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VALIDACIÓN Y PERFECCIONAMIENTO DE UN PROTOTIPO DE ANEMÓMETRO
ULTRASÓNICO
ALVARO ANDRES RAMIREZ PIÑEROS
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2003/2
IM-2003-II-33
Departamento de Ingeniería Mecánica - Universidad de los Andes 2
VALIDACIÓN Y PERFECCIONAMIENTO DE UN PROTOTIPO DE ANEMÓMETRO
ULTRASÓNICO
ALVARO ANDRES RAMIREZ PIÑEROS
Tesis de Grado para optar por el título de
Ingeniero Mecánico
Asesor:
ALVARO PINILLA S. PhD, MsC,
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
BOGOTÁ D.C.
2003/2
IM-2003-II-33
Departamento de Ingeniería Mecánica - Universidad de los Andes I
BOGOTA D.C. 15 de Diciembre de 2003
Doctor:
Alvaro Pinilla S.
Universidad de los Andes.
Facultad de Ingeniería.
Director de Departamento de Ingeniería Mecánica
La Ciudad.
Respetado Director:
Presento a su consideración el informe de la tesis de grado “Validación y perfeccionamiento
de un prototipo de Anemómetro Ultrasónico”, realizado durante el segundo semestre de
2003, como requisito parcial para optar al título Ingeniero Mecánico.
Este proyecto cumple con los objetivos planteados y representa un avance importante en el
desarrollo de un prototipo de Anemómetro Ultrasónico competitivo en el mercado.
Cordialmente,
Alvaro Andrés Ramírez Piñeros
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Departamento de Ingeniería Mecánica - Universidad de los Andes II
A mi familia,
En la cual siempre he encontrado,
y encontraré apoyo
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AGRADECIMIENTOS
A mi asesor Álvaro Pinilla por confiar en la viabilidad de este proyecto y brindarme las
preguntas necesarias para llevarlo a justo fin.
Al personal del laboratorio de ingeniería Mecánica por su desinteresada colaboración a lo
largo del desarrollo del proyecto.
A Christian Moreno por su infaltable ayuda para solucionar los problemas electrónicos.
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TABLA DE CONTENIDOS
Introducción .................................................................................................................................6
Principio de funcionamiento.....................................................................................................7
Justificación..............................................................................................................................9
1. Planteamiento del Problema................................................................................................9
1.1 Requerimientos del prototipo ....................................................................................10
2. Metodología de trabajo.......................................................................................................10
3. Desarrollo.......................................................................................................................11
3.1 Pruebas al Prototipo 1 ...............................................................................................12
3.1.1 Descripción del prototipo .......................................................................................12
3.1.2 Metodología de medición en las pruebas .............................................................13
3.1.3 Resultados .............................................................................................................13
3.1.4 Análisis de resultados............................................................................................14
3.2 Pruebas al Prototipo 2 ...............................................................................................15
3.2.1 Descripción del prototipo .......................................................................................15
3.2.2 Metodología de medición en las pruebas .............................................................17
3.2.3 Resultados .............................................................................................................18
3.2.4 Análisis de resultados............................................................................................18
3.3 Simulación en CFD....................................................................................................19
3.3.1 Parámetros de simulación.....................................................................................19
3.3.2 Resultados .............................................................................................................21
3.3.3 Análisis de resultados............................................................................................24
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3.4 Pruebas al Prototipo 3 ...............................................................................................25
3.4.1 Metodología de medición en las pruebas .............................................................26
3.4.2 Resultados .............................................................................................................27
3.4.3 Análisis de resultados............................................................................................29
3.5 Pruebas de campo.....................................................................................................29
4. Conclusiones ......................................................................................................................31
5. Recomendaciones..............................................................................................................32
6. Bibliografía ..........................................................................................................................33
ANEXO: Estudio Aerodinámico de Anemómetro Ultrasónico
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Introducción
Este proyecto ha sido motivado por mi constante preocupación para poder contribuir de
alguna manera con algo que haga un aporte al país, como al Departamento Ingeniería
Mecánica de la Universidad, como a mi formación como profesional y como persona.
La idea en concreto surgió y ha madurado con los diferentes planteamientos e ideas que se
llevaron a cabo a lo largo del primer semestre de 2003 en el curso de Energía Eólica dictado
por el profesor Alvaro Pinilla. La principal inquietud nace de la problemática expuesta por el
profesor en lo que concierne a la falta de interés del País hacia una concientización seria del
estudio de la viabilidad de las energías alternativas; en este caso en particular, la energía del
viento.
En este respecto, y tomando algunas ideas expuestas en el curso, me plantee el problema
de poder tener a la mano en un futuro no muy lejano un cuadro lo suficientemente amplio
pero a la vez exacto del recurso eólico a lo largo y ancho del país; problema que hoy en día
se ve dificultado por el poco conocimiento y conciencia local en cuanto a la medición del
viento se refiere, sumándosele a esto la inconveniencia de los equipos que para este fin se
tienen actualmente en el país y la lejana posibilidad económica de conseguir a nivel masivo
los equipos más adecuados que hoy en día para dicho fin se consiguen en el mercado.
Debido a esto surgió la idea de crear en la Universidad un anemómetro con tecnología y
conocimiento local; que fuera de bajo costo y alta confiabilidad para poder suplir en un par de
años con las necesidades expuestas arriba. Se escogió desarrollar un anemómetro
ultrasónico.
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Un anemómetro ultrasónico (o también conocido como acústico), es un instrumento de
medida de la magnitud como de la dirección de la velocidad del viento, que se está volviendo
muy popular en la medición del recurso eólico, ya que al no consistir de elementos
mecánicos como tal, no presenta las no-linealidades, retraso en el tiempo de respuesta y
otros inconvenientes que se presentan en anemómetros de cazoletas y de veleta, ya que
estos basan su funcionamiento en partes móviles.
Principio de funcionamiento
El principio de funcionamiento de un anemómetro ultrasónico se basa en la naturaleza
misma del sonido. Aprovechando el hecho de que el sonido es una onda mecánica, o sea, su
tiempo de desplazamiento depende del medio en que se mueva; si se tiene un medio móvil
como lo puede ser el viento, y se colocan un emisor y un receptor de ondas de sonido
enfrentados a una cierta distancia conocida, es posible calcular el tiempo de vuelo de la onda
desde el emisor hasta el receptor, conociendo de esta manera la velocidad del medio en el
que se mueve dicha onda, en este caso el viento. Esto se puede ver más claramente en las
siguientes expresiones que relacionan el tiempo de vuelo cuando la onda viaja a favor o en
contra del viento, con la distancia entre los sensores, la velocidad del sonido y la velocidad
del viento, la cual es la que nos interesa calcular:
Vf Vc
dt
+= (1)
Vc Vc
dt
−= (2)
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Como se puede ver en las ecuaciones 1 y 2, dichos tiempos de vuelo dependen de la
velocidad del sonido, c; la cual a su vez depende de la temperatura del medio en el que se
mueva dicha onda, lo cual añade una complicación, pues sería necesario hacer un monitoreo
de la temperatura del medio para poder calcular dichos tiempos.
Para obviar dicha dependencia de la velocidad del sonido es posible combinar las
ecuaciones 1 y 2 obteniendo una única expresión que nos relaciona la velocidad del viento
con la distancia entre sensores y los tiempos de vuelo a favor y en contra de la velocidad del
viento:
−=
cf
V t1
t1
2d
V (3)
A su vez, si se tienen dos pares de sensores como los mencionados arriba, y se coloca cada
par a 90° con respecto al otro, es posible no sólo medir la magnitud de la velocidad del
viento, si no también su dirección de incidencia, tal y como se puede ver ilustrado en la
siguiente figura.
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Justificación
Este proyecto tiene sus bases en proyectos anteriores, que en esta línea, se han
desarrollado en el Departamento. Más concretamente en los proyectos de grado del
Ingeniero Harold Martinez (“Diseño y construcción de un prototipo de anemómetro
ultrasónico”. 2002) y del Ingeniero Christian Moreno (“Validación y perfeccionamiento de un
prototipo de anemómetro ultrasónico”. 2003/1)
Para este proyecto se utilizarán los resultados hallados en estos proyectos pasados, y en
particular lo hallado en el proyecto de grado del Ingeniero Christian Moreno.
1. Planteamiento del Problema
En la tesis de grado de Christian Moreno, ya se puede ver esbozado un claro y funcional
prototipo de anemómetro ultrasónico; sin embargo, dicho prototipo cuenta con algunos
problemas y algunos pasos inconclusos que deben ser suplidos.
Por un lado, dicho prototipo cuenta con una geometría demasiado gruesa, lo cual hace que
el aparato de medición interfiera en demasía con el flujo incidente del viento; lo cual nos lleva
a mediciones demasiado afectadas por el aparato en si. Por otro lado, este prototipo sólo
contaba con un par de cápsulas de ultrasonido, por lo tanto no era posible medir la dirección
de incidencia del viento.
Tomando en cuenta estos dos grandes inconvenientes, se propusieron las posibles
soluciones a dichos problemas: crear un prototipo más esbelto, que interfiera lo menos
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posible en el flujo del viento y acoplar el segundo par de sensores para poder medir la
dirección de incidencia del viento.
1.1 Requerimientos del prototipo
Tomando en cuenta lo expuesto anteriormente, se tiene que los requerimientos de este
nuevo prototipo deben ser los siguientes:
- El instrumento debe ser lo más esbelto, pero a la vez robusto, como para interferir lo
menos posible en el flujo incidente del viento.
- Debe contar con dos pares de sensores de ultrasonido, cada par orientado a 90° del
otro, para posibilitar la medición de la dirección de incidencia del viento.
- Debe poder trabajar al aire libre.
- Los materiales de construcción deben ser de fácil adquisición en Colombia.
- El instrumento debe sea capaz de adquirir, acondicionar, y almacenar datos
relacionados con la velocidad del viento.
2. Metodología de trabajo
Para llevar a cabo este proyecto de grado a cabalidad, y poder cumplir con los
requerimientos planteados para el prototipo se creó el siguiente plan de trabajo:
1. Recrear las pruebas realizadas por el Ing. Christian Moreno, con el prototipo
propuesto por él (Prototipo 1). Estas pruebas se realizaron con el objetivo de
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familiarizarse con el prototipo y con la forma de utilización del mismo, para así tener
más argumentos en mano para proponer un nuevo prototipo.
2. Proponer, construir y probar un nuevo prototipo, más esbelto, y de tan sólo un par de
cápsulas, para lograr la prueba de concepto de esta nueva propuesta (Prototipo 2).
3. Analizar y comparar los datos obtenidos con los dos prototipos probados.
4. Llevar a cabo una simulación en CFD, para verificar computacionalmente lo
observado en la parte experimental.
5. Construir el prototipo que cuenta con los dos pares de cápsulas a 90°, tomando como
base el anterior prototipo propuesto (Prototipo 3).
6. Realizarle pruebas en condiciones controladas a este nuevo y último prototipo
propuesto para corroborar lo observado en las simulaciones.
7. Realizarle pruebas de campo a este mismo prototipo para tener una idea más
cercana de cómo puede ser su comportamiento en las situaciones reales de
operación.
3. Desarrollo
De ahora en adelante se explicará como se llevaron a cabo los puntos propuestos en la
metodología de trabajo anteriormente expuesta, junto con sus respectivos resultados,
análisis y conclusiones.
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3.1 Pruebas al Prototipo 1
Como se explicó anteriormente, en primera instancia fue necesario llevar a cabo una serie de
pruebas del Prototipo 1, en condiciones controladas, para formarse una idea de cómo
funcionaba el aparato y qué era conveniente proponer para el nuevo prototipo.
3.1.1 Descripción del prototipo
El Prototipo 1, es un prototipo cuya estructura está hecha con tubos y uniones de PVC de 1”,
y cuyos sensores tienen 25 mm de diámetro y trabajan a una frecuencia de resonancia de 24
kHz. En la siguiente figura se puede ver una foto de este prototipo.
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3.1.2 Metodología de medición en las pruebas
Las pruebas sobre este prototipo se realizaron en el túnel de viento TVIM 460-30-3.6, del
Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes. Se realizaron pruebas
a diferentes velocidades de incidencia del viento, y a diferentes ángulos de incidencia del
mismo. Esto con la idea de poder corroborar el buen funcionamiento del prototipo tanto en lo
que refiere a la magnitud como a la dirección del viento incidente sobre el anemómetro. Para
poder comparar las mediciones realizadas con el prototipo, fue necesario instalar otro
aparato de medición de velocidad del viento, en este caso se utilizó un Tubo de Pitot,
acoplado a un Manómetro Diferencial. En las siguientes figuras se muestran fotos del
montaje realizado para llevar a cabo dichas pruebas.
3.1.3 Resultados
En los siguientes diagramas se resumen las pruebas realizadas a este prototipo para
diferentes ángulos y velocidades de incidencia del viento:
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Comparación de medición de velocidades (0°)
y = 0.5431xR2 = 0.9709
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
18.00
7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00
Velocidad del tunel (m/s)
Vel
ocid
ad m
edid
a (m
/s)
Vel. PitotVel. AnemómetroLineal (Vel. Anemómetro)
Comparación de medición de velocidades (30°)
y = 0.6459xR2 = 0.9981
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00
Velocidad del tunel (m/s)
Vel
ocid
ad m
edid
a (m
/s)
Vel. PitotVel. AnemómetroLineal (Vel. Anemómetro)
Comparación de medición de velocidades (45°)
y = 0.7253xR2 = 0.9493
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00
Velocidad del tunel (m/s)
Vel
oci
dad
med
ida
(m/s
)
Vel. PitotVel. AnemómetroLineal (Vel. Anemómetro)
Comparación de medición de velocidades (60°)
y = 0.7691xR2 = 0.9922
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00
Velocidad del tunel (m/s)
Vel
oci
dad
med
ida
(m/s
)
Vel. PitotVel. AnemómetroLineal (Vel. Anemómetro)
Como se puede ver en los diagramas, cada una representa la variación de la velocidad para
los dos anemómetros utilizados, el Pitot (línea superior) y el prototipo (línea inferior), a
diferentes ángulos de incidencia del viento. La línea de comportamiento ideal es la que está
representada por la línea del Pitot, esta línea tiene pendiente 1 y pasa por el origen, de esta
manera lo que se busca es que la línea que representa el comportamiento del prototipo se
acerque lo más posible a la línea ideal para cualquier ángulo de incidencia.
3.1.4 Análisis de resultados
Como se puede ver de las gráficas, si bien el comportamiento del prototipo es muy lineal,
con R2 variando entre 0.94 y 0.99, las pendientes de dichas rectas están bastante
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alejadas de la pendiente ideal de 1, variando entre 0.54-0.76. Esto es debido al offset que se
puede ver claramente en las gráficas. Incluso teniendo esas barras de incertidumbre para el
Pitot tan grandes como se puede ver en las figuras (del orden de 1m/s), la línea que
representa el comportamiento del prototipo se encuentra por fuera de dicho margen de error.
Esto no es bueno, ya que se están teniendo medidas demasiado poco acertadas de la
velocidad del viento; sin embargo estas mediciones eran esperadas, y corresponden muy
cerca con las mediciones realizadas por Christian Moreno.
Teniendo todo esto en cuenta, seguimos a la siguiente etapa del proyecto.
3.2 Pruebas al Prototipo 2
Siguiendo con la metodología de trabajo propuesta, en esta etapa se propuso un nuevo
prototipo que pretende solucionar los problemas causados por el Prototipo 1. Acá se hará
una explicación de dicho nuevo prototipo, de las pruebas que a este se le realizaron, y su
correspondiente análisis.
3.2.1 Descripción del prototipo
Como se ha explicado desde un principio, uno de los inconvenientes principales del Prototipo
1 es su geometría, ya que cuenta con unas cápsulas de ultrasonido muy grandes, que
requieren a su vez un montaje con soportes igualmente grandes. Para solucionar este
problema, lo primero que se hizo fue buscar unas cápsulas
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de ultrasonido más pequeñas, de buena calidad y que se consiguieran en el mercado
nacional a un precio razonable.
Se escogió trabajar con unas cápsulas de ultrasonido que fabrica Alarmas Ultra para
seguridad de vehículos.1 Estas cápsulas son alrededor del 40% más pequeñas que las
cápsulas anteriores (25 mm de diámetro de las cápsulas anteriores, contra 16 mm de las
nuevas, incluyendo forro protector de caucho). Esto es muy ventajoso, ya que a medida que
las cápsulas son más pequeñas, interfieren en menor medida con el flujo de viento a medir.
El único inconveniente que presentaban dichas cápsulas, es que no trabajan a 24 kHz, sino
a 40kHz, lo cual implicó ciertas modificaciones en el circuito que controla el anemómetro. Las
siguientes figuras muestran unas fotos comparativas de las cápsulas.
Por otra parte era necesario disminuir el tamaño de los soportes de las cápsulas. Para este
fin se utilizaron tubos redondos de aluminio con sección transversal igual a 8 mm. Esto
significó una reducción del área transversal de los soportes del orden del 70% con respecto
al prototipo anterior, lo cual representa una disminución sustancial en la interferencia del
prototipo con el flujo de viento incidente.
1 Dichas cápsulas se consiguieron a un precio de 25000 pesos el par, en un concesionario de alarmas de carro
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3.2.2 Metodología de medición en las pruebas
Para mantener una igualdad y una buena forma de comparar los dos prototipos probados
hasta el momento, se utilizó la misma metodología de medición en las pruebas de este
nuevo prototipo que la utilizada en el anterior.
A continuación se pueden ver fotos del montaje que se hizo para las pruebas del Prototipo 2.
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3.2.3 Resultados
La información obtenida en las pruebas se va a presentar de la misma manera que se utilizó
con el Prototipo 1:
Comparación de medición de velocidades (0°)
y = 0.8159xR2 = 0.9038
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00
Velocidad del tunel (m/s)
Vel
ocid
ad m
edid
a (m
/s)
Vel. PitotVel. AnemómetroLineal (Vel. Anemómetro)
Comparación de medición de velocidades (30°)
y = 0.9029xR2 = 0.9477
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00
Velocidad del tunel (m/s)
Vel
oci
dad
med
ida
(m/s
)
Vel. PitotVel. AnemómetroLineal (Vel. Anemómetro)
Comparación de medición de velocidades (45°)
y = 0.9546xR2 = 0.933
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50
Velocidad del tunel (m/s)
Vel
oci
dad
med
ida
(m/s
)
Vel. PitotVel. AnemómetroLineal (Vel. Anemómetro)
Comparación de medición de velocidades (60°)
y = 0.9906xR2 = 0.8296
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00
Velocidad del tunel (m/s)
Vel
oci
dad
med
ida
(m/s
)
Vel. PitotVel. AnemómetroLineal (Vel. Anemómetro)
3.2.4 Análisis de resultados
Al igual que en las pruebas del Prototipo 1, podemos ver cómo las “líneas” que representan
el comportamiento del Prototipo 2 tienen un comportamiento bastante lineal, con R2 variando
entre 0.83 y 0.95, lo cual es bastante aceptable; sin embargo lo que es de mayor interés es
el hecho de que para estas pruebas, dichas líneas tienen pendientes mucho más cercanas a
1, que es el comportamiento ideal, con valores variando entre 0.82 y 0.99. Este hecho hace
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que el comportamiento de este nuevo prototipo esté mucho más cercano al comportamiento
ideal predicho por el Pitot, lo cual se puede corroborar al mirar los diagramas y observar que
las líneas de comportamiento del nuevo prototipo, a excepción de los datos para 0° de
incidencia, se encuentran dentro de la franja de error del Pitot.
Lo encontrado en estas pruebas es supremamente importante, porque nos dice por un lado
que las nuevas cápsulas utilizadas funcionan bien y tienen un comportamiento lineal como
era esperado; y por otro lado nos dice que la nueva geometría utilizada en los soportes
también funciona mejor, ya que los valores medidos de velocidad por el Prototipo 2 se
acercan más a aquellos medidos por el Pitot.
3.3 Simulación en CFD
Una vez fueron realizadas las pruebas con los dos prototipos propuestos, y se obtuvieron los
resultados anteriormente expuestos, se quiso verificar lo observado en la experimentación
con unas simulaciones en CFD para ver que tanto afecta la geometría de los prototipos al
flujo incidente sobre ellos. En estas simulaciones se simularon los prototipos con los dos
pares de cápsulas y sus respectivos soportes.
3.3.1 Parámetros de simulación
Los parámetros de simulación fueron los siguientes:
- Programa Utilizado: Para el enmallado de volumen de control se utilizó Gambit2.0; y
para la simulación Fluent6.1
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- Tipo de elementos y número, tipo de mallado: Tanto en las simulaciones del
Prototipo 1 (prototipo grueso), como en las del Prototipo 2 (prototipo esbelto), se
utilizaron elementos tetrahedrales para enmallar los volúmenes de control. En el
primer caso se generaron alrededor de 75000 elementos, y en el segundo caso
alrededor de 150000. Dichos volúmenes de control y los respectivos prototipos se
pueden ver en las siguientes figuras.
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El túnel virtual utilizado tiene una sección transversal, cuadrada, de 460 mm de lado, y una
longitud de 2 m. Todas las simulaciones se van a basar en observar cómo varía la velocidad
a lo largo de una línea imaginaria que pasa por todo el centro del túnel a lo largo de este. Los
prototipos fueron ubicados de tal manera que dicha línea pase a través del centro de sus
cápsulas, tal y como se puede observar en las figuras anteriores.
- Condiciones de frontera: Ya que se decidió simular los prototipos como si
estuvieran metidos en un túnel de viento, tanto a este como las superficies que
corresponden a los prototipos les fueron colocados la condición de frontera WALL. A
la pared que representa la entrada del túnel se le colocó la condición de VELOCITY
INLET, y a la pared que representa la salida PRESSURE OUTLET.
- Especificaciones, tipo de simulación: Todas las simulaciones se llevaron a cabo
teniendo en cuenta condiciones estándar de temperatura (20°C) y presión
(101.3kPa). Se utilizó un análisis SEGREGADO, NO VISCOSO, ESTADO ESTABLE
y también en todas las simulaciones se utilizó una velocidad de viento incidente de 5
m/s.
3.3.2 Resultados
A manera ilustrativa, se mostrarán en las siguientes figuras las gráficas correspondientes a
las líneas de flujo en un corte horizontal sobre los prototipos para las diferentes
simulaciones, y los diagramas correspondientes a la variación de la velocidad sobre la línea
imaginaria anteriormente explicada.
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En la columna de la izquierda se ven las líneas de flujo para el Prototipo 1 a diferentes
ángulos de incidencia del viento, y en la columna de la derecha se ven las mismas para el
Prototipo 2. Dichas líneas de flujo están coloreadas por la magnitud de la velocidad siendo
los tonos azules los de menor velocidad, y los rojos los de mayor.
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Variación de la Velocidad a lo Largo de la Linea Central del Tunel, Cercana al Anemómetro - (Anemómetro Grueso)
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08
Posición (m)
Vel
oci
dad
(m
/s)
Variación 0ºVariación 30º
Variación 45ºPromedio 0º (2.08)Promedio 30º (5.01)Promedio 45º (5.06)
Incidencia del Viento
Variación de la Velocidad a lo Largo de la Linea Central del Tunel, Cercana al Anemómetro - (Anemómetro Esbelto)
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08
Posición (m)
Vel
oci
dad
(m/s
)
Variación 0ºVariación 30ºVariación 45º
Promedio 0º (2.68)Promedio 30º (4.99)Promedio 45º (5.00)
Incidencia del Viento
Variación de la Velocidad a lo Largo de la Linea Central del Tunel, Cercana al Anemómetro - (Anemómetro Esbelto Vs Grueso)
4.50
4.60
4.70
4.80
4.90
5.00
5.10
5.20
5.30
5.40
5.50
-0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06
Posición (m)
Vel
ocid
ad (
m/s
)
Variación 30º AP
Variación 45º AP
Promedio 30º AP (4.99)
Promedio 45º AP (5.00)
Variación 30º AG
Variación 45º AG
Promedio 30º AG (5.01)
Promedio 45º AG (5.06)
Incidencia del Viento
En estos diagramas anteriores, se muestra la variación de la magnitud de la velocidad del
viento sobre la línea imaginaria explicada anteriormente y en cercanía de las cápsulas. La
figura superior izquierda muestra dicha variación para el Prototipo 1 a diferentes ángulos de
incidencia del viento, la de la derecha tiene la misma información para el Prototipo 2; y la
figura de abajo muestra esta variación vista en una escala más pequeña para el Prototipo 1 y
2 a la vez, para diferentes ángulos de incidencia, exceptuando 0°.
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3.3.3 Análisis de resultados
Como se puede apreciar cualitativamente en las figuras que muestran las líneas de flujo, las
figuras que corresponden al Prototipo 1 presentan áreas de azul (áreas de baja velocidad)
considerablemente más grandes que las que podemos ver en el Prototipo 2, lo cual nos da
una primera idea de que el Prototipo 2 es más adecuado, ya que presenta zonas de baja
velocidad más pequeñas, las cuales, como es evidente, afectan la medición a realizar con el
prototipo.
A su vez, en las figuras que muestran la variación de la velocidad a lo largo de la línea
imaginaria, podemos ver de manera cuantitativa cómo los promedios que corresponden a la
variación para el Prototipo 2, se encuentran más cercanos al valor esperado de 5 m/s y con
menor varianza que en el Prototipo 1.
La curva que representa dicha variación para un ángulo de incidencia de 0° es un caso
especial en ambos prototipos, ya que en este caso es cuando el flujo se ve más perturbado
entre cápsulas, de ahí que se cuente con mayores variaciones y promedios más bajos; sin
embargo, aun en este caso especial, el Prototipo 2 cuenta con un promedio más cercano al
esperado. Mientras para el Prototipo 1 dicho promedio es de 2.08 m/s (menos de la mitad del
valor esperado), mientras que para el Prototipo 2 el mismo promedio es de 2.68 m/s (por
encima de la mitad del valor esperado).
Teniendo en cuenta todo esto, es claro que el Prototipo 2 es mucho más recomendado que
el 1, ya que perturba en menor medida al flujo incidente sobre él. Siendo esto, procedemos a
la siguiente etapa.
IM-2003-II-33
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3.4 Pruebas al Prototipo 3
En esta etapa se construyó el prototipo definitivo propuesto en este proyecto de grado,
tomando en cuenta lo aprendido en las pruebas anteriormente explicadas. Dicho prototipo es
geométricamente igual al simulado en CFD, y fue construido en aluminio como en el
Prototipo 2. Este nuevo prototipo se puede ver en la siguiente figura.
100
O 38
48°
291
157
16
R 27
16
30
Todas las medidas en mm
Ya que este nuevo prototipo cuenta con dos pares de cápsulas de ultrasonido, para poder
medir la dirección de incidencia del viento, fue necesario modificar el circuito que controla el
anemómetro.
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3.4.1 Metodología de medición en las pruebas
Las pruebas realizadas sobre este nuevo prototipo son básicamente las mismas realizadas
sobre los 2 prototipos anteriores; sin embargo, dado a que este nuevo prototipo cuenta con
dos pares de cápsulas para medir la dirección del viento incidente, este nuevo prototipo fue
equipado con una brújula con el objetivo de poder orientarlo una vez se encuentre en
operaciones de campo y de esta manera saber la dirección de incidencia del viento. En las
siguientes figuras se pueden ver fotos del montaje utilizado con este último prototipo.
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Como se puede apreciar en las figuras, en esta ocasión el Pitot no fue colocado por encima
del prototipo si no al interior de sus soportes, esta decisión se tomó gracias a lo aprendido en
la simulación en CFD, ya que la velocidad medida por el Pitot en este punto se acercará
mucho más a la medida por el prototipo.
3.4.2 Resultados
A continuación se presentaran los resultados obtenidos en estas pruebas, de una manera
muy simular a como se presentaron en los resultados de las pruebas con los prototipos
anteriores.
Comparación de medición de velocidades (0°)
y = 0.9046xR2 = 0.9701
6.00
6.50
7.00
7.50
8.00
8.50
9.00
9.50
10.00
10.50
11.00
6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50
Velocidad (m/s)
Vel
oci
dad
(m
/s)
Velocidad AnemómetroVelocidad TúnelLineal (Velocidad Anemómetro)
Comparación de medición de velocidades (30°)
y = 0.9368xR2 = 0.9787
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
11.00
12.00
13.00
7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50 11.00 11.50 12.00
Velocidad (m/s)
Vel
oci
dad
(m
/s)
Velocidad AnemómetroVelocidad TúnelLineal (Velocidad Anemómetro)
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Comparación de medición de velocidades (45°)
y = 0.9356xR2 = 0.9992
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
11.00
12.00
13.00
7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50 11.00 11.50 12.00
Velocidad (m/s)
Vel
oci
dad
(m/s
)
Velocidad AnemómetroVelocidad TúnelLineal (Velocidad Anemómetro)
Comparación de medición de velocidades (60°)
y = 0.9074xR2 = 0.9954
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
11.00
12.00
13.00
7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50 11.00 11.50 12.00
Velocidad (m/s)
Vel
oci
dad
(m/s
)
Velocidad AnemómetroVelocidad TúnelLineal (Velocidad Anemómetro)
El Prototipo 3 tiene la capacidad de medir no sólo la magnitud de la velocidad, si no también
su dirección. Las figuras mostradas a continuación son gráficas que recogen y comparan la
información de la dirección medida por el prototipo con la dirección esperada. Al igual que
con las gráficas de magnitud de velocidad, en estas también se tiene una línea recta con
pendiente 1 y corte con el origen, la cual representa la línea de comportamiento ideal, y otra
línea que representa el comportamiento del Prototipo 3. De gráfica a gráfica lo que varía es
la velocidad angular del motor del túnel (30, 35, 40 y 45 Hz).
Comparación de medición de dirección (30 Hz)
y = 0.971xR2 = 0.9961
-10.00
10.00
30.00
50.00
70.00
90.00
-10.00 10.00 30.00 50.00 70.00 90.00
Dirección (°)
Dir
ecci
ón
(°)
Dirección AnemómetroDirección TúnelLineal (Dirección Anemómetro)
Comparación de medición de dirección (35 Hz)
y = 0.9737xR2 = 0.9958
-10.00
10.00
30.00
50.00
70.00
90.00
-10.00 10.00 30.00 50.00 70.00 90.00
Dirección (°)
Dir
ecci
ón
(°)
Dirección AnemómetroDirección TúnelLineal (Dirección Anemómetro)
Comparación de medición de dirección (40 Hz)
y = 0.977xR2 = 0.9987
-10.00
10.00
30.00
50.00
70.00
90.00
-10.00 10.00 30.00 50.00 70.00 90.00
Dirección (°)
Dir
ecci
ón (
°)
Dirección AnemómetroDirección TúnelLineal (Dirección Anemómetro)
Comparación de medición de dirección (45 Hz)
y = 0.9737xR2 = 0.9954
-10.00
10.00
30.00
50.00
70.00
90.00
-10.00 10.00 30.00 50.00 70.00 90.00
Dirección (°)
Dir
ecci
ón (
°)
Dirección AnemómetroDirección TúnelLineal (Dirección Anemómetro)
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3.4.3 Análisis de resultados
Como se puede apreciar en las gráficas de magnitud de velocidad, el comportamiento del
prototipo es extremadamente lineal, lo cual era lo esperado, con valores de R2 variando entre
0.97 y 0.99. Además, la pendiente de las rectas que caracterizan el comportamiento del
mismo también están muy cerca del valor esperado de 1, variando entre 0.90 y 0.94. Esto es
supremamente importante, ya que está diciendo que el comportamiento de este último
prototipo es el más parecido al comportamiento ideal esperado. Esto además se puede ver
claramente en las gráficas, al observar que en todos los casos la línea de comportamiento
del prototipo cae dentro de las barras de error de la línea esperada.
Algo muy similar se puede observar en las gráficas de dirección. En estas se tienen valores
de R2 variando entre 0.995 y 0.998, un comportamiento supremamente lineal. A su vez, las
pendientes de las rectas están variando entre 0.971 y 0.977, muy cercano al valor esperado
de 1. Esto es claramente visible por el hecho de que en estas gráficas las líneas que
representan el comportamiento ideal y el del prototipo están prácticamente superpuestas.
3.5 Pruebas de campo
Con el objetivo de hacerse una idea de cómo funcionaría el prototipo en sus condiciones
reales de operación, se decidió realizar unas pruebas de campo. Para lograr este fin fue
necesario hacer el montaje del prototipo en un lugar abierto, en este caso se decidió utilizar
la azotea del Edificio de Ingenierías (W), de la Universidad de los Andes. Para poder tener
un parámetro de comparación se instaló al lado del prototipo un anemómetro de cazoletas
junto con una veleta para medir dirección.
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Debido a la naturaleza misma del anemómetro de cazoletas y de la veleta, los cuales son
instrumentos que necesitan moverse para poder registrar, se presentaron dificultades para
realizar la prueba. En otras palabras, no fue posible realizar una prueba confiable ya que por
esta época del año (Noviembre), no sopla suficiente viento con regularidad en el sitio
escogido, como para hacer mover el anemómetro de cazoletas y/o la veleta.
Fue posible tomar ciertos datos en pequeños instantes que hubo picos de viento. Sin
embargo estos picos fueron tan esporádicos que por esta razón, y además por el retraso del
sistema del anemómetro de cazoletas, que estos datos no se consideraron ni suficientes ni
confiables como para hacer un análisis adecuado del comportamiento comparativo entre el
Prototipo 3 y el anemómetro de cazoletas.
De todas maneras, a continuación se presentan algunas fotos del montaje utilizado en esta
prueba fallida.
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4. Conclusiones
- En este trabajo se ha hecho evidente la influencia fundamental que la geometría del
aparato de medida tiene sobre el flujo incidente sobre él. Entre más pequeñas sean
las cápsulas de ultrasonido y más delgados los soportes que las sostienen, el flujo se
verá menos perturbado por el aparato en cuestión.
- Para la medición del recurso eólico es preferible contar con un anemómetro
ultrasónico, ya que al no poseer partes móviles no presenta los retrasos inherentes a
otros tipos de anemómetros que para este fin se utilizan.
- La precisión que se puede lograr con un aparato de esta clase es muy superior a la
que se obtiene con otros aparatos de medición.
- Definitivamente este proyecto, que ya lleva 3 semestres comienza a perfilarse hacia
su etapa definitiva. Los resultados que este arroja son muy prometedores.
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5. Recomendaciones
Si bien el Prototipo 3 ya casi ha llegado a su etapa definitiva, todavía cuenta con ciertos
aspectos que se deben mejorar para hacerlo realmente viable comercialmente.
- Es necesario reemplazar el Proto-Board que hasta el momento ha sido utilizado como
circuito controlador del prototipo. Para esto sería muy útil fabricar un PCB (baquelita),
con un circuito de pruebas más robusto y confiable.
- Tomando en cuenta lo aprendido con el Prototipo 3, sería recomendable diseñar un
nuevo prototipo pensando en la facilidad de su manufactura, masificación y
comercialización.
- Sería bueno comenzar a pensar en un software que recoja los datos obtenidos por el
anemómetro y que haga de manera fácil y amable todo el análisis de datos que se
requieren para hacer un estudio del recurso eólico.
- Hasta esta etapa el circuito que controla el prototipo siempre fue potenciado con una
fuente DC. Sin embargo, una vez el aparato se encuentre en su verdadero sitio de
operación, no habrá disponibilidad de este tipo de energía. Por lo que es necesario
diseñar un circuito de bajo consumo y sus posibles fuentes de energía, posiblemente
baterías de 9 V.
- Para comprobar que las cápsulas de ultrasonido utilizadas en este trabajo son
confiables a largo plazo y en diferentes condiciones de ambiente, es recomendable
hacer un estudio de las mismas. Se recomiendan pruebas de envejecimiento e
intemperie para las cápsulas.
- Finalmente, al cumplir con todas (o la mayoría) de las recomendaciones anteriores,
es necesario continuar con muchas pruebas, tanto en condiciones controladas, como
en sus verdaderas condiciones de operación.
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Departamento de Ingeniería Mecánica - Universidad de los Andes 33
-
6. Bibliografía
1. Anemómetro meteorológico de lectura digital - Stefano Facchielli, Tesis de Grado
1992
2. Apuntes de clase - Alvaro Pinilla, Curso de Energía Eólica
3. Diseño y construcción de un prototipo de anemómetro ultrasónico - Harold Martinez,
Tesis de Grado 2002
4. Validación y perfeccionamiento de un prototipo de anemómetro ultrasónico –
Christian Moreno, Tesis de Grado 2003/1
5. Manual de la calculadora HP-48G
6. Tutoriales de Fluent: http://instruct1.cit.cornell.edu/courses/fluent/index.htm
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34
Estudio Aerodinámico de Anemómetro Ultrasónico
Alvaro A. Ramírez Piñeros2
Abstract
Este artículo presenta el análisis aerodinámico que le fue realizado, con la ayuda de un paquete CFD, a un par de propuestas de diseño físico de un anemómetro ultrasónico que está siendo desarrollado como tema de proyecto de grado en el pregrado de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Los Andes. El presente pretende demostrar la gran influencia de la geometría del anemómetro en la medición de la velocidad del viento, y cómo se puede obtener valores medidos de velocidad mucho más confiables al disminuir al máximo las dimensiones del anemómetro en la zona de medida que está siendo expuesta al viento. 1. Introducción El principio de funcionamiento de un anemómetro ultrasónico se basa en la naturaleza misma del sonido. Aprovechando el hecho de que el sonido es una onda mecánica, o sea, su tiempo de desplazamiento depende del medio en que se mueva; si se tiene un medio móvil como lo puede ser el viento, y se colocan un emisor y un receptor de ondas de sonido enfrentados a una cierta distancia conocida, es posible calcular el tiempo de vuelo de la onda desde el emisor hasta el receptor, conociendo de esta manera la velocidad del medio en el que se mueve dicha onda, en este caso el viento. Esto se puede ver más claramente en las siguientes expresiones que relacionan el tiempo de vuelo cuando la onda viaja a favor o en contra del viento, con la distancia entre los censores, la velocidad del sonido y la velocidad del viento, la cual es la que nos interesa calcular:
Vf Vc
dt
+= (1)
Vc Vc
dt
−= (2)
Como se puede ver en las ecuaciones 1 y 2, dichos tiempos de vuelo dependen de la velocidad del sonido, c; la cual a su vez depende de la temperatura del medio en el que se mueva dicha onda, lo cual añade una complicación, pues sería necesario hacer un monitoreo de la temperatura del medio para poder calcular dichos tiempos. Para obviar dicha dependencia de la velocidad del sonido es posible combinar las ecuaciones 1 y 2 obteniendo una única expresión que nos relaciona la velocidad del viento con la distancia entre censores y los tiempos de vuelo a favor y en contra de la velocidad del viento:
2 Estudiante de Maestría, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Los Andes
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35
−=
cf
V t1
t1
2d
V (3)
A su vez, si se tienen dos pares de censores como los mencionados arriba, y se coloca cada par a 90° con respecto al otro, es posible no sólo medir la magnitud de la velocidad del viento, si no también su dirección de incidencia. Hay un problema y es que dicha velocidad puede verse altamente afectada por el aparato de medición en sí, debido a su geometría. Por lo tanto, lo que se mostrará adelante es cómo al diseñar este anemómetro con dimensiones más pequeñas, el flujo entre los censores se ve menos perturbado que con dimensiones mayores. 2. Desarrollo Para este estudio en particular se cuenta con 2 prototipos de anemómetro: uno que cuenta con censores de 25mm de diámetro, y los soportes de los mismos de igual dimensión3; y la contrapropuesta y posible solución, cuyos censores son de 16mm de diámetro y sus soportes de 8mm de diámetro4. Ambos prototipos fueron simulados como un sólido ubicado en el centro de un túnel de viento de sección cuadrada 460mm y longitud 2m, en Fluent. En cada caso se hizo incidir sobre los anemómetros una velocidad de viento de 5m/s, en estado estable y para condiciones estándar de presión, densidad y temperatura. En ambos casos se varió el ángulo de incidencia del viento sobre el anemómetro para verificar qué tanto interfería el mismo sobre el flujo para ángulos de 0°, 30° y 45°. Todas las simulaciones recogen los datos de la variación de la magnitud de la velocidad a lo largo de una línea imaginaria que pasa por el centro del túnel, a lo largo del mismo, y en la cercanía de los censores de los anemómetros5. En las figuras 1 a la 4 se pueden ver tanto los dos prototipos simulados, la línea imaginaria de la cual se hace mención, y los volúmenes de control utilizados en las simulaciones:
Figura 1 (Anem. Grueso) Figura 2 (Vol. Control AG)
Figura 3 (Anem. Esbelto) Figura 4 (Vol. Control AE)
3 Prototipo utilizado en el proyecto de grado de Christian Moreno en el semestre 2003/1 – (Anemómetro Grueso) 4 Prototipo utilizado en el proyecto de grado de Alvaro Ramírez en el semestre 2003/2 – (Anemómetro Esbelto) 5 Para los dos prototipos los censores fueron ubicados a una distancia de 10cm entre ellos.
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36
3. Resultados A continuación se mostrarán las gráficas y diagramas que resumen los resultados obtenidos en las simulaciones realizadas para los dos prototipos:
Figura 5 Figura 6 En las figuras 5 y 6 se pueden apreciar las líneas de flujo mostradas desde la vista superior, tanto para el anemómetro grueso (fig. 5), como para el anemómetro esbelto (fig. 6). En las dos figuras los anemómetros se encontraban orientados de tal manera que recibían un flujo a 30° de incidencia6. Como se puede apreciar de estas dos figuras, la escala que estas muestran al lado izquierdo representa diferentes colores para diferentes magnitudes de velocidad; siendo los colores azules (parte de debajo de la escala) los de menor velocidad, y los colores rojos (parte de arriba de la escala) los de mayor velocidad.
Variación de la Velocidad a lo Largo de la Linea Central del Tunel, Cercana al Anemómetro(Anemómetro Grande)
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08
Posición (m)
Vel
ocid
ad (m
/s)
Variación 0º
Variación 30º
Variación 45º
Promedio 0º (2.08)
Promedio 30º (5.01)
Promedio 45º (5.06)
Incidencia del Viento
Variación de la Velocidad a lo Largo de la Linea Central del Tunel, Cercana al Anemómetro(Anemómetro Pequeño)
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08
Posición (m)
Vel
oci
dad
(m/s
)
Variación 0º
Variación 30º
Variación 45º
Promedio 0º (2.68)
Promedio 30º (4.99)
Promedio 45º (5.00)
Incidencia del Viento
Figura 7 Figura 8 En las figuras 7 y 8 se muestra la variación de la magnitud de la velocidad a lo largo de la línea imaginaria anteriormente explicada en la cercanía de los censores, tanto para el anemómetro grueso (fig. 7), como para el esbelto (fig. 8). En cada una de las figuras se pueden apreciar 3 líneas de datos, las cuales corresponden a la variación de la velocidad para los diferentes ángulos de incidencia simulados sobre los prototipos.
6 Las gráficas de líneas de flujo para ángulos de incidencia de 0° y 45° no se muestran en este documento ya que la información que estas aportan es principalmente cualitativa y no cuantitativa, por lo que se considera que no aportan mayor información que la que ya es aportada por las gráficas mostradas
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37
Variación de la Velocidad a lo Largo de la Linea Central del Tunel, Cercana al Anemómetro(Anemómetro Pequeño Vs Grande)
4.50
4.60
4.70
4.80
4.90
5.00
5.10
5.20
5.30
5.40
5.50
-0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06
Posición (m)
Vel
ocid
ad (m
/s)
Variación 30º AP
Variación 45º AP
Promedio 30º AP (4.99)
Promedio 45º AP (5.00)Variación 30º AG
Variación 45º AG
Promedio 30º AG (5.01)
Promedio 45º AG (5.06)
Incidencia del Viento
En esta última figura también se muestra la variación de la velocidad como en las figuras 7 y 8, sólo que esta vez se muestran únicamente los ángulos de incidencia de 30° y 45°, y se muestran dichas variaciones para el anemómetro grueso (líneas punteadas) como para el esbelto (líneas continuas) a la vez. Esta figura tiene un rango más corto de velocidades, para poder apreciar con mayor exactitud la variación de la misma. Figura 9
4. Análisis y Conclusiones Como se puede apreciar en las figuras 5 y 6 en ambos casos se encuentran unas zonas de baja velocidad del viento (zonas azules); sin embargo es bastante claro que dichas zonas son de mucho mayor tamaño en el caso del anemómetro grueso que en el caso del esbelto. Este sólo hecho es suficiente evidencia para ver que el anemómetro grueso perturba en mayor medida el flujo que el esbelto. Por otro lado, si nos concentramos en las figuras 7-9, en las cuales se puede observar la variación de la velocidad en el flujo de manera más cuantitativa, se puede apreciar que el flujo es mucho menos perturbado por el anemómetro esbelto, ya que sus valores están más centrados en el valor esperado de velocidad del flujo (5m/s). En el caso de la variación de la velocidad para una incidencia del viento a 0° es apreciable que el flujo se ve mucho más perturbado en ambos casos, obteniendo valores de velocidad tan bajos como 1m/s en la cercanía de los censores; sin embargo, si miramos los promedios de estas velocidades para ambos casos nos damos cuenta que en caso del anemómetro grueso dicho promedio es de 2.08 m/s (menos de la mitad del valor esperado), mientras que para el delgado este valor es de 2.68m/s. Lo cual es evidencia de que hay una clara mejoría, en lo que se esperaría del flujo, al variar la geometría del prototipo. Por último, es de destacar que la desviación estándar de los datos de velocidad es mucho menor para el caso del anemómetro esbelto que para el grueso, con valores de 0.06 m/s contra 0.25 m/s respectivamente. En definitiva, queda demostrado claramente que es muy conveniente utilizar un prototipo esbelto al momento de fabricar un anemómetro de este tipo. En este caso se puede ver que el prototipo esbelto propuesto cumple bien con lo que se esperaría encontrar, obteniendo valores promedio de velocidad de 5 m/s tanto para 30° como para 45° de incidencia. 5. Bibliografía Consultada 1. Moreno, Christian – Validación y perfeccionamiento
de un prototipo de anemómetro ultrasónico – Documento de Grado, Semestre 2003/1
2. Ramírez, Alvaro – Validación de prototipo de
anemómetro ultrasónico – Documento de Grado, Semestre 2003/2
6. Lista de Símbolos
sonidodelvelocidadc
vientodelvelocidadVcensoresentreciatandisd
favoratiempot
contraentiempot
V
f
c