Análisis estacionario e inestacionario de perfiles aerodinámicos a números de Reynolds ultra-bajos (re<10000)
Date
2017Author
Antonelli, Dino P.
Advisor
Sacco, Carlos G.
Tamagno, José P.
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El propósito de este estudio es describir los fenómenos que se manifiestan en flujos
donde el número de Reynolds es ultra-bajo (Re <10000). Para lograr dicho estudio, se
utilizan técnicas matemáticas capaces de resolver las ecuaciones de Navier-Stokes para
flujo incompresible-laminar. El método de elementos finitos provee un apropiado proce-
dimiento de resolución, sin embargo debe tenerse en cuenta el problema que surge de
la hipótesis de incompresibilidad donde la ecuación de continuidad cambia su estado
de parabólico a elíptico. Para hacer frente a este problema, se utiliza el método de
Pasos Fraccionados, que resulta en un integrador temporal semi-implícito y para la
estabilización de los términos convectivo y de presión, se aplica el algoritmo Proyección
Ortogonal de Subescalas (OSS). Por otra parte, el movimiento de la malla de elementos
finitos se basa en la formulación ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) de las ecuaciones
de Navier-Stokes y se implementa mediante un algoritmo de resolución de la ecuación
de Poisson y optimización de la métrica de cada elemento de la malla.
Se presentan resultados útiles y básicos para describir el comportamiento de geome-
trías 2D en flujos estacionarios e inestacionarios a números de Reynolds ultra-bajos. Se
evalúan variaciones de parámetros geométricos, como la combadura y su posición sobre
la cuerda, la relación de espesor, diferentes formas del borde de ataque, etc. Además, se
estudia la ubicación del desprendimiento del flujo cercano al cuerpo, sus características
en función del número de Reynolds y como influye en los parámetros aerodinámicos de
mayor importancia. Posteriormente, se analizan diferentes cinemáticas de vuelo como
heaving, pitching, flapping y hovering, en las cuales se determinan las características
aerodinámicas de perfiles en función de parámetros adimensionales como el número de
Strouhal, el número de Reynolds y la frecuencia reducida.
The purpose of this study is to describe the phenomena that manifest themselves
in flows where Reynolds numbers are ultra-low (Re <10000). To accomplish this study,
mathematical techniques capable of solving the Navier-Stokes equations for laminarincompresible flows are used. It is noted that a solver based on the Finite Element
Method provides an appropriate resolution procedure, however, it must also be noted the problem that arise from the incompressible assumption: the continuity equation
change its status from parabolic to elliptic. To deal with this problem a Fractional Step
method which evolves toward a semi-implicit temporal integrator is used, and to handle
the convective and pressure terms the so called Orthogonal Subgrid Scale (OSS) algorithm is applied. In addition, the motion of the finite elements computational mesh is
based on the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) formulation of Navier-Stokes equations and through solving the Poisson equation and optimizing each element metric is
implemented. Basic useful results to describe the behavior of various 2D geometries at
steady and non-steady ultra-low Reynolds flows, are presented. Different geometric parameters like thickness ratio, mean lines camber, shape of leading edge, etc. were changed
and its effects evaluated. In addition, the flow detachment location, its features and the
impact on main aerodynamic properties are assessed. The behavior of several unsteady
flight dynamics like heaving, pitching, flapping and hovering were also analyzed and its
aerodynamic properties determined in terms of Strouhal numbers, reduced frequencies
and Reynolds numbers.
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