Predicción de las características aerodinámicas de un perfil para flujo subsónico mediante mecánica de fluidos computacional

Universidad de Navarra Escuela Superior de Ingenieros Nafarroako Unibertsitatea Ingeniarien Goi Mailako Eskola

Laboratorio de Mecánica de Fluidos

Práctica de CFD Evaluada

Predicción de las Características Aerodinámicas de un Perfil para Flujo Subsónico mediante Mecánica de Fluidos Computacional

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© Alejandro Rivas & Gorka Sánchez 2006 Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra (TECNUN)

Predicción de las Características de un Perfil mediante CFD
1 INTRODUCCIÓN

La Aerodinámica estudia las acciones sobre un cuerpo que seencuentra en el seno de una corriente fluida, ya sea porque el cuerpo se mueve en el seno de un fluido en reposo o el fluido se mueve alrededor del cuerpo que permanece en reposo. En una primera aproximación se supondrá que la corriente es de extensión infinita y que en su seno se encuentra únicamente el objeto estudiado. Cuando se considera un cuerpo de forma arbitraria las acciones que el fluido ejercesobre éste son una fuerza y un momento resultante ambos con componentes según tres direcciones espaciales perpendiculares. El análisis se simplifica si se considera la aerodinámica de aquellos cuerpos que poseen una sección en un plano que contiene al vector de la velocidad de aproximación, (también denominada de la Corriente Libre) dicha sección se repite indefinidamente en la direcciónperpendicular al mencionado plano (Figura 1). O bien, los cuerpos que poseen un eje de revolución en un plano que contiene al vector de la velocidad de aproximación. En ambos casos el flujo se puede analizar como si fuera bidimensional y bidireccional y por tanto la fuerza resultante tendrá dos componentes contenidas en el plano y el momento respecto de un punto contenido en el plano una componente segúnla dirección perpendicular a dicho plano.

Figura 1. Aerodinámica de un cuerpo bidimensional

La fuerza resultante sobre el cuerpo, F, es debida a la distribución de presiones (p) y esfuerzos cortantes (τW) sobre su superficie, esto es:

F = ∫ (− p ⋅n +τ W ⋅ t )⋅dl ⋅b
w

hm

b

Ec. 1

Siendo n y t vectores unitarios perpendicular y tangente respectivamente al contorno de lasuperficie del cuerpo, dl un segmento del contorno de la superficie del cuerpo y b la envergadura del cuerpo o dimensión en la dirección perpendicular al plano. La fuerza resultante F se expresa habitualmente mediante dos componentes, según la dirección de la velocidad de aproximación, D, y según la dirección perpendicular a esta, L. La primera componente recibe el nombre de Arrastre (Drag) y la segundase denomina Sustentación (Lift). De esta forma se puede escribir:

F = D ⋅e D + L ⋅e L

Ec. 2

1

Área de Ingeniería Térmica y de Fluidos Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra

Si se desprecian los efectos de la compresibilidad del fluido, tanto el arrastre como la sustentación que sufre un cuerpo son función de la forma y tamaño del mismo, de la orientación del cuerpo respectode la corriente, definida por el ángulo de ataque α, de la rugosidad, de la viscosidad y la densidad del fluido, μ y ρ, y por la velocidad de aproximación U∞. Como es costumbre en Mecánica de Fluidos se suele trabajar con parámetros adimensionales, en el caso de las fuerzas de arrastre y sustentación es posible definir para cada una de ellas un coeficiente adimensional como CD y CL:

CD =

D1 ⋅ ρ ⋅U ∞ ⋅ A 2
L 1 ⋅ ρ ⋅U ∞ ⋅ A 2

Ec. 3

CL =

Ec. 4

Siendo A un área característica del cuerpo. Es posible considerar el área que resulta al observar el cuerpo desde arriba, esto es A=c⋅b, esta área suele emplearse en cuerpos de pequeño espesor (t) como los perfiles de ala. Otra área es la frontal, A=hm⋅b que se obtiene proyectando el contorno del cuerpo en un plano perpendicular a...