NOTAS
Diseño de un túnel de viento portátil para el estudio de la erosión eólica
JUAN CRUZ COLAZO1*; MARIANO JAVIER MÉNDEZ2; LAURA ANDREA DE ORO2; FERNANDO AVECILLA2; JUAN ESTEBAN PANEBIANCO2 & DANIEL EDUARDO BUSCHIAZZO2
1 INTA - EEA San Luis
2 INCITAP (Instituto de Ciencias de la Tierra y Ambientales de La Pampa)
*Autor de contacto: colazo.juan@inta.gob.ar
Recibido: 05-12-15
Recibido con revisiones: 22-03-16
Aceptado: 21-04-16
RESUMEN
La erosión eólica (EE) es un proceso de degradación irreversible de suelos de regiones áridas y semiáridas. Con el uso de túneles de viento portátiles es posible simular la EE controlando variables críticas como la velocidad y dirección del viento, la duración de los eventos erosivos; además de parámetros del suelo en condiciones naturales como los niveles de humedad, rugosidad y cobertura. Los objetivos de este trabajo fueron: 1) describir los principales aspectos del diseño y la operación de un túnel de viento portátil para estudios de erosión eólica, y 2) Calibrar el túnel para cumplir con los criterios aerodinámicos relacionados con el desarrollo de un perfil vertical de viento y de distribución de material erosionado similares a las condiciones naturales. Los principales componentes del túnel son: chasis, motor, hélice, sección curva, placa cribada y las secciones del túnel propiamente dicho. Cada una de estas secciones tiene 2 m de largo; 0,5 m de ancho y 1 m de alto. El túnel fue calibrado en un Haplustol Éntico con una superficie lisa y sin cobertura vegetal. La velocidad máxima alcanzada medida a 0,6 m fue de 22,5 m s-1. Esto significa que el túnel permite simular velocidades consideradas erosivas a campo. El perfil vertical de viento y la distribución de material erosionado son similares a los producidos en condiciones naturales. El túnel de viento desarrollado cumple con las condiciones de diseño para la simulación de eventos de erosión eólica a campo. El uso del mismo mejorará el estudio de procesos básicos y el desarrollo de tecnología para el control de la erosión eólica en suelos de Argentina, además de ser una fuente de consulta para la construcción de futuros túneles de viento para el estudio de la erosión eólica.
Palabras clave: Metodología de medición; Perfil vertical de viento; Distribución vertical de material erosionado por el viento.
Desing of a portable wind tunnel for the wind erosion study
ABSTRACT
Wind erosion (WE) is an irreversible soil degradation process of arid and semiarid regions. With portable wind tunnels it is possible to simulate WE controlling critical variables such as wind speed and direction, duration of erosive events; and soil surface parameters under natural conditions as moisture, roughness and cover level. The objectives of this study were: 1) to describe the main aspects of the design and operation of a portable wind tunnel to study WE, and 2) to calibrate the wind tunnel to fit the aerodynamics criterions related to the development of a vertical wind profile and an eroded material distribution similar to natural conditions. The main components of wind tunnel are chassis, engine, wind fan, s-shaped section, honeycomb diffusor, the stabilization section and the working sections. These sections have 2 m length; 0.5 m width and 1 m height. The wind tunnel was calibrated in an Entic Haplustoll in a bare and flat surface. The maximum measured velocity reached at 0.6 m was 22.5 m s-1, implying that the wind tunnel allows simulating field erosive wind velocities. The vertical wind profile and eroded material distribution are similar to those produced under natural field conditions. The use of this wind tunnel will improve the study of basic processes and technology for wind erosion control of soils of Argentina, also it will serve as a guide for future wind tunnel developments to study wind erosion.
Key words: Measurement methodology; Vertical wind profile; Vertical distribution of wind-eroded material.
INTRODUCCIÓN
La erosión eólica (EE) es un proceso de degradación
irreversible de suelos de regiones áridas y semiáridas (Lal,
2001). La medición de la EE permite determinar su impacto
ambiental, cuantificar la eficiencia de la tecnología para su
control y desarrollar modelos de predicción.
La medición de la EE en condiciones naturales presenta
la dificultad de que los factores que la regulan son altamente
variables y, en general, incontrolables (Stroosnijer, 2005).
En este sentido, las mayores dificultades que existen para
cuantificar la EE a campo son la variabilidad de la dirección
del viento y el efecto simultáneo de diversos factores durante la medición del evento, lo que dificulta la ponderación de sus efectos específicos. La variabilidad de la dirección del viento modifica el movimiento unidireccional del
flujo de material en el espacio, incrementando la cantidad
neta de material erosionado hacia el centro del lote de medición, lo que produce errores al momento de cuantificar
el fenómeno (Buschiazzo & Zobeck, 1999).
A fin de resolver estas dificultades, los túneles de viento portátiles aparecen como una herramienta esencial para
simular procesos de erosión eólica en condiciones controladas. Mediante este equipamiento es posible simular la EE
manteniendo constantes variables críticas como la velocidad y dirección del viento, la duración del evento erosivo,
y parámetros del suelo como el contenido de humedad, la
rugosidad y el porcentaje de cobertura, en condiciones
naturales (van Pelt & Zobeck, 2013).
La obtención de datos provenientes de experimentos
con túneles de viento es esencial para entender los mecanismos de la erosión eólica y para el desarrollo de modelos
numéricos y su validación. De hecho, la identificación y la
cuantificación de la influencia de las distintas variables y
el posterior desarrollo de los principales modelos de erosión eólica utilizados en la actualidad como la Wind Erosion
Equation (WEQ), la Revised Wind Erosion Equation
(RWEQ) o la Wind Erosion Prediction System (WEPS),
fueron desarrollados en túneles de viento (Tatarko & Sporcic, 2013; Wagner, 2013).
Existen dos tipos principales de especificaciones técnicas al diseñar un túnel de viento portátil para el estudio de
la erosión eólica. Por un lado, existen criterios prácticos:
el túnel debe generar velocidades similares a los eventos
erosivos naturales; ser de fácil transporte, de rápida instalación y seguro de usar (van Pelt et al., 2010). Por otro lado,
se deben cumplir criterios aerodinámicos, para permitir una correcta reproducción, a escala, de las condiciones naturales. Para ello, el perfil vertical de velocidades de viento,
o perfil vertical de viento, debe ser logarítmico, el flujo de
aire debe ser homogéneo y la sección de medición debe ser
lo suficientemente larga y alta para simular un adecuado
proceso de saltación (Shao & Raupach, 1992; White & Moula, 1991).
La capa límite atmosférica es aquella región de la
tropósfera que es afectada por los intercambios de masa
y energía por su interacción con la superficie (Shao, 2008).
Durante los eventos de erosión eólica el perfil vertical de
viento en la capa límite atmosférica puede ser descripto por
la Ec. 1, denominada ecuación de Prandtl (Zobeck & van
Pelt, 2014).
donde U(z) es la velocidad de viento a la altura z (m s-1),
u* es la velocidad de fricción (m s-1), k es la constante de
Von Karman (≈ 0,4) y z0 es la altura de la rugosidad
aerodinámica (m).
Para el correcto escalado a condiciones naturales y para
que las fuerzas aerodinámicas del flujo de aire actúen de
manera correcta sobre las partículas superficiales, el flujo
dentro del túnel debe poseer una capa límite lo suficientemente profunda para contener a las partículas en movimiento en una región donde el perfil vertical de viento
sea logarítmico y uniforme sobre la superficie a erosionar.
Los objetivos de este trabajo fueron: 1) describir los
principales aspectos del diseño y la operación de un túnel
de viento portátil, desarrollado por CONICET en el Instituto de Ciencias de la Tierras y Ambientales de La Pampa
(INCITAP), para estudios de erosión eólica, y 2) Calibrar el
túnel para cumplir los criterios aerodinámicos relacionados con el desarrollo de un perfil vertical de viento y de
distribución de material erosionado similares a las condiciones naturales.
DESCRIPCIÓN DEL TÚNEL DE VIENTO
Secciones del túnel de viento
Los principales componentes del túnel de viento portátil son: chasis, motor, hélice, sección curva, placa cribada
y las secciones del túnel propiamente dicho (Fig. 1). El chasis
posee 3,8 m de largo; 2,3 m de ancho; 2,3 m de alto y está construido de hierro de sección cuadrada de 5 mm de
espesor. En la parte delantera posee una lanza para el transporte y un bastidor sobre el cual se realiza la nivelación del
túnel por medio de elevadores mecánicos.
Figura 1. A) Diagrama de los
componentes del túnel de
viento portátil.
B) Vista del túnel de viento
portátil y detalles de 1)
Placas deflectoras, 2) Placa
criba y 3) Hélice.
Figure 1. A) Diagram of the portable
wind tunnel components. B)
View of the portable wind
tunnel and details of
1) Flaps, 2) Honeycomb
and 3) Propeller.
El impulsor es un motor Honda, que se ubica en la parte
superior del chasis y posee una potencia de 24 HP. Por medio
de una correa y poleas reductoras (relación 2,5:1) acciona
la hélice que se encuentra por debajo. Esta tiene 1 m de
diámetro y está compuesta por 8 palas de 35 cm de largo,
12 cm de ancho y un ángulo de 40º. La hélice se encuentra
protegida por una malla metálica para seguridad del operador.
El aire impulsado por la hélice es conducido hacia la
sección curva de chapa galvanizada de 1 mm de espesor que
desciende 50 cm el flujo de aire, llevándolo a un movimiento
horizontal a la altura del suelo. El aire circula luego a través
de una placa cribada de 1 m de alto; 0,5 m de ancho; 0,5
m de largo y que posee 196 orificios de chapa moldeada
de 35 mm de ancho por 58 mm de alto cada uno. La función
de la misma es homogeneizar el flujo de viento.
El flujo atraviesa posteriormente la sección del túnel
propiamente dicha formada por tres secciones de chapa
galvanizada, cada una de 2 m de largo; 0,5 m de ancho y
1 m de alto. La primera sección es totalmente recubierta
y a la entrada de la misma se ubica un conjunto de placas
deflectoras móviles que se encargan de orientar el flujo permitiendo ajustar el perfil de velocidad de viento con la
altura. Por último, se encuentran la zona de medición
formada por dos secciones sin piso y con ventanas a ambos
lados que permiten realizar modificaciones en la superficie
sin necesidad de desacoplar los mismos.
Instrumentos utilizados en el túnel de viento
Colectores
Pueden ser utilizados colectores especialmente diseñados para el túnel o aquellos comúnmente utilizados para
mediciones de campo. Los primeros poseen una abertura
continua que coincide con la altura del túnel y tienen la
ventaja de no requerir un cálculo de integración para determinar el transporte de masa horizontal. Mientras que
la desventaja es que no permiten separar partículas que se
mueven según distintos modos de transporte de material
(Colazo, 2012). Los colectores de campo más utilizados son
los Big Spring Number Eight (BSNE) y los Wilson & Cook
Modificados (MWAC) (Zobeck et al., 2013), para los cuales existen ecuaciones que permiten ajustar entre las
mediciones de uno y otro (más detalles en Mendez et al.,
2012).
Tolva para simular saltación
Para realizar simulaciones de tormentas de viento con
inyección de un flujo determinado de partículas de saltación, puede ser utilizada una tolva que permite introducir
en el flujo de viento, dentro del túnel, una determinada
cantidad de material (Fig. 2). La tolva fue construida con
chapa galvanizada de 1 mm de espesor y se ubica en la parte
superior del túnel en la primera sección. El material se inyecta
al flujo de aire por gravedad, a través de un tubo de 1 cm
de diámetro, cuyo extremo inferior se ubica 15 cm por encima del piso del túnel. El material se agrega con un determinado caudal que puede ser regulado por medio de un
sistema de planchuelas deslizables con orificios coincidentes, donde el máximo caudal se logra cuando el orificio de
la planchuela deslizable coincide con el orificio fijo de la tolva
(Fig. 2). El deslizamiento de la planchuela permite disminuir el caudal suministrado debido a la coincidencia parcial
de ambos orificios. El caudal máximo que se puede suministrar es de 11 g s-1.
Figura 2. Vista de la tolva para
saltación.
Figure 2. View of the saltation device.
Rutina de medición
La rutina de medición con el túnel es simple y la misma
puede ser realizada por dos operarios. En primer lugar, una
vez elegida la superficie de medición, el chasis debe nivelarse
para asegurar un adecuado montaje de las secciones. Luego,
las secciones se acoplan en el siguiente orden: sección curva,
placa cribada, sección cubierta, secciones de medición. Esta operación se realiza con la ayuda de agarraderas ubicadas
en los costados de cada sección. Al final del túnel se ubica
el colector o los instrumentos adecuados al estudio que
desea realizarse.
El túnel se enciende y se alcanza la intensidad deseada
mediante un acelerador ubicado en el tablero de mando.
El control de velocidad se realiza relacionando el régimen
de giro del motor con la velocidad de viento a 0,6 m de altura
a la salida. Una vez establecida esta asociación, la velocidad del viento deseada es estimada. Finalizada la simulación, las secciones, a excepción de la sección curva, son
colocadas en el chasis del túnel para su correcto transporte.
CALIBRACIÓN DEL TÚNEL DE VIENTO
MATERIALES Y MÉTODOS
La calibración del túnel de viento fue realizada sobre un
suelo Haplustol Éntico en el predio de la Facultad de Agronomía de la UNLPam (36°5’S; 64°W). Para realizar la misma la
superficie se mantuvo sin rugosidad ni cobertura vegetal.
Calibración de la velocidad del viento a la salida del
túnel en función del régimen de giro del motor
Se realizaron cinco simulaciones para relacionar el régimen de giro del motor y la velocidad del viento a la salida del
túnel. Los valores de régimen de giro seleccionados fueron 1500, 2000, 2500, 3000 y 3500 rpm. El mismo fue medido con un tacómetro digital. En tanto que la velocidad de viento fue medida
a la salida del túnel y a una altura de 0,6 m con un anemómetro
portátil. Ambas variables fueron relacionadas mediante un
análisis de regresión lineal.
Calibración del perfil vertical de
velocidades de viento
La calibración del perfil vertical de viento es un proceso
iterativo que se logra mediante el ajuste del ángulo de las placas
deflectoras hasta que el perfil vertical de viento logre un ajuste
adecuado a la Ec. 1. La velocidad del viento fue medida durante
1 minuto a 10, 20, 30 40, 50, 60, 70, 80 y 90 cm de altura desde
la superficie del suelo. Estos resultados de velocidades de viento
a diferentes alturas se graficaron junto a la Ec. 1 para determinar el grado de ajuste.
Distribución vertical del material erosionado
Para analizar la distribución vertical del material erosionado
en el túnel se realizaron dieciocho simulaciones. A la salida del
túnel de viento se instalaron cinco colectores BSNE a 10, 20, 30
40 y 50 cm de altura. El material recolectado se pesó en una
balanza analítica (± 0,0001 g). El flujo de masa horizontal, la
cantidad de suelo pasando por unidad de área en un plano vertical,
para cada uno de los colectores fue calculado según la Ec. 2:
donde, f(z) es el flujo de masa horizontal de un colector ubicado a una altura especifica z, P [kg] es el peso de sedimento recolectado y A [m2] es el área del orificio de entrada del colector. Una vez calculado f(z) para cada colector, su distribución vertical fue estimada mediante el ajuste a la Ec. 3 propuesta Stout & Zobeck (1996) para mediciones de campo:
donde, f0 es el flujo horizontal de masa a la altura cero [kg m-2], z es la altura [m] y s, la altura media de la capa de saltación [m]. Por último, el transporte de masa horizontal, Q [kg m-1], fue estimado mediante la integración de los valores de f(zE). La estimación de los parámetros de la Ec. 3, el ajuste entre los datos medidos y estimados de la distribución vertical de f(z) y el cálculo de Q fueron realizados mediante algoritmos desarrollados con Microsoft Excel© facilitados por el Dr. Zobeck de la unidad de estudio de la erosión eólica del ARS-USDA.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La Figura 3 muestra la relación entre la velocidad a la salida del túnel y el régimen de giro del motor. Se observa un ajuste lineal adecuado para la estimación de la velocidad, alcanzando un valor máximo de 22,5 m s-1. Estos valores de velocidad permiten trabajar por encima de la velocidad umbral establecida para los suelos de la región en 7,5 m s-1 a 2 m de altura (de Oro & Buschiazzo, 2009). La velocidad alcanzada por el túnel permite simular los principales eventos erosivos ocurridos en condiciones naturales, desde eventos de baja intensidad hasta ráfagas de alta velocidad.
Figura 3. Relación entre la velocidad (m s-1) a los 0,6 m
de altura a la salida del túnel y las revoluciones
por minuto del motor (RPM).
Figure 3. Relationship between wind speed (m s-1) at a
height of 0.6 m at the end of the tunnel and the
revolutions per minute of the engine (RPM).
El análisis del perfil vertical de viento indica que fue posible ajustar el perfil logarítmico propuesto por la Ec. 1 (Fig. 4). Esto significa que el perfil de viento simula las condiciones naturales. Los valores de la capa límite (altura donde se alcanza el 99% de la velocidad máxima) alcanzada para este estudio supera los 0,5 m; altura recomendada para los estudios de erosión eólica (Van Pelt & Zobeck, 2013).
Figura 4. Perfil vertical de velocidades de
viento. Altura de medición (Z) y
velocidad en función de la altura (VZ).
La línea rayada indica el perfil ideal en
función de la ecuación de Prandtl.
Figure 4. Vertical wind speed profile. Measurement
height (Z) and speed in function of height
(Vz). The dashed line indicates the
idealized profile according to Prandtl’s
equation.
La Tabla 1 muestra el Q para las diferentes simulaciones. La cantidad de material erosionado varió entre 0,01 y 87,7 kg m-1. Los coeficientes de determinación para la distribución vertical de f (z) variaron entre 0,33 y 0,98; siendo 16 de las mismas significativas al 1%, 1 al 5% y 1 al 10%. Estos resultados indican que la distribución de material en función de la altura dentro del túnel es similar a la distribución en condiciones naturales, ya que ambas pueden ser explicadas por la Ec. 3.
Tabla 1. Transporte de masa horizontal (Q) para 18
simulaciones con el túnel de viento portátil
y coeficiente de determinación para ajustar la
distribución vertical del flujo de masa horizontal
según la ecuación de Stout & Zobeck (1996).
Table 1. Horizontal mass transport (Q) of 18 portable
wind tunnel simulations and the coefficient of
determination to adjust the vertical distribution
of horizontal mass flux according to equation
of Stout & Zobeck (1996).
CONCLUSIONES Y CONSIDERACIONES FINALES
El túnel de viento desarrollado en el INCITAP cumple
con las condiciones de operatividad y diseño para ser utilizado en estudios de erosión eólica a campo, dado que el
perfil vertical de la velocidad del viento y del material erosionado en el túnel se ajustó a los encontrados en condiciones naturales. Además la operación del túnel es sencilla
y puede ser llevada a cabo por dos personas. El uso del túnel
permitirá el estudio y entendimiento de los procesos básicos de la erosión eólica y el desarrollo de tecnología para
el control de la misma.
AGRADECIMIENTOS
Este estudio fue financiado por las siguientes instituciones: el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT) y el Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). El túnel de viento fue construido por el Sr. Omar Andreoli.
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