Por Adam Kahraman
Al realizar pruebas en un túnel de viento, probablemente desearía que el aire fuera visible. Imagine poder ver el flujo laminar y turbulento a medida que ocurren, sin el desorden del humo ni la necesidad de ejecutar una simulación CFD masiva. ¿Qué pasaría si existiera una herramienta que le permitiera "ver" el viento en tiempo real?
El WindProbe fue diseñado para cumplir ese deseo. Captura perfiles de viento con una alta resolución temporal en múltiples ángulos, mientras que el seguimiento de movimiento integrado señala exactamente dónde se tomó la medición.
En este artículo, demostramos los casos de uso de la herramienta, cómo funciona y las ganancias prácticas que ofrece en su flujo de trabajo de pruebas en túnel de viento.
Tabla de contenido
1. Introducción
2. Problemas comunes de medición de viento
3. Cómo funciona el WindProbe 3D
4. Aplicación práctica: Simulación de cizalladura del viento
5. Conclusión
Figura 1: Vista de longitud completa de la WindProbe con reflectores de seguimiento de movimiento visibles
Problemas comunes de medición de viento
Existen varias formas de realizar la visualización de flujo, como el uso de una máquina de humo, láseres o hilos indicadores (tufts). Todos estos tienen sus ventajas y desventajas, pero la limitación más común es que dependen principalmente de la observación visual como medio de medición en lugar de producir datos cuantitativos.
Medir el flujo de aire alrededor de un objeto específico añade otra capa de problemas.
- La configuración debe construirse alrededor de la forma de ese objeto.
- Los hilos indicadores deben fijarse a la superficie.
- El humo debe dirigirse a puntos específicos alrededor del objeto.
- Las sondas deben disponerse alrededor del objeto.
Otro uso común de los túneles de viento es la validación de los resultados de simulación CFD, sin embargo, eso también tiene su propio conjunto de problemas.
- Pequeñas diferencias en la configuración física pueden hacer que el flujo de aire real se comporte de manera diferente a lo que predijo la simulación.
- No hay una forma sencilla de comprobar si los dos realmente coinciden.
- Sin una forma de medir el perfil de viento completo, usted está asumiendo en gran medida que la transferencia fue precisa.
Cómo funciona el WindProbe 3D
A pesar de los complejos desafíos que resuelve, la WindProbe tiene un diseño simple. Es un sensor de presión de múltiples orificios con cinco orificios en la punta con un cono de aceptación de 40 grados.
Figura 2: WindProbe con el cono de aceptación de 40° representado a escala
El cono de aceptación permite que la WindProbe mida el viento que incide en la punta en varios ángulos, capturando vectores de velocidad a través de los ejes x, y y z. A diferencia de un tubo de Pitot, que solo mide el viento que fluye directamente hacia él, este diseño de múltiples orificios captura datos en una amplia gama de direcciones. Esta característica es necesaria al medir el viento en condiciones turbulentas.
La WindProbe tiene una frecuencia de adquisición de 200 Hz. Esta resolución temporal captura detalles finos en la velocidad del viento, asegurando que vea cambios rápidos sin perder puntos de datos entre mediciones.
Aquí hay un video que muestra la WindProbe en acción:
La sonda viene precalibrada y es fácil de emparejar con un WindShaper a través de un solo cable USB para comunicación y alimentación. La sonda puede medir velocidades de viento desde 1 m/s hasta 60 m/s, dependiendo del modelo.
El seguimiento espacial de la WindProbe le permite mover la sonda mientras registra datos y trazar los valores registrados en un espacio 3D. Esto hace posible mapear el perfil del viento a través de toda la sección de prueba, tanto a lo largo del eje descendente como a través de los ejes vertical y horizontal de un plano determinado. En lugar de medir en un solo punto, se puede capturar la imagen completa del viento de la sección de prueba. Además, se pueden tomar mediciones de viento alrededor de cualquier objeto en la sección de prueba, ya sea una hélice, un perfil aerodinámico o un dron.
Figura 3: WindProbe capturando datos de viento en tiempo real mientras se rastrea en 3D
Lo que permite que la WindProbe sea rastreada en 3D son los marcadores de captura de movimiento colocados a lo largo del brazo de la sonda. Cuando se combina con cámaras de captura de movimiento, el sistema rastrea la posición exacta de la sonda en el espacio 3D.
Figura 4: Marcadores de captura de movimiento OptiTrack en la WindProbe
Los mismos marcadores se colocan en el WindShaper, lo que permite al software rastrear la posición de la sonda en relación con la fuente de viento.
Figura 5: Marcadores de captura de movimiento OptiTrack en el WindShaper
Software WindVision
Todos los datos de la WindProbe se manejan con el software WindVision, que gestiona el seguimiento, la medición y la visualización de datos. Para ayudarle a colocar la sonda donde debe estar, la sonda tiene una tira de LED incorporada que actúa como una guía en tiempo real. Cuando define un plano de medición en el software, los LED cambian de color según su posición: rojo cuando está lejos, amarillo a medida que se acerca y verde cuando está exactamente en el plano.
Figura 6: Tira de LED en la WindProbe iluminándose en rojo, amarillo y verde
WindVision puede exportar datos como archivos .csv o .vtk, que puede abrir y analizar en un software como ParaView. En WindVision, usted define las dimensiones de la sección de prueba y el plano de medición.
El software también le permite ajustar la resolución espacial de este plano de medición. El plano se divide en unidades llamadas vóxeles. Similar a cómo el tamaño y la resolución de una imagen 2D se definen por píxeles, un vóxel es una representación 3D de un valor en el espacio. Aumentar la resolución, el número de vóxeles, proporciona una mayor granularidad de datos y una mayor comprensión. Reducir la resolución le permite completar la medición más rápido llenando menos vóxeles, proporcionando una visión general más amplia del flujo.
El sistema puede medir vectores de velocidad en volúmenes tan pequeños como 1 cm3. En este ajuste más pequeño, puede trabajar con hasta 27 millones de vóxeles en su plano de medición, proporcionando un gran detalle del perfil del viento.
Aplicación práctica: Simulación de cizalladura del viento
Digamos que está diseñando un dron destinado a limpiar ventanas en edificios altos. La velocidad del viento a menudo aumenta con la altitud, por lo que los pisos superiores de los edificios altos están expuestos a vientos mucho más fuertes. Cuando este viento golpea el edificio, crea gradientes de velocidad agudos que pueden producir una cizalladura del viento significativa, que puede ser difícil de navegar para un dron.
Antes de emprender este vuelo sobre un área de alta densidad con ventanas costosas de por medio, el operador del dron puede querer practicar un poco en estas condiciones, sin arriesgar el dron ni el edificio.
Figura 7: Imagen generada por computadora de un viento golpeando la cara de un edificio (fuente)
Afortunadamente, este entorno se simula fácilmente usando un WindShaper. Para una configuración de módulo de 2x2 como la de la figura a continuación, puede ejecutar los módulos de ventilador izquierdos a 2 m/s y los módulos derechos a 6 m/s. Esto crea un gradiente pronunciado entre los dos lados, simulando la cizalladura del viento. La WindProbe le permite luego visualizar el perfil de viento generado por el WindShaper.
Figura 8: Software WindVision que muestra una clara cizalladura del viento del WindShaper
Al colocar la WindProbe frente a los ventiladores, puede comenzar a recopilar datos. A medida que mueve la sonda a través del plano, el software genera automáticamente una visualización en tiempo real del perfil del viento.
El siguiente paso es volar su dron de izquierda a derecha frente a la máquina para ver cómo responde en estas condiciones y practicar su recuperación.
Conclusión
La WindProbe ofrece un enfoque único para la medición de viento en 3D para ingenieros e investigadores, convirtiendo el aire invisible en datos legibles. Proporciona un nivel de verificación que antes era imposible sin equipos complejos y costosos. Al combinar la detección de presión de múltiples orificios y el seguimiento de movimiento, sigue siendo la única herramienta en el mercado capaz de mapear un perfil de viento 3D completo en tiempo real.
Figura 9: WindProbe 3D escaneando el campo de flujo detrás de un UAV de ala fija