Análisis aeromecánico de alas giratorias mediante un método de paneles combinado con un modelo de estela libre
- Autores: Miguel Roura Sués
- Directores de la Tesis: Ángel Sanz Andrés (dir. tes.), Alvaro Cuerva Tejero (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2009
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Meseguer Ruiz (presid.), Oscar López García (secret.), Xavier Munduate Echarri (voc.), Gabriel Álvaro Matesanz Gil (voc.)
- Materias:
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- Resumen
El objetivo de la tesis es desarrollar y validar un modelo numérico para la simulación aerodinámica y aeromecánica de rotores de helicóptero y aerogenerador. Se denomina problema aerodinámico a aquel donde el movimiento del rotor está especificado a lo largo del tiempo, y problema aeromecánico a aquel donde, además de las variables aerodinámicas, también hay que resolver el problema de interacción entre las fuerzas aerodinámicas y la dinámica de la pala.
La hipótesis fundamental del modelo que se propone es que el flujo alrededor del rotor es incompresible y potencial (excepto en la estela y las capas límites). Basado en estas dos hipótesis, se va a utilizar un método de paneles tridimensional, con paneles planos y potencial constante, para determinar el potencial de velocidades. En cuanto a la estela, a diferencia de lo que sucede en el caso del ala de un avión, el movimiento de un rotor se desarrolla en las proximidades de la misma o inmerso en ella y, por tanto, es fundamental determinar su geometría de una forma precisa. En este trabajo la estela se trata como una superficie con una distribución tangencial de torbellinos. Para determinar su geometría se utiliza un modelo de estela libre, que se basa en el cálculo de las trayectorias de una serie de puntos de control con la velocidad local del fluido. Sin embargo, dado el coste computacional de los modelos de estela libre, es usual simplificar la estela utilizando la circunstancia que se puede separar en dos zonas. En efecto, una de las características fundamentales de la estela de un rotor es la existencia del torbellino de punta de pala, que se produce por el enrollamiento de la estela de la punta de la pala debido a la mayor intensidad de los torbellinos en esta zona. Este hecho hace que sea posible dividir la estela en la estela cercana, tratada como una superficie general, y la estela lejana, modelada a través de un torbellino concentrado a modo de torbellino de punta de pala. Para poder tratar adecuadamente esta división es necesario modificar convenientemente la ecuación del método de paneles, y establecer un modelo de empalme que permita determinar el origen y la circulación del torbellino del campo lejano a partir de las variables del campo cercano. En cuanto a la dinámica del rotor, se consideran dos modelos muy simples como son un modelo de rotor articulado con el batimiento como el único grado de libertad, y otro modelo de rotor basculante. Cabe mencionar como un aspecto destacado en la resolución del problema que se ha considerado que la solución es periódica. Este hecho permite analizar una parte importante de las situaciones de trabajo de un rotor, a excepción de los transitorios, estado de anillos turbillonarios, estela turbulenta, etc.
Para terminar, se ha llevado a cabo un análisis de la sensibilidad del modelo a los parámetros más relevantes del mismo, como son el número de paneles utilizado en la discretización de la pala y de la estela, el salto temporal de integración, la longitud del campo cercano y lejano, etc., y se ha validado el modelo frente a resultados experimentales ampliamente utilizados y aceptados por la comunidad científica como, por ejemplo, la base de datos del experimento de Caradonna y Tung (1981) para un rotor de helicóptero en vuelo a punto fijo, la base de datos del 'National Renewable Energy Laboratory' (1987-1999) para un aerogenerador, y el experimento aeromecánico de Harris (1972). El acuerdo entre los resultados de las simulaciones aerodinámicas y aeromecánicas y los datos experimentales es significativamente bueno, teniendo en cuenta el grado de simplicidad de los modelos empleados, en aras a una mayor eficiencia en la ejecución del código.
