Después de que el hombre se da cuenta que para volar necesita más que imitaciones rudimentarias del aleteo de las aves y comprende que debe aumentar su conocimiento en lo que hoy en día llamamos aerodinámica, crea aparatos e instrumentos que le permitan medir las fuerzas que experimentan los cuerpos dentro de fluidos en movimiento. Desde el siglo XVIII rondaba la idea de que estas fuerzas dependían de la velocidad relativa entre el cuerpo y el fluido, por ello se diseñaron brazos mecánicos que se desplazaban sobre rieles, sosteniendo distintos prototipos; el problema de este sistema era que el modelo se movía a través de un flujo turbulento, desordenado por el movimiento del brazo. Para obviar este obstáculo, se decidió dejar el modelo quieto y hacer que circule el aire alrededor de él; y si a esta idea la colocamos dentro de un ducto, obtenemos lo que conocemos como un túnel de viento.

Aunque hay muchas familias de túneles de viento, en general pueden definirse como conductos que llevan en alguna parte de su trayecto un ventilador accionado por un motor, que se encarga de que el aire fluya de manera constante; usualmente las aspas del ventilador son diseñadas, según el tipo de túnel que se vaya a construir, de manera similar a como se hacen las de los aviones. La parte de interés para la experimentación es la sección de pruebas, que debe ser transparente para permitir la observación e incluso filmación, en ella se instala el modelo y diferentes aparatos que miden las fuerzas que experimenta éste y las condiciones del aire que atraviesa esa sección. Resulta de interés que la sección de pruebas sea de menor área que el resto del túnel, ya que por conservación de caudal genera una velocidad mayor cerca del modelo; ahorrando energía en el ventilador, que genera el mismo efecto en la sección de pruebas con una potencia menor, que además reduce las pérdidas por fricción en las paredes y codos del túnel.
 

Como una reducción brusca en el área de la sección genera desprendimientos y turbulencias, en la entrada de esta se coloca un cono que reduce de manera gradual el área, al que se le llama contracción (figura 1), de manera similar, al terminar la sección de pruebas hay un tramo llamado difusor, encargado de aumentar el área y disminuir la velocidad del aire.
 

Aunque las velocidades con que se experimenta en los túneles de viento varían dentro de un amplio rango, solo se considerarán las menores a 300mph, denominadas subsónicas, donde la compresibilidad del aire es despreciable. La atracción de los túneles de viento radica en que no es necesario someter a experimentación el prototipo sino a un modelo que guarde semejanza aerodinámica. Para conocer las fuerzas que se aplican al caso real, en un túnel subsónico, esta semejanza requiere que el número de Reynolds sea igual para el prototipo y el modelo, además debe existir una similitud geométrica, lo que hace que ambos tengan la misma escala de longitudes, tiempos y fuerzas. El tamaño del modelo define en muchos casos el tamaño de la sección; en teoría sería ideal que la sección tuviera el mayor ancho posible, sin embargo, por razones económicas, es aceptable que la envergadura del modelo sea como máximo cuatro quintas partes del ancho de la sección, de manera que el efecto de las paredes no se vea reflejado en las mediciones.

Dentro de las variaciones en los túneles de viento, la principal diferencia es la posibilidad de la recirculación del aire. Pueden ser de circuito abierto donde el aire que entra no vuelve a salir (figura 1) o de circuito cerrado (figura 2), donde el aire realiza siempre el mismo recorrido. Un túnel del primer tipo tiene la ventaja de ser relativamente más barato en su construcción, pero requiere de más aire disponible, más energía y hace más ruido. Uno de tipo cerrado ahorra más energía (solo gasta la necesaria para restaurar las pérdidas por fricción), no necesita de tanto aire disponible pero resulta mucho más costosa su fabricación y montaje. Estos dos tipos de túneles pueden tener una sección de pruebas con paredes (tipo NPL) o sin paredes (tipo Eiffel); se prefiere la primera, pues resulta más fácil colocar y cambiar tanto los modelos como las herramientas de medición.

Muchos túneles tienen propósitos específicos, por ejemplo los túneles de densidad variable, que buscan simular el flujo con altos números de Reynolds, lo que logran comprimiendo el aire hasta presiones cercanas a siete veces la atmosférica. Los túneles de vuelo libre buscan simular el planeo de los aviones, son de circuito y sección abierta, donde se deja caer el modelo bajo la acción de la gravedad y el flujo del aire. Otro factor importante de un avión es la tendencia que tenga a dar giros después de entrar en pérdida, para lo que se usan "spin tunnels" que son túneles de viento verticales, en los que el aire fluye hacia arriba; el modelo se coloca dentro y se filma durante la pérdida y su recuperación, para ser estudiado después con detenimiento.
 

Los túneles no van dirigidos exclusivamente al diseño de aeronaves, sino también al de automóviles, bicicletas, edificios, a simular la propagación de incendios y de contaminantes atmosféricos. Los túneles también sirven para visualizar el flujo, como es el caso de los túneles de humo en los que se utilizan fuentes de aceites vaporizados para marcar líneas y trayectorias en el fluido.
 
 

Diseño de túneles de viento

Sección de pruebas:

La longitud usual de una sección de pruebas varía entre una y dos veces la dimensión mayor de la sección. No debe olvidarse hacer la sección transparente o colocar suficientes ventanas para su filmación y observación.
 

Difusor:

Hay que tener en cuenta que al difusor no le llega un flujo laminar, el aire que sale de la sección de pruebas no es uniforme lo que hace aún más difícil el papel del difusor.
 
 

Cono de contracción:

Reducción de turbulencia: "Honeycombs" y pantallas

Cómo calcular las pérdidas en un túnel de viento?

Antes de seguir, vale la pena aclarar que toda esta teoría para secciones circulares se puede aplicar a secciones de otras formas gracias al diámetro hidráulico. Si definimos A como el área perpendicular al flujo y p como el perímetro mojado (perímetro del área seccional que está sometido a esfuerzos de fricción) definimos el diámetro hidráulico D_h como:

Que es la mejor manera de aproximar un ducto no circular para aplicarle las ecuaciones para ductos circulares
 
 

La manera más lógica de aproximarnos al cálculo de las pérdidas en un túnel de viento, se deriva de seccionarlo en cinco partes correspondientes a las secciones cilíndricas, las esquinas, la sección de expansión, la de contracción y los honeycombs o pantallas, calculando para cada una el coeficiente de pérdida K.
 
 

Como la ecuación de Bernoulli enuncia que

Además las pérdidas de energía se pueden calcular como

donde A_o es el área de la sección de pruebas y k_o son los coeficientes de pérdida de las secciones en que dividimos el túnel anteriormente.
 
 
 

Secciones cilíndricas

donde

entonces

Para tubos lisos y números de Reynolds bajos

donde D es el diámetro local (ft), V la velocidad local (ft/s) y Re es el número de Reynolds, con la viscosidad del aire en las condiciones dadas. Como ésta ecuación es tediosa de solucionar para (,, es razonable buscar los números necesarios en la gráfica 1.
 
 

Secciones divergentes

donde ( es la divergencia entre los muros opuestos, D1 es el diámetro pequeño y D2 es el diámetro mayor. Una expansión menor, genera pérdidas pequeñas, lo que se aprecia diferenciando la ecuación

La eficiencia máxima se obtiene cuando el ángulo de divergencia es de cinco grados, pero usualmente los problemas de espacio, hacen que el ángulo que se utilice sea ligeramente mayor.
 
 
 

Las esquinas

Cono de contracción

donde L_c es la longitud del cono de contracción, entonces

asumiendo un valor medio para lambda . Como la contracción total es usualmente menor al 3%, los errores en este cálculo no son muy relevantes.
 
 

Honeycombs y pantallas.

Donde

D = diámetro del alambre

M= longitud de la malla

Rd = Reynolds basado en el diámetro del alambre d.

Al sumar todos estos coeficientes de pérdidas, se obtiene la fracción de energía, que está dada por

éste valor es una medida de la eficiencia del túnel de viento; usualmente es mayor que la unidad, indicando la cantidad de energía almacenada en la corriente de aire es capaz de realizar trabajo a una alta taza antes de llegar al reposo.
 
 

Referencias:

POPE, Allan; Wind Tunnel Testing; Ed, John Wilen & Sons, Londres 1964.

ANDERSON, John d.; Fundamentals of Aerodynamics; Mc Graw- Hill; Singapore 1991

WHITE, Frank; Mecánica de fluídos; Ed. Mc Graw-Hill;Espana 1979