Túneles Aerodinámicos

Puede que sea así, posiblemente porque los avances tecnológicos introducidos en las técnicas de construcción pueden generar, si no se toman las prevenciones adecuadas en el diseño, edificaciones más sensibles a las cargas del viento que las que se construían en el pasado. En efecto, es una realidad que la mejora de las propiedades mecánicas de los materiales tradicionalmente utilizados en la industria de la edificación, la adopción de nuevas técnicas de construcción y la incorporación de nuevos materiales, permite que las edificaciones sean cada día más audaces, con formas que en poco o en nada se asemejan a las formas básicas utilizadas en la arquitectura tradicional. Por esta razón hay cada vez más construcciones en las que las cargas del viento (estáticas y dinámicas) juegan un papel cada día más importante, y de este modo el viento, un factor apenas tenido en cuenta en la construcción tradicional, se ha convertido en un factor determinante a la hora de evaluar las cargas de diseño sobre bastantes construcciones actuales.

A lo anterior hay que añadir que existe una tendencia a diseñar edificaciones de carácter emblemático, y debido al carácter singular de muchas de estas edificaciones, de formas muy alejadas de las que se recogen en la normas de cálculo de cargas de viento, resulta complicado estimar con fiabilidad las cargas aerodinámicas sobre las mismas. En tales circunstancias de incertidumbre el proceso de diseño debe avanzar bien asumiendo los riesgos que supone el desconocimiento de las cargas, bien aplicando factores de seguridad exagerados que pueden llevar a diseños en extremo conservadores, o bien intentando determinar con más precisión las cargas aerodinámicas, para lo que hay que acudir, normalmente, a ensayos con modelos a escala en túneles aerodinámicos (los métodos numéricos están todavía lejos de proporcionar una respuesta satisfactoria sobre las cargas de viento en cuerpos no fuselados).

El objetivo de los ensayos en túnel es pues suministrar información sobre las particularidades del viento en las proximidades del cuerpo en consideración, proveer información sobre la distribución de presiones y sobre las cargas globales producidas por el viento en el obstáculo y, si la estructura es flexible y susceptible de experimentar fenómenos aeroelásticos, proporcionar los datos necesarios sobre efectos dinámicos inducidos por el viento.

Los túneles aerodinámicos tienen un origen y una utilidad marcadamente aeronáutica, pues es el ensayo de aeronaves la razón que condiciona el diseño y la operación de un elevado número éstos; pero al lado de los empleados en usos estrictamente aeronáuticos, hay cada vez más túneles aerodinámicos dedicados específicamente a aplicaciones no aeronáuticas, cuyo diseño está orientado a la medida de las acciones del viento sobre cuerpos no fuselados.

Sea cual sea la aplicación, la validez de los ensayos de modelos a escala en túneles aerodinámicos descansa en el principio de semejanza de la mecánica de fluidos, que establece que en el caso del movimiento del aire alrededor de obstáculos los resultados adimensionales medidos en túnel son aplicables a la realidad cuando existe semejanza geométrica, semejanza cinemática y semejanza dinámica.

La semejanza geométrica exige que en los modelos a ensayar se reproduzcan fielmente a escala todos los detalles de la realidad que sean aerodinámicamente significativos; la semejanza cinemática requiere que en los flujos a comparar las líneas de corriente sean semejantes, y la semejanza dinámica exige que la distribución de fuerzas en los dos flujos, real y a escala, sea tal que en puntos homólogos las fuerzas de tipos idénticos (de presión, de rozamiento, etc.) sean paralelas y la relación entre sus módulos constante.

Salvadas la semejanza geométrica y la cinemática, que se pueden satisfacer con facilidad, la semejanza dinámica se suele traducir en la igualdad de ciertos parámetros adimensionales, principalmente los llamados número de Mach y número de Reynolds, asociados al movimiento alrededor del obstáculo real y al flujo alrededor del modelo a escala. En las aplicaciones no aeronáuticas puede ser preciso también exigir la igualdad del número de Jensen.

El número de Mach mide los efectos de compresibilidad del aire y se expresa como el cociente entre la velocidad de la corriente que incide sobre el cuerpo y la velocidad del sonido corriente arriba, lejos del obstáculo. El número de Mach sólo es importante cuando su valor es razonablemente mayor que cero (de modo que esté próximo o sea superior a la unidad), situación que no se produce en la mayoría de las aplicaciones de la aerodinámica no aeronáutica, en las que las velocidades en juego son mucho menores que la del sonido y, en consecuencia, el número de Mach es muy pequeño y el aire se comporta como incompresible.

Respecto al número de Reynolds, que mide la relación entre las fuerzas inerciales y las viscosas, si el fluido en consideración es el mismo en ambos casos (ensayos y realidad), su igualdad exige la conservación del producto de la velocidad por una longitud característica, lo cual suele ser imposible, pues al disminuir la longitud característica de los modelos la conservación del producto requiere aumentar el valor de la velocidad en la misma proporción, con lo que el movimiento dejaría de ser, probablemente, incompresible. Así pues lo normal es que no se pueda conservar el valor del número de Reynolds, lo que afortunadamente es poco relevante si se trata de aerodinámica no aeronáutica, pues enseña la experiencia que cuando los cuerpos expuestos al viento no son fuselados ni redondeados, los coeficientes adimensionales de fuerzas y momentos son independientes del número de Reynolds una vez que este parámetro ha superado un cierto valor crítico. La razón de este comportamiento es que en obstáculos con aristas la capa límite se desprende en estas para velocidades pequeñas, situación que no cambia al aumentar la velocidad. Así pues, en la mayoría de las aplicaciones no aeronáuticas no es preciso tampoco conservar el número de Reynolds, bastando con comprobar que el número de Reynolds de los ensayos está por encima del valor crítico. Este hecho es fundamental cuando se desea diseñar un túnel de aplicaciones no aeronáuticas, pues al no tener que conservar el número de Reynolds se pueden hacer los ensayos a baja velocidad.

El número de Jensen es la relación entre la longitud característica del modelo y la longitud de rugosidad del terreno y con su conservación se pretende que la turbulencia del flujo en el túnel aerodinámico tenga la misma forma que la en el viento natural. Este requisito se cumple con una aproximación razonable en los túneles aerodinámicos con simulación de capa límite terrestre.

Aunque los túneles aerodinámicos responden a criterios de diseño bien establecidos, con partes claramente diferenciadas (contracción, cámara de ensayos, difusor, ventiladores...), a la vista de la gran diversidad de aplicaciones se entiende que la mayoría de los mismos estén construidos para un cierto uso específico, lo que suele condicionar muchos aspectos del diseño. Todo ello hace que exista una amplia variedad de túneles aerodinámicos en cuanto a formas y tamaños.

Respecto a las aplicaciones, un túnel es, como se ha dicho, un instrumento de aplicación a problemas aerodinámicos tanto aeronáuticos como no aeronáuticos. A modo de ejemplo, los túneles de la Universidad Politécnica de Madrid han sido empleados un amplio espectro de ensayos aerodinámicos, que se extiende desde la medida de las cargas del viento sobre cuerpos de diversa naturaleza (aeronaves, automóviles, trenes, vehículos marinos, edificaciones singulares, puentes, estadios deportivos, etc.), hasta aplicaciones agrícolas (barreras cortavientos para protección de cultivos o para protección de entornos habitados, estelas de edificios y montes), y domésticas (ventilación natural de casas y factorías industriales, apantallamientos, y un largo etcétera).