando una prueba de tipo túnel de viento durante un vuelo real para perfeccionar el modelo computacional. Cuando existe un flujo turbulento externo, el CFD no es práctico debido a las limitaciones de los recursos informáticos actuales. Por ejemplo, un área que sigue siendo demasiado compleja para el uso de CFD es la determinación de los efectos del flujo sobre y alrededor de estructuras, puentes, terreno, etc.
La forma más eficaz de simular el flujo turbulento externo es mediante el uso de un túnel de viento de capa límite.
Hay muchas aplicaciones para el modelado de túneles de viento de capa límite. Por ejemplo, entender el impacto del viento en edificios altos, fábricas, puentes, etc. puede ayudar a los diseñadores de edificios a construir una estructura que resista los efectos del viento de la manera más eficiente posible. Otra aplicación importante de la modelización en túnel de viento de capa límite es la comprensión de los patrones de dispersión de los gases de escape en hospitales, laboratorios y otras fuentes emisoras. Otros ejemplos de aplicaciones del túnel de viento de capa límite son las evaluaciones de la comodidad de los peatones y la deriva de la nieve. La modelización de túneles de viento está aceptada como método de ayuda al diseño de edificios ecológicos. Por ejemplo, el uso de la modelización del túnel de viento de capa límite puede utilizarse como un crédito para la certificación de Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental (LEED) a través del Consejo de Construcción Verde de los Estados Unidos.
Los ensayos en un túnel de viento de capa límite permiten simular la resistencia natural de la superficie terrestre. Para obtener precisión, es importante simular el perfil de la velocidad media del viento y los efectos de la turbulencia dentro de la capa límite atmosférica. La mayoría de los códigos y normas reconocen que las pruebas en túneles de viento pueden producir información fiable para los diseñadores, especialmente cuando sus proyectos se encuentran en terrenos complejos o en lugares expuestos.
En los Estados Unidos, muchos túneles de viento han sido desmantelados en los últimos 20 años, incluyendo algunas instalaciones históricas. Los túneles eólicos restantes están sometidos a una gran presión debido a su uso decreciente o errático, a los elevados costes de la electricidad y, en algunos casos, al alto valor de los bienes inmuebles sobre los que se asientan las instalaciones. Por otra parte, la validación de la CFD sigue requiriendo datos de los túneles de viento, y es probable que así sea en un futuro próximo. Se han realizado estudios y otros están en curso para evaluar las futuras necesidades de los túneles de viento militares y comerciales, pero el resultado sigue siendo incierto. Últimamente, el uso creciente de vehículos no tripulados impulsados por aviones ha sustituido algunos de los usos tradicionales de los túneles de viento. El túnel de viento más rápido del mundo a partir de 2019 es el túnel de viento LENS-X, situado en Buffalo, Nueva York.