La búsqueda constante de la disminución de la resistencia en la industria aeronáutica ha llevado a los diseñadores a extender el flujo laminar más allá del borde de ataque de las superficies aerodinámicas, tales como alas, góndolas de motores, y estabilizadores verticales / horizontales. Sin embargo, la perjudicial e inevitable presencia de imperfecciones superficiales (e.g. escalones, ranuras, etc.) generalmente juega un papel fundamental en la posición donde ocurre la transición del flujo laminar a turbulento. Aunque las metodologías actuales, tales como Harmonic Linearized Navier-Stokes (HLNS) y Direct Numerical Simulations (DNS) pueden incluir la presencia de dichas irregularidades, el alto coste computacional limita su uso práctico para los estudios paramétricos requeridos en el proceso de diseño.
La metodología Adaptive Harmonic Linearized Navier-Stokes (AHLNS) para el análisis de estabilidad de capas límite compresibles y cuasi-tridimensionales ha sido desarrollada e implementada en un código numérico. Las ecuaciones AHLNS representan un método muy eficiente en casos donde grandes gradientes en la dirección de la corriente están presentes en la región de estudio (debido a la presencia de las anteriormente mencionadas irregularidades superficiales). Esta eficiencia se basa en aprovechar el carácter ondulatorio en dirección de la corriente de las inestabilidades convectivas del flujo a lo largo de la etapa de desarrollo lineal en el proceso de transición de laminar a turbulento.
Para ilustrar el uso de la metodología AHLNS, se ha elegido una configuración relativamente simple: un flujo compresible en una placa plana sin ningún gradiente externo de presión. Escalones (tanto hacia arriba como hacia abajo) y crestas de diferentes alturas, longitudes y formas (rectangulares o redondeadas) han sido estudiados. Los reducidos requisitos com- putacionales requeridos por el método AHLNS permiten incrementar el rango de variaciones paramétricas. Por tanto, se ha alcanzado una perspectiva más clara de los parámetros fundamentales que tienen una mayor influencia en la posición de la transición de flujo laminar a turbulento.
Finalmente, la aplicación de la actual versión del código AHLNS para aviones de grandes dimensiones en condiciones típicas de vuelo transónico ha sido exitosamente comprobada en varios proyectos europeos: NACOR (para góndolas laminares), HLFC-WIN (para alas en flujo laminar con control híbrido), y BLADE (para alas en flujo laminar). Sin embargo, únicamente se ha permitido la publicación de resultados del proyecto HLFC-WIN. Los resultados del análisis de estabilidad de la capa límite calculados con AHLNS sugieren que las tolerancias iniciales para las uniones de los diferentes elementos de las alas (en forma de ranuras superficiales) podrían aumentarse sin afectar la posición donde el flujo cambie de laminar a turbulento.
En resumen, esta tesis abre la posibilidad de incorporar la metodología AHLNS en el diseño de futuras alas laminares y alas híbridas laminares incluyendo el efecto de imperfecciones superficiales bidimensionales.
La búsqueda constante de la disminución de la resistencia en la industria aeronáutica ha llevado a los diseñadores a extender el flujo laminar más allá del borde de ataque de las superficies aerodinámicas, tales como alas, góndolas de motores, y estabilizadores verticales / horizontales. Sin embargo, la perjudicial e inevitable presencia de imperfecciones superficiales (e.g. escalones, ranuras, etc.) generalmente juega un papel fundamental en la posición donde ocurre la transición del flujo laminar a turbulento. Aunque las metodologías actuales, tales como Harmonic Linearized Navier-Stokes (HLNS) y Direct Numerical Simulations (DNS) pueden incluir la presencia de dichas irregularidades, el alto coste computacional limita su uso práctico para los estudios paramétricos requeridos en el proceso de diseño.
La metodología Adaptive Harmonic Linearized Navier-Stokes (AHLNS) para el análisis de estabilidad de capas límite compresibles y cuasi-tridimensionales ha sido desarrollada e implementada en un código numérico. Las ecuaciones AHLNS representan un método muy eficiente en casos donde grandes gradientes en la dirección de la corriente están presentes en la región de estudio (debido a la presencia de las anteriormente mencionadas irregularidades superficiales). Esta eficiencia se basa en aprovechar el carácter ondulatorio en dirección de la corriente de las inestabilidades convectivas del flujo a lo largo de la etapa de desarrollo lineal en el proceso de transición de laminar a turbulento.
Para ilustrar el uso de la metodología AHLNS, se ha elegido una configuración relativamente simple: un flujo compresible en una placa plana sin ningún gradiente externo de presión. Escalones (tanto hacia arriba como hacia abajo) y crestas de diferentes alturas, longitudes y formas (rectangulares o redondeadas) han sido estudiados. Los reducidos requisitos com- putacionales requeridos por el método AHLNS permiten incrementar el rango de variaciones paramétricas. Por tanto, se ha alcanzado una perspectiva más clara de los parámetros fundamentales que tienen una mayor influencia en la posición de la transición de flujo laminar a turbulento.
Finalmente, la aplicación de la actual versión del código AHLNS para aviones de grandes dimensiones en condiciones típicas de vuelo transónico ha sido exitosamente comprobada en varios proyectos europeos: NACOR (para góndolas laminares), HLFC-WIN (para alas en flujo laminar con control híbrido), y BLADE (para alas en flujo laminar). Sin embargo, únicamente se ha permitido la publicación de resultados del proyecto HLFC-WIN. Los resultados del análisis de estabilidad de la capa límite calculados con AHLNS sugieren que las tolerancias iniciales para las uniones de los diferentes elementos de las alas (en forma de ranuras superficiales) podrían aumentarse sin afectar la posición donde el flujo cambie de laminar a turbulento.
En resumen, esta tesis abre la posibilidad de incorporar la metodología AHLNS en el diseño de futuras alas laminares y alas híbridas laminares incluyendo el efecto de imperfecciones superficiales bidimensionales. Read More
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