Túnel de viento 3DBeta

Acerca de Túnel de viento 3D

Este túnel de viento alterna entre dos métodos según la velocidad. Por debajo de Mach 1,2 calcula directamente el flujo alrededor del modelo con un método de Boltzmann en red tridimensional (red D3Q19, colisión BGK más un modelo de turbulencia de Smagorinsky) y mide las fuerzas a partir del impulso intercambiado en la superficie. Desde Mach 1,2 no calcula ningún campo de flujo: usa métodos de inclinación local de superficie. Cada triángulo recibe un coeficiente de presión según su ángulo con la corriente (choque oblicuo, expansión de Prandtl–Meyer o teoría newtoniana modificada) y se suman todos. La fricción se añade aparte con el método de la temperatura de referencia.

Los dos lados merecen distinta confianza. El supersónico e hipersónico es de fórmula cerrada y coincide bien con los datos publicados (una esfera a Mach 10 da C_D ≈ 0,92). El subsónico está limitado por la malla que puede mover un navegador (como mucho 128 × 68 × 68): se acerca a los valores de manual en cuerpos de aristas vivas y se aleja bastante en cuerpos curvos y lisos. Las secciones siguientes explican por qué.

Reynolds real frente a Reynolds de la malla

Con las condiciones iniciales (longitud de referencia 1 m, 68 m/s, nivel del mar), el Reynolds real es Re = UL/ν = 68 × 1 / 1,46×10⁻⁵ ≈ 4,7×10⁶. Llevarlo tal cual a la malla exigiría una viscosidad de red diminuta, y la colisión BGK se vuelve inestable por debajo de unos 0,0016. La viscosidad se detiene en ese suelo y, con la calidad Fina (17 celdas en la longitud de referencia), el Re de la malla queda en 0,11 × 17 / 0,0016 ≈ 1170. El modelo de Smagorinsky compensa parte de la diferencia imitando cómo los remolinos pequeños disipan energía.

Ambos números se muestran juntos a propósito. Los coeficientes de arrastre cambian con Re, así que cuando no coinciden, la medida también puede diferir del objeto real.

En qué formas se puede confiar

En el duelo de formas sale bien el orden placa → cubo → esfera → gota, con C_D bajando en cada paso. La herramienta sirve para ver que la parte trasera decide el arrastre, no para llevar cifras absolutas a un diseño.

• Cuerpos de aristas vivas, como la placa plana y el cubo: el flujo se separa siempre en las aristas y Re apenas importa. La placa da alrededor de 1,26 frente al 1,17 del manual, dentro de ±10 %.
• Cuerpos en los que el flujo sigue una curva y luego se separa (esfera, gota, ala): el punto de separación depende de la capa límite, que un modelo de 11 a 28 celdas no puede resolver. La esfera sale cerca de 0,8 en vez de 0,47, y la gota varias veces su 0,05 de manual.
• Alas: la sustentación crece con el ángulo de ataque, pero la pendiente es más o menos la mitad de la teoría del perfil delgado (2π por radián) y la relación sustentación/arrastre queda muy por debajo de la de un ala real.

La crisis de arrastre de la esfera, que la malla no reproduce

El C_D de una esfera lisa se mantiene en torno a 0,4–0,5 entre Re 10³ y unos 2×10⁵, y cae a 0,1–0,2 hacia Re 3×10⁵. La capa límite se vuelve turbulenta, se pega más a la superficie, se separa más atrás y deja una estela más estrecha. Para verlo hay que resolver el interior de la capa límite, así que no aparece en esta malla gruesa. Los hoyuelos de una pelota de golf son un recurso para provocar esa transición a un Re más bajo.

El lado rápido: cápsulas de reentrada y choques

Por encima de Mach 5, la teoría newtoniana modificada, en la que el coeficiente de presión va con el cuadrado del seno del ángulo de impacto, funciona bien para cuerpos romos. El coeficiente de presión de estancamiento tiende a unos 1,84 con γ = 1,4, y C_D se vuelve casi independiente del número de Mach. La cápsula esfera-cono de 70° del escenario de reentrada da unos 1,64 con este método, cerca del 1,68 publicado. Entre Mach 1,2 y 5, las caras de compresión usan las relaciones de choque oblicuo y las de expansión las de Prandtl–Meyer.

Entre Mach 0,7 y 1,2 no vale ninguno de los dos. El Boltzmann en red usado aquí es en la práctica incompresible y falla por principio por encima de Mach 0,3, y los métodos de inclinación suponen flujo supersónico. La herramienta avisa en ese intervalo.

Aire, agua y Marte

Si el medio es agua, la viscosidad cinemática baja a más o menos 1/15 de la del aire (1,0×10⁻⁶ m²/s). El mismo Re se alcanza a una velocidad mucho menor, y por eso los túneles de agua y los canales de ensayo sirven para imitar corrientes de aire. La atmósfera de Marte es casi toda dióxido de carbono (γ ≈ 1,29), así que al mismo Mach la presión tras un choque no es la de la Tierra.

Ejemplos

Cómo se usa

1. Elige un escenario y fija modelo, actitud, velocidad y altitud.
2. Espera a que el indicador de convergencia esté bastante lleno antes de leer C_D y C_L.
3. Haz un barrido de ángulo de ataque para alas o de Mach para modelos rápidos y descarga el CSV.

Preguntas frecuentes

Guías relacionadas

• El número de Reynolds: de un hilo de tinta en 1883 a los hoyuelos de una pelota de golf