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Método de Hess Smith para Pérfiles con Espesor Andres Ripoll Sánchez,Pablo Rodrigo Pascual. 23 de enero de 2016 Parte I Introducción Muy frecuentemente la industria se ve en la tesitura de encarar un problema aerodi- námico sin solución analítica conocida, teniendo que o bien esperar a que la matemática se desarrolle lo suficiente para encontrar una solución analítica a dicho problema, o bien buscar una manera de aproximar lo suficiente el resultado para poder sacar conclusiones fiables. En esta segunda opción destacan los métodos numéricos, diseñados para obtener los valores de una función objetivo en un conjunto de puntos discretos definidos, con un grado de precisión más o menos ajustable según el método. Desde su desarrollo, allá por los años 60 del siglo pasado, el método de los paneles ha sido uno de los favoritos de la industria, debido a su relativa sencillez (no necesariamente computacional, pero desde luego si conceptual) y a la obtención de muy buenos resultados para muy pocas evaluaciones del método. En la siguiente memoria presentaremos la aplicación de un método de paneles a un perfil NACA4210 de 1.5m de cuerda y 0.1 de espesor relativo, con flecha máxima de 0.04o. Todo esto con el objetivo de analizar la implementación del método de paneles de Hess- Smith para perfiles con espesor en el programa MatLab, sus distintas posibilidades según la variación de los parámetros del método, y su fiabilidad comparada con otros programas especializados, para obtener finalmente las características aerodinámicas de dicho perfil. Parte II Generación del Perfil 1. Panelado En esta memoria vamos a hacer dos tipos de panelado, con objeto de evaluar la in- fluencia de este sobre la eficacia del método de paneles. El primer método será un panelado equiespaciado, en el cual dividiremos la cuerda en un número n de paneles de la misma lon- gitud, situando los nodos equiespaciados y haciendo que coincida uno de ellos con el punto de máxima curvatura. Para generar esta distribución generaremos un vector equiespaciado con n elementos desde 0 a 1 A este panelado lo denotaremos sin subíndices. El segundo tipo de panelado será uno no equiespaciado. Como la experiencia y la teoría potencial nos indican que la gran mayoría de la sustentación del perfil es generada en su borde de ataque, es allí donde nos interesa conocer con mayor precisión la distribución del coeficiente de sustentación, pues con ello podremos conocer mejor los límites del perfil. Por tanto aplicaremos un panelado del tipo ¿Chevhshev? para analizar con más detalle esta 1 zona. Los resultados asociados se denotarán con el subíndice 1 y serán mostrados en la última sección de la memoria. Se distribuirá el panelado de forma que se cubrá el perfil con 20 paneles, siendo estos numerados de En cualquier caso, utilizaremos paneles lineales, cuyo punto de control sea el punto medio del panel. 2. Distribución de Puntos Nodales y Puntos de Control z(x) = 5 ∗ c ∗ e[0,2960 √ x c + (−0− 126)x c + (−0,3516)(x c )2] + 0,2843( x c )3 + (−0,1015)(x c )4 En esta gráfica se presenta la línea media del perfil que será el objeto de estudio de esta memoria. 2 x/c 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 z 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Linea Media de la Cuerda del Perfil 3 Se ha realizado un equiespaciado de la manera: Xnodo 1,499 1,349 1,198 1,0481 0,898 0,748 0,599 0,4496 0,303 0,157 0,143 0,297 0,450 0,601 0,752 0,902 1,052 1,202 1,351 1,50 Znodo -0,001 0,003 0,0059 0,0079 0,00895 0,0092 0,0093 0,0097 0,0099 0,000077 0,0767 0,1053 0,1097 0,1059 0,0974 0,0849 0,0689 0,0495 0,0269 0,0010 Y los puntos de control son los puntos medios entre los nodos: Xci 01,42 1,274 1,123 0,973 0,823 0,674 0,524 0,376 0,230 0,079 0,071 0,2198 0,374 0,526 0,676 0,827 0,977 1,127 1,276 1,426 Zci 0,001 0,004 0,007 0,008 0,009 0,009 0,0095 0,0098 0,005 0.000 0,038 0,091 0,108 0,108 0,102 0,091 0,077 0,059 0,038 0,014 Parte III Resultados del Método 3. Sustentación En esta sección evaluamos la sustentación obtenida por el método a tres ángulos de ataque representativos. El primero más o menos azaroso y con un valor bastante grande, 5o, el segundo a ángulo de ataque nulo y el tercero al ángulo de ataque negativo e igual al primero,-5o. Aplicando el método de los paneles, obtenemos el siguiente gráfico para la sustentación según su posición en el perfil: 4 Xci 01,42 1,274 1,123 0,973 0,823 0,674 0,524 0,376 0,230 0,079 cl 0.0000 0.0064 0.0092 0.0100 0.0091 0.0065 0.0024 -0.0033 -0.0350 -0.2800 Como se puede observar, los tres perfiles presentan una singularidad de borde de ataque. Positiva en el caso de 5o y negativa en los otros dos. Además, la sustentación global se ve positiva tanto a 0o como a 5o y negativa a -5o, por lo tanto se puede plantear que el ángulo de sustentación nula será negativo y superior a -5o, como es común en un perfil real. 4. Coeficientes Aerodinámicos Una vez conocida la distribución de la sustentación es interesante conocer también los coeficientes aerodinámicos globales en función del ángulo de ataque, lo que permitirá en un futuro el diseño de la envolvente del aparato. Para ello representaremos según α el coeficiente de sustentación, el coeficiente de momento en el centro aerodinámico, en coeficiente de momento en el borde de ataque y el centro de presiones para los ángulos de ataque que tomamos como muestra en el apartado anterior. 5 Como era de esperar, la sustentación del perfil aumenta,hasta la entrada en pérdida, según el ángulo de ataque, tal y como predice la teoría potencial. 6 xci/c 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 C m i -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 Coeficiente de Momento Borde de Ataque -5º -5º 0º 0º 5º 5º alphaideal alphaideal 7 xci/c 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 C m 1/ 4 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 Coeficiente de Momento 1/4 -5º -5º 0º 0º 5º 5º alphaideal alphaideal En este caso, se ve que el momento en el punto 0.25 tiene el mismo valor independiente- mente del ángulo (siendo estos ángulos pequeños), este es por tanto el centro aerodinámico 8 del perfil. alpha en deg -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 C m 1/ 4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 Cm coeficiente de momento respecto del Borde de ataque MP 9 alpha en deg -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 X cp -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Posición del Centro de Presiones según Alpha No se aprecia del todo bien como es la variación de Xcp en función de alpha por lo que se ha hecho un barrido del ángulo para dibujar la curva 10 alpha -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 X cp /c -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 Xcp,en función del ángulo de ataque Si bien este ajuste no es del todo preciso, si da una idea bastante aproximada del compor- tamiento del centro de presiones según la variación del ángulo de ataque. Conocidos los coeficientes aerodinámicos del perfil, tendremos ya caracterizado el mismo a la hora de ponerlo en funcionamiento. Con estos datos podríamos ya ir a realizar un ensayo con objeto de corroborarlos y medir como se ajusta nuestro modelo a la realidad, no obstante, no siendo este el objeto de esta memoria, dejamos al lector con curiosidad y acceso a un túnel de ensayos la tarea de comprobarlo. 11 5. Tablas de Resultados Finalmente presentamos al lector una tabla con los resultados obtenidos de distintas magnitudes: α = 5◦ α = 0◦ α = −5◦ α = αi Cl 0.9388 0.3958 -0.1471 0.5603 Cm 1 4 -0.0787 -0.0783 -0.0779 -0.0784 Cmba -0.3134 -0.1773 -0.0411 -0.2185 xcp 0.3338 0.4478 -0.2793 0.3899 αsn = −0,0644rad Clα = 6,2765 Notese que obtendremos el αsn del corte de la recta de la gráfica de Cl frente a α con el eje de abcisas (CL=0). Así mismo, la pendiente de dicha recta nos proporcionará CLα. Parte IV Análisis del Método En esta sección realizaremos distintos ensayos variando los parámetros del método con objeto de presentar al lector la influencia de los mismos, y poder conocer por tanto la variación de precisióndel método y su eficacia comparada con distintos softwares que puedan incluir modelos de capa límite implementados. 6. Teoría Potencial Linealizada El objeto del método de paneles es la modernización de la teoría potencial linealizada para la resolución de casos sin solución analítica. Para comprobar la eficacia del método de los paneles, aprovechando el hecho de que el caso planteado tiene solución analítica, se ha implementado en el código la TPL de forma que se puedan comparar los resultados por ambos métodos y comprobar la eficacia de la aproximación por el método de paneles. Se ha implemetado el programa para sacar los primeros 21 términos del desarrollo en serie y se ha representado la distrución de Cl como en la teoría potencial, viendo que coincide en con el método de los paneles, y aparece también la singularidad en el borde de ataque: Cl(θ) = 4 u U∞ = 4 · [ A0 tan θ 2 + ∞∑ n=1 An sinnθ ] En esta memoria supondremos que el lector está familiarizado con la teoría potencial li- nealizada, sin embargo, de no ser esté el caso le recomendamos la lectura del capítulo 4 de la referencia 1 de la bibliografía. En este primer gráfico presentamos al lector la distribución del coeficiente de sustenta- ción a lo largo de un perfil aplicando la teoría potencial con un desarrollo trigonométrico de 20 términos. 12 Xnodo 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 C l -3 -2 -1 0 1 2 3 Solución por TPL -5º -5º 0º 0º 5º 5º alphaideal alphaideal Aprovechando el hecho de que tenemos el desarrollo, empleamos las fórmulas CL = 2π(A0 + A1 2 ) ; CM 1 4 = −1 4 (A1 +A2) CM 1 4 + CL( xcp c + 1 4 ) = 0 13 para obtener los coeficientes globales del perfil, tabulados α = αi α = −5◦ α = 0◦ α = 5◦ Cl 0.5728 -0.1417 0.4066 0.9549 Cm 1 4 -0.0816 -0.0816 -0.0816 -0.0816 Cmba –0.3480 -0.1693 -0.3064 -0.4435 xcp 0.6075 -1.1952 0.7536 0.4644 αsn = −0,0644rad Clα = 6,2765 6.1. Conclusiones Una vez obtenidos los resultados analíticos de la teoría a modelizar, se puede proceder a comparar los resultados con el código desarrollado para analizar la precisión del mismo. De la gráfica de la distribución de sustentación, el lector podrá comprobar que los errores generados por el método no son apreciables a simple vista, así como que la forma de la distribución es a todas luces igual a la obtenida por el código desarrollado. Por tanto se puede decir que el código desarrollado es preciso y medianamente exacto en cuanto a la distribución de coeficiente de sustentación se refiere. En cuestión de los errores en coeficiente globales, es de notar que los errores son del orden de la centésima y en ocasiones de la milésima. Por tanto de nuevo el método se confirma como preciso. En cuestión del centro aerodinámico, se observa una gran divergencia entre los obteni- dos a través del código desarrollado y los teóricos, por lo que no serán fiables los resultados obtenidos en este caso. 7. Variación del Número de Paneles En este apartado se analiza la variación de resultados con el número de paneles. Para ello se pasa a analizar los coeficientes aerodinámicos y demás magnitudes de la sección anterior con un número mayor de paneles. 14 7.1. Coeficientes Aerodinámicos para n=60 xci/c 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 C li -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 Coeficiente de Sustentación Metodo de los Paneles -5º -5º 0º 0º 5º 5º alphaideal alphaideal 15 xci/c 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 C m i -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 Coeficiente de Momento Borde de Ataque -5º -5º 0º 0º 5º 5º alphaideal alphaideal 16 xci/c 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 C m 1/ 4 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Coeficiente de Momento 1/4 -5º -5º 0º 0º 5º 5º alphaideal alphaideal 17 alpha en deg -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 C l -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Cl en función de alpha α = αi α = −5o α = 0o α = 5o CL 0.5683 -0.1438 0.4027 0.9512 CM 1 4 -0.0801 -0.0801 -0.0801 -0.0801 CMba -0.2229 -0.0447 -0.1815 -0.3182 Xcp 0.3912 -0.3122 0.4492 0.3346 αsn = −0,0644rad Clα = 6,2765 18 7.2. Coeficientes Aerodinámicos para n=100 xci/c 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 C li -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 Coeficiente de Sustentación Metodo de los Paneles -5º -5º 0º 0º 5º 5º alphaideal alphaideal 19 xci/c 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 C m i -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 Coeficiente de Momento Borde de Ataque -5º -5º 0º 0º 5º 5º alphaideal alphaideal 20 xci/c 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 C m 1/ 4 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Coeficiente de Momento 1/4 -5º -5º 0º 0º 5º 5º alphaideal alphaideal 21 alpha en deg -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 C l -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Cl en función de alpha α = αi α = −5o α = 0o α = 5o CL 0.5698 -0.1432 0.4040 0.9492 CM 1 4 -0.0805 -0.0805 -0.0805 -0.0804 CMba -0.2222 -0.0442 -0.1808 -0.3174 Xcp 0.3910 -0.3071 0.4490 0.3344 αsn = −0,0644rad Clα = 6,2765 22 7.3. Conclusiones Se puede observar que aumentar significativamente el numero de paneles no varía el resultado en apenas unas décimas, que para unos cálculos aproximados como estos no merece realmente aumentar demasiado el tiempo de cálculo ya que los resultados no varían demasiado. 8. Distribución de Paneles Como ya se comentó en la introducción, será interesante el uso de métodos no equies- paciados de panelado para evaluar el perfil, en este apartado se fijarán una serie de nodos, los cuales se situará una mayor cantidad en los extremos, en el borde de ataque y en el borde de salida. Según la siguiente expresión: Xnodo(i) = 1 2 (1 + cos(π n− 1 n )) 23 y se evalua de nuevo los coeficientes aerodinámicos de la parte III. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Linea Media de la Cuerda del Perfil x/c z 24 8.1. Coeficientes Aerodinámicos 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 −12 −10 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 xci/c C li Coeficiente de Sustentación Metodo de los Paneles −5º −5º 0º 0º 5º 5º alphaideal alphaideal 25 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 −0.5 −0.4 −0.3 −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 xci/c C m i Coeficiente de Momento Borde de Ataque −5º −5º 0º 0º 5º 5º alphaideal alphaideal 26 xci/c 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 C m 1/ 4 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 Coeficiente de Momento 1/4 -5º -5º 0º 0º 5º 5º alphaideal alphaideal 27 −5 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 5 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Cl en función de alpha alpha en deg C l α = αi α = −5o α = 0o α = 5o CL 0.5697 -0.1437 0.4040 0.9518 CM 1 4 -0.0812 -0.0807 -0.0811 -0.0814 CMba -0.2236 -0.0448 -0.1821 -0.31793 Xcp 0.3924 -0.3117 0.4506 0.3355 αsn = −0,0644rad Clα = 6,2765 28 8.2. Conclusiones Sin embargo si merece algo de tiempo en dar una distribución de puntos que no sea equiespaciada, puede serlo pero conviene representar una densidad de puntos mayor cerca de las singularidades, como en el borde de ataque y tambien en el borde de salida para representar correctamente la condición de Kutta. 9. Comparación con Distintos Softwares 9.1. Javafoil En este apartado se presenta al lector el valor del coeficiente de sustentación obtenido con el software libre JavaFoil, para un número de Reynolds de 9x106, primero sin capa límite, para evaluar la precisión de nuestra implementación comparándola con un software más establecido, y luego con capa límite para analizar la influencia del uso de modelos de capa límite implementada. Para evaluar el modelo sin capa límite introducimos en el menú de JavaFoil las caracte- rísticas de nuestro perfil, introduciendo, para no generar errores en el programa, un espesor máximo de 3%, que no generará grandes cambios en el resultado. Con todo esto el perfil se define como NACA 4203. Con todo esto y aplicando los ángulos aplicados en este proyecto, la gráfica del coefi- ciente de presión (cuya suma total debe de ser igual a la de cl en función del punto de la cuerda) será: Para 5o:Para αi : 29 Para 0o: Para -5 30 Así mismo, el programa nos permite obtener los coeficientes globales del perfil, por tanto los podremos comparar con el modelo desarrollado en la presente memoria. α = αi α = −5o α = 0o α = 5o CL 0.591 -0.054 0.423 0.941 CM 1 4 -0.074 -0.03 -0.073 -0.078 Como se puede observar, los coeficientes aerodinámicos son del mismo orden que los ob- tenidos por el programa desarrollado y por la teoría potencial linealizada (a excepción del CL de -5o que en este programa difiere en gran medida del obtenido a través de la Teoría Potencial Liberalizada), por tanto esto nos demuestra que el programa desarrollado tiene una buena precisión en comparación con los softwares gratuitos más establecidos en el mercado. 9.2. XFOIL A la hora de hallar la distribución de sustentación implementando modelos de capa límite, el programa XFOIL ofrece más resultados que el programa Javafoil, por será este el utilzado. Introduciendo el perfil NACA 4213 (el programa no acepta el 4213) los resultados serán: Distribución de Cp para α = 0o: 31 Distribución de Cp para α = −5o: Distribución de Cp para α = αi: 32 Distribución de Cp para α = 5o: En esta ocasión, la sustentación del perfil parece disminuir ligeramente en los puntos del borde de ataque, sin embargo es interesante observar que el CL global aumenta en referencia a cualquiera de los otros métodos sin rozamiento estudiados, lo que puede provenir de algún error del método, sin embargo son todos del mismo orden y difieren centésimas. Sin embargo en este caso lo que si podemos observar es que el programa nos permite calcular la resistencia del perfil. Por último el lector atento habrá notado que las singularidades parecen ir en sentido contrario al obtenido por todos los otros métodos (salvo en Javafoil que funciona igual que aquí). Hay que notar que la fórmula para calcular Cl en función de los Cpintrados y Cpextrados es: Cl = Cpi − Cpe) Por tanto, al tender con mayor fuerza el extradós al infinito, el resultado de Cl es el 33 mismo que en todos los apartados anteriores. Finalmente se presenta al lector un gráfico con las distintas curvas de Cl según α para que pueda observar la variación del Cl con el ángulo de ataque. El lector ha de saber que el según sube el ángulo de ataque, las curvas correspondientes son las de mayor ordenada. 9.3. Conclusiones tras las Comparativas Tras comparar el software desarrollado con los softwares libres de la misma clase, se puede comprobar que la precisión del método desarrollado es similar o incluso mejor a la disponible hasta el momento en software libre tomando como patron de referencia los resultados de la teoría potencial linealizada. Así mismo se puede comprobar que, a parte del cálculo de efectos de resistencia aerodinámica, el modelo potencial es más que suficiente para calcular la sustentación, no introduciendo mejoras significativas el acoplar un modelo de capa límite al software. Parte V Conclusiones Tras la lectura de esta memoria, el lector podrá haber comprobado con sus propios ojos que el método de paneles modeliza con una precisión reseñable la teoría potencial linealizada y permite obtener de una manera sencilla las características aerodinámicas de un perfil. Así mismo, tras el desarrollo del trabajo, se ha podido comprobar que: 1. El método aproxima con bastante precisión la teoría potencial linealizada 2. El número de paneles aumenta la precisión del método, no obstante, con un número relativamente bajo de paneles el aumento de precisión empieza a ser insignificante. Por tanto es un método que converge rápidamente. 34 3. El uso de mallas no equiespaciadas, aumentando la cantidad de puntos en los bordes de ataque y salida, donde los radios de curvatura son menores, aumenta la precisión de los resultados sin aumentar el coste computacional, por lo que será altamente recomendable usar este tipo de mallas. 4. El software desarrollado genera una exactitud igual o superior a la dada por los distintos softwares libres disponibles. 5. La implementación de modelos de capa límite no mejora de manera significativa la precisión del método, más allá de permitir obtener la resistencia aerodinámica del perfil. Dado que sin embargo su implementación se presenta tediosa y difícil de unir al modelo de paneles, se concluye que dicha implementación no es interesante a menos que se busque hallar la resistencia aerodinámica. Por tanto, basándose en todos estos puntos, los autores recomiendan sin ninguna duda el uso del software desarrollado de método de paneles para el estudio de perfiles aerodiná- micos. Parte VI Bibliografía 1. Meseguer Ruiz, José; Sanz Andrés, Ángel .Aerodinámica Básica"2aEd. Garceta, Ma- drid, 2011 2. Sandía Agüera, Fernando; Gonzalo de Grado, Jesus; Margot, Xandra; Meseguer Ruiz, José "Fundamentos de los Métodos Numéricos en Aerodinámica"1aEd. Garceta, Ma- drid, 2013 35 I Introducción II Generación del Perfil Panelado Distribución de Puntos Nodales y Puntos de Control III Resultados del Método Sustentación Coeficientes Aerodinámicos Tablas de Resultados IV Análisis del Método Teoría Potencial Linealizada Conclusiones Variación del Número de Paneles Coeficientes Aerodinámicos para n=60 Coeficientes Aerodinámicos para n=100 Conclusiones Distribución de Paneles Coeficientes Aerodinámicos Conclusiones Comparación con Distintos Softwares Javafoil XFOIL Conclusiones tras las Comparativas V Conclusiones VI Bibliografía
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