Túnel de viento
El Túnel de Viento es una instalación en la que se obtiene un flujo de aire rectilíneo y uniforme a una velocidad determinada en la cámara de ensayos. En la cámara de ensayos del Túnel de viento, se sitúan objetos reales o maquetas de los mismos para observar el efecto real que el viento ejerce sobre ellos, de manera que puedan evaluarse o diseñarse soluciones que puedan ser necesarias.
La cámara de ensayos del túnel aerodinámico del ITER se ha construido de forma modular y desmontable, para adaptarse a las necesidades de cada ensayo en particular. Las innovaciones introducidas, principalmente en su construcción, planta de potencia y regulación, hacen que sea altamente competitivo en costes y prestaciones, así como adecuado para una gran variedad de aplicaciones, como por ejemplo:
- Ingeniería Civil.
- Arquitectura.
- Energías Renovables.
- Entrenamiento deportivo.
- I + D agrícola.
Las características más destacadas del Túnel Aerodinámico para Ensayos Civiles son las siguientes:
- Circuito cerrado.
- Cámara de ensayos: 2 x 2 m2 de sección y 3 m de largo.
- Velocidad máxima de operación en la cámara: 56 m/s.
- 9 ventiladores de 22 kW cada uno, controlados mediante un variador de frecuencia.
Plano del túnel
- Planta de potencia
- Difusores
- Esquinas
- Cámara de Remanso
- Contracción
- Cámara de Ensayos
- Sala de Control
Descripción técnica
El Túnel Aerodinámico para Ensayos Civiles del ITER fue el primer túnel de viento que se instaló en Canarias. Fue diseñado específicamente para la realización de ensayos civiles, aumentando su eficiencia y versatilidad, y supone un gran avance para la investigación aerodinámica en múltiples campos.
El túnel es un instrumento clave en el estudio de las acciones del aire o el viento sobre un objeto, ya sea éste un avión, una estructura o la propia superficie terrestre. Su objetivo es proporcionar una corriente con las características deseadas, satisfaciendo unos determinados niveles de calidad, de manera que en su cámara de ensayos pueden realizarse pruebas al hacer incidir esta corriente sobre objetos reales, si sus dimensiones lo permiten, o sobre maquetas a escala de los mismos, con lo que se pueden extrapolar los resultados amparados en las leyes de semejanza dinámica. De esta forma puede predecirse el efecto real que el viento ejerce sobre el objeto de estudio, pudiendo asimismo diseñarse y evaluarse soluciones, en caso de que fuera necesario, bien para reducir ese efecto o para minimizar los considerados perniciosos.
Este túnel es de circuito y cámara de ensayos cerrados, lo que significa un menor consumo de potencia de la planta propulsora y una reducción considerable de la contaminación acústica del entorno, así como una mayor calidad de la corriente en la cámara de ensayos. Al confinar el fluido de trabajo, los túneles de circuito cerrado facilitan el empleo de técnicas de visualización mediante humos, partículas, etc.
La planta propulsora está formada por 9 ventiladores con una potencia individual de 22 kW; cada uno de ellos puede mover 24 m3/s, con un incremento de presión de 500 Pa. Estos ventiladores están regulados en velocidad mediante un variador de frecuencia, pudiéndose alcanzar una velocidad de 56 m/s en la cámara de ensayos.
Las dimensiones de la cámara de ensayos son 2x2 m2 de sección y 3 m de longitud, siendo una de sus paredes laterales acristalada permitiendo así la perfecta visualización de los ensayos desde la sala de control. Además, la cámara se ha construido de forma modular y desmontable, para adaptarse perfectamente a las necesidades de cada ensayo en particular.
La contracción disminuye la sección de forma suave desde la máxima del circuito de retorno hasta la de la cámara de ensayos, acelerando la corriente hasta la velocidad que ha de tener en ella, y cumpliendo funciones importantes desde el punto de vista de calidad de la corriente, como son el disminuir el nivel de turbulencia y el mejorar la uniformidad del perfil de velocidades y el alineamiento de la corriente. La función de los difusores es ir disminuyendo la velocidad de la corriente a partir de la cámara de ensayos, para con ello minimizar la pérdida de carga en el circuito de retorno y, por tanto, la potencia requerida para el funcionamiento del túnel.
Al ser un túnel de circuito cerrado, es necesario forzar a la corriente a realizar giros, pero de manera ordenada, sin elevar más allá de lo razonable la pérdida de carga ni introducir perturbaciones en la corriente. El diseño de estas esquinas no puede llevarse hasta lo que es en teoría aerodinámicamente óptimo, puesto que entonces su coste sería inadmisiblemente elevado, sino que tan solo ha de tener la complejidad requerida para cumplir los objetivos buscados, de manera que, a la vez que se cumplen estos, el coste resulta razonable.
Instrumentación
El Túnel Aerodinámico para Ensayos Civiles cuenta con una variada instrumentación. Para regular la velocidad de giro de los ventiladores se cuenta con un variador de frecuencia de 220 kW, de manera que en cada momento podemos obtener en la cámara de ensayos una corriente de aire con la velocidad deseada. Este variador se encuentra situado en el almacén del túnel, desde donde puede ser operado localmente, o también remotamente desde la sala de control, mediante un programa desarrollado por ITER.
Para la medida de presiones en maquetas y de la velocidad del túnel contamos, por una parte, con un sistema “Scanivalve” de 48 tomas. Los amplificadores de señal de los transductores de presión están conectados a un ordenador para la adquisición de datos que se encuentra en la sala de control. Dicho ordenador cuenta con un programa de adquisición realizado por ITER, que filtra y almacena los datos, permitiendo la visualización gráfica instantánea de los mismos para cada una de las tomas de presión.
Posteriormente se han incorporado dos nuevos escáners de presión electrónicos. Se trata de dos módulos extremadamente compactos y que aceptan hasta 64 entradas de presión cada uno de ellos, pudiendo funcionar como un único escáner de 128 entradas. Para la medida de la velocidad de la corriente en la cámara de ensayos y el control de la misma, contamos con varios tubos de Pitot-estática, así como con un anemómetro de precisión de hilo caliente.
En los ensayos de calibración del Túnel Aerodinámico para Ensayos Civiles se ha utilizado un peine de tomas de presión total, que también es útil para otros tipos de ensayos que se realicen. Además, se dispone de una cámara de vídeo para la grabación de los ensayos.
Durante la fase de puesta en marcha y en ensayos realizados se empleó, con éxito, un sistema de visualización con hilos, tanto para visualizar el flujo sobre una maqueta, como para comprobar que el flujo está adherido a la entrada y a la salida de la contracción.
Aplicaciones
Las innovaciones introducidas en el túnel, tanto en el procedimiento de construcción como en los sistemas motopropulsor y de regulación, hacen que sea altamente competitivo en costes y prestaciones, así como el hecho de que este túnel se concibió desde el principio pensando en la especificidad de las aplicaciones civiles, sin estar condicionado por las aplicaciones aeronáuticas, que conllevarían unas especificaciones muy estrictas y, por tanto, altos costes de instalación y operación. Las diferentes aplicaciones de este túnel de viento son las siguientes:
Ingeniería Civil
Los ensayos que pueden ser desarrollados en el campo de la Ingeniería Civil son muy variados, por lo que nos limitaremos a citar los más relevantes. Entre ellos cabe destacar la importancia que tiene la determinación de cargas estáticas y dinámicas del viento sobre puentes y otras estructuras civiles singulares. Estas cargas pueden ser muy importantes a la hora de dimensionar su estructura, ya que las cargas que se deducen de las normas pueden no ser válidas, por exceso o por defecto, cuando se quiere hacer un diseño muy ajustado.
Otro tipo de estudios abarcados en este campo es la determinación de cargas del viento sobre vehículos terrestres y el estudio de dispositivos en las infraestructuras para reducirlas. Ambos tipos de estudios son muy importantes para mejorar la seguridad en las infraestructuras terrestres, ya que es bien conocido que el efecto del viento sobre los vehículos por ejemplo en los puentes o sobre barrancos después de una cortada son la causa de muchos accidentes de tráfico.
Un caso similar al anterior es el estudio del efecto del viento dentro de muelles, aeropuertos, etc., dónde pueden llegar a producirse ráfagas perjudiciales. Esto es perfectamente evitable ensayando previamente los diseños en un túnel aerodinámico, asegurando de este modo que los proyectos son viables y adecuados, y evitando una posterior remodelación de los mismos con el considerable incremento de presupuesto que esto supondría.
Por último, y aunque existen más aplicaciones dentro de la Ingeniería Civil, se encuentran los estudios de dispersión de contaminantes sólidos o gaseosos. En este caso, la experimentación con modelos a escala puede ser de gran ayuda para estudios de impacto ambiental.
Arquitectura
En Arquitectura, los ensayos que se pueden realizar en el túnel aerodinámico pueden ser enfocados de dos formas diferentes. Por una parte encaminados al cálculo de las cargas ejercidas por el viento, y por otro a la investigación de modelos bioclimáticos.
Debido a la ligereza de las estructuras arquitectónicas modernas, cada día se demanda más un conocimiento exhaustivo de las cargas, con lo que la medida de las cargas de viento sobre edificios y otros elementos arquitectónicos (cubiertas, vallas, esculturas, etc.) en el túnel, ayudaría de una forma importante a minimizar la estructura necesaria.
También es importante la determinación de los efectos locales del viento sobre edificios concretos y el estudio de posibles soluciones cuando estos generen problemas, ya sean de cargas o acústicos. Los edificios que se encuentran situados en zonas ventosas pueden presentar problemas locales de cargas de viento, que pueden provocar por una parte la caída de recubrimientos, o por otro lado silbidos o corrientes excesivas, perjudiciales para la confortabilidad de las viviendas.
Además, es fundamental la determinación de los efectos del viento en zonas abiertas, entradas de edificios, etc. y la evaluación del efecto de barreras cortavientos para resolver problemas locales; en este caso se trata de estudiar la mejor orientación de los edificios para minimizar el efecto del viento en su entrada y zonas de recreo o, en su defecto, ayudar al diseño de barreras cortavientos, naturales o artificiales, que minimicen su efecto en áreas determinadas.
Por último y en lo que se refiere al bioclimatismo, se pueden hacer estudios y evaluaciones de sistemas de ventilación natural, siendo este un aspecto muy importante para reducir costes de mantenimiento en viviendas, por el ahorro energético que supone.
Energías Renovables
En lo que respecta a las Energías Renovables, el túnel puede ser utilizado para el desarrollo de componentes de aerogeneradores, así como para el estudio de cargas sobre los mismos y la calibración de anemómetros.
También es importante para el estudio de sombras en parques eólicos y poder conocer cuál es la posición óptima de las turbinas en función de los vientos dominantes en la zona o la orografía del terreno, de manera que pueda aprovecharse de la mejor forma el suelo disponible. Este es un aspecto de suma importancia ya que normalmente el espacio del que se dispone para la instalación de parques eólicos suele estar bastante limitado, a pesar de que esta actividad es perfectamente compatible con otro tipo de actividades como agricultura, ganadería o industria, en los mismos terrenos.
Por otra parte, la investigación en el campo de la Energía Fotovoltaica está especialmente dirigida al abaratamiento de costes mediante los sistemas de concentración. La estructura de seguimiento del concentrador fotovoltaico parabólico presenta características muy distintas a las de panel plano. En los sistemas de concentración, las estructuras no sólo deben soportar cargas máximas sin sufrir daño (rotura o deformación permanente) sino que deben asegurar que bajo las cargas corrientes la estructura sufre niveles de deformación compatibles con el alineamiento de los elementos ópticos y los receptores. Todo esto hace que actualmente estas estructuras de concentración sean de considerables dimensiones, en parte por el peso que tienen que soportar, pero principalmente porque deben resistir las cargas de viento a las que se ven sometidas, lo cual incide directamente en el coste de las mismas.
Se hace por tanto necesaria la realización de ensayos en túnel aerodinámico con el fin de diseñar y estudiar una alternativa para la estructura de seguimiento de manera que los esfuerzos a los que se vea sometida por efecto del viento sean menores, consiguiéndose estructuras más ligeras y que conlleven por tanto un menor coste de producción.
Entrenamiento Deportivo
La mejora del rendimiento deportivo depende en gran manera de la capacidad para minimizar la resistencia aerodinámica. Este aspecto es muy importante en diferentes deportes, ya sean estos de pelota o distintas especialidades de atletismo, el ciclismo, esquí, etc. La mejor técnica para conseguir conocer y minimizar dicha resistencia son los ensayos en túnel aerodinámico. Estos ensayos permiten la simulación prácticamente total de todas las variables que influyen en la práctica del deporte, con lo que se convierte en un instrumento sumamente eficaz para la mejora de la técnica.
I+D Agrario
Los estudios en este campo se pueden dirigir hacia el diseño y evaluación de barreras cortavientos, no tanto de uso general, sobre lo que ya existe una cierta experiencia, sino sobre de la aplicación concreta a fincas situadas en zonas ventosas o de orografía singular que requieran un estudio más detallado, así como estudios específicos para zonas castigadas por el viento.
Por otra parte nos encontramos con los estudios dirigidos a la determinación de cargas sobre naves agrícolas o invernaderos. Este tipo de aplicación es de especial interés en Canarias, ya que es conocido que pequeñas variaciones en la inclinación de las cubiertas, en ambos tipos de construcción, producen reducciones importantes en las cargas de viento. En este caso se podrían hacer tanto estudios generales como de casos singulares.
Servicios
Estudio en Túnel de Viento del impacto de la ampliación del Polígono Industrial de Güímar sobre las arenas de aporte eólico depositadas sobre el Malpaís de Güímar.
El objetivo de este proyecto fue analizar el efecto que la ampliación del Polígono Industrial de Güímar hacia el sur de su ubicación actual tendría sobre las arenas de aporte eólico existentes en la Reserva Natural Especial del Malpaís de Güímar.
Es sabido que los granos de arena siguen la dirección de las líneas de corriente de los flujos de aire que provienen de la playa, por lo que, desde un punto de vista práctico, lo que se ha estudiado es la alteración que producen sobre las líneas de corriente las eventuales edificaciones del mencionado polígono industrial.
Para poder predecir si las arenas de la zona interior del malpaís se verían afectadas, el procedimiento seguido fue realizar una serie de ensayos con la configuración actual de la zona, incluyendo el área en la que se pretende ampliar el polígono.
Posteriormente, se realizó la misma serie de ensayos pero esta vez con la urbanización y edificaciones previsibles en el polígono, y se estudian las posibles diferencias entre las dos series de ensayos, estableciéndose así por comparación el efecto de la actuación planificada en la franja de arena.
Se realizaron diferentes tipos de ensayos: de visualización, con los que es posible detectar alteraciones producidas sobre las direcciones de las líneas de corriente, y ensayos cuantitativos con medida del campo de presiones en la zona objeto de estudio, que permiten comprobar si se ha producido variación en el módulo de la velocidad.
Estudio biomecánico de la resistencia aerodinámica de ciclistas profesionales del G.D. KELME en el Túnel de Viento.
Cinco corredores del equipo ciclista profesional KELME han realizado ensayos en el Túnel Aerodinámico para Ensayos Civiles de ITER, siendo el primer equipo español que opta por esta práctica. Durante los ensayos, que fueron realizados a velocidad constante en el umbral anaeróbico de los ciclistas, en el entorno de los 54 km/h, se ha medido su resistencia aerodinámica y la potencia desarrollada a lo largo del entrenamiento, con el fin de que puedan optimizar su rendimiento mediante mejoras aerodinámicas.
Ensayo de sensibilidad aerodinámica a las condiciones de montaje de anemómetros.
El objetivo de estos ensayos fue comprobar en que medida la inclinación con respecto al plano horizontal de un anemómetro de cazoletas afecta a las medidas realizadas. Para llevarlo a cabo, en primer lugar se realiza una caracterización del punto exacto en el que se colocaría el anemómetro y su soporte en la cámara de ensayos del túnel de viento. Posteriormente se calibra el anemómetro objeto del estudio siguiendo el procedimiento MEASNET, y a partir de esto, se repiten las calibraciones variando el ángulo entre -4º y 4º .
Calibración de anemómetros
La calibración de anemómetros procedentes de diferentes fabricantes es uno de los proyectos que se llevan a cabo en el Túnel de Viento.
Para la realización de estas calibraciones se sigue el “Procedimiento de Calibración de Anemómetros de Cazoletas” de la red MEASNET. Aunque al llevarse a cabo éstas en el túnel de viento, la uniformidad del flujo en cada sección transversal, y los niveles de turbulencia, son mejores que los que con carácter general demanda dicho documento MEASNET. Además, debido a las dimensiones de la cámara de ensayos, de 2.0x2.0 m de sección, se tiene la ventaja de poder calibrar dos anemómetros a la vez.
Como paso previo al inicio de la campaña de calibración, se caracterizaron con precisión los dos puntos en los que se colocarían los anemómetros, mediante uno de los tubos de Pitot y un anemómetro de precisión de hilo caliente con certificado de calibración. Estos dos puntos están situados en la sección central de la cámara de ensayos, que fue perfectamente caracterizada mediante un peine de velocidades de 20 tomas de presión.
En la cámara de ensayos, el efecto de bloqueo es muy pequeño, ya que la superficie frontal de los anemómetros con sus soportes no llega al 3% de la superficie de la sección de la cámara (2.0x2.0 m), frente al 5% de límite que fija MEASNET. Sin embargo, para reducir este efecto, la caracterización de las áreas donde se colocan las cazoletas de los anemómetros se ha hecho exclusivamente a falta de éstas, aprovechando el soporte de las mismas para fijar a él la sonda de medida. El bloqueo debido sólo a las cazoletas es del orden del 0,15%, con lo que este efecto se puede considerar completamente despreciable.
El procedimiento de calibración empieza con la toma de datos de las condiciones iniciales que servirán como referencia para ajustar las siguientes tomas. Seguidamente, durante 5 minutos, el anemómetro permanece girando a una velocidad de 5 m/s, con el fin de evitar el efecto que pueda tener la variación de la temperatura en la fricción mecánica de los rodamientos. A continuación se van adquiriendo datos en el rango de 4 a 16 m/s, en condiciones de estabilidad de flujo, tanto al incrementar la velocidad como en el descenso de la misma, con el fin de poder identificar efectos de histéresis en el caso de que estén presentes en el equipo de medida. La frecuencia de muestreo es de 60 Hz, y el intervalo de muestreo es de 30 segundos. El ensayo finaliza con la toma de datos de las condiciones finales.
La instrumentación utilizada para las calibraciones es la siguiente: sensor de presión diferencial, sensor de temperatura, barómetro, convertidor A/D, frecuencímetro.
Análisis del rendimiento y características de aerogeneradores de baja potencia.
En el túnel de viento se han obtenido las curvas de potencia de 3 aerogeneradores: Spiral Wing SF1, DF1600 Station, y Air 403. Mediante ensayos en el túnel de viento se mide la curva de potencia de dichos aerogeneradores, que nos indica cuanta potencia es producida para cualquier velocidad de viento.
Esta es la mejor manera de medir dicha curva, ya que el túnel nos permite obtener una corriente de aire con una velocidad determinada, de alta calidad y estable, y durante un periodo suficiente para realizar las medidas necesarias. Además, se puede realizar una medida precisa de la velocidad de viento en cada instante, así como de las velocidades de arranque y corte. Los tres aerogeneradores ensayados son de pequeña potencia, y dadas sus dimensiones, no ha sido necesario realizar ningún modelo a escala de los mismos, y se han instalado los modelos reales en la cámara de ensayos.
Los aerogeneradores se conectan a bancos de baterías, a fin de que el ensayo se realice en las condiciones normales de operación de los mismos. Para obtener la potencia generada se miden simultáneamente la tensión y la intensidad de corriente. El objetivo principal es medir la potencia de salida del aerogenerador después de todas las pérdidas internas. De esta forma, se consigue medir únicamente la potencia suministrada a la carga.
Proyectos
Minieuclides: diseño y desarrollo de un prototipo de concentrador fotovoltaico.
El objetivo del presente proyecto ha sido la implementación de un prototipo de concentrador fotovoltaico con una potencia nominal de inyección en red de 5 kW.
El dimensionado de la estructura soporte y del sistema de seguimiento del prototipo de concentración diseñado estaba condicionado fundamentalmente por las cargas aerodinámicas, que generan fuerzas del orden del peso de la estructura. En nuestro caso, enfocado a obtener una estructura más ligera pero con rigidez suficiente para soportar las cargas a las que se verá sometida, es absolutamente necesario conocer con precisión las cargas aerodinámicas, lo que sólo se puede conseguir con ensayos en túnel aerodinámico de las configuraciones diseñadas.
Los ensayos realizados se dirigieron a medir los dos tipos de deformaciones que puede sufrir la estructura debido a las cargas de viento, flexión y torsión, y que son responsables del desalineamiento óptico, con el fin de determinar si la estructura es lo suficientemente rígida para soportar las cargas de viento, o si por el contrario, hemos tomado requerimientos estructurales por encima de lo necesario.
El desarrollo experimental de este tipo de ensayos normalmente consiste en la medida de datos de presión, fuerzas y momentos. Obviamente las fuerzas y momentos son necesarias desde el punto de vista de las cimentaciones y el diseño estructural. Los datos de presiones son necesarios para limitar desviaciones locales del reflector en sí mismo, es decir, para evitar el desalineamiento óptico teniendo en cuenta que el ángulo de giro de la estructura va desde –180º a +180º. Los ensayos fueron realizados a varias velocidades diferentes, basándonos en datos históricos de viento tomados en la estación meteorológica de la planta EUCLIDES.
Para realizar las medidas, el modelo del concentrador se fijó a la plataforma de la balanza mediante un soporte diseñado para tal propósito. Para completar los ensayos, estos se hicieron variando la orientación del sistema óptico de la estructura, tal y como ocurre en la realidad. De este modo puede obtenerse la variación de las cargas ejercidas por el viento según la posición de la estructura, determinando de este modo cuales son las posiciones de mayor y menor resistencia.
ELT: Extremely Large Telescope Design Study
El ELT es un proyecto financiado por el VI Programa Marco, PROFIT y coordinado p Por el European Southern Observatory, ESO.
El paquete de trabajo en el que participa ITER, los Estudios de Viento, está formado además por el Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE), el European Southern Observatory (ESO) y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).
El ELT design Study es un programa de desarrollo tecnológico llevado a cabo por institutos y compañías en Europa, Israel y Australia, coordinado por ESO. Está cofinanciado aproximadamente en un tercio por el VI Programa Marco. Para los Estudios de Viento, se cuenta además con un préstamo del Ministerio de Educación y Ciencia, dentro del programa PROFIT.
El estudio abarca el desarrollo de tecnologías y conceptos necesarios para el diseño y la eventual construcción de un Telescopio Europeo Gigante. ITER participa en este proyecto en el paquete de trabajo de los Estudios de Viento, en los que se ha encargado de fabricar los modelos a escala de las cúpulas seleccionadas, la instalación en los mismos de los sensores de medida de presión y la realización de ensayos en el Túnel Aerodinámico del ITER previos a los ensayos que se realizarán en otro túnel de capa límite.