Sonda de 5 orificios para medición del flujo de aire (Guía)

Por Ehab Mokhtar

Medir con precisión el flujo del viento a menudo comienza con mediciones puntuales, pero comprender cómo se comporta el flujo en el espacio requiere un enfoque diferente.

Una sonda de presión de 5 orificios permite capturar tanto la velocidad como la dirección del viento y, cuando se combina con el seguimiento de la posición y la visualización en tiempo real, esas mediciones pueden integrarse en un campo de flujo completo.

Este artículo explica cómo se utiliza una sonda de 5 orificios para medir el flujo del viento y mapear el campo de flujo, utilizando el WindProbe 3D como ejemplo práctico.

Figura 1: Campo de flujo mapeado por WindProbe 3D alrededor de una hélice de UAV

Contenidos

1. ¿Qué es el mapeo del flujo del viento?

2. Cómo funcionan las sondas de presión de múltiples orificios

3. Sistema de medición del flujo del viento: WindProbe 3D

4. Consejos para obtener mapas de flujo de mayor calidad

5. Otros sistemas de medición del flujo del viento

¿Qué es el mapeo del flujo del viento?

En la medición del flujo del viento, el mapeo del campo de flujo se refiere a medir la velocidad y dirección del viento en una región del espacio utilizando un sensor como una sonda de presión de 5 orificios. En lugar de capturar mediciones puntuales aisladas, el objetivo es reconstruir cómo se comporta el flujo espacialmente, ya sea en un plano o en un volumen 3D.

Este enfoque se utiliza comúnmente para:

• Caracterizar estelas e interacciones de flujo

• Comparar datos experimentales con resultados de CFD

• Medir la distribución de la velocidad y dirección del viento

• Identificar el comportamiento del flujo alrededor de un objeto aerodinámico

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Figura 2: Interfaz de mapeo del flujo del viento en el software WindVision

Cómo funcionan las sondas de presión de múltiples orificios

Una sonda de presión de múltiples orificios mide la presión en varios puertos dispuestos alrededor de la punta de la sonda. A partir de estas presiones, se puede determinar la velocidad y dirección locales del flujo, proporcionando un vector de velocidad completo en cada punto de medición.

Las sondas de múltiples orificios son muy adecuadas para la medición del flujo del viento porque:

• Miden tanto la velocidad como la dirección del viento

• No requieren una alineación perfecta entre la punta de la sonda y la dirección del flujo

• Ofrecen una solución compacta para medir flujos alrededor de objetos

Cuando se combina con el seguimiento de la posición, cada medición de la sonda de 5 orificios puede rastrearse con precisión, lo que permite:

• Reposicionamiento fácil durante el escaneo

• Muestreo espacial denso sin transiciones mecánicas

Sistema de medición del flujo del viento: WindProbe 3D

WindProbe 3D es un sistema de medición y visualización del flujo del viento construido en torno a cuatro elementos coordinados:

• Sonda de presión de 5 orificios: Mide la presión, la velocidad y la dirección del flujo

• Sistema de captura de movimiento: Rastrea la posición y orientación de la sonda en el espacio 3D

• Pared de viento WindShaper: Un conjunto modular de ventiladores controlados individualmente que genera flujos de viento repetibles y programables

• Software WindVison: sincroniza estos flujos de datos y muestra el flujo del viento resultante en tiempo real como un campo de flujo 3D.

 

Las mediciones pueden registrarse para su análisis posterior, exportarse para el postprocesamiento o compararse directamente con datos de CFD.

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Figura 5: Sistema de cámara de seguimiento de movimiento

Flujo de trabajo general

1. Establece la condición de viento deseada utilizando la pared de viento WindShaper.

2. Confirma que la sonda de 5 orificios y el sistema de seguimiento de movimiento estén conectados.

3. Pon la sonda a cero antes de la adquisición de datos.

4. Define el volumen de medición y la resolución de vóxeles.

5. Mueve la sonda por la región de interés para recopilar datos.

6. Revisa la cobertura y vuelve a escanear las áreas según sea necesario.

7. Exporta los datos de medición para su análisis.

Consideraciones para la configuración del sistema

El sistema WindProbe 3D está diseñado para ser fácil de usar y de implementar rápidamente:

• La sonda de 5 orificios se entrega precalibrada y con marcado CE

• Un solo cable USB proporciona alimentación y comunicación de datos

• El rango de velocidad estándar es de 2 a 20 m/s, con otros rangos disponibles

• Los marcadores de posición deben colocarse y calibrarse antes de la primera prueba
• El volumen de medición debe definirse

Volumen de medición y resolución de vóxeles

El volumen de medición define dónde se recopilan los datos del flujo del viento. El software WindVision divide el volumen de medición en vóxeles, que determinan la resolución espacial:

• Los vóxeles más pequeños resuelven estructuras de flujo más finas

• Los vóxeles más grandes reducen el tiempo de adquisición pero difuminan los detalles

El tamaño del vóxel debe coincidir con la escala de las características de flujo que se están midiendo.

Figura 6: Configuración de la resolución de vóxeles en el software WindVision

Tipos de datos y exportaciones

Los datos pueden exportarse desde el software WindVision en uno de dos formatos: CSV y VTK.

Datos de medición en bruto (CSV): contiene mediciones de velocidad del viento con marca de tiempo y coordenadas espaciales. Este formato es útil para:

• Procesamiento y filtrado personalizados

• Análisis basado en el tiempo

• Reprocesamiento con diferentes configuraciones de vóxeles

Datos del campo de flujo (VTK)

Los datos del campo de flujo promediados por vóxel se exportan en formato VTK, adecuados para:

• Visualización 3D y corte

• Comparación de CFD

• Intercambio de datos y colaboración

Consejos para obtener mapas de flujo de mayor calidad

• Concéntrese en las regiones con fuertes gradientes de flujo: Dedique más tiempo a las estelas y capas de cizalladura.

• Utilice movimientos suaves de la sonda: Múltiples pasadas aumentan las muestras por vóxel.

• Mantenga una alineación adecuada de la sonda: Mantenga la sonda de 5 orificios dentro de su ángulo de aceptación.

• Seleccione la configuración correcta: Haga coincidir la punta de la sonda y el rango de velocidad con las condiciones de la prueba.

Lectura adicional: Cómo funciona un WindShaper

Otros sistemas de medición del flujo del viento

El mapeo del campo de flujo es posible con herramientas tradicionales de medición del viento, pero generar datos espacialmente resueltos normalmente requiere mediciones punto por punto e infraestructura adicional.

A continuación se describen dos de los enfoques tradicionales líderes.

Mediciones robóticas o basadas en transiciones

Este enfoque implica montar un sensor de viento, como una sonda de múltiples orificios o un anemómetro de hilo caliente, en un brazo robótico, riel lineal o sistema de transición.

Este método normalmente requiere:

• Definir cada punto de medición por adelantado

• Mover con precisión el sensor a cada ubicación

• Detenerse en cada punto para adquirir datos

Si bien esto puede proporcionar una buena precisión posicional, conlleva desventajas:

• Alto costo y complejidad de configuración de los sistemas robóticos o de rieles

• Largos tiempos de adquisición debido a la operación de detenerse y medir

• Resolución espacial limitada para mantener los tiempos de prueba razonables

• Conjuntos de datos fragmentados que requieren una asignación espacial manual en el postprocesamiento

Mediciones manuales con la mano o con soporte

Otro enfoque es mover el sensor manualmente, ya sea a mano o usando un soporte simple, y detenerse en cada ubicación para tomar una medición.

En este caso, la sonda se mantiene estacionaria mientras se registran los datos y la posición se estima o registra manualmente.

Este método reduce la complejidad del hardware pero introduce diferentes limitaciones:

• Poca repetibilidad debido al posicionamiento a mano alzada

• Menor precisión posicional en comparación con los sistemas guiados

• Resolución espacial reducida para limitar el tiempo total de medición

• Mayor esfuerzo de postprocesamiento para asignar posiciones a cada medición
  
  

Medición continua con seguimiento de posición

Por el contrario, un sistema moderno como WindProbe 3D que combina la medición continua con el seguimiento de la posición:

• Registra datos de velocidad continuamente a medida que la sonda se mueve por el espacio

• Asigna cada medición a una ubicación en tiempo real

• Informa al usuario cuando los datos se están muestreando correctamente o incorrectamente

• Utiliza interpolación para llenar las regiones muestreadas de forma dispersa

• Muestra el campo de flujo en vivo, con el color indicando la velocidad local del flujo

Este enfoque reemplaza la adquisición punto por punto con un muestreo espacial continuo, haciendo que el mapeo de flujo de alta resolución sea práctico y repetible.

Figura 7: El WindProbe 3D escaneando el campo de flujo alrededor de un UAV

Resumen

Una sonda de presión de 5 orificios es una herramienta poderosa para la medición del flujo del viento porque captura tanto la velocidad como la dirección del viento en cada punto del espacio. Cuando se combina con el seguimiento de la posición, la visualización en tiempo real y una fuente de viento programable como una pared de viento, estas mediciones pueden integrarse en un campo de flujo completo.

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