Aerodinámica · Guía de inicio

Túnel de viento 2D: cómo usarlo y qué significan Re, Cd, Cl y Strouhal

El túnel de viento resuelve el flujo de aire alrededor de un obstáculo en tiempo real, en la tarjeta gráfica de tu computadora o celular. Ves cómo se desprenden los vórtices detrás de un cilindro, cómo un perfil de ala desvía el aire para sostenerse y cómo un edificio deja una sombra de viento, y al mismo tiempo mides el arrastre, la sustentación y la frecuencia de los remolinos. Esta guía te lleva por un primer experimento y explica qué significa cada número.

1. La pantalla

• Barra de herramientas (arriba): Nuevo, Ejemplos, abrir y guardar el archivo .json, deshacer y rehacer, ▶ Iniciar (que se vuelve Pausa), Paso, Detener (el aire regresa al reposo), el nombre del experimento, Exportar y Ayuda. Con tu cuenta, el botón Nube de la barra superior guarda, abre y comparte tus experimentos.
• Formas y herramientas (izquierda): las herramientas Mover, Pincel, Goma y Sonda, y las formas: cilindro, cuadrado, placa plana, elipse, perfil NACA, auto, camión, edificio, escalón y cilindros en tándem. También puedes importar una silueta en blanco y negro.
• El túnel (centro): el aire entra por la izquierda y sale por la derecha. Arriba eliges qué ver: Velocidad, Vorticidad, Presión (Cp) o Humo, y puedes sumar Partículas, Líneas de corriente y Vectores. La leyenda de colores está en la esquina, en unidades reales.
• Medidas (abajo): Re, Cd, Cl, Cl/Cd, número de Strouhal y tiempo, la gráfica de Cd y Cl contra el tiempo y la lectura de la sonda.
• Ajustes (derecha): «Qué observar» del ejemplo abierto, el flujo (Reynolds, ángulo de ataque, velocidad de entrada, paredes, perfil de entrada, resolución), la forma seleccionada y la equivalencia física.

En celular, las formas y los ajustes se abren como hojas desde los botones Formas y Ajustes que están debajo del túnel. Con dos dedos acercas y desplazas la vista.

2. Tu primer experimento: la calle de vórtices

1. Abre Ejemplos y elige Calle de vórtices de von Kármán: un cilindro a Re = 150.
2. Pulsa ▶ Iniciar. El aire arranca con una rampa suave y la estela detrás del cilindro crece.
3. Con el campo Vorticidad, en pocos segundos la estela empieza a ondular y se sueltan remolinos alternados: azul gira en sentido horario, rojo en antihorario.
4. Mira la gráfica: Cl oscila alrededor de cero y Cd oscila al doble de esa frecuencia. Cuando hay al menos tres oscilaciones, aparece el número de Strouhal (≈ 0.2).
5. Prueba los botones de «Qué observar»: con Re = 40 el desprendimiento se apaga y quedan dos remolinos fijos; con Re = 1000 la estela se vuelve más irregular.

Puedes mover el cilindro, cambiar su tamaño o el Reynolds mientras el túnel corre: el flujo responde al momento. Detener regresa el aire al reposo y borra la gráfica para empezar una medición limpia.

3. Qué significan Re, Cd, Cl, St y Cp

L es la longitud característica de la forma de referencia: el diámetro de un cilindro, la cuerda de un perfil o de una placa, la altura de un auto, un camión o un edificio. Si solo dibujaste con el pincel, L es la altura frontal de tu dibujo. Puedes elegir otra forma como referencia en «Forma seleccionada». Las fuerzas son por metro de envergadura, porque el flujo es bidimensional, y se suman sobre todos los obstáculos.

4. Perfiles y entrada en pérdida

• Abre Perfil NACA 2412 a 4° y cambia al campo Presión: el extradós (arriba) queda en succión, en azul, y el punto de estancamiento, en rojo, está cerca del borde de ataque. Esa diferencia de presión es la sustentación.
• Con el control Ángulo de ataque sube de 0° a 8°: Cl crece casi en línea recta. Anota Cl y Cd en cada ángulo y grafica la polar Cl contra Cd.
• Abre Entrada en pérdida a 17° con Humo: el flujo se despega del extradós, Cl se vuelve irregular y Cd se dispara.
• El código NACA de 4 dígitos se cambia en «Forma seleccionada»: el primer dígito es la curvatura máxima (% de la cuerda), el segundo su posición (décimas de la cuerda) y los dos últimos el espesor máximo (%). Un 0012 es simétrico y con α = 0° no sustenta.

5. Del túnel a la vida real: equivalencia física

La simulación trabaja en unidades de la red (celdas y pasos). En Equivalencia física escribes la longitud característica real, el fluido (aire o agua a 20 °C) y la velocidad, y el túnel calcula:

• El Reynolds real y cuántas veces es mayor o menor que el simulado, y la velocidad que igualaría ambos Reynolds con ese tamaño.
• La frecuencia real de los remolinos, f = St·U/L, y la duración real de una unidad de t·U/L.
• El arrastre y la sustentación por metro de envergadura, F = C·½·ρ·U²·L, y la leyenda de colores en m/s, 1/s o Pa.

Ejemplo: un cable de 1 cm de diámetro con viento de 2 m/s tiene Re = 2·0.01/1.5×10⁻⁵ ≈ 1300. Con St ≈ 0.2, los remolinos se sueltan a f = 0.2·2/0.01 = 40 Hz: por eso los cables «cantan» con el viento.

6. Los límites del modelo

El túnel usa el método de Lattice-Boltzmann (D2Q9) con un modelo de submalla de Smagorinsky. Es un método serio, el mismo de muchos programas de CFD, pero en tiempo real y en 2D tiene límites claros:

• Reynolds bajo. El túnel llega a Re ≈ 10²–10⁴. Un auto a 100 km/h tiene Re ≈ 10⁷ y un avión, todavía más. Los patrones (estela, desprendimiento, succión, pérdida) y las tendencias son correctos; los valores de Cd y Cl de un auto o un avión reales no se pueden sacar de aquí.
• Flujo en 2D. Cada forma es un cuerpo infinitamente largo (un cilindro, no una esfera; un ala sin puntas). No hay vórtices de punta de ala ni turbulencia tridimensional.
• Resolución. El cuerpo se dibuja con celdas cuadradas. Con poca resolución el borde es escalonado y Cd sale algunos por ciento más alto. Sube la resolución en Ajustes si tu equipo lo permite.
• Paredes y bloqueo. El túnel tiene techo y piso. Un cuerpo grande respecto a la altura del túnel acelera el aire a su alrededor y sube Cd y St. Con paredes de deslizamiento libre el efecto es menor.

Como referencia, con el mismo motor un cilindro aislado da Cd ≈ 2.2 a Re = 20 y Cd ≈ 1.6 a Re = 40 (la literatura reporta 2.0–2.2 y 1.5–1.6), y a Re = 150 desprende vórtices con St ≈ 0.19 (la literatura: 0.18). Es una herramienta para entender y comparar, no para certificar un diseño.

7. Atajos de teclado

8. Para tu reporte de práctica

• Exportar → Imagen PNG guarda el túnel con la leyenda y las medidas (Re, Cd, Cl, St) al pie.
• Exportar → Datos de Cd y Cl (CSV) descarga la serie de tiempo para graficarla o calcular promedios en una hoja de cálculo.
• Guardar descarga el experimento en .json; con tu cuenta lo guardas en la Nube y lo compartes con un enlace.