Optimización aerodinámica en una aeronave civil con una configuración alar de alta razón de aspecto reforzada con un soporte mediante simulación CFD.

Abstract

El incremento de la demanda de la aviación comercial y el indiscutible crecimiento de la industria aeronáutica civil ha generado la necesidad de introducir nuevas estrategias seguras, económicas y eficientes. Estas mejoras incluyen aspectos ambientales, financieros y aerodinámicos. Los aviones comerciales actuales son aproximadamente un 80% más eficientes que los primeros aviones de pasajeros, no obstante, la eficiencia aerodinámica se ha mantenido en cifras constantes, por lo que es necesario introducir nuevos diseños que cumplan con la demanda proyectada y con nuevas condiciones de vuelo a régimen transónico. Para validar estos nuevos diseños y mejoras, es necesario el uso de optimizadores aerodinámicos, sin embargo, los procesos aerodinámicos no son fácilmente cuantificables, por lo que se hace uso de modelos de cálculo basados en CFD. Sin embargo, pese a que las simulaciones traen consigo una importante disminución de costos a la hora de encontrar soluciones, el modelo es más abstracto que el sistema que representa ya que incluye simplificaciones que permiten enfocarse en los objetivos del estudio, por tal razón es muy importante considerar parámetros como discretización de la grilla computacional y el modelo de turbulencia, ya que de estos depende el nivel de captura de los fenómenos físicos. Por lo tanto, este proyecto tiene como objetivo, validar mediante simulaciones CFD, el estudio y resolución de problemas aerodinámicos; y analizar la factibilidad de uso de un dispositivo de control de flujo activo como parte de un proceso de optimización aerodinámica. Para la validación de las simulaciones CFD se realiza un estudio sobre el perfil transónico RAE 2822 a Ma=0.73, AOA=3.19° y Re=6.5x106 ; y se comparan los datos numéricos y los fenómenos físicos con los resultados experimentales disponibles en la literatura. De igual forma, en este estudio se realiza una comparación de los modelos de turbulencia RANS y DES, con el fin de analizar la factibilidad de uso de cada uno. Posteriormente se procede a optimizar la aerodinámica de una aeronave civil con configuración alar de alta razón de aspecto reforzada con un soporte, mediante la implementación de un dispositivo de control de flujo activo (AFC). Para esto se simula el caso base, se identifica los fenómenos físicos presentes y los procesos que los generan y se analiza el beneficio de la aplicación del control de flujo activo a través de la comparación de los resultados entre el caso base y el avión con el dispositivo AFC instalado. Igualmente, en este estudio se realiza un análisis de sensibilidad por lo que el número de Mach varía para un rango: Ma=0.74-0.80, con un paso de 0.005 Mach. Al analizar los resultados de la simulación, la metodología se valida debido a la alta correlación entre los resultados y los datos experimentales, por lo que las simulaciones CFD pueden utilizarse para generar correlaciones y modelos dirigidos a optimizadores aerodinámicos. Del análisis de los modelos de turbulencia se presenta que si bien ambos modelos no difieren en gran medida en los resultados, el modelo más factible para la resolución de problemas aerodinámicos es RANS K-ω SST ya que genera resultados más precisos, además pese a que, el modelo DES genera con mayor detalle los fenómenos producto de la turbulencia, los resultados no compensan la complejidad y el alto costo computacional que conlleva; por lo que se recomienda su uso para estudios de geometría más compleja y flujo más ii complejo en donde sea necesario analizar fenómenos en detalle. De la simulación de la aeronave con una junta ala - refuerzo, se determina que, en la zona cercana a la unión del ala y el soporte, se genera un arrastre significativo, producto de una fuerte onda de choque confinada por el intradós del ala y el extradós del soporte, y se intensifica con el aumento de número de Mach, disminuyendo así su eficiencia aerodinámica. No obstante, al implementar el AFC se presentan cambios favorables, ya que disminuye los efectos y, por ende, el arrastre generado por las ondas de choque; retrasa la separación de la capa límite ya que la energiza; retrasa el inicio del buffet, sin generar pérdidas de eficiencia aerodinámica y, en consecuencia, incrementa el número de Mach al cual se puede obtener los valores máximos.