Introducción
Escrito por Adam Kahraman
Desde la invención del túnel de viento, los ingenieros han encontrado innumerables usos prácticos para él. Lo que comenzó como una herramienta para la investigación aerodinámica se convirtió finalmente en una parte importante del desarrollo de aeronaves, antes de encontrar aplicaciones en la ingeniería civil. Esto incluye el estudio de cargas de viento, movimientos estructurales, efectos ambientales y condiciones de prueba relevantes para los requisitos de los códigos de edificación.
Este artículo proporcionará un contexto sobre los estudios en túneles de viento de capa límite (BLWT, por sus siglas en inglés), seguido de algunos de los desafíos que los ingenieros han enfrentado al simular viento natural. A continuación, el artículo analiza las tecnologías y técnicas disponibles en la actualidad que hacen posibles los estudios de la capa límite atmosférica.
Tabla de contenidos
- Introducción
- Experimentos en túneles de viento de capa límite en ingeniería civil
- ¿Qué es una capa límite atmosférica?
- Diseño de experimentos de capa límite
- Efectos del viento en estructuras
- Efectos ambientales en estructuras
- ¿Cómo funciona un túnel de viento de capa límite?
- ¿Cómo generar una capa límite atmosférica con una pared de viento?
- Conclusión
Figura 1: Maqueta 3D de un WindShaper utilizado para probar modelos a escala de edificios
Experimentos en túneles de viento de capa límite en ingeniería civil
Algunos de los primeros experimentos registrados que estudiaron los efectos del aire sobre los objetos datan de 1742 y 1759. Los científicos realizaron estas pruebas sujetando objetos a brazos giratorios y haciéndolos girar a través del aire. Un diagrama de esta configuración de prueba se muestra en la figura siguiente. Pasaron más de 150 años para que esta tecnología primitiva se convirtiera en las herramientas y técnicas modernas utilizadas en la ingeniería aeroespacial y civil (fuente).
Figura 2: Un diagrama antiguo de un sistema de brazo giratorio, impulsado por una pesa que cae, para probar el flujo de aire sobre objetos (fuente)
Los primeros túneles de viento se utilizaban principalmente para simular un flujo de aire estable y constante. Esto los hizo útiles para el diseño de aeronaves y perfiles aerodinámicos en la industria aeroespacial, así como para aplicaciones automotrices.
Parecía razonable suponer que los túneles de viento también podrían utilizarse en aplicaciones de ingeniería civil para simular condiciones de viento reales y evaluar cómo se comportarían las estructuras antes de su construcción. Sin embargo, los ingenieros se dieron cuenta rápidamente de que el flujo de aire suave y constante producido por los túneles de viento existentes no representaba de manera realista el comportamiento más caótico y turbulento del viento atmosférico.
Para las aplicaciones de ingeniería civil, el flujo de aire en el túnel necesitaba reproducir características clave de la capa límite atmosférica, lo cual era mucho más difícil de recrear. Para entender por qué, primero debemos observar cómo se comporta la capa límite atmosférica.
¿Qué es una capa límite atmosférica?
En mecánica de fluidos, una capa límite es la región adyacente a una superficie donde el flujo se ve influenciado por su interacción con dicha superficie. En una capa límite general, el flujo puede ser laminar o turbulento. El número de Reynolds, un valor adimensional que describe la influencia relativa de las fuerzas inerciales y viscosas, es un factor que afecta este comportamiento.
Los números de Reynolds más bajos generalmente favorecen el flujo laminar, mientras que los números de Reynolds más altos aumentan la probabilidad de transición a flujo turbulento. La rugosidad de la superficie, las perturbaciones, la geometría y otros factores también pueden influir en esta transición. La diferencia entre las capas límite laminares y turbulentas se ilustra en la figura siguiente.
Figura 3: Demostración de capa límite en flujo laminar y turbulento (fuente)
La capa límite atmosférica es la parte más baja de la atmósfera, donde el viento se ve directamente afectado por la superficie de la Tierra.
El flujo del viento atmosférico sobre la superficie terrestre es similar al flujo dentro de una capa límite turbulenta sobre una superficie relativamente plana. A medida que el viento fluye sobre el suelo, el terreno, los edificios, los árboles y otras características de la superficie, el flujo se interrumpe, lo que puede generar turbulencia. La turbulencia también es producida por efectos térmicos, ya que el Sol calienta la superficie de la Tierra y hace que el aire más cálido ascienda.
Se puede generar turbulencia adicional por convección atmosférica asociada con las nubes. A continuación, se muestra una ilustración de la capa límite atmosférica.
Figura 4: Estructura de la capa límite atmosférica (fuente)
Reproducir estas condiciones atmosféricas en un túnel de viento es complejo. Es por eso que la tecnología de túneles de viento de capa límite apareció más tarde en la historia de los túneles de viento.
Los casos de uso comunes estudiados con experimentos de capa límite atmosférica incluyen:
- Cargas de viento caóticas en edificios altos
- Simulación de acumulación de nieve en techos
- Flujo de viento alrededor de edificios industriales
- Flujo de viento peatonal en áreas urbanas
- Efectos de estela y velocidad del flujo en parques eólicos
- Rendimiento aerodinámico de drones y vehículos aéreos no tripulados (UAV)
Diseño de experimentos de capa límite
Para aplicaciones de ingeniería civil, estos experimentos pueden agruparse en términos generales en dos categorías: efectos del viento y efectos ambientales en las estructuras.
Efectos del viento en estructuras
Uno de los usos más comunes de un túnel de viento de capa límite es estudiar cómo se espera que se muevan los edificios y las estructuras bajo condiciones de viento atmosférico. El movimiento inducido por el viento puede ser rastreado mediante cámaras, mientras que las células de carga en la base del modelo pueden medir las fuerzas cortantes y los momentos que actúan sobre el edificio. A continuación, se muestra un ejemplo de un túnel de viento de capa límite con una estructura utilizada para probar cargas de viento.
Figura 5: Monumento a la Fuerza Aérea de los EE. UU. en Arlington, VA, con una aguja de hasta 82 m (270 pies) de altura probada en un BLWT (fuente)
Hoy en día, las pruebas BLWT se han convertido en una parte establecida de la evaluación de cómo responden los edificios al viento. En Ontario, por ejemplo, cualquier edificio que supere los 60 metros, o que tenga una altura superior a cuatro veces su ancho efectivo mínimo, debe probarse en un BLWT antes de su desarrollo.
Los BLWT también se utilizan para estudiar modelos aeroelásticos que experimentan deformación inducida por el viento u otro movimiento que aumenta con las cargas de viento. Estas estructuras suelen ser flexibles, de baja masa y ligeramente amortiguadas, tales como:
- Chimeneas
- Mástiles
- Puentes de gran luz
- Líneas de transmisión
Efectos ambientales en estructuras
El segundo caso de uso para el BLWT en ingeniería civil es estudiar los efectos ambientales. En climas más fríos, se estudia la acumulación y el transporte de nieve en edificios con grandes estructuras de techo. Esto permite a los diseñadores ver dónde se acumula la nieve en los edificios, diseñar la estructura para las cargas de nieve resultantes y planificar la remoción de nieve cuando sea necesario. A continuación, se muestra una imagen de un modelo a escala utilizado para estudiar la acumulación de nieve en un túnel de viento.
Figura 6: Modelo a escala de un edificio cubierto de material similar a la nieve para simular la acumulación de nieve (fuente)
Los edificios muy juntos pueden crear zonas de viento acelerado alrededor de las áreas peatonales. La predicción y medición de las ráfagas de viento medias y máximas en estas áreas permiten un mejor desarrollo del sitio y una mejor experiencia para los peatones. Ciudades como Boston, Toronto, Nueva York y San Francisco requieren datos de pruebas BLWT sobre los vientos a nivel peatonal con y sin las nuevas estructuras antes de su aprobación para el desarrollo.
En las áreas industriales, las emisiones de los respiraderos de los edificios, las chimeneas industriales y los automóviles se encuentran entre las fuentes más frecuentes de contaminantes atmosféricos, y su dispersión y ubicación después de la liberación pueden ser difíciles de rastrear y predecir. El modelado físico en un BLWT permite a los investigadores estimar cómo se dispersan los contaminantes e identificar dónde pueden producirse concentraciones elevadas.
¿Cómo funciona un túnel de viento de capa límite?
Los investigadores querían adaptar la infraestructura de túneles de viento existente para realizar pruebas estructurales bajo condiciones de viento más realistas. Descubrieron que el flujo de aire del túnel de viento podía ajustarse para simular la capa límite atmosférica. Los investigadores lograron esto agregando dispositivos de ajuste de flujo, como agujas, generadores de vórtices y cercas que podían replicar la capa límite atmosférica.
Estos dispositivos funcionan interrumpiendo el flujo de aire suave para crear vórtices turbulentos que mezclan el aire a medida que se mueve aguas abajo. Esta mezcla crea un flujo turbulento y cambia el perfil de velocidad de modo que la velocidad del viento aumenta gradualmente con la altura, de forma similar al perfil de velocidad del viento vertical que se encuentra en la capa límite atmosférica. Un ejemplo de este tipo de sistema de túnel de viento se puede ver en la figura siguiente.
Figura 7: Túnel de viento tradicional simulando condiciones de capa límite atmosférica con un modelo a escala de edificios (fuente)
¿Cómo generar una capa límite atmosférica con una pared de viento?
Una pared de viento como el WindShaper está compuesta por matrices de ventiladores que giran en sentido contrario y que se pueden controlar individualmente, lo que le da al operador la capacidad de generar condiciones de viento uniformes o turbulentas realistas.
La capa límite atmosférica se puede reproducir con el WindShaper controlando los perfiles de velocidad del viento y turbulencia en toda la sección de prueba. La velocidad del ventilador se puede ajustar más baja en las filas inferiores y aumentarse progresivamente en las filas superiores. Además, los ventiladores que giran en sentido contrario en cada módulo de ventilador permiten que el WindShaper genere un flujo turbulento sin necesidad de una sección de prueba larga con dispositivos de ajuste de flujo adicionales. A continuación, se muestra una ilustración de una configuración de prueba con el WindShaper y una manzana urbana modelo.
Figura 8: Vista lateral 2D del WindShaper generando condiciones de capa límite atmosférica
La cizalladura del viento es otra condición relevante para los estudios de viento en ingeniería civil. Describe un cambio en la velocidad y dirección del viento a lo largo de una distancia determinada. Hicimos un vídeo que demuestra cómo se puede simular la cizalladura del viento con el WindShaper y medirla utilizando el WindProbe.
Investigadores de UCLouvain han instalado un WindShaper que les permite reproducir la capa límite atmosférica para probar turbinas eólicas y la dinámica de parques eólicos. Las pruebas utilizan modelos a escala de turbinas eólicas, lo que permite a los investigadores recopilar datos más rápidamente y a un costo mucho menor que las pruebas de campo a gran escala. La universidad también planea utilizar la pared de viento para probar drones, helicópteros, vuelo biomimético y condiciones climáticas ambientales como lluvia y nieve.
Conclusión
Las pruebas en túneles de viento de capa límite se han convertido en una parte importante de la ingeniería civil, respaldando aplicaciones que van desde estudios de carga de viento estructural hasta la acumulación de nieve y la dispersión de contaminantes.
Estos experimentos dependen de la capacidad del equipo para reproducir los perfiles de velocidad del viento y las características de turbulencia que se encuentran en la capa límite atmosférica.
A medida que los métodos de prueba siguen mejorando, tecnologías como el WindShaper están ampliando la forma en que las condiciones del viento atmosférico pueden ser reproducidas, controladas y estudiadas en el laboratorio.
¿Qué otra aplicación crees que podría beneficiarse de las pruebas en túneles de viento de capa límite? Cuéntanoslo en los comentarios.