Tema de Proyected Image Velocimetry

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Abstracto

En este reporte de laboratorio de Aero fluidos se detalla la práctica realizada en clase que consta de la medición de la capa límite de un fluido haciéndolo pasar sobre un perfil alar, ver como varia conforme se aumenta la velocidad y el Angulo de ataque del mismo. Esta práctica se realizó en el túnel de agua del laboratorio, a diferentes velocidades del fluido, el cual es movido por una bomba centrifuga y un motor de 1.5 HP.

Para realizar esta práctica, utilizamos el variador de frecuencia disponible para controlar el motor y su velocidad, que iba desde 2 Hz hasta 15 Hz, a fin de manipular la velocidad del fluido.

A su vez, para poder visualizar y analizar cómo se comportaba el movimiento del fluido alrededor de nuestra superficie y que clase de fenómenos este experimentaba, para el cual se utilizaron tintas y un Sistema especial del túnel, con valores controlados para proceder al respectivo análisis y grafico de los resultados.

Los objetivos finales de esta práctica es visualizar y estudiar la capa limite que se genera por la viscosidad sobre nuestra superficie, que presenta nuestro fluido al estar sometido a diferentes velocidades.

Introducción

En esta práctica se utilizaran modelos matemáticos representativos como la descripción y concepto de capa límite: laminar y turbulenta, viscosidad, flujo estacionario y no estacionario  y numero de Reynolds. Los datos obtenidos son aproximaciones simples dada la dificultad de la toma de lecturas por falta de equipo.

Como referencias mayores tenemos nuestro libro de fundamentos de Aerodinámica y ciertas páginas web utilizadas que se citaran en orden correspondiente y al final en las referencias.

Arreglo experimental y métodos

Materiales y especificaciones

Materiales y equipos utilizados en la práctica:

-Túnel de agua como equipo de laboratorio que proporciona la facultad

-Bomba centrifuga de acero inoxidable (G&L modelo no. 2-1/2 x3-6 SSH) que entrega

300GPM usando 1.5BHP

-Motor de inducción de 1.5 HP ODP, 1800 RPM, 208/230 VAC no. JMM3154T

-Controlador de frecuencia variable (Toshiba Modelo No. VFS11-2015PM-WN) unidad establecida para 208-230 VAC de 3 faces

-velocidad de flujo variable manejada mediante un controlador que entrega 0.03m/s hasta más de 0.76m/s.

-Medidor de flujo montado en línea sobre una tubería de 3 in con el sistema de bombeo monitoreado Modelo 8712ESRIAIN0M4D1 de Rosemount Inc. Con transmisor al display y señal de 4-20mA

-Superficie para prueba, perfil alar NACA 4412

-Tintas para ver el comportamiento del fluido

Procedimiento

Una vez colocado el perfil alar en la zona de pruebas, este tiene unas pestañas y un empaque tipo O-ring que ayuda a sellar la zona además de un transportador integrado para tener lectura de los grados a los que se encuentra el perfil. Luego se procede a llenar el túnel de agua. Una vez lleno el túnel, se enciende el controlador, display, medidor de flujo y motor, mediante un switch colocado debajo de la zona de pruebas del túnel. En el display tiene un control para el variador del motor que nos va diciendo la frecuencia en la que se encuentra el motor, y el medidor de flujo nos muestra la cantidad de flujo que atraviesa un área por un determinado tiempo. Variando esas frecuencias, llegamos a las velocidades deseadas y se procede a tomar lecturas del gasto y a desplegar las tintas para ver cómo se comporta el fluido, se toman datos de lo encontrado y se grafican.

Marco teórico

Viscosidad

Es la propiedad que describe la resistencia de un fluido a deslizar. Si tenemos un ala desplazándose a cierta velocidad, se comprueba experimentalmente que la capa de fluido en contacto con el ala se desplaza como si viajara adherida a ésta, moviéndose a su misma velocidad. La capa de fluido situada inmediatamente inferior, también se desplaza en la misma dirección, pero con una velocidad ligeramente inferior, debido al rozamiento que existe entre las capas de aire. Esto ocurre para las capas sucesivas. La fricción interna dentro del fluido es originada por la viscosidad. De hecho, es gracias a que el aire es un fluido viscoso que los aviones pueden volar. Si el aire no tuviera viscosidad, las capas de fluido no viajarían adheridas a la superficie del ala, y no aparecerían las fuerzas que permiten el vuelo.

Flujo estacionario y no estacionario

Supongamos un avión volando a velocidad constante en vuelo rectilíneo y sin viento. Para un observador en el suelo, el aire está en reposo y queda perturbado a causa del avión que se mueve a través de él. El piloto, en cambio, podría suponer que él está en reposo y que es el aire el que se mueve a su alrededor. Así, sería la corriente de aire la que queda perturbada por el paso del avión. Ambas suposiciones son válidas, pero para realizar un estudio matemático y físico del problema es mucho más sencillo el estudio si se considera que el avión está en reposo y que es el aire el que se mueve. Si suponemos que para un cierto punto del espacio, las propiedades del aire no cambian, estaremos considerando que tenemos un flujo estacionario. Si suponemos, en cambio, que para un punto dado del aire, sus propiedades pueden variar a lo largo del tiempo, aun cuando el avión permanece inmóvil, estaremos hablando de flujo no estacionario.

Capa límite: Laminar y turbulenta

Debido a las fuerzas interatómicas, la capa de agua que está en contacto directo con una superficie, en nuestro caso el perfil alar, permanece siempre adherida a ésta. Existe un deslizamiento entre las diferentes capas adyacentes a la superficial, que conforme están más alejadas de la superficie tienen una velocidad más cercana a la velocidad de la capa correspondiente a la del aire libre. La zona que existe entre la capa de aire que circula pegada a la superficie y la capa que pertenece a la corriente libre se conoce como capa límite. Cuando el movimiento del aire dentro de la capa límite es en forma de capas paralelas, decimos que tenemos un flujo laminar. En los puntos próximos al borde de ataque la capa límite es laminar, y conforme el aire se va alejando del borde de ataque, las fuerzas de rozamiento disipan cada vez más energía de la corriente de aire, haciendo que el espesor de la capa límite aumente poco a poco, hasta que a una cierta distancia del borde de ataque, que dependerá de la velocidad del fluido, la inclinación del ala, etc. La capa límite empieza a sufrir unas perturbaciones de tipo caótico, que conllevan un aumento del espesor de la capa límite, y una destrucción dela corriente laminar que existía, pasando a ser de tipo turbulenta.

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