Techos Con Perfiles Aerodinamicos

Estructuras para el Desarrollo, la Integracin Regional, y el Bienestar Social

TECHOS CON PERFILES AERODINMICOS

AIRFOIL IN ROOF

Jorge L. Lassig (1); Carlos Walter (2); Guillermo Soria (3)

(1) Prof. Dr. Ing., Fac. de Ingeniera, Universidad Nacional del Comahue, Neuqun, Argentina. (2) Ingeniero Civil, Fac. de Ingeniera, Universidad Nacional del Comahue, Neuqun, Argentina.

(3) Estudiante Avanzado de Ingeniera Civil; Universidad Nacional del Comahue, Neuqun, Argentina.

Direccin para correspondencia: [email protected]

Resumen: En el presente trabajo se analiz un perfil aerodinmico utilizado en techos: el perfil Arco Circular. Se utiliz el programa JavaFoil para el clculo de los parmetros aerodinmicos del perfil y del ala simulada de pequeo alargamiento. Se construyeron a escala dos modelos de techos alares, y se los ensay en el tnel de viento del Laboratorio de Dinmica de Fluidos Ambientales de la Universidad Nacional del Comahue. En ambos modelos la envergadura fue igual a 1, el espesor para el modelo A fue del 32%, y para el modelo B fue del 8%. Los ensayos se realizaron a un nmero de Reynolds de 105. Se obtuvieron las curvas de los coeficientes de sustentacin en funcin del ngulo de ataque, y se determin el coeficiente de presin Cp sobre cada superficie. Tambin se determin el patrn de flujo alrededor de la estructura con cata vientos, caracterizando el vrtice de extremo de ala. Tanto los coeficientes de sustentacin como los valores de Cp difieren de los tericos, esto demuestra la importancia del uso del tnel de viento para la obtencin de datos experimentales, para el logro de un buen clculo estructural. Palabras clave: tnel de viento, techos, perfiles aerodinmicos, cargas aerodinmicas.

Abstract In this paper an airfoil used on roof analyzed: Circular Arc Profile. JavaFoil program for the calculation of aerodynamic parameters of the simulated wing profile and small elongation was used. Scale were constructed two models of wing roofs, and are tested in the wind tunnel of the Laboratory of Environmental Fluid Dynamics, National University of Comahue. n both models, the scale was equal to 1. Thickness of the model was 32%, and for the model B was 8%. The tests were conducted at a Reynolds number of 105. The curves of the coefficients of lift versus angle of attack are obtained, and the pressure coefficient Cp is determined for each surface. The flow pattern around the structure was also determined with minitufts, characterizing the wing tip vortex. Both lift coefficients as Cp values differ from the theoretical, this shows the importance of using the wind tunnel to obtain experimental data to achieve a good structural design. Key words: wind tunnel ceilings, airfoils, aerodynamic loads.

1. INTRODUCCIN

Existe una tendencia visual y esttica de construir techos para terminales de mnibus, aeropuertos, supermercados, etc., con formas aerodinmicas en sus extremos, lo que genera una verdadera ala en voladizo en parte de la estructura.


Figura 1:(izquierda) supermercado con techo de perfil arco circular; (derecha) terminal de mnibus con techo de perfil cncavo-convexo.

Las cargas generadas por un perfil aerodinmico son muy sensibles al ngulo de ataque, y por lo tanto sensibles a la direccin del viento. En la figura 2 se lo ejemplifica, donde se puede observar que la fuerza total aerodinmica se la suele descomponer en dos: una perpendicular al viento relativo denominada fuerza de sustentacin, y la otra de resistencia en la direccin del viento relativo denominada arrastre.

Las expresiones de las fuerzas de sustentacin y arrastre son:

alarL SuperficieCVnSustentaci = 221

alarD SuperficieCVArrastre = 221

Donde CL es el coeficiente de sustentacin (adimensional), CD el coeficiente de arrastre (adimensional), V la velocidad del viento relativo, la densidad del aire y la superficie alar es el producto del largo del ala (envergadura) por su ancho (cuerda).

Figura 2:(izquierda) fuerzas aerodinmicas sobre un perfil; (derecha) tpicas curvas de sustentacin y arrastre en perfiles aerodinmicos.

Se denomina ngulo de ataque (), al ngulo formado entre el viento relativo y la cuerda del perfil, siendo esta ltima la recta imaginaria entre el borde de ataque y el borde de fuga del perfil aerodinmico.


A medida que crece el ngulo de ataque, crece el arrastre y crece la sustentacin, aunque esta tiene un mximo y luego comienza a disminuir, y si sigue aumentando el ngulo de ataque, puede desaparecer, lo que en aeronutica se denomina entrada en prdida del ala o perfil.

Un perfil aerodinmico es un cuerpo bidimensional, cuando se construye un ala, esta es tridimensional y tiene dimensiones de largo y ancho, a esta relacin (largo/ancho) se la denomina alargamiento (AR). Las caractersticas del CL de un ala con gran alargamiento tiende a parecerse a las del perfil, pero a medida que el alargamiento se hace pequeo, esta dista mucho de las caractersticas aerodinmicas del perfil con la cual se la construy. La figura 3 ayuda a entender estas variaciones de performances para alas de bajo alargamiento.

Figura 3: comparacin para alas de igual perfil pero distintos alargamientos (AR) del efecto sobre la curva de sustentacin (CL versus ).

Se observa que a medida que el alargamiento decrece, las caractersticas del CL tambin. Las pequeas alas en los techos, tienen la caracterstica de ser de poco alargamiento, por lo que el clculo de la distribucin de presiones sobre la superficie debe ser corregida desde los datos del perfil aerodinmico utilizado en su construccin.

Esto se debe a que la baja envergadura genera un mayor vrtice en el extremo del ala, por lo tanto hay mayor arrastre, menos sustentacin y un patrn complejo de flujo sobre la parte superior del techo.

Figura 4: dibujo esquemtico del vrtice de extremo de ala.

La figura 4 ilustra como se genera el vrtice de extremo de ala, el cual tambin debe ocurrir en un techo en voladizo.

Por ltimo hay que sealar que la teora de perfiles asume un flujo uniforme del viento relativo aguas arriba del mismo, y sin intensidad de turbulencia, por lo que los ensayos de alas en tneles de viento se realizan bajo esas condiciones.


2. METODOLOGA

En el presente trabajo se analiz un perfil aerodinmico que es utilizado en techos: el perfil Arco Circular. Si bien este perfil fue estudiado a mediados de la dcada de 1950 por la NACA (1953) con el objetivo de ver sus cualidades a alta velocidades, hoy en da se lo ha vuelto a estudiar debido a su potencial uso en el control de vrtices (Miranda, 2000).

En nuestro trabajo recurrimos al programa JavaFoil (de libre acceso) para el clculo de los parmetros aerodinmicos del perfil.

Los techos a simular sern dos, que usarn el perfil Arco Circular, uno con un espesor del 32% de su cuerda, y el otro ms delgado con slo el 8% de su cuerda.

Figura 5: forma del perfil arco circular (izq) del 32% de espesor; (der) forma del perfil arco circular del 8% de espesor.

La geometra de ambos perfiles se muestran en las figuras 5. Las caractersticas aerodinmicas CL vs , y CL/CD en las figuras 6, se han realizado sin prdida y con el modelo de transicin Eppler Standard (Eppler y Somers, 1980).

Figura 6: curvas Cl-Cd y Cl- para perfil arco circular (izq) 32% de espesor;y (der) 8% de espesor.


Los resultados tericos de ambos perfiles se indican en la siguiente Tabla:

perfil Arco Circular 32% de espesor perfil Arco Circular 8% de espesor Cl Cd Cl Cd-20,0 -2,635 0,08561 -25,0 -2,418 0,49178-19,0 -2,510 0,07131 -24,0 -2,347 0,40830-18,0 -2,384 0,06368 -23,0 -2,273 0,36946-17,0 -2,257 0,05522 -22,0 -2,196 0,31621-16,0 -2,129 0,04473 -21,0 -2,117 0,27588-15,0 -2,000 0,03618 -20,0 -2,035 0,23009-14,0 -1,871 0,03060 -19,0 -1,950 0,20706-13,0 -1,740 0,02515 -18,0 -1,863 0,16338-12,0 -1,609 0,02018 -17,0 -1,773 0,13394-11,0 -1,477 0,01828 -16,0 -1,682 0,12085-10,0 -1,345 0,01508 -15,0 -1,587 0,09735-9,0 -1,212 0,01346 -14,0 -1,491 0,07578-8,0 -1,079 0,01173 -13,0 -1,393 0,06258-7,0 -0,945 0,05700 -12,0 -1,293 0,05006-6,0 -0,811 0,03448 -11,0 -1,192 0,04209-5,0 -0,676 0,02196 -10,0 -1,089 0,03306-4,0 -0,541 0,01432 -9,0 -0,984 0,02414-3,0 -0,406 0,01125 -8,0 -0,878 0,01836-2,0 -0,271 0,01041 -7,0 -0,771 0,01482-1,0 -0,135 0,02314 -6,0 -0,663 0,011230,0 0,000 0,02297 -5,0 -0,554 0,009091,0 0,135 0,02314 -4,0 -0,444 0,007742,0 0,271 0,01041 -3,0 -0,333 0,016543,0 0,406 0,01125 -2,0 -0,223 0,007204,0 0,541 0,01432 -1,0 -0,111 0,011055,0 0,676 0,02196 0,0 0,000 0,011016,0 0,811 0,03448 1,0 0,111 0,011057,0 0,945 0,05700 2,0 0,223 0,007208,0 1,079 0,01173 3,0 0,333 0,016549,0 1,212 0,01346 4,0 0,444 0,00774

10,0 1,345 0,01508 5,0 0,554 0,0090911,0 1,477 0,01828 6,0 0,663 0,0112312,0 1,609 0,02018 7,0 0,771 0,0148213,0 1,740 0,02515 8,0 0,878 0,0183614,0 1,871 0,03060 9,0 0,984 0,0241415,0 2,000 0,03618 10,0 1,089 0,0330616,0 2,129 0,04473 11,0 1,192 0,0420917,0 2,257 0,05522 12,0 1,293 0,0500618,0 2,384 0,06368 13,0 1,393 0,0625819,0 2,510 0,07131 14,0 1,491 0,0757820,0 2,635 0,08561 15,0 1,587 0,09735

16,0 1,682 0,1208517,0 1,773 0,1339418,0 1,863 0,1633819,0 1,950 0,2070620,0 2,035 0,2300921,0 2,117 0,2758822,0 2,196 0,3162123,0 2,273 0,3694624,0 2,347 0,4083025,0 2,418 0,49178

Tabla I: variacin del CL y CD del perfil Arco Circular a un Reynolds de 105, (Izq) con un 32% de espesor, (der) con un espesor de 8%.

3. ENSAYOS EN TNEL DE VIENTO

Se construyeron a escala (1:20) dos modelos de techos alares, y se los ensay en el tnel de viento del Laboratorio de Dinmica de Fluidos Ambientales de la


Universidad Nacional del Comahue. En ambos modelos el alargamiento fue igual a 1, para el modelo A el espesor fue del 32%, y para el modelo B el espesor fue del 8%. Los ensayos se realizaron a un nmero de Reynolds de 1 x 105.

Figura 7: Ambos modelos de techo dentro del tnel de viento.

El porcentaje de bloqueo en los ensayos para medir la sustentacin vario entre el 3 y el 6%, y para los ensayos de medicin de las presiones sobre las superficies del techos fue entre el 5 y 10% de la superficie de la seccin de pruebas. Los ensayos se realizaron con una distribucin de velocidades vertical de exponente P= 0,16, y con una intensidad de turbulencia del 0,22%, simulando as una tpica capa lmite atmosfrica de entorno urbano (Li et all, 2010) . La velocidad del viento fue de 10 m/s y se la midi con un anemmetro de hilo caliente TSI Incorporated Model 8330-M, la sustentacin fue medida por medio de una balanza electrnica, y las presiones por medio de Manmetros Piezoelctricos PS2164 registrados con un Dataloger GLX.

4. RESULTADOS

A continuacin se muestran los resultados obtenidos desde los ensayos en tnel de viento y su comparacin con los obtenidos desde la teora de perfiles.

4.1.- Coeficientes de Sustentacin

Se calcularon los CL de ambas alas con alargamiento igual a uno, a partir de los ensayos en el tnel de viento. Las comparaciones entre la sustentacin medida en cada ala (techo) y la terica del perfil se indican en la figura 8 y 9.


Perfil Arco Circular 32%

-3

-2

-1

0

1

2

3

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Angulo de Ataque

Cl

Perfil Ala Cuadrada

Figura 8: Curva Cl- para el perfil arco circular de 32% de espesor y su comparacin con los resultados del ensayo en tnel de viento del techo (tipo ala cuadrada).

Perfil Arco Circular 8%

-3.000

-2.000

-1.000

0.000

1.000

2.000

3.000

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Angulo de Ataque

Cl

Perfil Ala Cuadrada

Figura 9: Curva Cl- para el perfil arco circular de 8% de espesor y su comparacin con los resultados del ensayo en tnel de viento del techo (tipo ala cuadrada).

4.2.- Coeficientes de Presin

Se determin el coeficiente de presin CP sobre cada superficie para cuatro ngulos de ataque: 5, 10, 15 y 20, para el perfil arco circular de 32% de espesor. Las figuras 10 13 muestran los resultados.


Figura 10: distribucin de presiones sobre ambas superficies alares con perfil arco circular de 32% de espesor a un ngulo de ataque de 5: (a) perfil terico, (b) techo ensayo en tnel de

viento.


viento.



viento.


viento.


4.3.- Vrtice en el Extremo del Techo

El vrtice de extremo de ala se pudo observar sobre ambos modelos de techo por medio de cata vientos; las figuras 14 y 15 comparan el cata viento en el borde del techo y con otro ms en su interior, pudindose observar que el flujo en el interior del techo es paralelo a las cuadernas del techo, mientras que en el borde el flujo pasa desde la superficie inferior hacia la superficie superior del mismo e inclinndose hacia el interior del techo.

Figura 14: fotos del modelo de techo B, a la izquierda se observa como el cata viento sube a la parte superior del techo debido al vrtice de extremo de ala, y a la derecha se compara

como el flujo de viento estable mas al interior del mismo.

Figura 15: fotos del modelo de techo A, a la izquierda se observa como el cata viento sube a la parte superior del techo debido al vrtice de extremo de ala, y a la derecha se compara

como el flujo de viento estable mas al interior del mismo.

5. ANLISIS

Observando las curvas del coeficiente de sustentacin de ambos modelos de techos (figuras 8 y 9), y comparndolas con los valores obtenidos desde los perfiles


tericos, se observa una disminucin del CL en los techos como predice la teora de ala finita. Cuando vemos en las figuras 10 13 los valores de CP para distintos ngulos de ataque del perfil original (a), y comparamos los resultados del ensayo en tnel de viento (b) para techos con un alargamiento unitario, observamos una gran discrepancia entre ambos. Estas diferencias se deben a que el flujo real que ocurre sobre un techo tiene las caractersticas de la capa lmite atmosfrica del lugar, la cual incrementa la intensidad de velocidad con la altura, transportando gran turbulencia, todo lo opuesto a la teora de perfiles aerodinmicos.

6. CONCLUSIONES

Lo que nos induce a concluir que para estos tipos de techos, la determinacin de las cargas aerodinmicas sobre los mismos debe realizarse a partir de ensayos en tneles de viento de tipo de capa lmite, pues los mismos estn sometidos a velocidades no uniformes debido a la capa lmite atmosfrica, y a intensidades de turbulencia muy distintas (mayores) de las teoras de perfiles aerodinmicos las cuales asumen un flujo uniforme y con nula intensidad de turbulencia.

AGRADECIMIENTOS

El trabajo fue apoyado mediante subsidios de SECYT de la UNComahue.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Anderson, Raymond F.; Determination of the Characteristics of Tapered Wings; Report NACA N 572, Langley Field, Va, 1936.

Cahill, J.; Underwood,W.; Nuber,R. and Cheesman, G.; Aerodynamic Forces and Loadings on Symetrical Circular Arc Airfoils with Plain Leading Edge and Plain Trailing Edge Flaps; Report NACA N 1146; Fiels, California, 1953.

Miranda, Sergio; Active Control of Separated Flow over a Circular-Arc Airfoil; Thesis of the Virginia Polytechnic Institute and State University for the degree of Masters of Science in Engineering Mechanics; Blacksburg, Virginia, May 8, 2000.

JavaFoil, see http://www.mh-aerotools.de/airfoils/java/ws/remoteapps.htm; 02/07/09.

Eppler, R. and Somers, D.: A Computer Program for the Design and Analysis of Low-Speed Airfoils, NASA TM-80210, 1980.

Li, Q.S., Lunhai Zhi, and Fei Hu; Boundary layer wind structure from observations on a 325 m tower; J. WindEng.Ind.Aerodyn.98(2010) pp.818832.

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