Dynamic Lift and Vortex Breakdown during an Unsteady Flow over a Pitching Airfoil

Elevación dinámica y descomposición de vórtice durante un flujo inestable sobre un perfil de inclinación

Las técnicas de dinámica de fluidos computacional se utilizan para dar una visión detallada de los fenómenos inestables que tienen lugar cerca de un perfil aerodinámico. La formación y descomposición del vórtice se analizan utilizando el historial de tiempo de distribución de presión, vorticidad y trayectorias de partículas sin masa inyectadas. Se modelan diferentes casos de flujos para determinar el efecto de la frecuencia reducida en la elevación inestable. Finalmente, se proporciona una comparación de coeficientes de elevación para casos estables e inestables.

1. Introducción

Los flujos inestables representan un área interesante y actual de la aerodinámica con muchas aplicaciones que abarcan múltiples campos. Puede afirmarse que todas las aplicaciones aerodinámicas del mundo real se ven afectadas en cierta medida por los fenómenos inestables. Los aviones de combate altamente maniobrables, capaces de volar con ángulos de ataque elevados y de alcanzar muy rápidamente esos altos valores de α son uno de los ejemplos más interesantes. Las palas del rotor de los helicópteros, los discos de las turbinas en cascada, las hélices de los buques de guerra y los efectos de los fenómenos atmosféricos en los edificios de gran altura representan varias otras aplicaciones en el ámbito técnico, mientras que la sangre pulsante en los buques y los cimientos del vuelo de los insectos son dos ejemplos del área de la biología. En la aerodinámica supersónica, la interacción entre las ondas de choque y la capa límite es de particular importancia. Este trabajo tiene como objetivo analizar los fenómenos inestables relacionados con un perfil aerodinámico NACA 0012, utilizando los métodos de la dinámica de fluidos computacional.

Un flujo puede caracterizarse como inestable sólo si sus cantidades son dependientes del tiempo cuando se hace referencia al marco euleriano, en el que el campo de flujo es una función de la posición en el espacio y el tiempo. A diferencia de lo que ocurre con la mecánica de cuerpos rígidos, gran parte de los problemas de la dinámica de fluidos se clasifican como constantes y todas sus cantidades son independientes del tiempo. El campo de estudio del flujo viscoso inestable abarca dos conjuntos principales de problemas: la influencia de las perturbaciones dinámicas externas en el flujo viscoso y los problemas relacionados con los campos de flujo inestable autogenerados y autosostenidos.  Este trabajo se centra en el primer grupo de problemas, específicamente en el efecto de las perturbaciones transitorias o periódicas externas en el flujo de fluidos.

2. Fundamentos de los flujos inestables

Un campo de flujo se caracteriza por cuatro variables: velocidad, presión, densidad y temperatura. Estas cantidades están determinadas por un sistema de cuatro ecuaciones: la ecuación de estado y las leyes de conservación de la masa, la inercia (segunda ley de movimiento de Newton aplicada al volumen de control) y la energía. Se puede suponer que las propiedades del flujo alcanzan sus valores inalterados en el infinito, ya que estamos tratando con la aerodinámica externa. Además, se supone que no hay succión o soplado de la capa límite a lo largo de la pared del objeto. El flujo en nuestro caso se considera incompresible, por lo que la densidad y la viscosidad son constantes.