[article pii="nd" doctopic="oa" language="es" ccode="conicyt" status="1" version="4.0" type="ilus gra tab" order="14" seccode="cds020" sponsor="nd" stitle="Cienc. suelo" volid="34" issueno="2" dateiso="20161200" fpage="341" lpage="347" pagcount="7" issn="1850-2067"]NOTAS
[front][titlegrp][title language="es"]Diseño de un túnel de viento portátil para el estudio de la erosión eólica[/title][/titlegrp]
[authgrp][author role="nd" rid="a01" corresp="n" deceased="n" eqcontr="nd"][fname]JUAN[/fname] [surname]CRUZ COLAZO[/surname][/author]1*; [author role="nd" rid="a02" corresp="n" deceased="n" eqcontr="nd"][fname]MARIANO JAVIER[/fname] [surname]MÉNDEZ[/surname][/author]2; [author role="nd" rid="a02" corresp="n" deceased="n" eqcontr="nd"][fname]LAURA ANDREA[/fname] [surname]DE ORO[/surname][/author]2; [author role="nd" rid="a02" corresp="n" deceased="n" eqcontr="nd"][fname]FERNANDO[/fname] [surname]AVECILLA[/surname][/author]2; [author role="nd" rid="a02" corresp="n" deceased="n" eqcontr="nd"][fname]JUAN ESTEBAN[/fname] [surname]PANEBIANCO[/surname][/author]2 & [author role="nd" rid="a02" corresp="n" deceased="n" eqcontr="nd"][fname]DANIEL EDUARDO[/fname] [surname]BUSCHIAZZO[/surname][/author][/authgrp]2
1 [aff
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- EEA San Luis[/aff]
2 [aff id="a02"
orgname="Instituto de Ciencias de la Tierra y Ambientales de La
Pampa"]INCITAP (Instituto de Ciencias de la Tierra y Ambientales de
La Pampa)[/aff]
*Autor de contacto: colazo.juan@inta.gob.ar
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dateiso="20151205"]05-12-15[/received]
Recibido con revisiones: [revised
dateiso="20160322"]22-03-16[/revised]
Aceptado: [revised
dateiso="20160421"]21-04-16[/revised][/hist]
RESUMEN
[abstract language="es"]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.[/abstract]
Palabras clave: [keygrp scheme="nd"][keyword type="m" language="es"]Metodología de medición[/keyword]; [keyword type="m" language="es"]Perfil vertical de viento[/keyword]; [keyword type="m" language="es"]Distribución vertical de material erosionado por el viento[/keyword][/keygrp].
Desing of a portable wind tunnel for the wind erosion study
ABSTRACT
[abstract language="en"]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.[/abstract]
Key words: [keygrp scheme="nd"][keyword type="m" language="en"]Measurement methodology[/keyword]; [keyword type="m" language="en"]Vertical wind profile[/keyword]; [keyword type="m" language="en"]Vertical distribution of wind-eroded material[/keyword][/keygrp][/bibcom].[/front]
[body]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.[/body]
[back]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.
BIBLIOGRAFÍA
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