UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE TLAXCALA

FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

INGENIERÍA MECÁNICA

MECÁNICA DE FLUIDOS

COMO DISEÑAR UNA BALANZA AERODINÁMICA

Presenta:Yonymael Sosa Cruz

José Guillermo Hernández SánchezEnwing Rivas JuárezAlfonso Reyes ArmasMichael Torres Ortega

Septiembre de 2015INTRODUCCIÓN

La balanza aerodinámica es un instrumento preciso y confiable para la medición de las fuerzas y momentos actuantes sobre un modelo en un túnel de viento. A diferencia de las balanzas comunes, que sirven para medir fuerzas actuando en una dirección conocida, las balanzas de túnel de viento deben medir no tan sólo fuerzas aerodinámicas cuya dirección de la resultante es desconocida, sino que también momentos alrededor de ciertos ejes, debido a esa resultante.En el caso más general, las balanzas miden las componentes de esta resultante, llamada fuerza aerodinámica total, según tres ejes mutuamente ortogonales pasando a través de un punto arbitrario. La particularidad de un ensayo aerodinámico es que la magnitud y dirección de la fuerza total y el momento pueden cambiar durante el ensayo; y esta característica debe ser tomada en cuenta.

Características de una balanza aerodinámica La principal característica de una balanza de túnel de viento es la cantidad de componentes a medir, dependiendo del ensayo a considerar, este número puede variar de uno a seis. Dependiendo de su localización, las balanzas de túnel de viento pueden ser clasificadas en 2 grupos:Balanzas externas ubicadas fuera del modelo y la cámara de ensayo del túnel de viento.Balanzas internas ubicadas en el interior del modelo o sus soportes.

Balanzas externasLa fuerza aerodinámica total y momentos son separados en sus componentes con la ayuda de varios sistemas mecánicos. Estas balanzas suelen denominarse balanzas mecánicas. El modelo es instalado en la sección de ensayo del túnel con la ayuda de soportes como ser vigas o alambres, que lo vinculan a la balanza.En estas balanzas llamadas comúnmente externas las componentes de fuerzas y momentos son usualmente determinados en un sistema de ejes “balanza” paralelo al sistema de ejes viento. El diseño de una balanza externa incluye la incorporación de un dispositivo que cambie la actitud del modelo tanto en ángulo de incidencia como de deslizamiento. La desventaja de las balanzas mecánicas de túnel de viento es el comparativamente elevado peso de sus elementos, debido a la inercia de los sistemas de medición tales balanzas no pueden ser usadas en túneles que tienen corta duración de operación.

Balanzas internas Las balanzas de los túneles de viento localizadas dentro del modelo fueron desarrolladas debida a la necesidad de excluir las fuerzas actuando sobre los soportes. A velocidades supersónicas el flujo alrededor del modelo es menos afectado por los soportes en la forma de cantilever. En las balanzas internas se opta por instalarlas entre la unión del modelo al soporte o en el mismo soporte. Cuando la balanza es instalada dentro del modelo, solo las fuerzas actuantes sobre el modelo son medidas y el soporte solo causa perturbaciones en el flujo en la cola del modelo. Cuando la balanza es

instalada en el soporte mismo, está es protegida del flujo por un carenado cilíndrico o cónico.

OBJETIVOS GENERALES El objetivo de este proyecto es construir un dispositivo que nos permita medir resistencia y sustentación como es el caso de una balanza aerodinámica el cual nos permitirá medir mediante componentes aerodinámicos adaptados a la balanza la resistencia del aire con la finalidad de suministrar información a los diseñadores sobre las particularidades del viento en las proximidades del objeto en consideración, proveer información sobre la distribución de presiones y sobre las cargas globales producidas por el viento en el obstáculo objeto de interés si la estructura es flexible y susceptible de experimentar fenómenos Aero elásticos, proporcionar los datos necesarios sobre las vibraciones inducidas por el viento, todo ello con una precisión mayor que la que se puede obtener con otros medios relativamente más económicos (estudios analíticos, análisis numérico, o simplemente la experiencia profesional).

CONCEPTOS GENERALES SustentaciónCuando el aire fluye sobre la superficie superior del ala del avión, necesita tomar una forma curva. Para hacer esto, la presión del aire justo arriba del ala necesita estar a una presión ligeramente menor que el aire que está arriba, y el aire entonces es empujado a fluir alrededor de las alas. El aire en la superficie superior del avión entonces está a una presión menor que el aire que está por debajo - y el avión es empujado hacia arriba - lo que nosotros llamamos sustentación. Cuando la curvatura sobre la parte superior del ala se hace más grande debido a la rotación de la nariz del avión hacia arriba, hay una presión diferencial más grande y por lo tanto una mayor fuerza de sustentación. Sin embargo, si la curvatura se hace demasiado grande, el flujo se separa del ala y termina con una pérdida de sustentación. Con esta pérdida, hay un cambio drástico en la curvatura (el flujo prácticamente no se curva para seguir al ala) y por lo tanto la sustentación es mucho menor. La pérdida de sustentación generalmente le causa al piloto perder un poco del control del avión hasta que disminuye el ángulo de ataque y recupera la

mayor parte de la sustentación (todos los aviones tienen sirenas que suenan cuando las alas pierden la sustentación).

Resistencia La resistencia es la fuerza que impide o retarda el movimiento de un aeroplano. La resistencia actúa de forma paralela y en la misma dirección que el viento relativo, aunque también podríamos afirmar que la resistencia es paralela y de dirección opuesta a la trayectoria. Desde un punto de vista aerodinámico, cuando un ala se desplaza a través del aire hay dos tipos de resistencia: (a) resistencia debida a la fricción del aire sobre la superficie del ala, y (b) resistencia por la presión del propio aire oponiéndose al movimiento de un objeto en su seno. La resistencia por fricción es proporcional a la viscosidad, que en el aire es muy baja, de manera que la mayoría de las veces esta resistencia es pequeña comparada con la producida por la presión, mientras que la resistencia debida a la presión depende de la densidad de la masa de aire. Ambas resistencias crean una fuerza proporcional al área sobre la que actúan y al cuadrado de la velocidad.

Balanza de componentes La balanza aerodinámica a construir es un dispositivo portátil que se le adaptara al túnel aerodinámico o túnel de viento que servirá para medir la resistencia y sustentación de cuerpos bajo ensayos aerodinámicos sencillos.Este se complementara con un juego de cuerpos el cual cada uno de ellos experimentara una reacción deferente ante el fluido del aire.La balanza de componentes se aplicará para medir fuerzas en cualquier dirección.

La construcción de la balanza se realizara mediante las siguientes especificaciones:

Rango de medición: 0 a 0,3 N Diámetro de escala: 170 mm Dimensiones

externas: 350 x 220 mm

Diámetro del mango: 10 mm

Masa: aprox. 0,9 kg

Juego de cuerpos para medir resistencia y sustentaciónSe incluyeron un juego de 7 cuerpos para efectuar experiencias sobre aerodinámica, la cual cada una experimentara una reacción diferente al aire.

Incluye: Cuerpo liso, similar a una gota de agua, longitud característica:120mm Cuerpo rugoso con la misma longitud a la primera. Esfera, diámetro: 50mm Semiesfera, diámetro: 50mm Disco, diámetro:47mm Disco, diámetro: 68mm Perfil alar: 150 x 40 mm Base organizadora

Partes y regiones de un perfil a medir1. Borde de ataque (leading edge).- Es la parte delantera del perfil alar. Se

le denomina “borde de ataque” ya que es la primera parte que toma contacto con la corriente de aire, provocando que esta se bifurque hacia el intradós y el extradós.

2. Borde de salida (trailing edge).- Llamado también “borde de fuga”. Corresponde al punto en el que las corrientes de aire provenientes del intradós y extradós confluyen y abandonan el perfil. Aunque en la mayoría de los gráficos se le trace de forma aguda, no siempre suele ser así, teniendo en algunos casos una terminación cuadrada.

3. Intradós (lower surface).- Término genérico que denota la parte interior de una estructura. En un perfil de superficies corresponde a la parte inferior del mismo.

4. Extradós (upper surface).- Llamado también “trasdós”, es un término genérico que denota la parte exterior de una estructura. En un perfil de superficies corresponde a la parte exterior del mismo.

5. Región de curvatura máxima.- Área de un perfil de superficies comprendida entre la abscisa (eje X) del punto de inicio del borde de ataque y la abscisa de la curvatura máxima.

6. Región de espesor máximo.- Área de un perfil de superficies comprendida entre la abscisa del punto de inicio del borde de ataque y la abscisa del espesor máximo.

CONCLUSIÓNEn conclusión La balanza aerodinámica es un instrumento utilizado para la medición de las fuerzas y los momentos actuantes sobre un modelo sometido a la acción de corrientes de viento.

Los aspectos que se utilizaron para desarrollar este dispositivo son: el Aumento del desarrollo científico de la Facultad de Ingeniería; La posibilidad de brindar equipamiento de un sector poco utilizado de la Facultad de Ingeniería; poder estudiar los efectos de los cambios climáticos sobre estructuras, también aportando una información de datos más detallada y precisa que no se pueden obtener con análisis numéricos lo cual nos ayudara a entender más el comportamiento del aire y difundir nuevos temas de investigación en el campo de la aeronáutica.