Treball Final de Grau
Autor: Gisela Cruz Carrasco
Director: Jose Juan de Felipe Blanch
AGRAÏMENTS.
Aquest projecte no s’hagués pogut duu a terme, si no hagués pogut comptar amb un grup de persones i professionals, els quals m’han recolzat i ajudat al llarg de tot el procés de realització aportant coneixements, material i inclús les seves pròpies instal·lacions.
Primer de tot, agrair al camp de vol “Prat de La Plana” i a AeroExperience Escola de Vol de Moià, per haver-me impartit gran part dels coneixements teòrics sobre aerodinàmica i aviació, i per deixar-me utilitzar les seves instal·lacions sempre que ho he necessitat.
A Jeroni Aguayo, d’AeroExperience, per haver-me deixat tota la documentació necessària del seu propi vehicle d’aeronavegació, i multitud de coneixements sobre aquest per poder entendre la seva estructura i funcionament, i així poder realitzar el model CAD.
Per altra banda, a Jose Juan de Felipe, del departament d’Enginyeria Minera, Industrial i TIC, i tutor d’aquest treball. Voldria agrair-li la seva disposició en tot moment, per aportar els seus coneixements sobre el tema i altres punts de vista sobre el treball.
Per acabar, donar les gràcies a la família i amics, per tot el suport donat a l’hora de realitzar aquest treball.
RESUM DEL PROJECTE.
Aquest projecte, duu a terme un anàlisi aerodinàmic, sobre un vehicle d’aeronavegació en tres situacions de vol diferents. En aquest estudi es pretén veure quines reaccions apareixen en el vehicle, el qual està sotmès a la presència d’un fluid que l’envolta i veure com actua aquest.
Primer de tot, es fa una breu introducció als principis teòrics de l’aerodinàmica, on també es fa una breu explicació sobre les característiques del fluid, ja que és un factor molt important a l’hora de realitzar aquest treball.
Seguidament, es centra en realitzar el disseny CAD del vehicle, fent un estudi previ de la seva elecció. Per realitzar el disseny CAD, s’utilitza un programari de disseny 3D, anomenat SolidWorks, en el qual utilitzant eines de modelització de superfícies, s’aconsegueix obtenir el model CAD del vehicle escollit. Posteriorment aquest és importat al programari de simulació de dinàmica de fluids computacional, també anomenat programari de CFD. El programa que s’utilitza per realitzar la simulació és l’ANSYS, ja que aquest utilitza un mètode de càlcul mitjançant elements finits. Per poder realitzar la simulació és defineixen diferents característiques com la geotèrmia del volum de control que fa la funció d’un túnel de vent, el mallat, i les característiques del fluid.
Tot seguit, es realitzen vàries simulacions, una per cada situació de vol (enlairament, creuer, aterratge), de la qual s’obtenen gràfics i resultats numèrics de les pressions, i forces que apareixen en el moment de la simulació. També és mostres unes imatges per poder veure amb claredat com actua el fluid sobre la superfície del cos.
Finalment, es procedeix a realitzar una validació entre les reaccions que apareixen en un vol real prèviament explicat, i els resultats obtinguts en les tres diferents simulacions, i així poder remarcar que les simulacions han obtingut resultats completament satisfactoris, ja que compleixen les mateixes característiques que un vol real.
ABSTRACT.
In this project, he performs an aerodynamic analysis, on an aircraft of air navigation, in three different flight situations. This study seeks to see which reactions appear in the aircraft, which is subject to the presence of a surrounding fluid, and to see how it acts.
First of all, we give a brief introduction to the theoretical principles of aerodynamics, where we also give a brief explanation of the characteristics of the fluid, since it is a very important factor when performing this work.
Then focuses on performing the CAD design of the vehicle, making a preliminary study of his choice. To make the CAD design, a 3D design software is used, called SolidWorks, in which using the surface modelling tools, the CAD model of the chosen vehicle is obtained.
It is later imported into computational fluid dynamics simulation software, also called CFD software. The program used to perform the simulation is ANSYS, since it uses a finite volume calculation method. To be able to perform the simulation are defined different characteristics such as the volume of control geothermal that performs the function of a wind tunnel, the mesh, and the characteristics of the fluid.
Then, several simulations are performed, one for each flight situation (takeoff, cruise, landing), from which graphs and numerical results of the pressures are obtained, and forces that appear at the time of the simulation. Also images are shown to see clearly how the fluid acts on the surface of the body.
Finally, a comparison is made between the reactions that appear in a real flight previously explained, and the results obtained in the three different simulations, and in order to be able to emphasize that the simulations have obtained completely satisfactory results, since they fulfill the same characteristics as a real flight.
ÍNDEX.
AGRAÏMENTS. ... 3
RESUM DEL PROJECTE. ... 4
ABSTRACT. ... 5
1. INTRODUCCIÓ. ... 12
1.1. OBJECTIUS I FINALITAT DEL PROJECTE. ... 12
1.2. ABAST DEL PROJECTE. ... 13
2. ANTECEDENTS. ... 14
2.1. AERODINÀMICA. ... 14
2.1.1. Forces aerodinàmiques. ... 15
2.2. NOMBRE DE REYNOLDS. ... 16
2.3. NOMBRE DE MACH. ... 18
2.4. TEORIA DE LA CAPA LÍMIT. ... 19
2.5. DINÀMICA DE FLUIDS COMPUTACIONAL. ... 20
3. DISSENY DEL VEHICLE D’AERONAVEGACIÓ. ... 23
3.1. ELECCIÓ DEL VEHICLE D’AERONAVEGACIÓ. ... 23
3.2. DISSENY CAD DEL TECNAM P96 “GOLF”. ... 24
3.2.1. Disseny de la superfície del vehicle. ... 27
4. SIMULACIÓ DEL VEHICLE D’AERONAVEGACIÓ. ... 34
4.1. PRE-PROCESSAMENT. ... 34
4.1.1. Volum de control. ... 34
4.1.2. Mallat. ... 40
4.1.3. Setup. ... 43
5. POST-PROCESSAMENT. ... 49
5.1. POST-PROCESSAMENT DEL VOL D’ENLAIRAMENT. ... 51
5.2. POST-PROCESSAMENT DEL VOL DE CREUER. ... 54
5.3. POST-PROCESSAMENT DEL VOL D’ATERRATGE. ... 56
6. ANÀLISI DELS RESULTATS. ... 59
7. ASPECTES A MILLORAR. ... 61
8. ESTUDI TEMPORAL DEL PROJECTE. ... 62
9. CONCLUSIONS ... 63
10. BIBLIOGRAFIA ... 64
11. ANNEXOS ... 66
11.1. INFORMACIÓ D’ÚS DE P96 GOLF. ... 66
11.2. GRÀFICS D’ITERACIONS. ... 70
11.2.1. Simulació vol d’enlairament. ... 70
11.2.2. Simulació vol de creuer. ... 71
11.2.3. Simulació vol d’aterratge. ... 71
11.3. INFORMES ANSYS. ... 72
11.3.1. Vol de enlairament. ... 72
11.3.2. Vol de creuer. ... 73
11.3.3. Vol d’aterratge. ... 74
ÍNDEX DE FIGURES I TAULES.
FIGURA 1: MOVIMENT ENTRE EL FLUID I EL SÒLID ... 14
FIGURA 2: FORCES FONAMENTALS D’UN PROBLEMA AERODINÀMIC. ... 15
FIGURA 3: FLUX LAMINAR. ... 17
FIGURA 4: FLUX TURBULENT... 17
FIGURA 5: REGIONS E LA CAPA LÍMIT ... 19
FIGURA 6: VARIACIÓ DE LA VELOCITAT EN LA CAPA LÍMIT LAMINAR ... 20
FIGURA 7: VARIACIÓ DE CAPA LÍMIT LAMINAR A TURBULENTA ... 20
FIGURA 8: TECNAM P96 “GOLF”... 23
FIGURA 9: VOL REALITZAT AMB L’AVIONETA TECNAM P96 “GOLF” ... 24
FIGURA 10: VISTA EN ALÇAT ... 24
FIGURA 11: VISTA EN PLANTA ... 25
FIGURA 12: VISTA DE PERFIL ... 25
FIGURA 13: VISTA POSTERIOR ... 26
FIGURA 14: VISTES COL·LOCADES EN POSICIÓ DE TREBALL ... 27
FIGURA 15: PROJECCIÓ DE LA SUPERFÍCIE ... 27
FIGURA 16: REALITZACIÓ DE LA SUPERFÍCIE AMB EL COMANDAMENT RECOBRIR... ... 28
FIGURA 17: SUPERFÍCIE DEL PERFIL SUPERIOR ... 28
FIGURA 18: SUPERFÍCIE ALA POSTERIOR ... 29
FIGURA 19: VISTA DE LA OPERACIÓ RECOBRIR EN LA ALA PRINCIPAL ... 29
FIGURA 20: VISTA DE LA SUPERFÍCIE DEL MODEL ... 30
FIGURA 21: VISTA DE LA SUPERFÍCIE POSTERIOR DEL PERFIL ... 31
FIGURA 22: PANELL DE CONTROL DE LA OPERACIÓ “COSER SUPERFICIE” ... 31
FIGURA 23: OPERACIÓ DE SIMETRIA... 32
FIGURA 24: MODEL CAD DEL P96 GOLF ACABAT ... 33
FIGURA 25: PANELL DE CONTROL ANSYS... 35
FIGURA 26: IMPORTACIÓ MODEL IGS ... 35
FIGURA 27: VERIFICACIÓ DE LA IMPORTACIÓ DEL MODEL ... 36
FIGURA 28: DUPLICAT DE LA GEOMETRIA ... 36
FIGURA 29: MENÚ DEL VOLUM DE CONTROL ... 36
FIGURA 30: PANELL DE COMANDAMENTS ... 37
FIGURA 31: ESTRUCTURA DEL VOLUM DE CONTROL... 38
FIGURA 32: FUNCIÓ BOOLEAN DEL APARTAT DESIGNMODELER... 39
FIGURA 33: OPERACIÓ DE “SUBSTRACT” ... 39
FIGURA 34: MENÚ D’OPERACIONS FLUID FLOW... 40
FIGURA 35: PANELL DE CONTROL DE MALLAT ... 41
FIGURA 36: MALLAT DEL VOLUM DE CONTROL I DEL MODEL... 42
FIGURA 37: ENTRADA DEL VOLUM DE CONTROL ... 42
FIGURA 38: SORTIDES DEL VOLUM DE CONTROL ... 43
FIGURA 39: FLUENT LAUNCHER ... 43
FIGURA 40: COMPROVACIÓ DELS MATERIALS ... 44
FIGURA 41: CONDICIONS DE CONTORN ... 44
FIGURA 42: CONDICIONS D’ENTRADA ... 45
FIGURA 43: CONDICIONS DE SORTIDA ... 45
FIGURA 44: CONFIGURACIÓ PER REALITZAR UNA MILLORA DEL MALLAT ... 46
FIGURA 45: CONFIGURACIÓ DE LA VISCOSITAT... 46
FIGURA 46: PANELL DE CONTROL “RUN CALCULATE” ... 47
FIGURA 47: COMANDAMENTS UTILITATS DURANT LA SIMULACIÓ ... 48
FIGURA 48: COMANDAMENT UTILITZAT EN EL POST-PROCESSAMENT ... 49
FIGURA 49: PANELL DE CONTROL PER VISUALITZAR LES FORCES ... 49
FIGURA 50: CONFIGURACIÓ DE LA VISUALITZACIÓ DE LES FORCES ... 50
FIGURA 52: EXEMPLE DE SELECCIÓ DELS GRÀFICS ... 51
FIGURA 53: MODEL CAD EN L’ENLAIRAMENT ... 52
FIGURA 54: GRÀFIC DE CONTORN DE PRESSIÓ ... 52
FIGURA 55: GRÀFIC STREAMLINE ... 53
FIGURA 56: MODEL CAD EN EL VOL CREUER ... 54
FIGURA 57: GRÀFIC DE CONTORN DE PRESSIÓ ... 54
FIGURA 58: GRÀFIC STREAMLINE ... 55
FIGURA 59: MODEL CAD EN EL VOL D’ATERRATGE ... 56
FIGURA 60: GRÀFIC DE CONTORN DE PRESSIÓ ... 57
FIGURA 61: GRÀFIC STREAMLINE ... 57
FIGURA 62: GRÀFIC ITERACIONS DE CÀLCUL VOL D’ENLAIRAMENT ... 70
FIGURA 63: GRÀFIC ITERACIONS DE CÀLCUL VOL DE CREUER ... 71
FIGURA 64: GRÀFIC ITERACIONS DE CÀLCUL VOL D’ATERRATGE ... 71
TAULA 1: RELACIÓ ENTRE EL NUMERO DE MACH, LA VELOCITAT I EL FLUX DE L’AIRE ... 18
TAULA 2: CONDICIONS DE CONTORN DEL P96 “GOLF” ... 26
TAULA 3: CONDICIONS DE CONTORN DEL VOLUM DE CONTROL” ... 38
TAULA 4: PARÀMETRES INICIALS EN L’ENLAIRAMENT ... 51
TAULA 5: FORÇA DE SUSTENTACIÓ I PRESSIÓ ... 53
TAULA 6: FORÇA DE RESISTÈNCIA AERODINÀMICA I PRESSIÓ ... 53
TAULA 7: PARÀMETRES INICIALS EN EL VOL CREUER... 54
TAULA 8: FORÇA DE SUSTENTACIÓ I PRESSIÓ ... 55
TAULA 9: FORÇA DE RESISTÈNCIA AERODINÀMICA I PRESSIÓ ... 55
TAULA 10: PARÀMETRES INICIALS EN L’ATERRATGE... 56
TAULA 11: FORÇA DE SUSTENTACIÓ I PRESSIÓ ... 58
TAULA 12: FORÇA DE RESISTÈNCIA AERODINÀMICA I PRESSIÓ... 58 TAULA 13: COMPARACIÓ DELS RESULTATS DEPENEN DE L’ANGLES D’INCLINACIÓ. ... 60 TAULA 14: DESCRIPCIÓ DEL TEMPS DE DEDICACIÓ DEL PROJECTE ... 62
1. INTRODUCCIÓ.
Aquest projecte de final de grau ha estat realitzat en el departament d’Enginyeria Minera, Industrial i TIC, a l’Escola Politècnica Superior d’Enginyeria de Manresa. Aquest es basa en realitzar un anàlisi aerodinàmic, utilitzant un programari de CFD.
En l’actualitat els programaris de CFD han sigut de gran ajuda per duu terme nombrosos anàlisis a l’hora de realitzar dissenys tant de vehicles, com d’instal·lacions i estructures.
Aquest projecte es centrarà sobretot en l’àmbit dels vehicles, concretament els vehicles d’aeronavegació, realitzant un estudi aerodinàmic.
En el camp de l’aerodinàmica concretament, poder utilitzar programaris de CFD, ha solucionat un gran problema com és el cost econòmic, ja que realitzar prototips per poder crear dissenys i fer diferents proves aerodinàmiques amb aquests provoca una despesa econòmica molt gran, ja que molt sovint fins a arribar al disseny final és necessari utilitzar més d’un prototip o modificar el mateix, ja que aquests sempre van millorant.
1.1. Objectius i finalitat del projecte.
La finalitat d’aquest projecte és dissenyar un model CAD d’un vehicle d’aeronavegació i realitzar un estudi aerodinàmic amb un programari de CFD com és l’ANSYS, per estudiar com es comporta el fluid al voltant de tota la superfície del vehicle.
Per tant, queda clar que l’objectiu principal del treball és, realitzar un estudi aerodinàmic sobre un vehicle d’aeronavegació amb un programari de CFD anomenat ANSYS, per a tres situacions de vol diferents. Amb aquest es simularà que el vehicle és troba situat en l’interior d’un túnel de vent subsònic.
Per poder garantir l’assoliment d’aquest objectiu serà necessari, aprofundir en els coneixements sobre aerodinàmica i sobretot en el programari utilitzat ANSYS (CFD).
En segon lloc, per tal de poder realitzar la simulació correctament, és necessari plantejar un altre objectiu principal. Aquest és realitzar un model del vehicle en format CAD mitjançant el mètode de modelització de superfícies. Per això serà necessari profunditzar en els coneixements de disseny CAD (3D) i de modelització de superfícies.
1.2. Abast del projecte.
El projecte realitzat constarà de les següents parts:
- Principis teòrics de l’aerodinàmica i de la dinàmica de fluids computacional.
- Disseny CAD, en aquest cas es duran a terme tres models CAD per les tres situacions de vol diferents.
- Simulació o estudi aerodinàmic dels tres models, realitzats en format CAD, amb un programari de CFD, l’ANSYS.
Aquesta constarà d’un pre-processament i un post-processament.
- Anàlisis i comparació dels resultats obtinguts amb les situacions reals de vol.
2. ANTECEDENTS.
Aquest projecte amb un fi totalment acadèmic, pretén duu a terme un anàlisis de les forces i pressions que afecten en la superfície de l’objecte a estudiar. Aquests factors a estudiar, involucren la interacció entre un fluid i una superfície solida en moviment relatiu.
Les variables involucrades són les típiques què estudia la Mecànica de Fluids.
A l’Escola Politècnica Superior d’Enginyeria de Manresa s’imparteixen multitud de coneixements de mecànica de fluids sobretot en el grau d’Enginyeria Mecànica.
La universitat compta amb el departament d’Enginyeria Minera, Industrial i TIC, el qual compta amb diferents laboratoris per poder impartir els coneixements de mecànica de fluids. Gràcies a aquest departament i els seus laboratoris s’ha pogut realitzar aquest projecte. A continuació, es parlarà dels principis teòrics bàsics en què és basa aquest treball.
2.1. Aerodinàmica.
L’aerodinàmica és una branca de la mecànica de fluids. Aquesta estudia les reaccions que apareixen sobre un cos sòlid, a causa de ser banyat per un fluid (sempre en estat gasos). Aquestes reaccions són produïdes a causa d’un moviment relatiu entre el cos sòlid i el fluid, com es pot veure en la figura 1:
Figura 1: Moviment entre el fluid i el sòlid.
El problema aerodinàmic consisteix en determinar les forces que exerceix el fluid sobre el cos que envolta. Per solucionar el problema aerodinàmic, és necessari determinar o calcular diverses propietats del fluid.
Les forces i els moments que apareixen en el cos en conseqüència de ser envoltat per un fluid, es poden calcular, en gairebé tots els casos de manera aproximada, realitzant models de camp de fluid. Una altra manera de calcular són els assajos pràctics, com ara, els assajos numèrics, assajos en el túnel de vent i les simulacions per ordinador.
2.1.1. Forces aerodinàmiques.
Les forces principals que apareixen en un problema aerodinàmic, són les de sustentació, les de resistència aerodinàmica, les forces d’impuls i el pes (figura 2).
Figura 2: Forces fonamentals d’un problema aerodinàmic.
Les forces de sustentació i resistència, són anomenades forces aerodinàmiques, ja que son generades per l’aire.
- La força de sustentació, és la generada sobre un cos sòlid, el qual es desplaça a través d’un fluid. Aquesta te direcció perpendicular respecte a la velocitat del fluid que l’envolta. En el cas dels avions, és deguda a l’efecte Venturi, ja que hi ha una asimetria en el perfil de les ales.
𝐹𝑠𝑢𝑠 =1
2𝜌𝑣2𝐶𝐿𝐴𝐿
- La força de resistència aerodinàmica, és la força que experimenta un cos que es desplaça a través d’un fluid, en la direcció de la velocitat relativa entre el fluid i el cos, es a dir, te la mateixa direcció que la velocitat del cos en moviment, però de sentit contrari.
𝐹𝑟𝑒𝑠 =1
2𝜌𝑣2𝐶𝐷𝐴𝐷
Els coeficients aerodinàmics, es poden calcular a partir de les forces aerodinàmiques.
Aquests coeficients són adimensionals, i relaciona la força de sustentació o de resistència aerodinàmica (depèn del coeficient que sigui necessari calcular) generada pel cos sustentador (aquest cos podria ser una aeronau d’ala fixa), amb la densitat del fluid que envolta el cos en estudi, la velocitat d’aquest, i una àrea de referència associada al cos.
- El Coeficient de sustentació, 𝑪𝑳:
𝐶𝐿 = 2𝐹𝐿 𝜌𝑣2𝑆 - El Coeficient de resistència aerodinàmica, 𝑪𝑫:
𝐶𝐷= 2𝐹𝐷 𝜌𝑣2𝑆
On sabem que en aquestes quatre expressions, 𝜌 és la densitat de l’aire, 𝑣 és la velocitat de l’aire, 𝑆 la superfície de referència, 𝐶𝐿 i 𝐶𝐷 són els coeficients de sustentació i resistència aerodinàmica, i 𝐹𝐿 i 𝐹𝐷 són les forces de sustentació i resistència aerodinàmica.
2.2. Nombre de Reynolds.
EL nombre de Reynolds, és un coeficient adimensional, que va ser establert l’any 1883, per Osborne Reynolds, i relaciona els termes d’inèrcia i viscositat. Aquest és utilitzat en la dinàmica de fluids.
El coeficient del nombre de Reynolds, es pot definir de dues maneres:
𝑅𝑒 = 𝜌𝑣𝑠𝑙𝑐
𝜇 𝑅𝑒 = 𝑣𝑠𝑙𝑐 𝜈
On sabem que, 𝜌 és la densitat del fluid, 𝑣𝑠 la velocitat característica del fluid, 𝑙𝑐 la longitud de la corda del perfil alar, 𝜇 és la viscositat del fluid; i 𝜈 és la viscositat cinemàtica del fluid, la qual té la següent expressió:
𝜈 =𝜇 𝜌
Aquest nombre també s’utilitza per identificar els diferents règims de flux, com son el flux laminar i el flux turbulent.
- El flux laminar, es caracteritza per un fluid que presenta un moviment perfectament ordenat, suau i constant, de manera que es pot veure com el fluid es mou en làmines paral·leles. Es diu que aquest flux es aerodinàmic, i es veu present quan les forces viscoses són dominants. El flux laminar presenta nombres de Reynolds baixos. Sabem que un flux és laminar quan es compleix que 𝑅𝑒 < 2300.
Figura 3: Flux laminar.
- La zona de transició de laminar a turbulent transcorre entre 2300 < 𝑅𝑒 < 400.
- El flux turbulent, presenta nombres de Reynolds elevats i a diferència del flux laminar, aquest és dominat per les forces inercials. Es caracteritza per presentar moviments caòtics, on les partícules es mouen de manera desordenada i la seva trajectòria forma petits remolins aleatoris. Sabem que un flux és turbulent quan es compleix que 𝑅𝑒 > 4000.
Figura 4: Flux turbulent.
2.3. Nombre de Mach.
El nombre de Mach, és un nombre o coeficient adimensional. Va ser descobert pel físic austríac Ernst Mach. Aquest va descobrí la relació entre la velocitat a la qual es desplaça un cos en un fluid o medi determinat (en la majoria dels casos l’aire) i la velocitat del so en el mateix medi. L’expressió del nombre de Mach, és la següent:
𝑀 = 𝑉 𝑉𝑠
On sabem que 𝑀 correspon al nombre de Mach, 𝑉 és la velocitat de l’objecte en un medi determinat, i 𝑉𝑠 és la velocitat del so en el mateix medi, on normalment aquest medi és l’aire, i la seva velocitat de propagació és de 343,2 𝑚/𝑠 aproximadament.
En aeronàutica la velocitat d’una aeronau es pot expressar segons el seu nombre de Mach, ja que la velocitat expressada en termes del coeficient de Mach depèn de la velocitat del so en l’atmosfera, i aquesta varia segons els factors de temperatura i altura.
Així doncs, les velocitats es poden classificar segons el seu nombre de Mach, com ara:
- Mach 1, correspon a la velocitat del so.
- Mach 2, és el doble de la velocitat del so.
- Mach 0’5, correspon a la meitat de la velocitat del so.
També, gràcies al nombre de Mach i de la classificació de les velocitats, es poden classificar els fluxos d’aire en cinc tipologies diferents:
Velocitats Tipus de flux d’aire Nombre de Mach Velocitat subsònica Flux Subsònic 𝑀 < 0,7 Velocitat transsònica Flux transsoònic 0,7 < 𝑀 < 1,2
Velocitat sònica Flux sònic 𝑀 = 1
Velocitat supersónica Flux supersònic 1,2 < 𝑀 < 5 Velocitat hipersònica Flux hipersònic 𝑀 > 5
Taula 1: Relació entre el numero de Mach, la velocitat i el flux de l’aire.
Les aeronaus comercials acostumen a volar en velocitats de creuer properes a 𝑀𝑎𝑐ℎ 0,75, així segons el nombre de Mach, les velocitats d’aquestes aeronaus es poden classificar en subsòniques i transsòniques.
2.4. Teoria de la Capa Límit.
En la mecànica de fluids, la zona on el moviment del fluid es veu pertorbat per la presència d’un cos sòlid amb el qual està en contacte, es a dir, la zona de contacte entre el fluid i el sòlid, s’anomena capa límit.
En aquesta zona, actuen les forces degudes a la viscositat del fluid, ja que exerceixen una gran influència en el moviment tant del fluid com el del cos sòlid.
La capa límit s’estudia per analitzar les variacions de velocitats entre el fluid i el cos sòlid que es mou a través d’aquest. La presència d’aquesta capa és deguda principalment entre altres factors a l’existència de la viscositat, la qual és una propietat de qualsevol fluid. La viscositat del fluid, és la causant de què el cos sòlid que es mou a través del fluid provoqui una variació en les línies de corrents més pròximes al cos.
El gruix de la capa límit varia al llarg de la superfície del perfil alar, en la vora d’atac el gruix és petit, però va en augment al llarg de tot el perfil. Tot hi així, el gruix pot canviar depenen de la forma del cos sòlid.
Aquesta pot ser laminar o turbulenta, tot hi que també poden coexistir zones on es trobi en una zona de fluid laminar i turbulent.
Figura 5: Regions e la capa límit.
Una capa límit laminar en el cas d’un cos en moviment, proporciona una menor resistència al moviment, a causa de això el despreniment de la capa límit en regim laminar es dóna amb més facilitat.
Figura 6: Variació de la velocitat en la capa límit laminar.
Una capa límit turbulenta proporciona una major resistència al moviment.
Figura 7: Variació de capa límit laminar a turbulenta.
En l’aviació comercial, és d’utilitat optar per perfils alars que generi una capa límit turbulenta, ja que roman adherida al perfil alar a majors angles d’atac, evitant així que el perfil entri en pèrdues.
2.5. Dinàmica de Fluids Computacional.
Resoldre un problema aerodinàmic resulta ser de gran complexitat, ja que com s’ha esmentat anteriorment, realitzant models de camp de fluid la gran majoria de vegades només aconseguim donar un resultat aproximat. Per donar un resultat més precís és de gran ajuda realitzar simulacions per ordinador, assajos pràctics, etc. Una manera de poder dur a terme aquests assajos, és mitjançant la dinàmica de fluids computacional o també anomenada CFD.
La dinàmica de fluids computacional, és una branca de la mecànica de fluids. Aquesta utilitza mètodes numèrics i algoritmes per analitzar i resoldre problemes relacionats amb el flux dels fluids.
Per tal de poder realitzar els càlculs, s’utilitzen ordinadors, i així poder simular la interacció dels fluids gasosos i líquids amb superfícies complexes definides per les condicions requerides segons la simulació. Tot i la contínua investigació i la incorporació de programaris (software) que han permès l’augment de la velocitat de càlcul i la disminució del marge d’error, juntament permetin analitzar situacions cada vegada molt més complexes, en algunes ocasions, com hem dit abans, a causa de la complexitat dels càlculs i de simular la realitat, els resultats poden ser aproximats.
Els mètodes de càlcul mitjançant la dinàmica de fluids computacional, tracta de discretitzar una regió de l’espai creant el que es coneix com una malla espacial, de tal manera que es divideix una zona de l’espai en petits volums de control. Seguidament es resolen en cada subzona les equacions de conservació discretitzades, de tal manera que s’obté una matriu algebraica de cada cel·la i es resol de forma iterativa fins que el residu és prou petit per tal de minimitzar l’error.
Una gran quantitat de problemes plantejats amb programaris d’ús de CFD, utilitzen les equacions de Navier-Stokes per tal de realitzar la solució del problema. Aquestes defineixen el comportament del corrent del fluid per cada estat, sigui aquest líquid o gasos.
Les equacions de Navier-Stokes, tracten d’un conjunt d’equacions amb derivades parcials, les quals no són lineals, que descriuen el moviment d’un fluid. Aquestes equacions les obtenim aplicant els principals principis de la termodinàmica i la mecànica al volum d’un fluid. Seguidament sí s’apliquen certes consideracions, es pot obtenir la formulació diferencial, ja que aquesta es més útil per resoldre problemes en la branca de la mecànica de fluids.
𝜌𝐷𝑢𝑖
𝐷𝑙 = 𝜌𝑓𝑖 −𝜕𝑃
𝜕𝑥𝑖+ 𝜕
𝜕𝑥𝑗[2𝜇(𝑒𝑖𝑗− Δ𝛿𝑖𝑗/3)]
Les equacions de Navier-Stokes no tenen solució analítica, per tant per aplicacions pràctiques, aquestes es resolen de manera numèrica mitjançant ordinadors, els quals permeten fer les simulacions.
Com s’ha dit anteriorment, els programaris d’ús de CFD, utilitzen diferents mètodes de discretitzaió d’una regió de l’espai. Uns dels mètodes de discretització més utilitzats són els següents:
- El mètode de volums finits, té com a avantatges l’ús de memòria i la velocitat de resolució, en concret per dur a terme la resolució de problemes amb fluxos turbulents amb coeficients de Reynolds elevats. Aquest mètode és molt adequat a l’hora de realitzar estudies sobre fluids.
- Mètode d’elements finits, concretament s’utilitza en l’anàlisi estructural de cossos sòlids, però també és aplicable en fluids. Aquest pot requerir més memòria i temps de resolució més lents.
3. DISSENY DEL VEHICLE D’AERONAVEGACIÓ.
Per tal de poder realitzar la simulació amb un programari de CFD, primer de tot s’ha de realitzar el disseny 3D del vehicle d’aeronavegació.
El disseny del vehicle és dura a terme amb un programa de disseny 3D anomenat SolidWorks, el qual permetrà realitzar un model CAD del model real, mitjançant el mètode de modelització de superfícies.
3.1. Elecció del vehicle d’aeronavegació.
Realitzant un seguit de recerques d’informació per tal d’escollir el millor vehicle, i per tant poder realitzar un bon model CAD i una bona simulació, finalment s’ha escollit un vehicle d’aeronavegació d’ala fixa.
El model és de la marca italiana Tecnam, en concret el model p96 “golf” (figures 8 i 9).
Figura 8: Tecnam P96 “golf”.
Figura 9: Vol realitzat amb l’avioneta Tecnam P96 “golf”.
3.2. Disseny CAD del Tecnam p96 “golf”.
Per poder realitzar el model CAD el màxim realista possible, d’un vehicle real que ja ha sigut dissenyat, és important poder treballar amb les vistes adequades pel disseny. En aquest cas es requereix de alçat, planta, perfil i vista posterior ( figures 10, 11, 12, 13).
Figura 10: Vista en alçat.
Figura 11: Vista en planta.
Figura 12: Vista de perfil.
Figura 13: Vista posterior.
També és necessari poder realitzar el disseny a partir d’unes condicions de contorn, per així poder col·locar les vistes en la posició adequada.
MESURES REALS i DEL MODEL CAD ALÇADA 2300 mm LLARGDA 6400 mm AMPLADA 8400 mm
Taula 2: Condicions de contorn del P96 “golf”.
Amb les vistes proporcionades anteriorment, és realitza un croquis amb la posició adequada i així poder procedir amb el disseny del model mitjançant el mètode de superfícies del programa de disseny 3D SolidWorks.
Figura 14: Vistes col·locades en posició de treball.
3.2.1. Disseny de la superfície del vehicle.
La creació de la superfície del model, a partir del croquis, es durà a terme mitjançant projeccions de corbes guies en les diferents vistes i així obtenir una superfície el màxim semblant possible al model real.
Primer de tot es crearà la superfície superior del vehicle començant per la part davantera de l’avió, i així poder utilitzar aquesta superfície com a guia per seguir formant la resta del cos.
Figura 15: Projecció de la superfície.
Això s’ha dut a terme mitjançant el comandament “Croquis 3D”. Com hem dit anteriorment s’han de realitzar les corbes guia, ja que són les que formen els límits de les superfícies. Les corbes guia s’han realitzat amb el comandament “Spline” i se’ls hi ha donat la forma pertinent segons el croquis. Tot seguit utilitzant el mòdul de “superfícies” i la funció “recobrir”, podrem seleccionar les corbes guia i es mostrarà en pantalla la superfície projectada desitjada com es pot veure a continuació.
Figura 16: Realització de la superfície amb el comandament recobrir.
Abans de realitzar la superfície de les ales principals del vehicle i les ales de la cua, ja que són les més complicades de realitzar degut a la seva situació en el pla, s’ha hagut de realitzar la part superior del perfil del P96 “golf”, tal com es mostrarà a continuació.
Figura 17: Superfície del perfil superior.
Un cop es té la part superior del perfil, es procedeix a realitzar les ales posteriors, i tot seguit les ales principals del model.
Figura 18: Superfície ala posterior.
Amb la realització de la superfície de les ales, es procedeix a cobrir la superfície lateral restant, mitjançant el mateix mètode que s’ha dut a terme durant tot el procés del disseny CAD.
Figura 20: Vista de la superfície del model.
Degut a la difícil geometria del model, el lateral del vehicle s’ha hagut de dividir en petites superfícies com es veu en la figura anterior, ja que realitzant una única corba guia i recobrint amb una sola superfície ha resultat impossible i sorgien errors.
El p96 “golf” és un model simètric, per tant només s’ha realitzat el disseny d’un dels perfils, ja que mitjançant operacions de simetria que veurem posteriorment, podrem obtenir el resultat del model desitjat.
Cal comentar que per poder dur a terme la simulació amb un programari de CFD, es necessari que el model CAD sigui un cos sòlid i no una superfície. Per tant a continuació es procedirà a recobrir la part posterior del cos, es a dir, tancar la superfície oberta que s’ha pogut veure fins ara. I posteriorment, utilitzant l’operació “coser superficie” el disseny passa de ser una superfície a un cos sòlid.
Figura 21: Vista de la superfície posterior del perfil.
Figura 22: Panell de control de la operació “coser superficie”.
Com s’ha comentat anteriorment, al ser un model simètric, per obtenir el disseny complet només és necessari realitzar una operació anomenada “simetria”, amb aquesta operació obtindrem el model sencer, i tornant a realitzar l’operació “coser superficie” obtindrem el model totalment sòlid.
Figura 23: Operació de simetria.
Un cop feta l’operació esmentada, la qual es pot veure perfectament en la imatge anterior (figura 23), obtenim ja el model acabat, com es mostra en la següent imatge.
Figura 24: Model CAD del P96 GOLF acabat.
4. SIMULACIÓ DEL VEHICLE D’AERONAVEGACIÓ.
La simulació del vehicle d’aeronavegació, exactament del model Tecnam P96 “golf”, es porta a terme amb el programa de simulació amb CFD, anomenat ANSYS 19.2.
Amb aquest programa, concretament simularem el comportament del flux d’aire a través del model CAD dissenyat anteriorment (apartat 3), per així veure les pressions i les forces que aquest provoca a la superfície del vehicle.
En aquest projecte es duen a terme tres simulacions, ja que es vol estudiar les reaccions que apareixen en les tres situacions de vol, és a dir, vol de creuer, vol d’enlairament i vol d’aterratge.
L’ANSYS 19.2, és un programari que es dedica a la simulació de variables fisiques. En el cas d’aquest projecte, s’utilitza per a la simulació de fluids. És un programari de CFD, que com s’ha explicat anteriorment ( apartat 2.5) utilitza el mètode de volums i elements finits, juntament amb les equacions de Navier-Stokes. Aquest programari és molt útil per a enginyers, tant per realitzar anàlisis de fluids com anàlisis estructurals.
Per poder començar amb la simulació cal tenir en compte que aquest programari no accepta arxius en format CAD (en format .SLDPRT), per tant em de convertir l’arxiu CAD en un arxiu en format “.igs”, ja que aquest és vàlid per realitzar una lectura amb l’ANSYS.
4.1. Pre-processament.
4.1.1. Volum de control.
Tot el pre-processament correspon a la importació del model CAD, generar un volum de control i el mallat d’aquest, en el qual és dura a terme la simulació.
Per poder realitzar aquest pre-processament, és important entendre el panell de control que ens mostra el programari utilitzat.
Figura 25:Panell de control ANSYS.
Com es pot veure en al figura 25, Ansys proporciona un panell de control per poder dur a terme les operacions. Aquest està format per una barra d’eines anomenada “toolbox”.
Aquí es poden trobar els diferents anàlisis que es poden realitzar en l’apartat de “Analysis Systems” i les diferents components que se’ls hi poden afegir a l’anàlisi desitjat en l’apartat de “component Systems”.
Primer de tot com ja s’ha esmentat, cal importar la geometria del cos sòlid, es a dir el nostre vehicle d’aeronavegacio en format “.igs”. Per poder realitzar la importació utilitzarem el comandament “Geometry”, el qual el trobarem a “Components Systems”. Si es selecciona aquest comandament, es pot treballar sobre ell en el panell de control i així importar la geometria del model que es troba en un els diferents arxius de l’ordinador.
Sempre que el programa efectuí bé totes les operacions, ens apareixerà un símbol verd, verificant que ha sigut possible realitzar l’operació, com és el cas de la importació de la geometria. Aquest procés es pot veure en la següent imatge (figura 27).
Figura 27: Verificació de la importació del model.
Per poder generar el volum de control, que és on es durà a terme la simulació, és a dir, aquest farà la funció d’un túnel de vent, primer de tot cal duplicar la geometria importada (figura 28), ja que al voltant del model del vehicle es generarà el volum de control.
Figura 28: Duplicat de la geometria.
Figura 29: Menú del Volum de control.
Si es selecciona la funció de “Edit geometry in DesignModeler” com es pot veure en la figura 29, es pot accedir als comandaments per crear el volum de control desitjat. Dins del menú “DesignModeler”, s’importa el model del vehicle per poder-lo visualitzar en pantalla mitjançant la funció “import1” i “generate”. Un cop es pot veure el model, utilitzant la funció “sketching” es pot crear el disseny del volum de control i un cop dissenyat l’extruim.
Aquest sempre ha de ser més gran que el model del vehicle, per així facilitar que el flux del fluid passi per tota la superfície del vehicle.
Figura 30: Panell de comandaments.
Figura 31: Estructura del volum de control.
En els tres casos de simulació les mesures del volum de control, són sempre les mateixes.
MESURES DEL VOLUM DEL CONTROL
AMPLADA 21,476 m
ALÇADA 9,2785 m
PROFUNDITAT 12 m
Taula 3: Condicions de contorn del volum de control”.
El model del vehicle es troba situat al mig del volum de control desplaçat 4 metres de la paret davantera.
El volum de control és de grans dimensions, ja que ha el vehicle d’aeronavegació escollit també consta de grans dimensions.
Per finalitzar en l’apartat de “DesignModeler”, s’ha de sostreure el perfil tant del volum de control com del model utilitzat. Aquesta operació es realitza mitjançant el comandament
“boolean”
Figura 32: funció boolean del apartat DesignModeler.
Com s’ha dit anteriorment l’operació necessària és “substrat”, i s’ha d’indicar quins cossos es volen sostreure. En aquest cas es vol sostreure el “target bodies” que és el volum de control, i el “tool bodies” que és el perfil del model.
4.1.2. Mallat.
El mallat del volum de control i el model del vehicle, es realitza en l’apartat “Analysis Systems” amb el comandament “Fluid Flow(Fluent)”, situat en el panell de control principal, justament com es veu en la figura 34.
Figura 34: Menú d’operacions Fluid Flow.
En l’apartat de “Flui Flow(fluent)” és demana una geometria, que en aquest cas és la geometria del volum de control. Així doncs només cal importar la geometria en aquest nou apartat.
Un cop importada la geometria, ja es pot accedir a realitzar el mallat.
En el menú de “Meshing”, es pot visualitzar un panell de control, en el qual es poden realitzar totes les modificacions necessàries per obtenir el mallat desitjat (figura 35). En el cas de la simulació d’aquest projecte, és necessari tenir un mallat el màxim de petit possible per així poder garantir uns resultats amb el mínim error possible. Per tant es selecciona un mallat fi, i el programari per defecte realitza el mallat adequat per la simulació. Si fos necessari, un cop generat el mallat, es podria modificar manualment.
Figura 35: Panell de control de mallat.
Un cop estan totes les especificacions del mallat introduïdes, utilitzant el comandament
“generate”, es genera el mallat i es mostra en pantalla.
Figura 36: Mallat del volum de control i del model.
Amb el mallat generat, es poden nomenar les parets del volum de control com
“ENTRADA” i “SALIDAS”, per més endavant poder indicar el sentit del corrent del fluid, és a dir, per on entra i per on surt l’aire. La paret del volum de control que anomenem entrada, ja que és per on entra el fluid, és la paret davantera del volum de control, l’alçat.
La resta de parets les anomenarem sortides, per així poder fer que el fluid circuli lliurement.
Figura 37: Entrada del volum de control.
.
Figura 38: Sortides del volum de control.
4.1.3. Setup.
En aquest apartat anomenat “setup”, situat al menú de “Fluid Flow”, s’han d’introduir els paràmetres físics per poder realitzar els càlculs de la simulació.
Quan es selecciona la funció “setup”, apareix en pantalla la imatge (figura 39) que es mostrarà a continuació. Simplement s’ha d’indicar la dimensió de la simulació, en aquest cas en 3D, i seleccionem “Double precision” per així obtenir uns resultats molt més precisos. Les altres opcions vénen seleccionades per defecte en el programari.
Abans de realitzar els càlculs, es comprova que les condicions dels materials que venen per defecte són les necessàries per aquest projecte. Com a fluid necessitem aire, i com a material alumini. Aquestes comprovacions es realitzen en el panell de control del menú
“setup”.
Figura 40: Comprovació dels materials.
Per poder continuar amb la resolució, s’han d’establir les condicions de contorn, anomenades “Boundary Conditions”.
Figura 41: Condicions de contorn.
Primer de tot, s’introduiran les condicions de contorn a l’entrada (apartat 4.1.2). En aquest cas només introduirem com a factor la velocitat, la qual és la velocitat de creuer del vehicle i és de 51,38 𝑚/𝑠.
Figura 42: Condicions d’entrada.
Tot seguit s’introdueixen les condicions de contorn a les sortides (apartat 4.1.2). Només s’aplicarà una pressió de 0 Pa, per així poder fer que el fluid disposi de completa llibertat de moviment.
Just abans de realitzar els càlculs, es realitza una comprovació de la malla, seleccionant la icona “Check”, ja que així el programa pot comprovar si hi han possibles errors en el mallat. Tot seguit seleccionant la icona “Quality” es pot realitzar una millora automàtica de la malla, realitzada per el programari.
Figura 44: Configuració per realitzar una millora del mallat.
Com es vol realitzar una simulació el més correcte possible, s’indica que el fluid utilitzat, en aquest cas l’aire, consta de viscositat k-omega, ja que volem que el flux sigui turbulent.
Això es pot realitzar seleccionant “viscous” i és mostra el següent menú en pantalla on es pot seleccionar la viscositat desitjada.
Figura 45: Configuració de la viscositat.
Un cop ja s’han introduït tots els paràmetres, es procedeix a realitzar els càlculs, els quals es poden dur a terme en el panell de control del menú “setup” en l’apartat “Run Calculation”. Si es selecciona aquest apartat, abans de realitzar els càlculs finals, i seleccionant la funció “solution initialization” es podrà buscar quin marge d’error poden tenir els càlculs. Quan ja s’ha realitzat aquest petit procés de càlcul de 10 iteracions, ja es pot procedir a realitzar el càlcul final.
Per realitzar els càlculs finals només és necessari seleccionar la funció “Run Calculate”.
Es mostrarà en pantalla el panell de control, en el qual només s’ha d’indicar el nombre d’iteracions que es creguin necessàries. Per realitzar uns càlculs lo més precisos possibles, es realitzaran 100 iteracions.
Figura 46: Panell de control “Run Calculate”.
Com s’ha comentat anteriorment si tots els processos de simulació i càlcul s’han realitzat correctament, en el panell de control principal, podrem veure que tots els menús tenen un verificat de color verd com és el cas.
Figura 47: Comandaments utilitats durant la simulació.
Els resultats de les tres simulacions diferents, es poden visualitzar en el post- processament del programari.
5. POST-PROCESSAMENT.
Els resultats obtinguts en el pre-processament, es poden visualitzar en el post procés, el qual també es duu a terme amb el programari ANSYS 19.2.
L’objectiu del post-processament és obtenir el resultat de les pressions i les forces generades pel fluid en els tres casos de simulació, juntament amb els gràfics de contorn de pressió en el vehicle i l’Streamline de velocitat del fluid. En aquest últim sempre visualitzarem la velocitat d’entrada que hem introduït en les variables físiques del fluid, sempre depenen de les condicions del vol, però el que sí que podrem veure és com es comporten les línies del flux del fluid.
Per poder obtenir els resultats de les forces resultants en pantalla, es selecciona la comanda “solution”.
Figura 48: Comandament utilitzat en el post-processament.
En el panell de control del comandament “solution”, es selecciona la comanda “reports” i dintre d’aquest es selecciona “force”.
A continuació apareix en pantalla el menú de configuració de forces. Per obtenir les forces desitjades s’han d’introduir les coordenades de manera vectorial (x, y, z). La força de sustentació correspon a les coordenades (0, 1, 0) i la força de resistència aerodinàmica correspon a les coordenades (0, 0, 1).
Figura 50: Configuració de la visualització de les forces.
Un cop realitzada la configuració de les forces (figura 50), la solució apareix per pantalla juntament amb la pressió.
Per finalitzar aquest procés, només falta obtenir els gràfics, i per això és necessari utilitzar el menú e “Results”.
Figura 51: Comandament utilitzat en el post-processament.
En aquest cas apareix un menú de control, i només és necessari seleccionar els gràfics desitjats perquè es visualitzin en pantalla (figura 50).
Figura 52: Exemple de selecció dels gràfics.
5.1. Post-processament del vol d’enlairament.
En aquest cas, en la simulació del pre-processament del model del vehicle d’aeronavegació P96 “golf”, se li han aplicat els paràmetres indicats a continuació (taula 4).
PARAMETRES INICIALS VELOCITAT D’ENTRADA 26,38 m/s ANGLE D’INCLINACIÓ CAD 18º
Figura 53: Model CAD en l’enlairament.
A continuació es mostren les gràfiques de contorn de pressió i Streamline.
Figura 54: Gràfic de contorn de pressió.
Tal com s’observa en el gràfic, en tota la superfície del vehicle hi ha la mateixa pressió.
Això ens deixa veure que en el moment de l’enlairament no existeix l’efecte aerodinàmic.
Figura 55: Gràfic Streamline.
Cal destacar, tal i com s’observa en la figura 55, que el flux del fluid entra de manera estable en el volum de control, però aproximadament just a la meitat del vehicle es comença a crear una pertorbació. Aquesta pot ser deguda a causa del funcionament del motor i la velocitat que obté el vehicle arran de terra.
A continuació es mostren les force i pressions obtingudes amb el càlcul de la simulació (taules 5 i 6).
FORÇA DE SUSTENTACIÓ [N] PRESSIÓ [Pa]
4992,1874 N 5032,2523 Pa
Taula 5: Força de sustentació i pressió .
FORÇA DE RESISTENCIA
AERODINÀMICA [N] PRESSIÓ [Pa]
-988.19795 N -937,2132 Pa
5.2. Post-processament del vol de creuer.
En aquest cas, en la simulació del pre-processament del model del vehicle d’aeronavegació P96 “golf”, se li han aplicat els paràmetres indicats a continuació (taula 7).
PARAMETRES INICIALS VELOCITAT D’ENTRADA 51,38 m/s
Taula 7: Paràmetres inicials en el vol creuer.
Figura 56: Model CAD en el vol creuer.
Les gràfiques de contorn de pressió i Streamline, per al model en velocitat de creuer, es mostren a continuació.
Figura 57: Gràfic de contorn de pressió.
Pel que fa a la figura 57, podem veure que els punts amb major pressió coincideixen amb les vores d’atac del vehicle, és a dir on incideix directament el fluid, i en la part inferior del model, concretament en la part inferior de les ales. Això permetria que el model és pogués mantenir en vol amb el motor parat, ja que en tenir més pressió a la part inferior del cos també hi haurà una major sustentació.
Figura 58: Gràfic Streamline.
En el cas del vol a velocitat de creuer, s’observa que les línies de flux de corrent són estables, això vol dir que en aquest cas sí que hi ha efecte aerodinàmic. Només es veu la presència d’una molt petita pertorbació a la part posterior del model, i això pot ser degut a les diferents formes en la superfície del cos.
FORÇA DE SUSTENTACIÓ [N] PRESSIÓ [Pa]
1517,9163 N 1517,4874 Pa
Taula 8: Força de sustentació i pressió .
FORÇA DE RESISTENCIA
AERODINÀMICA [N] PRESSIÓ [Pa]
-723,99758 N -642,52533 Pa
5.3. Post-processament del vol d’aterratge.
Tot seguit en la taula 10, es mostren els paràmetres inicials establerts pel model CAD en l’estat de vol d’aterratge.
PARAMETRES INICIALS VELOCITAT D’ENTRADA 22,2 m/s ANGLE D’INCLINACIÓ CAD -16º
Taula 10: Paràmetres inicials en l’aterratge.
Figura 59: Model CAD en el vol d’aterratge.
A continuació en les figures 60 i 61, es mostren els gràfics de contorn de pressió i Streamline.
Figura 60: Gràfic de contorn de pressió.
Coincidint amb el cas de vol de creuer (apartat 5.2), els punts de màxima pressió coincideixen amb els punts d’incidència directa del fluid amb el model, és a dir amb les vores d’atac. També cal destacar que en general tota la part superior del model hi exerceix una pressió que pot ser deguda a la mateixa inclinació del vehicle. Aquesta ajuda a duu a terme la maniobra d’aterratge.
Les línies de corrent del fluid deixen veure les petites turbulències en la part inferior del model, això és degut a la inclinació del propi model.
FORÇA DE SUSTENTACIÓ [N] PRESSIÓ [Pa]
-1916,4436 N -1918,3642 Pa
Taula 11: Força de sustentació i pressió .
FORÇA DE RESISTENCIA
AERODINÀMICA [N] PRESSIÓ [Pa]
-841,11941 N -826,34913 Pa
Taula 12: Força de resistència aerodinàmica i pressió .
6. ANÀLISI DELS RESULTATS.
Amb els resultats obtinguts en el post-processament, es realitza una comparació dels resultats en cada situació de vol, per així, poder veure si aquests compleixen les mateixes característiques que en un vol real.
En el cas d’un vol real, el moment on es contemplen els valors més grans de les forces i pressions, és just en el moment on el vehicle comença a enlairar-se, és a dir, on una part del cos encara està en contacte amb el terra. En aquest punt com hem pogut veure en l’apartat anterior, el post-processament, no existeix el factor aerodinàmic, és a dir el vehicle no és podria enlairar només amb les forces i pressions que l’afecten, aquest només s’enlaira gràcies a la força de propulsió del motor i a la velocitat adquirida prèviament arran de terra abans de posicionar-se amb la inclinació adequada, la qual és de aproximadament 18º.
Cal destacar, que el factor aerodinàmic si què està present en el vol de creuer i el vol d’aterratge, ja que en aquests dos casos, si el vehicle és manté a una velocitat constant sense moltes variacions i turbulències, podria mantenir-se en vol perfectament amb el motor només proporcionant una força que compensi a la de la resistència, ja que en aquests casos el motor només proporcionaria variacions en la propulsió del vehicle, és a dir, variacions en la seva velocitat.
En el cas del vol d’enlairament i el vol de creuer, les forces de sustentació i de resistència aerodinàmica juntament amb les seves respectives pressions, seguin uns eixos de coordenades (x, y, z) s’han de representar de la següent manera:
- Força i pressió de sustentació, en posició vertical i en sentit positiu.
- Força i pressió de resistència aerodinàmica, en posició horitzontal i en sentit negatiu.
Pel que fa a el vol d’aterratge, seguint els mateixos eixos de coordenades esmentats anteriorment, la pressió i força de sustentació es trobarien en posició vertical però a diferencia dels altres dos casos, aquestes es trobarien en sentit negatiu, ja que a causa de la posició descendent del vehicle les forces i pressions afecten a la superfície superior d’aquest. La pressió i força de resistència aerodinàmica es trobarien en posició horitzontal i en sentit negatiu, exactament com els dos casos anteriors.
Seguin amb els resultats obtinguts en la simulació, els quals es poden veure en la taula 14, per a les tres situacions estudiades. Es pot dir que compleixen exactament totes les condicions esmentades per a un vol real.
Taula 13: Comparació dels resultats depenen de l’angle d’inclinació
Per tant es pot garantir que els resultats obtinguts en la simulació són molt satisfactoris tot hi que hi ha falta de precisió en els valors numèrics. En l’apartat 7, que és mostra a continuació, s’esmenten una sèrie de propostes aplicables per a qualsevol estudi de l’àmbit de l’aerodinàmica, per tal de poder millorar aquests resultats en futures simulacions.
Descripció del vol
Descripció de les variables Força Sustentació
[N]
Força Resistència [N]
Pressió Sustentació [Pa]
Pressió Resistència [Pa]
Vol enlairament
(18º) 4992,1874 N -988.19795 N 5032,2523 Pa -937,2132 Pa Vol creuer (0) 1517,9163 N -723,99758 N 1517,4874 Pa -642,52533 Pa Vol aterratge (-16) -1916,4436 N -841,11941 N -1918,3642 Pa -826,34913 Pa
7. ASPECTES A MILLORAR.
Un cop finalitzada la simulació i obtinguts els resultats de les forces, pressions i velocitats, es porta a terme una valoració sobre quins aspectes cal millorar per així obtenir un estudi molt més precís i ajustat a la realitat.
Primer de tot, caldria millorar el disseny CAD, utilitzant programaris de disseny 3D molt més precisos com podria ser CATIA. Tot hi així, cal tenir en compte que el resultat obtingut amb el programa SOLIDWORKS és molt satisfactori i gratificant.
La millora dels plànols i haver obtingut un acabat en aquests amb molta més resolució i menys error, suposaria un acabat molt més precís en la resolució del model en format CAD, ja que cal tenir en compte que la geometria del model és molt complicada de realitzar, i com més exactes siguin els plànols, el resultat obtingut serà molt més ajustat a la realitat.
També seria necessari millorar el mallat utilitzat en el pre-processament. En les tres simulacions realitzades el mallat utilitzat, ha sigut un mallat fi, sobretot pel que fa al model del vehicle, i això ha fet que els resultats obtinguts siguin satisfactoris, però sempre es poden millorar. Per tant la millor solució seria fer un mallat encara més precís, com ara un mallat de 0,01 o 0,015 metres d’aresta, tant en el volum de control com en el model del vehicle.
Un cop millorades les condicions anteriors, seria molt satisfactori augmentar el temps de càlcul, en aquest projecte s’han realitzat 100 iteracions de càlcul per a cada una de les tres simulacions. Com més iteracions és realitzin més precís serà el càlcul, per tant augmentar el càlcul a 500 iteracions seria més que suficient per millorar els resultats i que aquests tinguessin un error molt més petit. Això comportarà que el temps de simulació i de càlcul també augmenti.
Per últim, seria una gran millora utilitzar angles més precisos per al model en cada situació de vol estudiada. És molt difícil obtenir un valor exacte, ja que aquest varia sempre i només es poden obtenir aproximacions.
8. ESTUDI TEMPORAL DEL PROJECTE.
Una vegada realitzat el projecte, es duu a terme un estudi temporal d’aquest, per així poder visualitzar les hores de dedicació. En aquest, també es pot veure com ha estat distribuïda la realització del treball.
Descripció de la distribució Temps de dedicació (hores)
Estructuració del projecte 10 h
Obtenció de la informació 25 h
Disseny CAD P96 golf SolidWorks 100 h
Aprenentatge d’ús de ANSYS 40 h
Pre-processament ANSYS 95 h
Post-processament ANSYS 82 h
Redacció de la memòria 75 h
Revisió final del projecte 12 h
TOTAL 439 h
Taula 14: Descripció del temps de dedicació del projecte .
Com es pot observar en la taula 14, la part del projecte que ha portat més hores de dedicació ha sigut el disseny CAD del model, seguit del pre-processament i post- processament. Realitzar aquests apartats del treball ha suposat una gran dedicació en temps a causa de la falta de coneixements, sobretot en l’àmbit de CFD.
9. CONCLUSIONS
L’objectiu principal d’aquest treball era realitzar un estudi aerodinàmic basat en els vehicles d’aeronavegació d’ala fixa, i per tant, poder veure com es comporta el fluid que envolta el vehicle i quines reaccions apareixen a conseqüència d’aquest.
Un cop finalitzat el projecte, i observant els resultats obtinguts en el post-processament, com es pot veure en l’apartat d’anàlisi dels resultats, en el qual es duu a terme una comparació entre les simulacions realitzades i un cas real, podem concloure que els coneixements prèviament estudiats sobre dinàmica de fluids computacional han sigut adquirits, degut al bon resultat obtingut en les simulacions, ja que aquestes s’han dut a terme satisfactòriament. A més a més, amb les simulacions realitzades s’ha pogut veure com seria la funció que realitza un túnel de vent i com seria el procediment que es realitzaria a l’hora de treballar amb aquest.
Per realitzar aquest treball era necessari adquirí una formació prèvia sobre coneixements de modelització de superfícies amb SolidWorks, per així poder crear un model CAD, que fos el més precisi possible perquè el programa pogués fer una lectura correcta de la geometria del model i poder realitzar les simulacions.
Pel que fa a l’assoliment dels objectius, i un cop fet aquests raonaments previs sobre aquests i sobre els diferents aspectes treballats al llarg de tot el projecte, es pot afirmar que els objectius i coneixements s’han adquirit i complert perfectament.
Cal destacar, que la realització d’aquest projecte ha suposat un repte personal i a la vega molt gratificant.
Apassionada del món de l’aerodinàmica i del disseny CAD, poder realitzar aquest treball m’ha permès profunditzar en el camp de disseny i modelització CAD i aprendre nous mètodes de treball.
També m’ha permès veure com funciona la dinàmica de fluids computacional i aprendre a treballar amb software de CFD, ja que aquest últim era un camp totalment desconegut per a mi, i m’ha fet veure la importància de poder treballar amb aquests programes, ja que tenen multitud d’avantatges.
10. BIBLIOGRAFIA
Enciclopèdia. Definició d’aerodinàmica. [En línia]. [Consulta: 3 de desembre 2019].
Disponible a: https://www.enciclopedia.cat/ec-gec-0075209.xml
Wikipedia. Introducció a l’aerodinamica. [En línia]. [Consulta: 3 de desembre 2019].
Disponible a: https://es.wikipedia.org/wiki/Aerodin%C3%A1mica
La força de l’aire. [En línia]. [Consulta: 3 de desembre 2019]. Disponible a:
https://ddd.uab.cat/pub/ciencies/16996712n2/16996712n2p34.pdf
Manual de vuelo. Principios básicos. [En línia]. [Consulta: 3 de desembre 2019].
Disponible a: https://www.manualvuelo.es/1pbav/13_fuerz.html
Wikipedia. Coeficient de sustentació. [En línia]. [Consulta: 3 de desembre 2019].
Disponible a: https://ca.wikipedia.org/wiki/Coeficient_de_sustentaci%C3%B3
Wikipedia. Què és la sustentació? [En línia]. [Consulta: 3 de desembre 2019]. Disponible a: https://ca.wikipedia.org/wiki/Sustentaci%C3%B3
Wikipedia. Resistència aerodinàmica. [En línia]. [Consulta: 3 de desembre 2019].
Disponible a: https://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_aerodin%C3%A1mica
Definición ABC. Definicó de resistència aerodinàmica. [En línia]. [Consulta: 3 de desembre 2019]. Disponible a: https://www.definicionabc.com/motor/resistencia- aerodinamica.php
Wikipedia. Coeficientaerodinamic. [En línia]. [Consulta: 5 de desembre 2019]. Disponible a: https://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_aerodin%C3%A1mico
Wikipedia. Nombre de Reynolds. [En línia]. [Consulta: 5 de desembre 2019]. Disponible a:
https://ca.wikipedia.org/wiki/Nombre_de_Reynolds
Enciclopèdia. Definició Nombre de Reynolds. [En línia]. [Consulta: 5 de desembre 2019].
Disponible a: https://www.enciclopedia.cat/ec-gec-0055187.xml
Wikipedia. Definició flux laminar. [En línia]. [Consulta: 5 de desembre 2019]. Disponible a: https://ca.wikipedia.org/wiki/Flux_laminar
Wikipedia. Definició flux turbulent. [En línia]. [Consulta: 5 de desembre 2019]. Disponible a: https://ca.wikipedia.org/wiki/Flux_turbulent
Enciclopèdia. Definició Nombre de Mach. [En línia]. [Consulta: 5 de desembre 2019].
Disponible a: https://www.enciclopedia.cat/ec-gec-0038937.xml
Wikipedia. Ernst Mach. [En línia]. [Consulta: 5 de desembre 2019]. Disponible a:
https://ca.wikipedia.org/wiki/Ernst_Mach
Wikipedia. Velocitat del so. [En línia]. [Consulta: 6 de desembre 2019]. Disponible a:
https://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad_del_sonido
Enciclopèdia. Definició de la capa límit. [En línia]. [Consulta: 6 de desembre 2019].
Disponible a: https://www.enciclopedia.cat/ec-gec-0166621.xml
Wikipedia. Capa límit. [En línia]. [Consulta: 6 de desembre 2019]. Disponible a:
https://ca.wikipedia.org/wiki/Capa_l%C3%ADmit
Wikipedia. Dinàmica de fluids computacional. [En línia]. [Consulta: 6 de desembre 2019].
Disponible a: https://en.wikipedia.org/wiki/Computational_fluid_dynamics
Wikipedia. Descripció de les equacions de Navier-Stokes. [En línia]. [Consulta: 6 de desembre 2019]. Disponible a: https://ca.wikipedia.org/wiki/Equacions_de_Navier- Stokes#Les_equacions_de_Navier-Stokes
Youtube. Simulació aerodinàmica CFD. [En línia]. [Consulta: 6 de desembre 2019].
Disponible a: https://www.youtube.com/watch?v=RL4JLH-9Gmo&t=1050s
11. ANNEXOS
En aquests annexes és mostrarà informació d’interès i imatges amb resultats de càlculs obtinguts al llarg del procés, com també informes realitzats pel mateix programari de CFD, l’ansys.
11.1. Informació d’ús de P96 golf.
11.2. Gràfics d’iteracions.
11.2.1. Simulació vol d’enlairament.
Figura 62: Gràfic iteracions de càlcul vol d’enlairament.
11.2.2. Simulació vol de creuer.
Figura 63: Gràfic iteracions de càlcul vol de creuer.
11.2.3. Simulació vol d’aterratge.
Figura 64: Gràfic iteracions de càlcul vol d’aterratge.
11.3. Informes ANSYS.
11.3.1. Vol de enlairament.
11.3.2. Vol de creuer.
11.3.3. Vol d’aterratge.
