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Dentro del software de dinámica de fluidos computacional (CFD) ANSYS Fluent, entre las opciones clásicas de modelización de rotores existe la condición de contorno de ventilador (fan), la cual crea un salto de presión a través de la cara donde esté asignada. Un modelo como este proporcionaría unos resultados adecuados para una fase preliminar, sin embargo, dada la complejidad del flujo de un rotor, no se puede considerar adecuado para un estudio de optimización [1] [2].

Otras aproximaciones para simular el flujo del rotor podrían ser los marcos móviles de referencia MRF (Moving Reference Frames) o mallas deslizantes. En ambos métodos es necesario incluir las palas en el dominio computacional con su correspondiente mallado, Figura 1. El primero es una aproximación de flujo estacionario donde la malla permanece inalterada durante el cálculo, mientras que en el segundo la malla cercana al rotor lo acompaña en su movimiento. El inconveniente de estos modelos es la necesidad de hacer un mallado muy refinado para capturar todos los efectos viscosos en la superficie de las palas, especialmente en las puntas, donde son apreciables los efectos de la compresibilidad del aire. Este refinado incrementa las necesidades computacionales y por consiguiente el coste económico y temporal.

 

Figura 1 Detalle de la malla de las palas de un helicóptero en un análisis CFD convencional

 

En el caso de las mallas deslizantes o superpuestas, se debe actualizar el mallado en cada iteración, incrementando aún más el coste computacional y provocando inestabilidades en el algoritmo de solución. En cuanto al tiempo dentro de la simulación, un análisis transitorio tendría como consecuencia la necesidad de almacenar datos de cada iteración incurriendo por tanto en un coste de almacenamiento adicional.

 

                          Figura 2 Comparativa de: a) Campo de vorticidad no estacionario de un mallado deslizante; b) Velocidad promediada en el tiempo de un disco VBM

 

Para la realización de predicciones aerodinámicas precisas es necesario que los rotores operen con la tracción deseada y equilibrio de momentos. En un helicóptero real, esto se realiza con los controles del paso cíclico y colectivo, pero con un disco actuador como se ha utilizado de forma clásica, no existe una rutina de equilibrado. Por tanto, un análisis por modelo de pala virtual VBM (Virtual Blade Model) parece adecuado para simular el campo de velocidades producido por el rotor utilizando términos fuente en las ecuaciones de Navier-Stokes ubicados en el disco que se ha de incluir en la geometría. Este método tiene el algoritmo de equilibrado requerido y los términos fuente son calculados por propiedades de la pala como la cuerda, el tipo de perfil aerodinámico, o el giro y propiedades del fluido como el número de Mach, el número de Reynolds o el ángulo de ataque [3].

Mediante la utilización de este método, se han desarrollado optimizaciones de fuselaje en helicópteros, Figura 3 [4], con especial interés en la disminución de la fuerza de sustentación negativa producida en el vuelo en crucero. Además, una de las ventajas de este modelo sobre otros de posible implantación en un código CFD [5] [6] es la posibilidad de incluir hasta 10 rotores, Figura 4, con lo cual es idóneo para una configuración coaxial de rotor como corresponde al EVAN.

 

Figura 3 Geometría de fuselaje optimizada por medio del Virtual Blade Model [4]

 

Figura 4 Campos de velocidades relativas del rotor principal y de cola modelados con técnicas VBM [2]

 

La aplicación de este modelo no se limita a las aplicaciones en aviación. También ha sido utilizado en simulaciones de turbinas eólicas [7] ofreciendo resultados más acordes a las mediciones experimentales [8] que programas certificados como WAsP. Además, no es un modelo condicionado a un paquete específico de CFD como es ANSYS Fluent, sino que puede ser aplicado a otros códigos, por lo que no sería problemático en el caso de un cambio de sistema.

 

Figura 5 Análisis térmico de un helicóptero. Los gases de escape en vuelo a punto fijo son impulsados por el flujo del rotor principal creado con un interfaz VBM [9]

Además de todas las ventajas presentadas anteriormente y cualidades, el VBM puede ser adecuado en caso de tener que realizarse simulaciones de la interacción de estelas de vehículo tripulado con autónomo, ya que, como ya se ha realizado con aeronaves del tipo “tiltrotor” [10], se puede acoplar el algoritmo a un movimiento de mallas para simular el movimiento del helicóptero con respecto al dominio computacional, Figura 6.

 

 

Se puede concluir por tanto que el VBM es un modelo que se ajusta adecuadamente a la fase de optimización aerodinámica del proyecto EVAN, ofreciendo unos resultados suficientemente fiables a la vez que reduciendo los costes computacionales y económicos.

Equipo del NI+DO

El NI+DO es el área de I+D de la división de Aeronáutica, Espacio y Defensa de Altran España. Si tienes preguntas sobre su actividad o este artículo contacta con Miguel Ángel Rodríguez Fernández o deja algún comentario en el formulario.

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