Estudio experimental de efectos aeroelásticos en alas flexibles en flujo turbulento y de baja velocidad

En el presente trabajo se analiza experimentalmente el fenómeno aeroelástico denominado flutter (flameo) sobre un ala sin comandos. Inicialmente se plantean las ecuaciones analíticas que representan el comportamiento físico del fenómeno para una placa plana sin ahusamiento, de acuerdo a la teoría de Theodorsen, mediante la cual se determinan la velocidad de viento y frecuencia de flutter. A los efectos de validar el modelo analítico, se instala en el túnel aerodinámico una placa plana de madera balsa comercial de 2 y de 4mm de espesor, empotrada en un extremo. Las características estructurales y las propiedades másicas del modelo se estiman mediante elementos finitos (FEM) y se verifican con ensayos experimentales, estáticos para verificar las rigideces y dinámicos para identificar las frecuencias propias, para lo cual se instrumenta el modelo con acelerómetros uni-axiales y se registra el movimiento con una cámara de alta velocidad. Estos ensayos permitieron validar el software de libre acceso para el análisis de movimiento mediante técnicas de seguimiento de puntos (tracking de video), con excelentes resultados. Los ensayos en túnel de viento verificaron tanto la velocidad de viento como la frecuencia del fenómeno estimados analíticamente para el caso de la placa plana, con lo cual se validan las herramientas de cálculo, la instrumentación y las condiciones para la ocurrencia del fenómeno. A partir de esta base, se propone la construcción de un ala que permita analizar experimentalmente, la influencia de los parámetros principales que determinan la ocurrencia de flutter; rigidez a flexión y torsional, distribución de masas externas, centro de giro de la sección, efectos de la intensidad de turbulencia del viento incidente, cambios de rigidez por flexión del ala y efectos de borde por el empotramiento. Estos resultados permitirán generar las correspondientes curvas en el espacio “Amortiguamiento-Velocidad”, en el cual se identifica la velocidad de ocurrencia de flutter para cada configuración.Facultad de Ingenierí

Estudio experimental sobre la influencia del ciclo de actividad en la inyección pulsada de aire

Una cavidad expuesta a un flujo de aire produce varios fenómenos aerodinámicos dependiendo de factores como las dimensiones, la velocidad de la corriente libre, la interacción con el resto del fuselaje, etc. Pero se pueden agrupar en dos efectos para su estudio; uno es el aumento de la resistencia y el otro es el efecto aeroacústico. Este último no solo genera molestias a los pasajeros y a los alrededores de los aeropuertos, sino que también puede afectar la estructura con fenómenos de resonancia. Los primeros trabajos sobre el estudio de cavidades se remontan a la década del 50, donde se empezaron a obtener mediciones de presión en las paredes para distintas relaciones de profundidad y largo, también se observó el fenómeno acústico. Pero fue en el trabajo de Rossiter en 1964 en donde se plantea un método para la medición de la frecuencia de los tonos producidos por el flujo de aire en cavidades abiertas. En 1990 un trabajo de la NASA recoge mucha información para aumentar la base de datos con mediciones de presión y velocidad, observándose entre otras cosas que existe menos inestabilidad en cavidades profundas para bajos números de Reynolds que en cavidades poco profundas.En las últimas décadas los avances se dieron en las formas de control del flujo en cavidades. Según Cattafesta [5], se pueden clasificar las técnicas de eliminación de oscilaciones en cavidades en control pasivo y activo, luego el activo se divide entre lazo abierto y lazo cerrado, y este último puede ser estático o dinámico. Trabajos con inyección pulsada de aire indican que se consiguen mejores resultados que cuando se utiliza inyección continua. Shaw [8, 9] sugiere que la magnitud de la disminución de los decibeles del efecto aeroacústico es función del caudal y de la frecuencia de pulsación. También muestra que se logra satisfactoriamente el control cuando se utilizan frecuencias de excitación un orden de magnitud mayor o un orden de magnitud menor a la del fenómeno. Una de las líneas de investigación de la UIDET LaCLyFA (con trabajos [6, 7], donde se estudia el efecto de la inyección de aire en cavidades), compone la fuente de experiencia directa para la realización del presente trabajo. En este trabajo se presentan los resultados de ensayos de inyección pulsada de aire en una cavidad cúbica de 10 cm de lado para intentar determinar experimentalmente el efecto del ciclo de actividad (de la onda cuadrada que gobierna la señal de inyección) sobre las presiones medidas en la pared opuesta al chorro de aire y el caudal inyectado.Sección: Ingeniería Aeronáutica.Facultad de Ingenierí

Estudio experimental de efectos aeroelásticos en alas flexibles en flujo turbulento y de baja velocidad

El fenómeno analizado en este trabajo es el flutter, el mismo se caracteriza por ser una inestabilidad dinámica que ocurre por interacción entre fuerzas aerodinámicas no estacionarias, fuerzas elásticas y de inercia. Dicho fenómeno ocurre a cierta velocidad de vuelo y posee una frecuencia de oscilación específica definida por la interacción aeroelástica entre el flujo y la estructura. En el año 1935 T. Theodorsen desarrolló una teoría analítica que define las ecuaciones que gobiernan el movimiento de un ala en flutter para 3 grados de libertad (movimiento vertical, cabeceo y giro del comando) a partir del desarrollo de las ecuaciones de Lagrange en cada grado de libertad. Además en dicho trabajo introdujo una fórmula para determinar las fuerzas aerodinámicas durante el desarrollo del fenómeno. El objetivo de este trabajo es validar una herramienta analítica para predecir el fenómeno de flutter en alas utilizando la teoría antes mencionada, y desarrollar las prácticas y procedimientos experimentales para el estudio del flutter en túnel aerodinámico. Con el modelo ya construido se verificará la velocidad de ocurrencia y frecuencia de flutter mediante ensayo en un túnel de viento turbulento.Sección: Ingeniería Aeronáutica.Facultad de Ingenierí

Estudio experimental sobre la influencia del ciclo de actividad en la inyección pulsada de aire como elemento de control de flujo

En este trabajo se realizaron ensayos de inyección pulsada de aire en una cavidad cúbica de 10 cm de lado para intentar determinar experimentalmente el efecto del ciclo de actividad de la onda cuadrada que gobierna la señal de inyección sobre las presiones medidas en la pared opuesta al chorro de aire y el caudal de inyección. El aire se inyectó a través de un orificio centrado en una cara de la cavidad enfrentada a la pared donde se ubicaron las tomas de presión. Se establecieron las condiciones del flujo en 6 bares de presión, 4 litros por minuto de caudal, 5 valores de frecuencia (5, 10, 15, 20 y 25 Hz) y 3 ciclos de actividad (20, 50 y 80%) para cada frecuencia. Se encontró que el ciclo de actividad afecta inversamente a los valores pico de presión medidos en la pared opuesta a la descarga y a los valores de caudales de inyección, ya que, a menor ciclo de actividad, estos fueron mayores. Estos resultados indican el potencial de la variación del ciclo de actividad en la utilización de sistemas de control activo con inyección de aire, ya que se obtienen mejores características y son menos costosos que aquellos de frecuencias mayores. Luego a partir de las mediciones realizadas se calcularon valores de velocidad y radio de dispersión para comparar la teoría de chorro continuo con los datos experimentales de chorro pulsante. Para las velocidades se observaron discrepancias entre los resultados del ensayo y los valores analíticos, pero se atribuyen a la naturaleza de la inyección, ya que ésta es pulsante y la teoría utiliza inyección continua. De esta manera se puede asumir que las velocidades calculadas a partir de inyección pulsante son aproximadamente 3 veces mayores que las velocidades obtenidas a partir de inyección continua de aire. Por último, cuando se trata del radio de dispersión sucede algo similar a lo ocurrido con las velocidades ya que también se utilizó la teoría de chorro de aire turbulento, para ambos casos se obtuvo un factor de corrección para poder utilizar las ecuaciones planteadas para chorro continuo en el caso de que se utilice chorro pulsante.Facultad de Ingenierí

Experimental study of the effect of the wake generated by oscillating gurney flap

The study of the turbulent near wake of an airfoil provided with flow control devices shows the flow configuration in such conditions and the starting vortices mechanism, while, the far wake of-fers information about the general performance of the model. The objective of the present work is to study the develop of the fluid-dynamic structures found in the NACA 4412 airfoil wake, as well as the develop-ment of the same structures when flow control tech-niques are applied by means of a oscillating Gurney Flap place in the lower surface of the wing model, close to the trailing edge. Tests were performed at a given Reynolds numbers and the flow control system was set at different frequencies. In order to study the effect of the control mechanism on the wake, hot wire anemometry techniques were used. Two components of the velocity vector were measured - longitudinal and vertical - by means of a vertical array of three sensors acquiring simultaneously. The intention is to quantify the flow general configuration at the airfoil wake for different test conditions. The velocity vectors will be analyzed, together with the turbulence inten-sity and integral scales.Fil: Marañon Di Leo, Julio. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Aeronáutica. Laboratorio de Capa Límite y Fluído Dinámica Ambiental; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; ArgentinaFil: Martinez, Mariano. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ingeniería; ArgentinaFil: Delnero, Juan Sebastian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; Argentina. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Aeronáutica. Laboratorio de Capa Límite y Fluído Dinámica Ambiental; ArgentinaFil: García Saínz, Mariano Oscar. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Aeronáutica. Laboratorio de Capa Límite y Fluído Dinámica Ambiental; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; Argentin

Diseño y construcción de un modelo a escala de una aeronave para visualizar la dinámica longitudinal

En el presente trabajo, se realizó un modelo a escala de una aeronave genérica (monomotor tractor de ala alta cantiléver, cuatriplaza de tren triciclo) con el objetivo de analizar la estabilidad estática y dinámica longitudinal al modificar la posición del estabilizador horizontal, para lo cual se propone la construcción de un modelo a partir de un aeromodelo de referencia, acotado por las dimensiones del túnel aerodinámico mayor de la UIDET-LaCLyFA, Dpto. Aeronáutica, Facultad de Ingeniería, UNLP. Luego, se realizó un CAD para obtener algunos parámetros másicos, como los momentos de inercia y la masa aproximada que tendría el modelo, para alimentar con datos el modelo analítico. Dicho modelo matemático consiste en plantear la dinámica longitudinal del modelo a partir del sistema de ecuaciones lineales ̇=∗+∗; por cuestiones de espacio y complejidad no se estudia la estabilidad dinámica latero direccional del mismo. En paralelo con el análisis del modelo matemático comenzó la construcción del modelo de túnel, el cual tiene la capacidad de modificar la longitud del fuselaje mediante el agregado de un módulo extra en la sección media del fuselaje, con mínimas modificaciones en la instrumentación y mecanismo de control del modelo. El estabilizador horizontal tiene ángulo de incidencia variable manualmente y el elevador se controla de forma remota mediante servos de velocidad variable.Facultad de Ingenierí

Caracterización del campo fluidodinámico de una pala de aerogenerador con flap Gurney inmerso en flujo turbulento

La performance de perfiles operando en bajos números de Reynolds ha sido un tópico de interés creciente en las últimas décadas, interés que se magnifica en el caso de turbinas eólicas de baja potencia, para uso domiciliario. El flap Gurney es un dispositivo mecánicamente simple que consta de una pequeña placa colocada en el intradós de la pala con un ángulo normal a la superficie, coincidente con el borde de fuga. Su altura es típicamente entre el 1% y el 4% de la cuerda. Comparando el flujo alrededor de dos perfiles aerodinámicos idénticos, uno sin flap Gurney y el otro con un flap Gurney, varios estudios han demostrado que el mismo provoca un vórtice aguas arriba del perfil y un retardo del flujo.1 Además aguas abajo se generan vórtices contra rotatorios, los cuales generan una estela de von Kármán y un incremento del área de succión del extradós del perfil; todo esto en conjunto provoca un aumento de la circulación del perfil. En el Laboratorio de Capa Límite y Fluidodinámica Ambiental se han estudiado este tipo de dispositivos. Los desprendimientos vorticosos periódicos sobre el perfil provocan un área de succión en el extradós. Si el perfil está en condición de flujo desprendido, esta zona de succión puede llegar a generar un repegue de la capa límite retrasando el desprendimiento. Los flaps Gurney mejoran la performance de los perfiles a altos ángulos de ataque y es esperable que mejoren el torque inicial de los generadores eólicos de eje horizontal, reduciendo la velocidad de arranque. Con esta motivación se realizó este trabajo cuyo objetivo es estudiar la influencia del flap Gurney sobre una pala de aerogenerador de eje horizontal de baja potencia (aproximadamente 1,5kW) en túnel de viento mediante la adquisición de presiones estáticas sobre la misma. La pala tiene 1,55 metros de envergadura, una cuerda que varía desde 14cm en la raíz hasta 4,3 cm en el borde marginal y un ángulo de torsión que va desde 20° en la raíz hasta -3,6° en el borde marginal. Se comparan los resultados obtenidos para la pala “limpia” y con el flap Gurney, cuya cuerda es de 2% de la cuerda del perfil.Sección: AeronáuticaFacultad de Ingenierí

Caracterización del campo fluidodinámico de una pala de aerogenerador con flap Gurney inmerso en flujo turbulento

La performance de perfiles operando en bajos números de Reynolds ha sido un tópico de interés creciente en las últimas décadas, interés que se magnifica en el caso de turbinas eólicas de baja potencia, para uso domiciliario. El flap Gurney es un dispositivo mecánicamente simple que consta de una pequeña placa colocada en el intradós de la pala con un ángulo normal a la superficie, coincidente con el borde de fuga. Su altura es típicamente entre el 1% y el 4% de la cuerda. Comparando el flujo alrededor de dos perfiles aerodinámicos idénticos, uno sin flap Gurney y el otro con un flap Gurney, varios estudios han demostrado que el mismo provoca un vórtice aguas arriba del perfil y un retardo del flujo.1 Además aguas abajo se generan vórtices contra rotatorios, los cuales generan una estela de von Kármán y un incremento del área de succión del extradós del perfil; todo esto en conjunto provoca un aumento de la circulación del perfil. En el Laboratorio de Capa Límite y Fluidodinámica Ambiental se han estudiado este tipo de dispositivos. Los desprendimientos vorticosos periódicos sobre el perfil provocan un área de succión en el extradós. Si el perfil está en condición de flujo desprendido, esta zona de succión puede llegar a generar un repegue de la capa límite retrasando el desprendimiento. Los flaps Gurney mejoran la performance de los perfiles a altos ángulos de ataque y es esperable que mejoren el torque inicial de los generadores eólicos de eje horizontal, reduciendo la velocidad de arranque. Con esta motivación se realizó este trabajo cuyo objetivo es estudiar la influencia del flap Gurney sobre una pala de aerogenerador de eje horizontal de baja potencia (aproximadamente 1,5kW) en túnel de viento mediante la adquisición de presiones estáticas sobre la misma. La pala tiene 1,55 metros de envergadura, una cuerda que varía desde 14cm en la raíz hasta 4,3 cm en el borde marginal y un ángulo de torsión que va desde 20° en la raíz hasta -3,6° en el borde marginal. Se comparan los resultados obtenidos para la pala “limpia” y con el flap Gurney, cuya cuerda es de 2% de la cuerda del perfil.Sección: AeronáuticaFacultad de Ingenierí

Caracterización del campo fluidodinámico de una pala de aerogenerador con flap Gurney inmerso en flujo turbulento

La performance de perfiles operando en bajos números de Reynolds ha sido un tópico de interés creciente en las últimas décadas, interés que se magnifica en el caso de turbinas eólicas de baja potencia, para uso domiciliario. El flap Gurney es un dispositivo mecánicamente simple que consta de una pequeña placa colocada en el intradós de la pala con un ángulo normal a la superficie, coincidente con el borde de fuga. Su altura es típicamente entre el 1% y el 4% de la cuerda. Comparando el flujo alrededor de dos perfiles aerodinámicos idénticos, uno sin flap Gurney y el otro con un flap Gurney, varios estudios han demostrado que el mismo provoca un vórtice aguas arriba del perfil y un retardo del flujo.1 Además aguas abajo se generan vórtices contra rotatorios, los cuales generan una estela de von Kármán y un incremento del área de succión del extradós del perfil; todo esto en conjunto provoca un aumento de la circulación del perfil. En el Laboratorio de Capa Límite y Fluidodinámica Ambiental se han estudiado este tipo de dispositivos. Los desprendimientos vorticosos periódicos sobre el perfil provocan un área de succión en el extradós. Si el perfil está en condición de flujo desprendido, esta zona de succión puede llegar a generar un repegue de la capa límite retrasando el desprendimiento. Los flaps Gurney mejoran la performance de los perfiles a altos ángulos de ataque y es esperable que mejoren el torque inicial de los generadores eólicos de eje horizontal, reduciendo la velocidad de arranque. Con esta motivación se realizó este trabajo cuyo objetivo es estudiar la influencia del flap Gurney sobre una pala de aerogenerador de eje horizontal de baja potencia (aproximadamente 1,5kW) en túnel de viento mediante la adquisición de presiones estáticas sobre la misma. La pala tiene 1,55 metros de envergadura, una cuerda que varía desde 14cm en la raíz hasta 4,3 cm en el borde marginal y un ángulo de torsión que va desde 20° en la raíz hasta -3,6° en el borde marginal. Se comparan los resultados obtenidos para la pala “limpia” y con el flap Gurney, cuya cuerda es de 2% de la cuerda del perfil.Sección: AeronáuticaFacultad de Ingenierí

Control de flujo activo indirecto en cavidades

Se estudian las características del flujo en el entorno de una cavidad (L/P=1, L/A=1) dotada de un sistema de inyección de aire, con la intención de evaluar su desempeño como dispositivo de control de flujo activo indirecto. Para ello se desarrollan una serie de ensayos de anemometría de hilo caliente en túnel aerodinámico de la UIDET-LaCLyFA de la Facultad de Ingeniería de la UNLP, con el objetivo de analizar los cambios en el patrón fluido-dinámico en las inmediaciones de la cavidad, debido a la inyección de aire en su interior. Dichos ensayos fueron realizados a un número de Reynolds de 2174 basado en el espesor de cantidad de movimiento, bajo condiciones de flujo turbulento (It > 1%). Los resultados permitieron reconocer la estructura rotacional interna de la cavidad y cómo era alterada durante los pulsos de inyección. De la misma manera, se observaron los cambios en los perfiles de velocidad media e intensidad de turbulencia por encima del borde de ataque y borde de fuga, identificando los picos de frecuencias propias de los modos de Rossiter, y aquellos forzados indirectamente por la inyección interna. Resulta evidente la interacción de la capa de corte entre el patrón interno y el flujo externo a la cavidad, actuando como elemento de transmisión bidireccional.Facultad de Ingenierí