Diseño y construcción de una balanza de fuerza para el túnel de viento del laboratorio de mecánica fluidos
Este proyecto de grado presenta el diseño y construcción de una balanza de fuerza para el túnel de viento de la Universidad Autónoma de Occidente. La balanza desarrollada permite medir fuerzas de arrastre y sustentación en un perfil alar, proporcionando datos precisos para el análisis aerodinámico....
- Autores:
-
Valencia Calero, Juan Camilo
Bravo Leal, Andrés Felipe
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2024
- Institución:
- Universidad Autónoma de Occidente
- Repositorio:
- RED: Repositorio Educativo Digital UAO
- Idioma:
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- OAI Identifier:
- oai:red.uao.edu.co:10614/15963
- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/10614/15963
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- Palabra clave:
- Ingeniería mecatrónica
Ingeniería mecánica
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- Derechos reservados - Universidad Autónoma de Occidente, 2024
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Este proyecto de grado presenta el diseño y construcción de una balanza de fuerza para el túnel de viento de la Universidad Autónoma de Occidente. La balanza desarrollada permite medir fuerzas de arrastre y sustentación en un perfil alar, proporcionando datos precisos para el análisis aerodinámico. Ante la carencia de una herramienta que registrara estas fuerzas en el túnel de viento existente, se planteó como objetivo principal diseñar una balanza de dos grados de libertad capaz de cuantificar los efectos aerodinámicos en cuerpos sometidos al flujo de aire. Para ello, se seleccionó el perfil alar NACA 2415, el cual fue fabricado mediante impresión 3D, y se emplearon galgas extensiométricas acopladas a un elemento flexible para la medición de fuerzas. El sistema fue complementado con un motor paso a paso que permite ajustar el ángulo de ataque del modelo durante las pruebas. El desarrollo del proyecto incluyó el estudio detallado de conceptos aerodinámicos y la implementación de principios de mecánica de fluidos, apoyados en ecuaciones de conservación de la masa y ecuaciones de Navier-Stokes. Además, se aplicaron criterios de diseño específicos para asegurar la sensibilidad y precisión de la balanza en rangos de fuerza inferiores a 10 N, adecuándola a las condiciones del túnel de viento. Los resultados obtenidos contribuirán a mejorar el estudio y la comprensión de la aerodinámica en la universidad, permitiendo futuras pruebas experimentales, validación de modelos teóricos y optimización de diseños aerodinámicos. Este proyecto representa un avance en la instrumentación aplicada a la enseñanza de la aerodinámica en el ámbito académico. |
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[1] C. A. Noguera Campo, “Diseño y construcción de un túnel de viento a escala para estudiar la aerodinámica en un perfil alar naca 2412”,Fundación Universitaria de Ciencias de la Salud, eTch. Rep., 2020. e[n linea]. Disponible en: http://red.uao.edu.co// handle/ 10614/12647. [2] F. M. White y A. Linan, Mecanica de fluidos, 5th ed. Madrid, McGraw-Hill, 2004. [3] E. L. Houghton y P. W. Carpenter, Aerodynamics for Engineering Students, 5a ed. Oxford, Inglaterra: Butterworth-Heinemann, 2003. [4] Y. Cengel, Mecánica de fluidos. McGraw-Hill Interamericana de Espa˜na S.L., 2006. [Online]. Disponible en: https://books.google.com.co/books?id=rAU1AAAACAAJ. [5] H. Tanno, K. itoh, T. Komuro, K. Sato, and S. Ueda, “Design and evaluation of strain gauge force balance with short test duration,” transactions of the japan society for AERONAUTI-CAL and space sciences”, vol. 48, no. 159, pp. 1–6, 2005. [6] M, Zhao, M. Advanced Wind Tunnel Measurement Technology. In: Prediction and Validation Technologies of Aerodynamic Force and Heat for Hypersonic Vehicle Design. 2021. Springer Aerospace Technology. Springer, Singapore. https:// doi.org/10.1007/981-33-6526-1_7 [7] A. F. R. Oliveira, “Design, construction, calibration and testing of a wind tunnel force ba-lance,” Theses, Instituto Superior T´ecnico, 2020. [8] M. Noda, Y. Ito, Y. Uematsu, H. Katsuchi, H. Kawai, D. Konno, H. Shirato, T. Takeu-Chi, A. Cristiano, K. Noguchi, T. Nomura, H. Hasebe, K. Matsuda, y T. Yagi, “14th international conference on wind engineering,” Wind Engineers, JAWE, vol. 40, pp. 428–439, 10 2015. [9] S. Post and M. Morris, “Force balance design for educational wind tunnels,” 06 2010. [10] A. Tavakolpour-Saleh, A. Setoodeh, and M. Gholamzadeh, “A novel multicomponent strain-gauge external balance for wind tunnel tests: Simulation and experiment,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 247, pp. 172–186, 2016. [11] H. Qiu, Y. Yang, P. Sun, G. Chao, Y. Wu, and Y. Chen, “Hypersonic aerodynamic force balance using temperature compensated semiconductor strain gauges,” Advances in Ae-rodynamics, vol. 5, no. 1, p. 29, 2023. [12] W. Huilun, X. Yajun, and J. Yajun, “A new method for improving the measurement sensiti-vity of wind tunnel balance,” Journal of Experiments in Fluid Mechanics, no. 1, pp. 83–86, 2015. 46. |
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Ante la carencia de una herramienta que registrara estas fuerzas en el túnel de viento existente, se planteó como objetivo principal diseñar una balanza de dos grados de libertad capaz de cuantificar los efectos aerodinámicos en cuerpos sometidos al flujo de aire. Para ello, se seleccionó el perfil alar NACA 2415, el cual fue fabricado mediante impresión 3D, y se emplearon galgas extensiométricas acopladas a un elemento flexible para la medición de fuerzas. El sistema fue complementado con un motor paso a paso que permite ajustar el ángulo de ataque del modelo durante las pruebas. El desarrollo del proyecto incluyó el estudio detallado de conceptos aerodinámicos y la implementación de principios de mecánica de fluidos, apoyados en ecuaciones de conservación de la masa y ecuaciones de Navier-Stokes. Además, se aplicaron criterios de diseño específicos para asegurar la sensibilidad y precisión de la balanza en rangos de fuerza inferiores a 10 N, adecuándola a las condiciones del túnel de viento. Los resultados obtenidos contribuirán a mejorar el estudio y la comprensión de la aerodinámica en la universidad, permitiendo futuras pruebas experimentales, validación de modelos teóricos y optimización de diseños aerodinámicos. Este proyecto representa un avance en la instrumentación aplicada a la enseñanza de la aerodinámica en el ámbito académico.This degree project presents the design and construction of a force balance for the wind tunnel of the Universidad Autonoma de Occidente. The balance developed allows measuring drag and lift forces in an airfoil, providing accurate data for aerodynamic analysis. Given the lack of a tool to record these forces in the existing wind tunnel, the main objective was to design a two-degree-of-freedom balance capable of quantifying the aerodynamic effects on bodies subjected to air flow. For this purpose, the NACA 2415 airfoil was selected, which was manufactured by 3D printing, and strain gauges coupled to a flexible element were used for forcé measurement. The system was complemented with a stepper motor to adjust the angle of attack of the model during the tests. The development of the project included the detailed study of aerodynamic concepts and the implementation of fluid mechanics principles, supported by mass conservation equations and Navier-Stokes equations. In addition, specific design criteria were applied to ensure the sensitivity and accuracy of the balance in force ranges below 10 N, adapting it to wind tunnel conditions. The results obtained will contribute to improve the study and understanding of aerodynamics at the university, allowing future experimental tests, validation of theoretical models and optimization of aerodynamic designs. This project represents an advance in instrumentation applied to the teaching of aerodynamics in the academic environmentProyecto de grado (Ingeniero Mecatrónico)-- Universidad Autónoma de Occidente, 2024Proyecto de grado (Ingeniero Mecánico)-- Universidad Autónoma de Occidente, 2024PregradoIngeniero MecatrónicoIngeniero Mecánico69 páginasapplication/pdfspaUniversidad Autónoma de OccidenteIngeniería MecatrónicaIngeneiría MecánicaFacultad de IngenieríaCaliDerechos reservados - Universidad Autónoma de Occidente, 2024https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessAtribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)http://purl.org/coar/access_right/c_abf2Diseño y construcción de una balanza de fuerza para el túnel de viento del laboratorio de mecánica fluidosTrabajo de grado - Pregradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttp://purl.org/redcol/resource_type/TPinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85[1] C. A. Noguera Campo, “Diseño y construcción de un túnel de viento a escala para estudiar la aerodinámica en un perfil alar naca 2412”,Fundación Universitaria de Ciencias de la Salud, eTch. Rep., 2020. e[n linea]. Disponible en: http://red.uao.edu.co// handle/ 10614/12647.[2] F. M. White y A. Linan, Mecanica de fluidos, 5th ed. Madrid, McGraw-Hill, 2004.[3] E. L. Houghton y P. W. Carpenter, Aerodynamics for Engineering Students, 5a ed. Oxford, Inglaterra: Butterworth-Heinemann, 2003.[4] Y. Cengel, Mecánica de fluidos. McGraw-Hill Interamericana de Espa˜na S.L., 2006. [Online]. Disponible en: https://books.google.com.co/books?id=rAU1AAAACAAJ.[5] H. Tanno, K. itoh, T. Komuro, K. Sato, and S. Ueda, “Design and evaluation of strain gauge force balance with short test duration,” transactions of the japan society for AERONAUTI-CAL and space sciences”, vol. 48, no. 159, pp. 1–6, 2005.[6] M, Zhao, M. Advanced Wind Tunnel Measurement Technology. 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Chen, “Hypersonic aerodynamic force balance using temperature compensated semiconductor strain gauges,” Advances in Ae-rodynamics, vol. 5, no. 1, p. 29, 2023.[12] W. Huilun, X. Yajun, and J. Yajun, “A new method for improving the measurement sensiti-vity of wind tunnel balance,” Journal of Experiments in Fluid Mechanics, no. 1, pp. 83–86, 2015. 46.Ingeniería mecatrónicaIngeniería mecánicaBalanza de fuerzaTúnel de vientoPerfil alarFuerzas aerodinámicasGalgas extensiométricasForce balanceWind tunnelAirfoilAerodynamic forcesStrain gaugesComunidad generalPublicationhttps://scholar.google.com/citations?user=4FwcrYAAAAAJ&hl=esvirtual::5850-1https://scholar.google.com.co/citations?user=GEzrsjQAAAAJ&hl=esvirtual::5852-1https://scholar.google.com/citations?user=4paPIoAAAAAJ&hl=esvirtual::5851-10000-0002-0540-8019virtual::5850-10000-0002-7324-9478virtual::5852-10000-0001-7518-704Xvirtual::5851-1https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000127684virtual::5850-1https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000144967virtual::5852-1https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001243730virtual::5851-11151d3fa-c243-4845-ae13-8a8723dc23acvirtual::5850-11151d3fa-c243-4845-ae13-8a8723dc23acvirtual::5850-1ada2f35e-57bd-4bbb-91d3-e197573bfab8virtual::5852-1ff78380a-274b-4973-8760-dee857b38a0dvirtual::5851-1ff78380a-274b-4973-8760-dee857b38a0dvirtual::5851-1ada2f35e-57bd-4bbb-91d3-e197573bfab8virtual::5852-1LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; 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