Modelado de fenómenos aerodinámicos no estacionarios y no lineales en flujos bidimensionales dominados por vorticidad

SERGIO PREIDIKMAN; MARCELO VALDEZ; JULIO MASSA; BALAKUMAR BALACHANDRAN; DEAN T. MOOK

Modelización Aplicada a la Ingeniería

Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Buenos Aires

Lugar: Buenos Aires; Año: 2007; p. 415 - 444

En la última década, los micro-vehículos aéreos no tripulados han generado una importante atracción a investigadores en las áreas de dinámica del vuelo, control, aerodinámica, y aeroelasticidad. Estos vehículos pueden ser usados en operaciones en ambientes peligrosos y en misiones de reconocimiento y vigilancia.La miniaturización de los sensores y actuadores (masa menor a 18 gramos) hace posible que, en un futuro cercano, estos vehículos se puedan construir con una dimensión máxima de 15 cm. y una masa total menor a 90 gramos. Sin embargo, existen todavía barreras técnicas significativas que necesitan ser afrontadas sobretodo en las áreas de generación de energía, almacenaje, navegación, aeroelasticidad, propulsión, comunicación y control. Otro aspecto importante que necesita ser estudiado en profundidad es el comportamiento aerodinámico durante el vuelo de estos vehículos.En la naturaleza, todas las criaturas voladoras (pájaros, insectos, etc.) tienen alas móviles (Dickinson et al., 1999), (Dickinson, 2001). Esto puede ser atribuido, en parte, a la limitación impuesta por los músculos actuadores, lo cual es una necesidad biológica, no necesariamente compartida por los micro-vehículos(Spedding y Lissaman, 1998). Sin embargo, hay evidencia de que a escalas menores, los efectos aerodinámicos no estacionarios producidos por las alas móviles ofrecen ventajas únicas respecto de las alas fijas y rotores convencionales, como por ejemplo, en lo que respecta a la sustentación y a las capacidades de generación de tracción sin la necesidad de aumentar el peso.La comprobación experimental de la importancia de los fenómenos inestacionarios ha promovido el desarrollo de mejores herramientas computacionales y experimentales para investigar las fuerzas provenientes de flujos vorticosos alrededor de un ala batiente. En particular se han desarrollado robots dinámicamente escalados (Dickinson et al., 1999); (Wang et al., 2004) para realizar mediciones controladas del flujo y las fuerzas aerodinámicas.Los insectos fueron los primeros en desarrollar el vuelo activo y llevan ventaja en cuanto a performances aerodinámicas y maniobrabilidad. El mayor interrogante, sin embargo, es cómo las alas batientes pueden generar las fuerzas necesarias para propulsar y mantener en el aire a un insecto. Como lo demuestran numerosas investigaciones, para producir sustentación y empuje, los insectos y aves pequeñas hacen uso de mecanismos inherentemente inestacionarios y no-lineales que no pueden ser captados por la teoría aerodinámica lineal y estacionaria. Entre estos mecanismos pueden mencionarse la captura de estela, la sustentación rotacional y el retraso de la pérdida aerodinámica. Un buen entendimiento de estos fenómenos es fundamental y necesario para construir mecanismos de generación de sustentación y de empuje inspirados en la biología que puedan ser utilizados en microvehículos aéreos, al menos para una buena parte de su rango de operación donde las velocidades hacia delante son pequeñas en comparación con las velocidades asociadas a los flujos inducidos.Dada la complejidad de un modelo 3D, resulta interesante investigar si un modelo 2D provee resultados consistentes con los obtenidos en los experimentos. Obviamente, un modelo 2D no puede predecir los fenómenos inherentemente tridimensionales (por ejemplo el flujo axial que estabiliza el vórtice desprendidodel borde de ataque); pero por otro lado, resulta difícil evaluar la importancia de estos fenómenos tridimensionales sin conocer lo que ocurre en dos dimensiones.Para simular el movimiento de batimento de una sección alar de una manera sencilla se utiliza un modelo numérico 2D complementado con algoritmos de post-procesamiento que permiten llevar a cabo visualizaciones de las estelas y de los campos de velocidades. Si bien el número de Reynolds (Re) que caracteriza el flujo real alrededor de los insectos y aves pequeñas es relativamente bajo, puede considerarse que tiene un valor lo suficiente alto como para asumir que los efectos viscosos están confinados, únicamente, a la capa límite y las estelas. Este hecho permite utilizar un modelo basado en el método de red de vórtices inestacionario y no-lineal (unsteady vortex lattice method). Para la evaluación de las cargas aerodinámicas se emplea la versión inestacionaria de la ecuación de Bernoulli.