Estudio de caso: Prueba de medición de deformación de ala de ayuda de cámaras de alta velocidad en túneles de viento
En esta aplicación de prueba de túnel de viento, German-Dutch Wind Tunnels eligió cámaras Emergent 10GigE con sensores CMOS de 20MP porque su interfaz de fibra óptica les permitió ejecutar las cuatro cámaras desde la simulación del túnel de viento a una sola PC remota.
German-Dutch Wind Tunnels (DNW) es uno de los principales proveedores de servicios de túneles de viento en el mundo y fue creado por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y el Centro Aeroespacial Real de los Países Bajos (NLR). DNW opera seis túneles de viento en Alemania y los Países Bajos, incluso en Brunswick, Göttingen, Amsterdam y la sede de DNW en Marknesse. Al colocar aviones, vehículos, edificios u otros modelos sólidos en una corriente de aire de velocidad conocida, los túneles de viento permiten a los investigadores investigar el flujo de aire alrededor de los objetos o el efecto del viento sobre los objetos. DNW opera uno de los túneles de viento más grandes de Europa y proporciona soluciones de simulación experimental para proyectos de investigación y desarrollo aerodinámicos de la academia y la industria aeronáutica, así como de la industria automotriz, ingeniería civil, construcción naval, deportes y otras industrias.
DNW proporciona simulaciones aerodinámicas experimentales. Mediante la ejecución de seis túneles de viento, incluidas instalaciones subsónicas, transónicas y supersónicas, DNW puede evaluar casi todas las características del flujo de aire que se encuentran en la ingeniería y la naturaleza. DNW proporciona datos a la industria a partir de técnicas de simulación aerodinámica, aeroacústica y aeroelástica mediante la prueba de modelos (a escala) en un entorno controlado. Ofrece una amplia gama de simulaciones. Las aplicaciones típicas incluyen la caracterización del rendimiento de configuraciones de aeronaves de despegue, aterrizaje y crucero; investigaciones aeroacústicas para la reducción del ruido del fuselaje; y simulación de propulsión de aeronaves tanto en configuraciones aisladas como instaladas.
Las pruebas de túnel de viento suelen ser altamente especializadas y desafiantes (Figura 1). Los modelos de túnel de viento son complejos y los instrumentos son de alta tecnología. Además de las tolerancias de fabricación extremadamente estrictas y el acabado superficial meticuloso, los modelos están equipados con una gran cantidad de equipos de medición y sistemas de control, como balanzas de fuerza, motores neumáticos y controles remotos. Además, las simulaciones aerodinámicas y aeroacústicas a menudo requieren una ingeniería sofisticada. Por ejemplo, para el efecto en el suelo, el suelo debajo del objeto bajo prueba se simula con un sistema integrado de cinta móvil. La cinta móvil, también conocida como sistema de carreteras rodantes, es una cinta de acero de 7.92 x 9.6 m integrada en el suelo del túnel de viento. Se mueve sincronizadamente con el aire hasta velocidades de viento de 80 metros por segundo. La integración de todas las tecnologías de simulación, control y medición en una prueba de túnel de viento productiva y rentable es una tarea abrumadora. El personal altamente capacitado de DNW trabaja en estrecha colaboración con los clientes y proveedores para preparar proyectos en detalle y trabajar hacia soluciones innovadoras para la futura aviación sostenible.
Figura 1: Un modelo de un avión de negocios Dassault Falcon muy cerca del plano de tierra en movimiento en el túnel de viento DNW-LLF (imagen cortesía de Dassault Aviation).
Sistema de seguimiento de puntos estereoscópicos
Una capacidad clave para DNW es extraer la mayor cantidad posible de datos de alta calidad de una prueba de túnel de viento. Para aumentar la calidad y la rentabilidad de sus servicios, DNW desarrolla continuamente conocimientos de alto nivel en técnicas de medición y análisis de resultados de pruebas. DNW emplea rutinariamente técnicas para medir presiones superficiales, fuerzas, velocidad y ruido. La evaluación del rendimiento de una aeronave implica un conocimiento preciso de la geometría exacta de la hélice, las palas del rotor y las alas. Bajo las diversas cargas de viento que se producen desde el despegue hasta el aterrizaje, las piezas del modelo del túnel de viento se deforman, lo que provoca que las alas se doblen y se tuerzan. A sistema de seguimiento estereoscópico de puntos desarrollado por DNW mide la deformación del modelo mediante el seguimiento simultáneo de marcadores desde diferentes ángulos durante las pruebas en el túnel de viento.
El sistema es lo suficientemente flexible como para facilitar una variedad de simulaciones experimentales, manejando prácticamente cualquier cantidad, distribución y disposición de marcadores. Una aplicación actual es un proyecto financiado por la UE llamado UHURA (financiado bajo el acuerdo de subvención EU Horizon 2020 no. 769088). los UHURA tiene como objetivo desarrollar herramientas numéricas para la aerodinámica inestable de gran sustentación. El flap Krueger, un dispositivo de vanguardia, promete permitir la tecnología de alas laminares. Esta tecnología se considera la principal fuente única para la reducción de la resistencia aerodinámica en el fuselaje de un avión de transporte y será una tecnología clave para lograr los objetivos de reducción de emisiones. El flap Krueger podría realizar una doble función aumentando el rendimiento aerodinámico de gran sustentación y protegiendo el borde de ataque de la contaminación durante el despegue y el aterrizaje. Debido a su ruta de implementación específica, los ingenieros necesitan un buen conocimiento del flujo durante el comportamiento transitorio y la posición y geometría exactas de la pieza.
Las mediciones experimentales de los túneles de viento DNW le dan a UHURA un conjunto de datos único para la validación de avances dinámica de fluidos computacional (CFD) modelos Con mediciones de flujo detalladas de velocimetría de imagen de partículas (PIV) y se pueden investigar las mediciones de deformación del modelo, las interacciones entre el fluido y la estructura del ala. La comprensión resultante alimenta las técnicas para predecir el comportamiento y optimizar el diseño de dispositivos de gran sustentación para sistemas de aeronaves de transporte. Estas metodologías avanzadas permiten diseños de piezas más complejos y reducciones significativas en los plazos de entrega del diseño para los fabricantes de aeronaves.
Se requieren tramos largos de cable de cámara
Según el tipo de prueba, DNW utiliza dos o cuatro cámaras HR-20 de 10 MP y 20000 GigE de Emergent Vision Technologies (Figura 2) para monitorear modelos de túnel de viento equipados con marcadores no intrusivos. Las cámaras HR-20000 cuentan con el sensor CMOS CMV35 de formato óptico de fotograma completo de 20000 mm de AMS. Con una resolución completa de 5120 × 3840, esta cámara alcanza los 32 fps. El HR-20000 también ofrece sincronización multicámara a < 1 µs y bajo consumo de CPU. La configuración de la cámara estéreo requiere que se instalen cuatro cámaras a cierta distancia en túneles de viento para que puedan capturar imágenes de marcadores desde diferentes ángulos. Según Gerrit Feenstra, ingeniero de instrumentación de DNW, las cámaras HR-20000 fueron seleccionadas por su excelente relación precio/rendimiento y una interfaz de fibra óptica que permite tendidos de cable de hasta 10 km sin necesidad de convertidores o repetidores de fibra.
“Antes de que Emergent presentara su interfaz de fibra óptica de 10 Gigabit Ethernet, teníamos configuraciones de prueba complicadas. Las restricciones de longitud del cable de 2 a 3 metros entre la cámara y la computadora significaban que los sistemas de imágenes estéreo requerían el uso de dos PC dentro del túnel de viento”, explica Feenstra. “La interfaz óptica de Emergent se adapta mucho mejor porque podemos ejecutar las cuatro cámaras desde la simulación del túnel de viento a una sola PC remota, que se puede configurar en una ubicación mucho más conveniente”.
Figura 2: DNW confía en las cámaras HR-20000 de Emergent Vision Technologies para el posicionamiento preciso de modelos para simulaciones aeronáuticas y pruebas de túnel de viento.
Mediciones de deformación
Basado en el seguimiento de las coordenadas tridimensionales de los marcadores aplicados a los objetos bajo prueba, la técnica de medición de seguimiento de puntos estéreo se ha aplicado con éxito en proyectos que van desde seguimiento de alta velocidad de objetos que caen y avión de pasajeros medidas de deformacion de alas a experimentos de seguimiento de rotor de helicóptero de alta precisión. En estos experimentos, se aplica una matriz de cuadrícula de marcadores con coordenadas conocidas al objeto bajo prueba. Los marcadores pueden ser fuentes de luz empotradas controladas activamente o adhesivos fluorescentes pasivos o marcadores pintados con aerosol.
Durante las pruebas de deformación del modelo para el proyecto UHURA, la configuración de la cámara emergente captura videos de marcadores fluorescentes pasivos dispuestos en un modelo del ala y el dispositivo Krueger a medida que se despliegan y se retraen bajo varias simulaciones aerodinámicas en el túnel de viento (Figura 3). Las ubicaciones de marcadores tridimensionales de alta precisión obtenidas del software de análisis de imágenes personalizado sirven como entrada para el software de calibración, que se correlaciona entre los planos de imagen de la cámara digital bidimensional y el volumen de medición del modelo.
Un análisis posterior de la imagen determina las propiedades geométricas del modelo, como su actitud, posición y distribución de flexión y torsión precisas. La deformación del ala se representa mediante el modelado de una geometría de superficie de elementos finitos en 3D (estructura alámbrica triangular en el espacio sin discontinuidades) basada en puntos de cuadrícula de marcadores individuales. Los datos que incluyen estimaciones de errores estadísticos basados en algoritmos de propagación de errores se proporcionan en tiempo real (hasta 500 Hz).
La resolución espacial del sistema depende del tipo de cámara, el sistema de lentes, la escala de longitud del modelo y la configuración del marcador. Las resoluciones de píxeles se pueden lograr hasta una décima parte de un píxel. Las resoluciones de coordenadas dependen del tamaño del chip de la cámara y del tamaño del modelo (orden de magnitud 1/(10 * R), donde R es la cantidad de píxeles por metro de imagen). Para un modelo típico de túnel de viento de envergadura completa, la precisión de detección de coordenadas es de aproximadamente 0.5 ‰ de la longitud de la cuerda para el desplazamiento del ala y 0.1 grados para el giro (torsión) del ala.
Figura 3: Durante las pruebas de deformación del modelo para el proyecto UHURA, la configuración de la cámara estéreo en el túnel de viento captura videos de marcadores fluorescentes pasivos dispuestos en un modelo de ala y flaps Krueger a medida que se despliegan y se retraen bajo varias simulaciones aerodinámicas.
Técnica de iluminación UV
Durante cada experimento, después de establecer las condiciones del túnel de viento, la iluminación del túnel se atenúa y se activan fuentes de luz ultravioleta de 405 nm de alta potencia personalizadas. Para generar suficiente iluminación y contraste para la detección de marcadores por parte del sistema de cámara, la docena o más de fuentes de luz ubicadas estratégicamente en el túnel de viento se basan en un conjunto de 28 LED de 30 W y 405 nm. Las luces ultravioleta iluminan los marcadores, que reflejan el amarillo hacia la cámara. Según Feenstra, el uso de un filtro óptico de paso largo suprime la iluminación ultravioleta mientras sigue transmitiendo la luz fluorescente de los marcadores. Esto crea una imagen real en blanco y negro de alto contraste que facilita la localización de marcadores por parte de la computadora y la construcción de la nube de puntos 3D.
“Hemos estado utilizando las cámaras Emergent desde 2016 para el posicionamiento preciso del modelo en el túnel de viento y para la medición de la deformación”, dice Feenstra. “Son constantes, siempre instalados en el túnel y siempre funcionando para cada prueba, monitoreando continuamente el posicionamiento del modelo y rastreando los marcadores. Su función es particularmente importante durante las investigaciones del efecto en el suelo para escenarios de despegue y aterrizaje, que es la mayor parte de lo que hacemos en el DNW, porque el modelo podría dañarse si alguna vez entrara en contacto con el sistema de carreteras rodantes, que simula una pista que se mueve por debajo del modelo de avión a 80 metros por segundo.”
diseños futuros
Basándose en el éxito inicial del proyecto con cámaras HR-20 de 10 MP y 20000 GigE, DNW actualizó sus cámaras y compró dos cámaras HZ-21000-G de Emergent Vision Technologies para uso futuro. Como parte de la galardonada serie Zenith de cámaras 100GigE, estas cámaras de 21 MP logran una velocidad de cuadro de 542 fps a través de una interfaz QSFP28 100GigE.
Reconocida como un Iglesia Innovación superior 2022 por la revista inVISION, el HZ-21000-G presenta el sensor de imagen CMOS con obturador global GSPRINT4521 de Gpixel. Con las nuevas cámaras, DNW puede lograr velocidades de cuadro significativamente más rápidas con los mismos beneficios que ofrecen las cámaras HR-20000, incluida la sincronización de varias cámaras a < 1 µs y una sobrecarga de CPU reducida.
PARA MAYOR INFORMACIÓN:
Cámaras de alta velocidad de Emergent Vision Technologies:
https://emergentvisiontec.com/area-scan-cameras/
