Por Lauren Nagel
Los túneles de viento son un equipo valioso para caracterizar la aerodinámica de los objetos. Existen varios tipos de túneles de viento que funcionan de distintas maneras.
En este artículo abordaremos:
- Cómo funcionan los túneles de viento
- Tipos de túneles de viento (velocidad, retorno abierto frente a cerrado, al aire libre y CFD)
- Cómo se utilizan los túneles de viento para diseñar aeronaves
- Comparación de tipos de túneles de viento
1. Cómo funcionan los túneles de viento
Los túneles de viento son una herramienta excelente para generar flujos de aire en un entorno controlado y replicar las condiciones de vuelo.
Al utilizar uno o más ventiladores para forzar el paso del aire sobre un objeto, se puede visualizar la interacción entre el objeto y el flujo de aire circundante para predecir su aerodinámica.
Figura 1: Instalación de un modelo de aeronave en el área de pruebas de un túnel de viento
En las pruebas tradicionales en túnel de viento, el viento se genera mediante un ventilador y se hace pasar por un área de pruebas donde se instala el objeto de interés. Los túneles en sí varían en tamaño y forma.
La mayoría de los túneles de viento tienen un retorno abierto o cerrado. Para algunas pruebas supersónicas, también se pueden utilizar túneles de tipo blowdown, que dependen de una diferencia de presión entre una cámara de alta presión aguas arriba del área de pruebas y un depósito de baja presión aguas abajo.
Las pruebas en túnel de viento pueden utilizar una combinación de sensores de presión de aire, balanzas de fuerza e indicadores físicos como humo, aceite y pintura para caracterizar cómo interactúa un objeto con un flujo de viento.
Los métodos avanzados incluyen pintura sensible a la presión, que cambia de color con las variaciones de presión, y velocimetría de imágenes de partículas, que utiliza una lámina láser para rastrear la velocidad de las partículas que pasan a través de un plano en el área de pruebas.
Figura 2: Pruebas de una aeronave de tamaño real de la Marina de los EE. UU. en un túnel de viento
2. Tipos de túneles de viento
Existen varias formas de identificar los diferentes tipos de túneles de viento, como la velocidad, la configuración, el estilo y la salida.
Velocidad del túnel de viento
Los túneles de viento tradicionales se clasifican según la velocidad del aire que pasa por la sección de pruebas en relación con la velocidad del sonido (Mach 1). Se dividen en cuatro categorías: subsónicos (Mach <0,8), transónicos (Mach 0,8 – 1,2), supersónicos (Mach 1,2 – 5,0) e hipersónicos (Mach >5,0).
Los límites de las categorías se basan en la magnitud de los efectos de compresibilidad que deben tenerse en cuenta para los vuelos a esa velocidad.
A medida que los objetos se mueven cada vez más rápido, comprimen los gases circundantes, alterando así la densidad del fluido y modificando la cantidad de fuerza que actúa sobre la aeronave.
Este efecto no se produce a velocidades subsónicas, pero tiene efectos únicos a velocidades transónicas, supersónicas e hipersónicas, de ahí la categorización.
Retorno abierto frente a cerrado
Los túneles de viento presentan muchas configuraciones, pero los túneles de retorno abierto y cerrado son los más comunes y difieren en su forma y en cómo se hace circular el aire.
Los túneles de viento abiertos tienen extremos abiertos en ambos lados de la sección de pruebas y recogen aire del entorno donde se encuentra el túnel.
Una vez que el aire pasa por la sección de pruebas y sale por uno de los extremos del túnel, se recircula por la sala hasta la entrada del túnel, donde puede volver a entrar (figura 3).
Un túnel de viento abierto con una sección de pruebas abierta también se conoce como «túnel Eiffel», en honor a Gustave Eiffel, quien utilizó su túnel de viento parisino para estudiar las propiedades de la sustentación en un perfil alar.
Un túnel abierto con una sección de pruebas cerrada también se conoce como «túnel NPL», en honor al Laboratorio Nacional de Física, donde se utilizaron por primera vez.
Figura 3: Túnel de viento de retorno abierto (grc.nasa.gov)
Los túneles de viento cerrados utilizan un circuito autónomo que recircula el aire dentro del túnel a través de la sección de pruebas (figura 4).
El túnel no está abierto al entorno de pruebas que rodea el aparato, por lo que el mismo aire se hace circular una y otra vez. Los deflectores ayudan a crear cambios de dirección más suaves para el flujo de aire en todo el túnel.
Los túneles de viento cerrados también se conocen como «túneles Prandtl», en honor a Ludwig Prandtl, quien desarrolló las primeras teorías sobre las ondas de choque supersónicas. También se denominan «túneles de Gotinga», en honor al laboratorio de investigación alemán donde se utilizaron por primera vez.
Figura 4: Túnel de viento de retorno cerrado (grc.nasa.gov)
Las ventajas de los túneles de viento tradicionales como estos incluyen su capacidad para generar flujos de alta velocidad y su capacidad para restringir el área de pruebas.
Dicho esto, restringir el área de pruebas también dificulta las pruebas de una aeronave en movimiento, ya que el espacio es limitado. A menudo se utilizan modelos en las pruebas tradicionales en túnel de viento, ya que los túneles capaces de probar aeronaves de tamaño real son extremadamente costosos de construir.
El túnel de viento más grande del mundo, que mide 80' x 120' y tiene su sede en el Centro de Investigación Ames de la NASA en California, se construyó modificando un túnel de viento más pequeño de 40' x 80'. El presupuesto del proyecto en 1979 fue de 85 millones de dólares estadounidenses, equivalente a unos 350 millones de dólares estadounidenses hoy en día.
«Túneles» de viento al aire libre / Windshapers
Los túneles de viento al aire libre, o Windshapers, son una alternativa prometedora a los túneles de viento cerrados tradicionales.
Esta opción es especialmente relevante para las pruebas de vuelo libre de aeronaves y drones, ya que permite realizar pruebas sin los límites de un túnel físico. Estas instalaciones al aire libre pueden albergar aeronaves del mismo tamaño por una fracción del costo de un túnel de viento tradicional.
Los túneles de viento al aire libre difieren de los túneles de viento tradicionales en que el área de pruebas está abierta al entorno y no está encerrada dentro de un túnel (figura 7).
Una pared de ventiladores genera un flujo de viento tridimensional basado en una función de tres variables (x, y, z). La función transmite información a los ventiladores individuales, que pueden producir todo tipo de perfiles de viento, como olas, turbulencias, ráfagas de viento, etc.
El flujo de viento se dirige a través de un área de pruebas abierta donde se encuentra la aeronave. Esto permite que la aeronave vuele libremente sin necesidad de ser montada en su lugar.
Lectura adicional: Por qué debería probar los motores y hélices de su UAV
Figura 7: Prueba de drones con un túnel de viento al aire libre (Windshaper)
La visualización del flujo de aire con un sistema al aire libre es posible gracias al uso simultáneo de tecnologías de seguimiento de movimiento y sondas de flujo.
El software de visualización de flujo combina los datos de las dos fuentes y luego los procesa, interpola y visualiza (figura 8).
Los datos recopilados pueden visualizarse en tiempo real o analizarse posteriormente utilizando herramientas estándar de visualización CFD.
Figura 8: Visualización del flujo de aire de un dron con la tecnología ProCap de Streamwise
La diversidad de perfiles de viento generados con una o varias paredes de ventiladores es ideal para simular un vuelo a través de condiciones climáticas adversas o alrededor de edificios y terrenos.
Este video del gobierno de Canadá ofrece una excelente demostración de los desafíos del vuelo urbano con un dron, por ejemplo, y del tipo de habilidades que los pilotos de zonas urbanas deben desarrollar.
Debido a la naturaleza abierta del área de pruebas, los túneles de viento al aire libre también permiten probar las configuraciones de despegue y aterrizaje.
Windshapers tienen una función de inclinación que les permite girar hasta 90 grados. Esto permite al usuario practicar las fases de vuelo más críticas mientras simula el efecto suelo, las corrientes térmicas ascendentes, los vientos cruzados, etc.
Además, se pueden añadir efectos climáticos al área de pruebas, como lluvia, nieve o niebla (figura 9).
Figura 9: Prueba de drones en condiciones de lluvia
Los túneles de viento al aire libre son relativamente económicos en comparación con los túneles de viento tradicionales con la misma área de pruebas transversal. Por lo tanto, ofrecen pruebas de vuelo libre más viables.
Hasta ahora no se han construido túneles de viento al aire libre que alcancen velocidades transónicas, lo que supone una desventaja de este modelo.
Simulación por computadora / CFD
La simulación de túnel de viento por computadora, o dinámica de fluidos computacional (CFD), puede utilizarse de forma independiente o junto con las pruebas físicas para comprender la aerodinámica de un objeto.
En proyectos con presupuesto limitado, la simulación puede ser el único método utilizado para evaluar un objeto, mientras que en proyectos más grandes puede informar y complementar las pruebas físicas en túnel de viento.
Figura 5: Visualización del flujo de aire sobre un flap de ala por AirShaper
Los programas por computadora pueden comenzar con tan poco como un modelo 3D o un escaneo 3D de una aeronave. El modelo se carga en el software de pruebas y se somete a diferentes condiciones de viento simuladas.
El usuario puede controlar la velocidad del viento, el ángulo de ataque, el movimiento de la aeronave y las propiedades del fluido.
Los resultados de la simulación proporcionan información clave como la forma del viento, la presión superficial y la separación del flujo de viento a lo largo de partes de la aeronave (figura 6).
Para quienes se inician en CFD, la NASA ofrece varios programas gratuitos de túnel de viento diseñados para enseñar los conceptos básicos de la aerodinámica y la propulsión. Para usos comerciales más avanzados, empresas como AirShaper y SimScale ofrecen soluciones que permiten a los clientes producir modelos detallados y perfiles de viento completos.
Figura 6: Visualización del flujo del tren de aterrizaje de una aeronave con la tecnología CFD de SimScale
En general, CFD es una forma rentable de recopilar datos aerodinámicos teóricos, especialmente a medida que la tecnología se vuelve más avanzada.
Sin embargo, al final del día, los datos son solo eso, teóricos.
Realizamos un experimento para ver cómo se comparaban los datos de CFD con las condiciones del mundo real para las pruebas de hélices, y los resultados fueron bastante interesantes.
Tendencias emergentes y futuro de la tecnología de túneles de viento
El futuro de los túneles de viento implica combinar CFD e IA con datos experimentales. Esta combinación de tecnologías crea una integración en tiempo real de simulaciones experimentales y numéricas. Los túneles de viento inteligentes como los sistemas SMART de Optomet utilizan herramientas basadas en láser que miden las vibraciones y la aerodinámica sin tocar la superficie del objeto, asegurando que el flujo de aire sobre el vehículo probado permanezca inalterado. El sistema está integrado con IA para filtrar automáticamente el ruido de la señal y realizar ajustes de medición en tiempo real. Esto permite recopilar datos con mayor precisión durante las pruebas de alta velocidad sin necesidad de recalibración manual.
Figura 7: Túnel de viento SMART de Optomet
Los túneles de viento criogénicos utilizan refrigeración con nitrógeno líquido para alcanzar números de Reynolds altos. Esto permite simular entornos de vuelo hipersónico. El Cryogenic Wind Tunnel Cologne es un túnel de circuito cerrado que utiliza esta tecnología. Inyecta nitrógeno líquido para reducir la temperatura del gas a 100 K. Reducir la temperatura aumenta la densidad del aire y disminuye la viscosidad, lo que permite un número de Reynolds más alto sin cambiar el tamaño del modelo ni la velocidad del viento [1].
Figura 8: Túnel de viento criogénico en Colonia
3. Cómo se utilizan los túneles de viento para diseñar aeronaves
Los túneles de viento pueden ayudar a los constructores de aeronaves a mejorar su diseño identificando áreas donde se puede mejorar la aerodinámica.
Esto permite a los diseñadores mejorar su relación sustentación-resistencia, lo que puede traducirse en tiempos de vuelo mejorados y una mayor resistencia a la turbulencia.
Los túneles de viento más avanzados también pueden simular turbulencias y flujos de viento laterales para estudiar el rendimiento en diversas situaciones de vuelo.
El tamaño del túnel de viento requerido depende del tamaño de la aeronave y del tipo de pruebas realizadas. Algunos túneles de viento son lo suficientemente grandes para probar aeronaves de tamaño real, mientras que otros emplean modelos para hacer suposiciones sobre las versiones de tamaño real.
Se requerirá un túnel más grande para las pruebas de vuelo libre en comparación con las pruebas de un modelo de aeronave montado, por ejemplo.
4. Comparación de tipos de túneles de viento
Aquí hay una comparación de tres tipos de túneles de viento:
Conclusión
Para obtener más información sobre las pruebas tradicionales en túnel de viento y CFD, consulte las empresas y los enlaces mencionados en el texto.
Para obtener más información sobre las pruebas en túnel de viento al aire libre (Windshapers), consulte nuestra página de destino de pruebas en túnel de viento.
Lectura adicional: Pruebas en túnel de viento en la Universidad de Ottawa
Bibliografía
[1] D. K. Paul, H. M. Robin, N. Paul, M. M. Ahmed y M. H. Masud, “Avances y aplicaciones de las pruebas en túnel de viento en el desarrollo de vehículos aéreos: Una revisión del estado del arte,” Eng. Sci. Technol. Int. J., vol. 72, p. 102244, dic. 2025, doi: 10.1016/j.jestch.2025.102244.