ESTUDIO Y ANÁLISIS DE RESULTADOS DE CASO PRELIMINAR DE APLICACIÓN DE PROGRAMA FLUENT A LA SIMULACIÓN DE FLUJOS (CFD)
Una vez hecha la introducción al método de los elementos finitos, vamos a trabajar sobre la simulación en túnel de viento del efecto de una corriente continua sobre la sección de un avión.
La metodología a seguir será, básicamente, la siguiente:
1. Representación de la geometría del problema. Relativamente sencillo en 2D, sumamente complejo en 3D.
2. Crear un mallado, con celdas en las que se calcularán todas las variables que establezcamos. Esto se basa en el método de los elementos finitos, que ya se ha tratado (muy básicamente) en otra entrada del blog.
3. Definición de los modelos a utilizar. Principalmente de turbulencia, aunque también se podrían necesitar modelos de radiación, flujo bifásico, etc.
4. Determinación de las características del fluido y sus propiedades (viscosidad, densidad, propiedades térmicas...).
5. Establecer las condiciones de contorno, para controlar en lo posible el experimento, marcando nosotros valores fijos de presión, velocidad, temperatura...
6. Marcar unas condiciones iniciales, que, al ser conocidas de antemano, faciliten el análisis de los resultados.
7. Limitar los parámetros que se implican en la resolución numérica del problema.
8. Realizar el proceso de cálculo, aprovechando el programa informático que se vaya a utilizar.
9. Analizar la solución, comprobar que puede ser correcta y estudiar los resultados para darles aplicación.
ANÁLISIS DEL FLUJO ALREDEDOR DEL AVIÓN
Al estudiar cualquier caso que pueda presentarse, hay que tener claro que resultados globales se pretenden, para poder así hacer un análisis en detalle de aquellos fenómenos fluodinámicos que se nos muestren.
En este supuesto, y para lo que podamos hacer durante el curso, parece que lo básico son las fuerzas que genera el aire sobre el objeto ensayado, que es lo que se buscaría en caso de hacer un ensayo in situ en un túnel de viento.
Cuando se trata de fenómenos fluido dinámicos, lo ideal es poder contrastar la información obtenida teóricamente con la experimental. Esto podremos tenerlo nosotros al probar las maquetas en un túnel de viento real.
Pero, por ahora, solo tenemos la información teórica mediante programas informáticos. Cuando esto sucede, parece que podemos optar por dos caminos a seguir, bien buscar casos parecidos para poder hacer comparaciones al menos cuantitativas, o bien hacer un análisis intrínseco de los detalles del flujo, únicamente con los resultados que arroje la simulación programada, que es lo que vamos a tratar de hacer.
Como por ahora, estamos en fase inicial de trabajo con el ordenador, tendríamos que centrarnos en, al menos, una serie de puntos básicos, que creo que podrían ser:
- Comprobar estelas.
- Visualizar capas límite.
- Analizar las zonas de presión y turbulencia.
- Estudiar los gradientes de velocidad.
En todos los casos, habrá que comprobar si están en los sitios adecuados para la función que se quiere conseguir, si se desprenden, se comprimen o se expanden en los momentos oportunos, si giran en el sentido que deben, que órdenes de magnitud se mantienen…
Para empezar, hay que definir el contorno:
En este caso, lo que hay alrededor del avión es aire, con una densidad constante de 1,225 Kg/m3. Podemos complicarnos todo lo que queramos definiendo otras variables si queremos trabajar con flujos compresibles o que intervenga la temperatura.
Se desprecia el efecto de la gravedad, aunque se puede incluir en las ecuaciones si queremos considerar efectos de flotación en el flujo debido a las diferencias de densidad por cambio de temperatura o de fase.
Se fija que tanto el avión como el túnel son elementos sólidos, es decir, el flujo no puede atravesarlos.
Se establece una velocidad de entrada de aire y una dirección, en este caso tomamos que el viento va paralelo al eje x.
Fijamos también la presión estática de salida, que se fija como relativa a la atmosférica, con flujo reverso en la parte trasera.
El avión se mueve, con una rugosidad del material de una décima de milímetro (la mínima para un material tipo). Desprecio las condiciones térmicas del aparato, ya que si no habría que definir si hay un flujo de calor determinado o si hay que calcular un flujo convectivo o radiante. Esto, en cualquier caso, es importante cuando ya definamos el material exacto del objeto a ensayar.
Hay que marcar también la rugosidad del material del propio túnel, que se establece aquí como de 1 cm.
El propio, una vez definidos todos estos parámetros, te da una serie de datos:
Área de esta sección del avión: 30 m2.
Fuerza horizontal que recibe esta sección: 460,81 N/m
Coeficiente de arrastre sobre la superficie tratada (por defecto es 1 m de ancho, habrá que ver como puede disminuirse esto para los casos que tratemos), que en este caso es de 0.025.
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
El flujo se define básicamente con la velocidad y la presión.
Mapa completo de los vectores de velocidad sobre la superficie del avión, con una velocidad del viento contra el aparato de 100 m/s y una velocidad del avión de 1000 m/s contra el viento.
Mapa general de los contornos de presión estática con las mismas variables expresadas anteriormente,
También puede ser interesante observar las líneas de corriente para ver el recorrido del aire, ya que se puede apreciar de forma muy intuitiva los principales fenómenos que se producen, como son:
- Los estancamientos de corriente en el morro (excesivo teniendo en cuenta que es el punto incial de contacto), delante de la cabina (mínimo pero mejorable) y en el alerón trasero, lo que muestra los principales fallos de diseño aerodinámico.
- La aceleración que hay en la parte inferior.
- La estela en la parte posterior.
Vamos a hacer un análisis mas pormenorizado parte por parte:
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MORRO
Se pueden sacar como conclusiones que en el morro hay estancamiento del flujo, ya que disminuye la velocidad, pero, sobre todo, aumenta la presión. Las zonas de presión alta son las responsables del arrastre aerodinámico.
También vemos en el mapa de vectores de velocidad como hay zonas en las que el flujo no consigue seguir exactamente el contorno y se separa, con un descenso de presión puntual muy alto. Cuanto mas redondeada sea la zona, la desviación del flujo superiormente es mayor y así obtengamos un arrastre menor, lo que nos favorecería.
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PARTE INFERIOR
La aerodinámica inferior hace que el rozamiento sea mínimo, aumentando progresivamente la velocidad hasta un 50% sobre la que tiene el flujo libre marcado por nosotros, lo que conlleva una disminución también progresiva de la presión sobre el sólido.
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ESTELA
Tras el alerón trasero vemos como el flujo no puede seguir el contorno y se desprende, formando una estela trasera en la que las velocidades son muy bajas.
Aumentando el tamaño de los vectores de velocidad, podemos ver como hay dos vórtices girando en sentido contrario. La presión en la estela es mas baja que en el campo libre, pero no hay la misma disminución en presión que en velocidad. Vemos como la estela no está definida claramente en el gráfico de presiones.
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PÉRDIDAS Y TURBULENCIA
Estando en un flujo incompresible, la ecuación de Bernoulli establece que, si no hay pérdidas, la suma de la energía debida a la presión mas la debida a la velocidad mas la potencial se mantiene constante.
Es decir, la disminución de la presión total delata los puntos donde hay pérdidas.
Viendo la representación de la presión total, vemos que es en la estela donde mas energía se pierde, y como, tras los valores máximos en el morro, siempre hay disminuciones alrededor del contorno de la figura, debidos al rozamiento.
Por último, observando la representación en tanto por ciento de las turbulencias, podemos apreciar como esta es mayor en las cercanías de los vórtices de la estela. La turbulencia siempre se producirá donde hay capas de cortadura o gradientes transversales de velocidad.
