Artículo basado en el trabajo Fin de Master, premiado por el Colegio Oficial de Ingenieros Aeronáuticos de España (COIAE)

Debido al creciente interés en el uso de sistemas aéreos no tripulados (UAS) o tripulados remotamente (RPAS), resulta de gran utilidad estudiar los efectos dominantes a bajo número de Re (alta influencia de los efectos viscosos). Es por ello que los mecanismos de control del flujo han sido tema de investigación por su impacto en las características aerodinámicas de cualquier elemento con el fin de retrasar el desprendimiento de la capa límite. Por otro lado, el incremento en potencia de cálculo numérico en los últimos años ha posibilitado que las herramientas de simulación fluidodinámica (CFD) se utilicen de manera creciente en la investigación y en el diseño de mecanismos de control de flujo.

Durante toda la historia de la aviación, los estudios se desarrollaron en base a la reducción del coeficiente de resistencia o drag; intentando en la medida de lo posible tener el menor impacto sobre la fuerza de sustentación. En otras palabras, mejorar la eficiencia aerodinámica global de la aeronave (EA), ratio entre fuerza de sustentación y fuerza de resistencia (de rozamiento, compresibilidad, inducida, etc.).

El objetivo principal de este proyecto es aplicar una metodología experimental con el fin de comprobar la viabilidad de un eyector introducido en el interior de un perfil alar para succionar capa límite de la parte superior de dicha sección alar (extradós) y validar empíricamente los estudios numéricos previamente realizados mediante CFD. Se busca el aumento de la EA mediante el control del desprendimiento del flujo sobre la sección alar y la formación de las LSB, a elevados ángulos de ataque. Para llegar a este objetivo, se ha tenido que plantear unas metas intermedias que parten desde el diseño del sistema de succionado de capa límite, su estudio teórico y empírico, y finalmente la evaluación de su viabilidad aerodinámica y energética.

La geometría a estudiar consiste en un sistema de succión encastrado en el interior de un perfil alar. Trabajando en rangos de aerodinámica de bajos números de Reynolds, el perfil ha de tener unas características específicas para mejorar el comportamiento aerodinámico. Se utiliza el perfil alar SD-7003 completamente caracterizado en [1] para implementar el eyector en su interior. Dicho eyector es un sistema que permite succionar flujo del extradós del perfil sin introducir mecanismos móviles en el camino de ese aire que se está succionando.

El modelado 3D del sistema se ha realizado a través del CAD Solidworks 2020. Se compone de una tobera por la que entra flujo primario. El flujo secundario se introduce por el slot o ranura de succión y se aloja en la cámara de rarefacción. En el conducto de mezcla se unen ambos flujos para ser posteriormente expulsados por el outlet del difusor (véase la figura 2).

De esta geometría resultante se ha obtenido una segunda versión (véase la Figura 3) en la que se ha suprimido la parte del conector. Ambas geometrías han sido estudiadas mediante CFD.

Estudio CFD para las dos versiones geométricas del eyector creadas

Se ha llevado a cabo un estudio 3D bajo una serie de hipótesis asumidas. En este caso la geometría se ha importado como CAD externo a STAR-CCM+ (software CFD). El análisis llevado a cabo en esta sección será un estudio del eyector encastrado en el perfil con las variaciones geométricas mencionadas en la sección anterior. En la figura 4 se muestra los cuatro estudios realizados sobre las dos variantes geométricas del sistema de succionado. Se resolvieron un total de 49 casos (Clúster de cálculo Rigel (UPV)).

Figura 4: Estudios CFD abordados para las dos variantes geométricas estudiadas: eyector con y sin conector.

Las conclusiones que se extraen de estos estudios teóricos son:

Para llevar a cabo el ensayo, se fabricó la maqueta del eyector a escala 5:1. Para caracterizar el flujo entrante al slot de succión del eyector se ha empleado velocimetría por imágenes de partículas (PIV), técnica óptica que permite medir campos de velocidades en un fluido. Para ello, se ha dopado con partículas líquidas en aerosol. El campo de velocidades se deriva del estudio de pares de imágenes obtenidas con una cámara sincronizada con los pulsos de la iluminación láser.

Se realizaron un total de tres medidas para caracterizar el flujo a la entrada del slot de succión y las conclusiones extraídas de este ensayo experimental son:

• Se comprobó empíricamente el correcto funcionamiento del sistema de succión. Se puede confirmar que los resultados del estudio CFD son muy similares a los adquiridos experimentalmente (validación resultados CFD; en aquellas zonas donde el ruido de medidas experimental es poco influyente (zona cercana al slot de succión del eyector) (véase la figura 5).

Figura 5: Comparativa del comportamiento del flujo en el slot de succión tanto por PIV como CFD.

Dentro de la línea de investigación que se está desarrollando en el sector aeroespacial relacionada con sistemas de ingesta de capa límite y eyección, este proyecto es interesante desde el punto de vista de mejorar la EA global de la aeronave. El sistema estudiado en el presente proyecto está principalmente enfocado a RPAS; para mejorar el vuelo y el comportamiento de las mismas mediante el control de la capa límite retrasando la formación de LSB sobre el extradós y el desprendimiento del flujo. También se ha podido comprobar que el eyector es escalable y por lo tanto, se puede implementar en aeronaves de mayor tamaño, lo cual resulta prometedor. Otra aplicación interesante es su uso como dispositivo hipersustentador a elevados ángulos de ataque. La función principal del sistema en este caso será la de readherir la capa límite sobre la parte del extradós, retrasando el desprendimiento del flujo generado por el gradiente adverso generado. De esta forma se logra mejorar el comportamiento aerodinámico y reducir el drag.

Como resumen de las ventajas que pueda tener el sistema, se destaca la mejora en el rendimiento aerodinámico y propulsivo (ahorro en combustible y reducción de las emisiones contaminantes) mediante la succión de capa límite sobre la zona del extradós y eyección en el borde de fuga. Su aplicación como dispositivo hipersustentador permitiría aumentar el rango de ángulos de ataque a los que la aeronave es capaz de maniobrar; evitando el desprendimiento del flujo generado a elevados ángulos de ataque.

Finalmente, mediante un estudio de viabilidad se demostró que la implementación de este sistema de succión es viable tanto aerodinámica como energéticamente.

Agradecer, en primer lugar, a mi tutor el Doctor Luis Miguel García-Cuevas González la oportunidad de desarrollar un proyecto como este. Gracias por motivarme con este trabajo de investigación. Especial agradecimiento a mi ayudante PhD Pau Varela Martínez, Andrés Omar Tiseira Izaguirre y Adolfo Guzmán Estévez por su dedicada supervisión. Agradecer a las personas que han estado detrás de mí, Héctor Lorente Iniesta y mis amigas Maria y Milena.

Se ha efectuado el desarrollo de este Trabajo de Fin de Máster dentro de la línea de Renovación de la Carga del Instituto Universitario CMT–Motores Térmicos (CMT) dentro de la Universitat Politècnica de València (UPV).

[1] Zuazaga Calvo, Andrea. ‘Sobre las actuaciones auerodinamicas del perfil SD7003 a bajo número de Reynolds’. Universitat Politècnica de València, España. En: (2019).

[2] Palacios Masiá, Eduardo. ‘Estudio de viabilidad de un eyector como mecanismo para aumentar la eficiencia aerodinámica en perfiles alares’. Universitat Politècnica de València, España. En: (2020).

[3] Ponce-Mora, Alberto. ‘Optimización de la Geometría de un Eyector para Ciclos de Refrigeración’. En: (2017).

[4] Baragona, M. ‘Unsteady Characteristics of laminar separarition bubbles’. Università degli Studi di Roma, Italia. En: (2004).

[5] Horton, H.P. ‘A semi-empirical theory for the growth and bursting of laminar separation bubbles’. Aeronautical Research Council CP 1073. En: (1969).

[6] FDM Systems Overview. Url: https://www.stratasys.com/-/media/files/printer-spec-sheets/br_fdm_systemsoverview_a4_es_0719c_web.pdf.

[7] Ensayos en sistemas propulsivos. Lección 10: ‘Medida en flujos gaseosos: Velocimetría de Imágenes de Partículas’. CMT-Motores térmicos, Valencia. En: (2015).

[8] Litron Lasers: LD-527 PIV series. ‘Laser System User Manual’.

[9] Ficha Técnica de la Cámara Speedsense Veo 640. Url: https://www. phantomhighspeed.com/products/cameras/veo/veo640.

[10] Khorta el Graini, Rawya. (2019). Estudio experimental sobre elementos aerodinámicos a bajo número de Reynolds. Universitat Politècnica de València, España.

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