Ensayos de Desempeño

Con todas las restricciones y el diseño definido, la construcción se debe realizar con sumo cuidado. Una vez el prototipo esté listo, se debe comenzar el proceso iterativo de "prueba y error", de manera de accionar el túnel y corregir todos los problemas que puedan surgir.


Ejemplos de errores que pueden ser observados en funcionamiento son filtraciones de viento por las paredes del túnel (en la interfaz túnel-zona de prueba, por ejemplo), flujo muy turbulento (es decir, que la malla colocada para laminar el flujo no sea suficiente), complicaciones con el humo en el túnel (o en la salida), etc.

Para evaluar el desempeño del dispositivo en funcionamiento, se ha decidido hacer funcionar de manera normal. Es decir, no se ha diseñado ningún ensayo específico para esto, sino que simplemente se pretende hacer funcionar para detectar errores. Sin embargo, para hacer más explícitos los errores que puedan surgir, se pretende hacer funcionar el túnel bajo las siguientes condiciones:

• Poca luz. Probando el túnel con poca luz e iluminando zonas espcíficas será más sencillo detectar filtraciones.
• Sin público. La idea es probar el dispositivo entre los integrantes del grupo, pero noinvolucrar a más gente, de manera de minimizar el posible efecto o peligro que se esté generando accidentalmente.
• Independientemente, se probarán los circuitos y dispositivos que involucren electricidad, de manera de asegurar que funcionen correctamente previa colocación en el túnel y de esta manera evitar peligros cuando se utilicen.

De esta sencilla manera pretendemos asegurar un correcto desempeño. Evidentemente que se iterará, mejorando la construcción y terminaciones (y de ser necesario, el diseño), hasta asegurar que el dispositivo funcione correcctamente y no presente peligros, cumpliendo las restricciones impuestas por la competencia y las autoimpuestas por el grupo.

Acerca de las Condiciones de Diseño

Si bien hay restricciones para el diseño (entre ellas, los recursos financieros), se dio mucha libertad para utilizar materiales en la construcción del dispositivo. Es aquí donde hay que se especialmente cuidadosos en la selección (y manipulación) de los materiales, debido a que el prototipo finalmente no puede ser peligroso ni frágil, de manera de poder ser manipulado tranquilamente por los usuarios. Además, es importante el énfasis educativo.

De esta manera, queremos enumerar una serie de restricciones autoimpuestas para la fabricación del prototipo, de manera de asegurar que desde la construcción nuestro túnel no presente complicaciones. Estas restricciones son:

• Para la zona de prueba, no utilizaremos vidrio, sino que privilegiaremos el uso de materiales plásticos (poliméricos), que no son frágiles y no presentan un peligro inminente en la manipulación.
• Para mostrar el comportamiento del flujo alrededor del cuerpo dentro del túnel usaremos un tipo de humo o pigmento. Se debe considerar que si es estrictamente necesario realizar combustión para obtener el humo, este dispositivo debe ser parte de las experiencias guiadas del mim (es decir, las experiencias a las que los visitantes al museo no pueden acceder por su propia cuenta, como las de electromagnetismo, debido a que esto presentaría un riesgo innecesario). Para compensar esta pequeña dificultad, se puede utilizar hielo seco en vez de un humo, y durante las experiencias guiadas se pueden utilizar humos de color, obtenidos de combustión de compuestos químicos específicos, que no presentan problema al usuario.
• Hay que cuidar la salida del túnel, de usarse humo o similares, ya que no se puede tirar el humo a un sector donde transite mucha gente. Una solución a esto es tener algún filtro a la salida del túnel que minimice el efecto.
  
• Las conexiones eléctricas (en la fuente del viento) deben estar adecuadamente cubiertas, y el dispositivo para modificar la velocidad del flujo debe ser seguro y no tener, por ejemplo, cables pelados y sueltos cerca, o cosas que presenten peligro eléctrico al usuario.
• No está de más señalar que hay que ser muy cuidadoso con las terminaciones de la construcción, de manera de no dejar secciones que puedan ocasionar cortes o hacer algún daño al usuario.

Con estas nuevas condiciones, debemos mejorar las propuestas de diseño, y tenerlas siempre presentes durante la construcción, de manera de entregar un producto bueno y que cumpla todas las restricciones que consideramos mínimas.

El óptimo: Diseño N° 2

Tomando en cuenta la estimación de costos, las restricciones del proyecto y el fin último que es que el dispositivo sea utilizado en el MIM, hemos optado por la solución de Diseño N° 2.

Los principales motivos para su elección son los siguientes:

• Cumple con la restricción de presupuesto.
• Es seguro.
• Permite la interfaz con el usuario variando la velocidad del flujo mediante un dimmer regulador de corriente.
• Genera un flujo de aire laminar gracias a mallas de alambre.
• Muestra claramente las líneas de corriente con humo de color.
• Permite modificar el cuerpo en estudio con facilidad.

Esperamos que al someter al dispositivo a pruebas de calidad y seguridad cumpla con todas las características anteriormente expuestas.

Estimación de Costos

En el análisis de costos consideraremos distintas alternativas de materiales para la construcción del túnel de viento, de esta manera podremos tomar la decisión óptima entre costos y factores como funcionalidad, seguridad, buena interfaz con el usuario, estética, entre otros. Se enunciarán alternativas de materiales sólo para los componentes principales del túnel, otros costos como herramientas para la construcción o otros insumos serán adicionados al final de este análisis.

A continuación se expone el desglose de las distintas alternativas de materiales para cada componente del túnel de viento.

A continuación vemos el costo total aproximado por cada diseño.

Opciones de Diseño

Hemos estado investigando de posibilidades de diseño para nuestro Túnel, y a continuación se presentan. La idea de esto es tener una base para luego realizar la cotización de los materiales, y seleccionar de acuerdo a eso el diseño que utilizaremos para nuestro dispositivo (evidentemente que esto considera los criterios de seguridad y límites financieros impuestos, entre otros).

Todos los diseños considerados consideran disposiciones de diseño generales mínimas. Estas son: ventilador/extractor o fuente de viento, de manera de poder generar un flujo con velocidad controlada en el interior del túnel; un área de prueba transparente, donde se pueda observar claramente el impacto del flujo en el cuerpo en el túnel; y algún mecanismo o dispositivo que ayude a laminar el flujo turbulento que genere la fuente. A partir de estas generalidades, se consideran tres alternativas de diseño:


Diseño 1: Como se observa en la figura, se trata de una estructura de madera, que sostiene un túnel divido en zonas de difusión, de prueba y de salida. La zona de prueba se construye con vidrio, de manera de dar estabilidad al túnel y permitir la visión al interior de manera efectiva.


Diseño 2: El diseño considera el túnel construido con una estructura metálica, como una chimenea o algo similar, al cual se le realiza un corte para delimitar la zona de prueba. Este corte sería cubierto con una mica o un plástico para asegurar la visión.


Diseño 3: Utiliza una estructura similar al Diseño 2 para el cuerpo del túnel (tubo metálico), pero para la zona de prueba se considera un tubo transparente (material dependiente del presupuesto), que se coloque a continuación de la zona donde se regula el flujo, y previo a la zona de salida. Se trata principalmente de un híbrido de los diseños anteriores.

Que pase el Túnel de Viento

Finalmente, y luego de cuestionarnos varias veces las alternativas que previamente habíamos considerado, decidimos evocar nuestros esfuerzos a la construcción de un túnel de viento. La idea del túnel, como ya se ha explicado, es explicar ciertos fenómenos de la aerodinámica, y ser demostrativos en las diferencias del comportamiento del aire alrededor de distintos cuerpos y con un flujo a distintas velocidades.

Complementando las disposiciones generales de diseño del túnel expresadas en una entrada previa en este blog, queríamos señalar que parte importante del dispositivo es que funcione de manera interactiva. Esto presenta una complicación, pero nuevamente un desafío para nosotros, que enfrentaremos siempre considerando la motivación de entregar un producto que sea realmente aplicable al mim. Con esto en mente, queremos agregar al menos una de las siguientes características a nuestro diseño: (1) regulación de la velocidad del flujo por parte del visitante, de manera de que sea él quien controle gran parte de la experiencia a su gusto, y se detenga a observar en el instante en que le parece más atractivo; y (2) fácil acceso a cambiar el cuerpo o elemento que se coloca en el túnel y se interpone al flujo del aire, de manera de que el dispositivo sea más “abierto” al usuario, y éste sea capaz de experimentar con lo que desee, mientras no presente un peligro para el dispositivo ni para él mismo.

A continuación presentamos un video de un túnel de viento a escala en funcionamiento, de manera de motivación al trabajo que queremos llegar.

Alternativa 3: Desgaste por Cavitación

Esta alternativa surge a partir de la observación del desgaste de los álabes de máquinas hidráulicas tales como bombas y turbinas debido al fenómeno de cavitación.

El dispositivo busca mostrar visualmente como se produce la cavitación al hacer girar una hélice dentro de un recipiente con agua,  mostrando las implosiones de las burbujas en los bordes de los álabes que corresponden a zonas de mayor presión. La velocidad de giro de las aspas será controlada por el usuario para que pueda percibir la relación entre velocidad de giro y cavitación, se dispondrá también de hélices ya gastadas para que el usuario pueda comprobar el real daño que provoca este fenómeno.

A grandes rasgos el dispositivo no presenta mayor complejidad en su funcionamiento y operación. Está constituido elementalmente por un motor eléctrico pequeño con su respectiva fuente de poder, al cual va conectada una hélice de 4 aspas de un material no muy resistente para poder mostrar el efecto de desgaste por cavitación (Ver Figura). La hélice estará sumergida en un recipiente transparente con agua o bien un líquido de mayor presión de vapor, con la finalidad de que se produzca rápidamente la cavitación y por ende se desgaste más la hélice. 

Diseño túnel de viento

Como fue propuesto hace unos días atrás, se publicó lo que sería nuestro primer diseño del túnel de viento. Con respecto al diseño, cabe destacar:

- El objeto permanece estacionario mientras se fuerza el paso de aire o gas alrededor de él.

- Pueden inyectarse tintes o humo en el flujo de aire para observar el movimiento de las partículas al pasar por la superficie.

Con estos dos puntos trataremos de explicar lo más claramente posible el fenómeno de la aerodinámica.

Otro tema tambíén a tratar es el mecanismo de aire que tendrá el dispositivo. Inicialmente se pensó en un ventilador, pero luego de consultarlo, se nos dijo que un extractor de aire parece ser una mejor opción, ya que este genera una menor turbulencia o corriente, y con esto las lineas de humo podrían ser mejor apreciadas en el dispositivo.

Continuaremos investigando y manejando distintas opciones que hagan de nuestro proyecto un experimento entretenido, fácil de manipular y o sobre todo, didáctico.

Hasta Luego!

Alternativa N°2: Mesa de viscosidad

El fin de esta mesa es mostrar de manera sencilla la existencia de esta propiedad en los fluidos, y ver los efectos de esto sobre los cuerpos al desgastar la base de un bloque que deslice sobre el fluido por efectos de los esfuerzos de corte.

El funcionamiento del dispositivo consiste en lo siguiente: se colocan muestras de tres fluidos de distintas viscosidades sobre la superficie de la mesa. Luego se procede a levantar la mesa poco a poco, de manera de dejarla inclinada lo suficiente como para que los fluidos desparramen sin caerse de la mesa. Es claro que, debido a la diferencia de sus viscosidades, unos fluidos se deformarán más que otros respecto a su condición inicial, común para los tres.

Este dispositivo es bastante realizable, tanto desde el punto de vista de la construcción como de la simplicidad con que explica el fenómeno en cuestión. Una mayor investigación del tema permitirá introducir algunas modificaciones al diseño que faciliten el entendimiento de la viscosidad, pero que a la vez permita ser más interactivo con el observador.

Hasta Luego!

Calendario de Trabajo

Como una medida de organización  y planificación desarrollamos la siguiente carta gantt con las principales actividades y fechas del desarrollo de nuestro proyecto. 

Esperamos que sea una herramienta de gran ayuda para alcanzar las metas propuestas por el grupo.

(Haga Click para agrandar la imagen)

Alternativa N°1: Túnel de Viento

La primera alternativa de solución a este problema surge a partir del tema de la aerodinámica, específicamente en cómo se comporta un flujo de aire al pasar por obstáculos con distintos atributos geométricos. Con esta motivación, surge la idea de construir un dispositivo similar a un túnel de viento a pequeña escala.

La finalidad del túnel de viento que deseamos construir es mostrar gráficamente el comportamiento de las líneas de corriente del flujo de aire al incidir en un objeto, permitiendo al usuario modificar la velocidad del viento dentro del túnel, la posición del cuerpo estacionario con respecto a un eje de giro, y modificar el cuerpo estacionario en observación. De este modo el usuario manipulando estos elementos podrá generar distintos escenarios, simulando desde flujos bastante calmos hasta flujos turbulentos. La interacción directa del usuario le permitirá comprender de mejor manera distintos fenómenos que se producen cuando el aire incide en un cuerpo.

Los elementos principales del dispositivo son: ventilador, rejilla, tubo o conducto y la zona de prueba, todo dispuesto como se puede ver en la figura. 

Básicamente el dispositivo funciona de la siguiente manera: el aire es soplado por el ventilador a través del conducto hacia la zona de prueba donde distintos cuerpos son montados para el estudio. Inmediatamente después del ventilador se instala una rejilla, debido a que el flujo generado por el ventilador es altamente turbulento y no sirve para los fines de estudio. Esta rejilla permite que el flujo de aire en el conducto sea libre de turbulencias y laminar lo cual es ideal para nuestro estudio.

Creemos que este es un diseño totalmente viable, sin mayores dificultades en su construcción, y por sobre todo un dispositivo que cumple a cabalidad con el fin último del proyecto, que es educar de una forma interactiva mostrando claramente un fenómeno de la mecánica de fluidos

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Metodología de Trabajo

Claramente el problema expuesto es complejo y considera múltiples variables por lo que para abordarlo adoptamos la siguiente metodología de trabajo compuesta de  las siguientes etapas.

·        Identificación del Problema.

Se define claramente el problema y los objetivos a cumplir, se establecen los límites y restricciones con la finalidad de acotar el problema y concentrar los esfuerzos en algo específico.

·        Definición de temática a trabajar.

Se barajan distintas temáticas y fenómenos de la mecánica de fluidos analizando la viabilidad de representar dichos fenómenos cumpliendo con las restricciones del problema. Finalmente se escoge un fenómeno o temática en torno al cual se trabajará.

·        Ideas Preliminares.

Se realiza una lluvia de ideas de diseños de dispositivos en torno al tema elegido en la etapa anterior sin analizar su factibilidad. Se realizan bosquejos y dibujos de todos los potenciales diseños. Esta es la etapa de mayor creatividad y todas las ideas deben ser consideradas, la idea es que la generación de una idea estimule el proceso creativo generando otras nuevas.

·        Análisis y perfeccionamiento de las ideas.

En esta etapa se evalúan las ideas preliminares considerando las restricciones planteadas en la definición del problema. Todas las ideas obtenidas en la etapa anterior son estudiadas y pueden ser combinadas. La idea es obtener posibles diseños de dispositivos ya más elaborados y que cumplan con las restricciones requeridas.

·        Decisión.

De los diseños posibles obtenidos, se hace un análisis comparativo de los beneficios y falencias que pueda tener cada uno, escogiendo definitivamente el diseño a realizar.

·        Realización.

Se realizan los planos detallados del dispositivo, se especifican claramente los detalles de fabricación, materiales y herramientas a utilizar y métodos de ensamblaje. Se realiza un calendario para las etapas de construcción y pruebas del dispositivo con la finalidad de ir chequeando avances graduales.

Tercer Tema Tentativo: ¿Qué tal la Aerodinámica?

Una de las ramas derivadas o aplicadas de la mecánica de fluidos es la aerodinámica. Ella se ocupa del movimiento del aire y otros fluidos gaseosos, y de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos que se mueven en dichos fluidos.

La idea de la aerodinámica es modelar el campo fluido y calcular, de manera aproximada, las fuerzas y momentos que actúan sobre el cuerpo que está sumergido en el fluido. En base al uso de unos coeficientes (coeficientes aerodinámicos), se relaciona la velocidad con las fuerzas, o bien, la velocidad con los momentos.

El estudio de la aerodinámica tiene aplicaciones tan cotidianas como la aeronáutica y el vuelo de los aviones, en el automovilismo y la Fórmula-1 y la náutica y el diseño de las velas. Túneles de viento y la resistencia al agua en un ducto puede ser una muy buena y sencilla manera de ilustrar la fuerza que los fluidos hacen para oponerse al movimiento de los cuerpos, por muy natural que nos parezcaen el caso de movernos en la atmósfera, por nombrar un ejemplo.

Segundo tema tentativo: La Viscosidad

Imaginemos una goma de borrar en una mesa, sobre la cual la palma de la mano empuja en dirección paralela a la mesa. Es claro que la goma opone una resistencia a la fuerza aplicada, pero se deformará de acuerdo a su resistencia. Si imaginamos que la goma de borrar está formada por delgadas capas unas sobre otras, el resultado de la deformación es el desplazamiento relativo de unas capas respecto de las adyacentes.

En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad. Es su pequeña magnitud la que le confiere al fluido sus peculiares características; así, por ejemplo, si arrastramos la superficie de un líquido con la palma de la mano como hacíamos con la goma de borrar, las capas inferiores no se moverán o lo harán mucho más lentamente que la superficie ya que son arrastradas por efecto de la pequeña resistencia tangencial, mientras que las capas superiores fluyen con facilidad.

Este fenómeno se puede mostrar, por ejemplo, revolviendo con una cuchara un recipiente grande con agua en el que hemos depositado pequeños trozos de corcho, donde al revolver en el centro también se mueve la periferia; o bien, comparando el escurrimiento de fludos con distinta viscosidad. Ahondaremos más en el tema en un próximo capítulo.

Acerca del proyecto y el propósito educativo

El proyecto del curso para el presente semestre consiste en diseñar y construir un dispositivo educativo de manera de mostrar y explicar un fenómeno de la mecánica de fluidos. El fin último del dispositivo es llegar a ser exhibido en el mim (Museo Interactivo Mirador).

Evidentemente, el dispositivo debe cumplir con los requisitos y desafíos que implícitamente el MIM impone al proyecto: debe ser un dispositivo educativo, no frágil y que no presente riesgo para los usuarios que lo
manipulen.

Es precisamente en el térmido educativo donde ponemos el énfasis. Creemos firmemente que la oportunidad que se nos entrega como estudiantes de contribuir con la loable y ardua labor del MIM en enseñar y educar a la gente, niños y adultos, estudiosos y no tanto, en torno a algo tan complejo y a la vez maravilloso como lo es la ciencia, y más aún, de manera interactiva, que no podemos permitir desperdiciar la oportunidad. Si bien el desafío que impone el aspirar a ser exhibidos en el MIM aumenta de cierta manera la dificultad de, al menos, el diseño y la construcción del dispositivo, son barreras que se deben superar para hacer un muy buen trabajo que esperamos perdure.

Primer Tema tentativo: ¡Cuidado con la Cavitación!

¡Hola a todos!

Ha surgido nuestro primer tema tentativo para el proyecto de este semestre: el fenómeno hidrodinámico de Cavitación, el cual es un factor fundamental en el diseño de máquinas hidráulicasLa cavitación, o también aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una superficie, produciendo una gran descompresión del fluido. Si la presión baja lo suficiente, puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan, esto es, que el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, aplastándose bruscamente las burbujas produciendo una estela de gas.

Como se puede apreciar, la cavitación es un factor fundamental de considerar al momento de diseñar una máquina hidráulica, ya que por lo general trae consecuencias negativas e indeseadas debido al rápido desgaste de los materiales, y por consiguiente el acortamiento de la vida útil de dicha máquina. Ahondaremos en más detalles de este tema, teoría, aplicaciones y como evitarlo en próximas publicaciones.

En el siguiente video se muestra una hélice en funcionamiento donde se puede observar claramente las burbujas o cavidades formadas sobre la superficie de la hélice debido a la baja de presión, observándose claramente el fenómeno descrito.

¡Bienvenidos!

Queremos dar la más cordial bienvenida al blog del proyecto del grupo 57 del curso ICH1102 - Mecánica de Fluidos, del primer semestre del año 2009. En este blog estaremos publicando constantemente todo lo relacionado con nuestro proyecto para la competencia del curso, desde las ideas y los temas que se pueden abordar en el curso hasta los procesos de construcción del prototipo final.

El grupo 57 está compuesto por 3 alumnos de Ingeniería, todos de en el cuarto año de la carrera. Somos Javier Contreras, Sebastián Ramírez y Felipe Rivera.

Pronto habrán más novedades sobre nuestro proyecto, acercamientos al MIM, motivaciones personales y mucho más. Por ahora, queremos dejar este video motivacional que encontramos en la web. ¡Nos vemos pronto!