Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD

Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD Xavi Moreno Coronado Tutor: Francesc Pérez Rafols Trabajo final de grado Ingeniería Mecánica Curso 2024-25 Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 2 Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. © 2024 by Xavi Moreno Coronado is licensed under CC BY 4.0 Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 3 Yo, Xavi Moreno Coronado, estudiante de la Escuela Politècnica Superior d’Enginyeria de Manresa (EPSEM), declaro mediante el presente escrito que este trabajo es de mi autoría original y no contiene material plagiado. Aseguro que todas las fuentes de información empleadas han sido correctamente citadas y referenciadas, y afirmo que no he incurrido en copia no autorizada ni en la apropiación indebida del trabajo intelectual de terceros. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 4 I. Agradecimientos En primer lugar, me gustaría agradecer a mi tutor Francesc Pérez Rafols, por brindarme su tiempo y conocimientos para poder realizar la investigación además de aportar ideas, brindar soluciones o servir de guía en un sector poco conocido para mí. En segundo lugar, agradecer a mi compañero y amigo Juan Francisco Fernández, el cual me ha aconsejado respecto el modelaje y condiciones de contorno en el túnel de viento virtual. También mencionar a Iván Viedma, quien me ha brindado su ayuda en cualquier problema siempre que me ha sido necesario. Por último, agradecer a mi círculo cercano por ser un punto de apoyo y fuente de motivación. Muchas gracias. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 5 II. Resumen El siguiente Trabajo Final de Grado (TFG) se centra en estudiar un perfil NACA0015 mediante el túnel de viento de la universidad y un túnel de viento virtual. Para ello se realiza un estudio a través del túnel de viento virtual del comportamiento del perfil y como afecta añadir al flap de Gurney a su comportamiento para posteriormente ver cómo afecta agujerear al flap a su rendimiento. Seguidamente, bajo las mismas condiciones de contorno, se estudia el perfil en el túnel de viento de la universidad, y a un túnel de viento virtual, modelado con la misma geometría que el real, para poder saber cuál es el error de medición generado entre ambos. Se concluye estudiando cómo afectan otros parámetros a la hora de obtener los resultados del perfil, los cuales son el índice de bloqueo del túnel, el número de Reynolds y los complementos añadidos al perfil. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 6 III. Resum El següent Treball Final de Grau (TFG) es centra a estudiar un perfil NACA0015 mitjançant el túnel de vent de la universitat i un túnel de vent virtual. Per a això es realitza un estudi a través del túnel de vent virtual del comportament del perfil i com afecta afegir el flap de Gurney al seu comportament per posteriorment veure com afecta perforar el flap al seu rendiment. Seguidament, sota les mateixes condicions de contorn, s'estudia el perfil en el túnel de vent de la universitat, i a un túnel de vent virtual modelat amb la mateixa geometria que el real per realitza el mateix estudi per poder saber quin és l'error de mesura generat entre ambdós. Es conclou estudiant com afecten altres paràmetres a l'hora d'obtenir els resultats del perfil, els quals són l'índex de bloqueig del túnel, el nombre de Reynolds i els complements afegits al perfil. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 7 IV. Abstract The following Final Degree Project focuses on studying a NACA0015 airfoil using the university’s wind tunnel and a virtual wind tunnel. To achieve this, the behavior of the airfoil is analyzed through the virtual wind tunnel, examining how the addition of a Gurney flap affects its performance, and subsequently, how perforating the flap influences its efficiency. Next, under the same boundary conditions, the airfoil is studied in the university’s wind tunnel and in a virtual wind tunnel modeled with the same geometry as the physical one, in order to determine the measurement error between the two. The project concludes by analyzing how various parameters influence the results of the airfoil, including the tunnel blockage ratio, the Reynolds number, and additional components attached to the airfoil. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 8 V. Glosario 𝐴 Área del cuerpo 𝐴𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 Area transversal del túnel de viento 𝐵𝑅 Indice de Bloqueo 𝐶 Constante de Bernoulli 𝑐 Velocidad del sonido 𝐶𝑅 Coeficiente de resistencia aerodinámica 𝐶𝑝 Coeficiente de presión 𝐶𝑝𝑡 Coeficiente de presión total 𝐶𝑆 Coeficiente de sustentación 𝑓 Fuerzas externas 𝐹𝑅 Fuerza de resistencia 𝐹𝑆 Fuerza de sustentación 𝑔 Gravedad ℎ Altura del fluido 𝑘 Conductividad térmica 𝑙 Longitud característica 𝑚 Masa 𝑀𝑎 Numero de Mach 𝑃 Presión del fluido 𝑝∞ Presión del flujo libre 𝑅𝑒 Numero de Reynolds 𝑡 Tiempo 𝑉 Volumen del fluido 𝑣 Velocidad 𝑣∞ Velocidad del flujo libre 𝜇 Viscosidad dinámica 𝜏 Esfuerzo cortante 𝜌 Densidad ∇(v) Gradiente de velocidad del fluido ∇P Gradiente de presión ∇T Gradiente de Temperatura Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 9 Índice I. Agradecimientos ........................................................................................ 4 II. Resumen .................................................................................................... 5 III. Resum ....................................................................................................... 6 IV. Abstract .................................................................................................... 7 V. Glosario ..................................................................................................... 8 Índice ............................................................................................................. 9 VI. Índice de Figuras.................................................................................... 11 VII. Índice de Tablas .................................................................................... 15 1. Introducción ......................................................................................... 18 1.1 Motivación .......................................................................................... 18 1.2 Objetivos ............................................................................................ 18 2. Conceptos fundamentales ................................................................... 20 2.1 Análisis dimensional .......................................................................... 20 2.1.1 Coeficientes de fuerzas ............................................................... 20 2.1.2 Numero de Reynolds ................................................................... 21 2.1.3 Numero de Mach .......................................................................... 22 2.1.4 Coeficiente de presión ................................................................. 23 2.2 Viscosidad .......................................................................................... 24 2.3 Capa limite ......................................................................................... 25 2.3.1 Evolución de la capa limite ......................................................... 26 2.3.2 Desprendimiento de la capa limite .............................................. 27 2.3.3 Gradientes de presión ................................................................. 28 2.4 Ecuación de Bernoulli ........................................................................ 28 2.5 Vórtices .............................................................................................. 29 3. Métodos de análisis ............................................................................. 31 3.1 Túnel de viento ................................................................................... 31 3.1.1 Túnel de viento HM 170 ............................................................... 32 3.2 Simulaciones CFD .............................................................................. 36 3.1.1 Ecuaciones de Navier-Stocks ..................................................... 37 Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 16 Tabla 21: Resultados Drag y Downforce obtenidos para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 7 mm a una velocidad de 20 m/s. .......................................... 89 Tabla 22: Resultados Drag, Lift, Coeficiente Downforce y Coeficiente Lift obtenidos para un perfil NACA0015 sin flap de Gurney a una velocidad de 10 m/s. ............. 90 Tabla 23: Resultados Drag, Lift, Coeficiente Downforce y Coeficiente Lift obtenidos para un perfil NACA0015 sin flap de Gurney a una velocidad de 20 m/s. ............. 90 Tabla 24: Resultados Drag, Lift, Coeficiente Downforce y Coeficiente Lift obtenidos para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 1 mm a una velocidad de 10 m/s. ..................................................................................................................... 90 Tabla 25: Resultados Drag, Lift, Coeficiente Downforce y Coeficiente Lift obtenidos para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 1 mm a una velocidad de 20 m/s. ..................................................................................................................... 90 Tabla 26: Resultados Drag, Lift, Coeficiente Downforce y Coeficiente Lift obtenidos para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 4 mm a una velocidad de 10 m/s. ..................................................................................................................... 91 Tabla 27: Resultados Drag, Lift, Coeficiente Downforce y Coeficiente Lift obtenidos para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 4 mm a una velocidad de 20 m/s. ..................................................................................................................... 91 Tabla 28: Resultados Drag, Lift, Coeficiente Downforce y Coeficiente Lift obtenidos para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 7 mm a una velocidad de 10 m/s. ..................................................................................................................... 91 Tabla 29: Resultados Drag, Lift, Coeficiente Downforce y Coeficiente Lift obtenidos para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 7 mm a una velocidad de 20 m/s. ..................................................................................................................... 91 Tabla 30: Error relativo y absoluto obtenido en ambos túneles de viento en un perfil NACA0015 sin flap de Gurney y una velocidad de fluido de 10 m/s. .................... 92 Tabla 31: Error relativo y absoluto obtenido en ambos túneles de viento en un perfil NACA0015 sin flap de Gurney y una velocidad de fluido de 20 m/s. .................... 92 Tabla 32: Error relativo y absoluto obtenido en ambos túneles de viento en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 1 mm y una velocidad de fluido de 10 m/s. ..... 93 Tabla 33: Error relativo y absoluto obtenido en ambos túneles de viento en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 1 mm y una velocidad de fluido de 20 m/s. ..... 93 Tabla 34: Error relativo y absoluto obtenido en ambos túneles de viento en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 4 mm y una velocidad de fluido de 10 m/s. ..... 93 Tabla 35: Error relativo y absoluto obtenido en ambos túneles de viento en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 4 mm y una velocidad de fluido de 20 m/s. ..... 94 Tabla 36: Error relativo y absoluto obtenido en ambos túneles de viento en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 7 mm y una velocidad de fluido de 10 m/s. ..... 94 Tabla 37: Error relativo y absoluto obtenido en ambos túneles de viento en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 7 mm y una velocidad de fluido de 20 m/s. ..... 94 Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 17 Tabla 38 Resultados en los parámetros estudiados en un perfil NACA0015 sin flap de Gurney a una velocidad del fluido de 20 m/s. ............................................... 95 Tabla 39 Resultados en los parámetros estudiados en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 1 mm a una velocidad del fluido de 20 m/s. ................................. 95 Tabla 40 Resultados en los parámetros estudiados en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 4 mm a una velocidad del fluido de 20 m/s. ................................. 95 Tabla 41 Resultados en los parámetros estudiados en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 7 mm a una velocidad del fluido de 20 m/s. ................................. 96 Tabla 42 Error relativo y absoluto estudiados en un perfil NACA0015 sin flap de Gurney a una velocidad del fluido de 20 m/s. ................................................... 96 Tabla 43 Error relativo y absoluto estudiados en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 1 mm a una velocidad del fluido de 20 m/s. ...................................... 96 Tabla 44 Error relativo y absoluto estudiados en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 4 mm a una velocidad del fluido de 20 m/s. ...................................... 97 Tabla 45 Error relativo y absoluto estudiados en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 7 mm a una velocidad del fluido de 20 m/s. ...................................... 97 Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 18 1. Introducción 1.1 Motivación Des de que tengo uso de razón, el mundo del Motorsport ha sido un campo que siempre me ha fascinado, sobre todo observando los diseños de diferentes monoplazas buscando de maximizar su rendimiento aerodinámico. Este hecho repercutió en querer cursar el grado de Ingeniería de Automoción en la Escola Politècnica Superior d’Enginyeria de Manresa (EPSEM) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) y posteriormente cursar el grado de Ingeniería Mecánica para seguir ampliando mis conocimientos y crear oportunidades para formar parte de él. Durante los años de formación universitaria, se produjeron cambios de normativa en diferentes competiciones de motor, principalmente enfocadas en el comportamiento aerodinámico del vehículo. Mas adelante, aparecerían noticias exponiendo como diferentes equipos sufrían dificultades para poder validar los resultados obtenidos tanto en túnel de viento como simulaciones CFD. Estos hechos sumados a la adquisición de un túnel de viento por parte de la universidad y mi gran curiosidad respecto al problema originaron este Trabajo Final de Grado (TFG) con la finalidad de observar cómo estas dificultades pueden perjudicar al rendimiento en una competición. 1.2 Objetivos El objetivo principal del TFG es entender cómo funcionan las técnicas de estudio de un túnel de viento y de las simulaciones CFD, comprendiendo sus virtudes y limitaciones de estos. Para ello se utilizará un perfil NACA0015, con o sin flap de Gurney, como geometría de referencia. Esta ha sido escogida por motivos de disponibilidad y porque supone una geometría suficientemente compleja como para generar un flujo interesante y, a la vez, suficientemente simple como para poder hacer un estudio detallado. Para conseguir el objetivo principal se fijan los siguientes objetivos secundarios. • Obtener un modelo mínimo que sea posible ensayar en ambas pruebas. • Comprender el funcionamiento de un perfil NACA0015. • Obtener más datos del comportamiento del perfil, utilizando un flap de Gurney de diferentes dimensiones y modificaciones. • Determinar el error entre los datos obtenidos entre ambas pruebas. • Estudiar los parámetros que afectan a los resultados y como afectan. Para cumplir con todos los objetivos se han planificado cuatro fases. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 19 ➢ Fase 1: Estudio del funcionamiento de un túnel de viento y su posibilidad de modelar a un túnel de viento virtual. ➢ Fase 2: Estudio del comportamiento del perfil NACA0015 sin y con flap de Gurney. ➢ Fase 3: Nuevo modelo de túnel de viento, adaptado a las dimensiones del túnel de la universidad, y realizar ensayos en ambos túneles. ➢ Fase 4: Análisis de limitaciones proporcionadas por cada uno de los ensayos y de los resultados obtenidos, comparativa de resultados y error obtenido entre ellos. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 20 2. Conceptos fundamentales En este capítulo se explica los fundamentos teóricos necesarios a conocer para poder realizar todo el apartado de experimentación a través de túnel de viento y simulaciones CFD, además de poder entender cada uno de los resultados obtenidos y analizarlos de manera critica. 2.1 Análisis dimensional El análisis dimensional es una herramienta muy utilizada en mecánica de fluidos que permite simplificar los estudios utilizando los números adimensionales. Los números adimensionales son parámetros sin unidades que combinan las variables importantes del problema [1]. Esto permite utilizar un número menor de variables para entender el problema a estudiar, cosa que simplifica su análisis. A continuación, se detallan los grupos adimensionales relevantes para el estudio de fuerzas aerodinámicas. Cabe destacar que, según las leyes de semejanza, estos parámetros definen completamente el problema. Por tanto, si estudiamos dos flujos donde estos parámetros sean iguales, obtendremos una respuesta aerodinámica igual. 2.1.1 Coeficientes de fuerzas A lo largo que un fluido recorre el perfil, se crean dos diferentes tipos de tensiones que actúan en la superficie. • Tensión de cizalladura. Estas tensiones son producidas por las fuerzas de fricción generadas en la superficie debido a su viscosidad. Estas fuerzas actúan de manera tangencial a la superficie del objeto. • Tensiones por presión. Estas tensiones son producidas debido a como la presión es producida a lo largo del cuerpo. Estas fuerzas actúan de manera perpendicular a la superficie del cuerpo. La suma de estas dos tensiones produce las conocidas cargas de sustentación (en ingles lift) y carga de resistencia aerodinámica, (en ingles Drag) [2]. Figura 1: Fuerzas aerodinámicas generadas en un perfil alar. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 21 A estas fuerzas, se puede relacionar un número adimensional, denominado coeficiente, el cual nos permite cuantificar la fuerza que genera según el modelo y condiciones del fluido. Para el coeficiente de Drag se utiliza la siguiente formula. 𝐶𝑅=2𝐹𝑅 𝜌𝐴𝑣2 Ec 1 Donde 𝐶𝑅 es el coeficiente de Drag, A es el área de referencia, 𝜌 es la densidad, 𝑣 es la velocidad y F𝑅 es la fuerza de resistencia aerodinámica. Para determinar el coeficiente lift se utiliza la misma fórmula, pero cambiando la fuerza de resistencia por la fuerza de sustentación. Este coeficiente puede variar según la geometría del objeto y el número de Reynolds al cual este sometido este. 2.1.2 Numero de Reynolds El número de Reynolds es un parámetro que adimensional que relaciona las fuerzas viscosas con las inerciales [2]. Se calcula de la siguiente manera. 𝑅𝑒 =𝜌𝑣𝑙 𝜇 Ec 2 Donde 𝜌 es la densidad del fluido, 𝑣 es la velocidad del fluido, 𝑙 es la longitud característica y 𝜇 es la viscosidad del fluido. Este número es de los más importantes en la mecánica de fluidos, ya que nos permite determinar si el fluido se desplaza en un régimen laminar o turbulento. También repercute el comportamiento del fluido alrededor del sólido. En la Figura 2 se muestra los diferentes estados del fluido, basado en el número de Reynolds. Se reconoce el fluido laminar (figura a), fluido transitorio (figura b) y fluido turbulento (figura c). • Inferior a 2300, fluido laminar. Actúa como si estuviera ubicado en laminas paralelas a la superficie con la que interactúa. Este movimiento se realiza de manera ordenada y predecible, ya que todas las moléculas se mueven en la misma dirección. • Entre 2300 y 4000, fluido transitorio. El fluido comienza a perder su estado en laminas generando pequeñas oscilaciones entre ellas. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 22 • Superior a 5000, fluido turbulento. El fluido tiene un movimiento desordenado a lo largo de todo su trayecto, causando una mayor disipación de la energía. (a) (b) (c) Figura 2: a) Flujo laminar b) Flujo Transitorio c) Flujo turbulento. [3] 2.1.3 Numero de Mach El número de Mach es la relación entre las fuerzas inerciales y la resistencia del fluido a ser comprimido. Para calcular el número de Mach se utiliza la ecuación 3. Para entender esta ecuación, se puede tener en cuenta que, cuanta mayor velocidad tiene un fluido, más fuerza es necesaria para desviarlo, y por ende una mayor aceleración. Por otro lado, la velocidad del sonido es el parámetro más sencillo que nos permite estudiar la compresibilidad del fluido [2]. 𝑀𝑎 =𝑣 𝑐 Ec 3 Donde 𝑣 representa la velocidad del fluido y 𝑐 representa la velocidad del sonido en el fluido, dado que el fluido utilizado durante todo el proyecto es el aire, este tendrá un valor de 340 m/s. Su función es determinar si es necesario considerar los efectos de la compresibilidad en el fluido. Se reconocen los siguientes tipos. • Flujo incompresible, Mach menor que 0.3. Se consideran todos los efectos causados en el fluido como negligibles. Mostrando variaciones insignificantes en la temperatura y presión. Permite el uso de las ecuaciones de Bernoulli y Navier Stokes. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 23 • Flujo subsónico, Mach entre 0.3 y 0.8. En algunas partes del solido se pueden observar efectos de la compresibilidad, produciendo variaciones de temperatura y presión a considerar en los cálculos. • Flujo transónico, Mach entre 0.8 y 1.2. Se producen diferentes ondas de choque que producen un incremento de la fricción del fluido, provocando una dificultad para analizar las partes viscosas de este y generando diferentes estados del flujo a lo largo del cuerpo. • Flujo supersónico, Mach entre 1.2 y 3.0. Se producen diferentes ondas de choque a lo largo del solido que provocan cambios en la temperatura y presión del objeto. Es necesario considerar la compresibilidad en las ecuaciones del flujo (uso de las ecuaciones de Navier-Stocks). • Flujo hipersónico, Mach mayor que 3.0. Altos valores del número de Mach causan un considerable aumento de la temperatura en la capa limite, causando diferentes modificaciones en las moléculas. 2.1.4 Coeficiente de presión El coeficiente de presiones se utiliza para describir la distribución de presiones en la superficie de un cuerpo cuando está expuesto a un fluido. Para realizar esta comparación se utiliza un punto de la superficie y se relaciona la presión ambiente con la presión dinámica. 𝐶𝑝=𝑃−𝑝∞ 1 2𝜌𝑣∞ 2 Ec 4 Donde P es la presión en un punto de la superficie del cuerpo, p∞ es la presión del flujo libre y v∞ es la velocidad del flujo libre. Según el valor que obtengamos, podemos obtener una interpretación. • 𝐂𝐩>𝟎. La presión es mayor a la 𝑝∞, indicando que es una región de alta presión junto a una reducción del fluido. • 𝐂𝐩=𝟎. La presión es la misma. • 𝐂𝐩<𝟎. La presión es inferior a la presión dinámica, indicando un aumento de la velocidad del fluido en ese punto. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 24 También es posible estudiar el coeficiente de presión total, el cual muestra la energía de un fluido en un punto determinado respecto su energía inicial. 𝐶𝑝𝑡 =𝑃 + 1 2𝜌𝑣2 𝑝∞ + 1 2𝜌𝑣∞ 2 Ec 5 Este valor permite desviar fluidos con baja energía ya que son fluidos que no interesan al no proporcionar beneficios en el sólido que interactúa. 2.2 Viscosidad La viscosidad es la resistencia de un fluido al desplazarse cuando se le aplica una fuerza sobre él [2]. Este efecto se observa en los diferenciales de energía cinética que se pueden observar en un fluido. Cada fluido tiene su propia viscosidad, la cual se obtiene relacionando el gradiente de velocidad en una superficie solida con su tensión cortante generada. Además, la viscosidad nos permite calculas los esfuerzos cortantes, los cuales provocan las fuerzas viscosas. Esto se muestra en la ecuación 6, la cual relaciona el esfuerzo cortante según el gradiente de velocidad. 𝜏 =𝜇∇v Ec 6 Donde 𝜏 es el esfuerzo cortante, 𝜇 es la viscosidad dinámica y ∇v es el gradiente de velocidad del fluido. Debido a la viscosidad del fluido al entrar en contacto con un sólido se produce el efecto Coanda. Esta muestra como un fluido es capaz de seguir la trayectoria de una superficie sólida debido a que el fluido adquiere la velocidad del sólido. [4] Este efecto nos permite modificar el fluido de tal manera que permita una optimización de su recorrido basado en las necesidades del diseño. Este efecto se muestra en la Figura 3, la cual la dirección del aire es horizontal. Cuando entra en contacto con el sólido en forma de cilindro, comienza a variar su dirección, siguiendo la curvatura de este. En el momento que la velocidad supera la fuerza de viscosidad, este se desprende del sólido y mantiene una dirección de movimiento vertical. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 25 Figura 3: Representación visual del efecto coanda. [4] 2.3 Capa limite La capa límite de un fluido es la parte más cercana de este al solido que entra en contacto, en la cual la viscosidad no se puede considerar como negligible [5]. En la Figura 4 se muestra la velocidad de un fluido conforme recorre el sólido de un perfil NACA. En este se muestra como el sólido desvía las corrientes del fluido, pero aun así la velocidad se mantiene elevada durante todo el recorrido. Cuando el número de Reynolds es elevado, se negligen las fuerzas viscosas, permitiendo el recorrido del fluido sin resistencia, como sucede en la sección rosada. Conforme la velocidad se iguala a la del fluido, aparecen los efectos de la viscosidad, adhiriéndose el fluido al sólido, produciendo una velocidad de este a 0. Debido a este efecto, se genera un gradiente de velocidades entre las líneas de corrientes más alejadas y la superficie del sólido, conocido como la capa limite, mostrado en color azul en la figura. En la capa limite, debido a los grandes gradientes de velocidad producidos, provocan que las fuerzas viscosas no sean negligibles. Figura 4: Representación de velocidades en un perfil NACA. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 32 • Linealizador de flujo. Estructura con el objetivo de reducir las turbulencias y uniformar el flujo de aire antes de entrar en el cono. Para conseguirlo cuenta con una estructura en forma de panel de abeja, separando el fluido durante la entrada. Aumenta la precisión de los ensayos proporcionando un fluido estacionario dentro del túnel, garantizando que las únicas turbulencias posibles a generarse son con la interacción del sólido. • Cono de contracción. Sección donde el área se reduce para poder aumentar la velocidad del fluido, aplicando el efecto Venturi (ver 2.4 Ecuación de Bernoulli). • Estructuras. Proporciona estabilidad a los componentes del túnel de viento, además de servir como referencia para alinear el sistema. • Cámara de ensayos. Sección donde se encontrará el cuerpo a ensayar su interacción con el fluido. • Difusor. Tiene como objetivo reducir la velocidad del aire, es por ello por lo que aumenta la sección, realizando la función inversa del cono. Además, permite aumentar la eficiencia del ventilador. • Ventilador. Sirve para expulsar el aire al ambiente una vez realizado todo el recorrido del túnel, además de generar todo el fluido que recorre el túnel. 3.1.1 Túnel de viento HM 170 En la Escola Politècnica Superior d’Enginyeria de Manresa, se dispone del túnel de viento HM 170, el cual es de circuito abierto del tipo “Eiffel”. Su finalidad es formar a estudiantes tanto de física como de ingeniería interesados en especializarse en aerodinámica. Este instrumento nos permite realizar las siguientes funciones. • Determinar coeficientes de drag y sustentación. • Determinar presiones en el sólido. • Estudiar la capa limite • Estudiar las oscilaciones fluctuantes. • Medir la estela y desprendimiento de la capa limite. • Visualizar las líneas de corriente del fluido. En la Figura 10 se muestra el túnel de viento HM170 referenciando cada una de sus partes. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 33 Figura 10: Túnel de viento HM170 [7]. Tabla 1: Componentes del túnel de viento HTM170 [7]. El funcionamiento de este túnel de viento se basa en la entrada del aire ambiental, a través del embudo, hasta llegar a la sección de medida. Durante este transcurso recorre el rectificador, el cual se encarga de laminar el fluido y posteriormente por la tobera, encargada de acelerar el fluido hasta la velocidad deseada. Dentro de la sección de medida se encuentra la sección de fuerza, donde se encuentra el cuerpo a estudiar, el cual está sujeto mediante una varilla a un sensor de fuerza, el cual permite obtener los datos de la fuerza lift y Drag. También se dispone de un sensor de cargas capaz de medir los momentos generados en el sólido. Este lo consigue a través de dos galgas extensiométricas ubicadas en los extremos, mostrado en la Figura 11. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 34 Figura 11: Componentes del sensor de cargas y diagrama de fuerzas des de vista alzada [7]. Transcurrida la sección de medida, la velocidad del fluido comienza a reducirse conforme va recorriendo la sección del difusor, la cual está diseñada para no producir ningún desprendimiento del flujo. Figura 12: Componentes del sensor de carga de 3 componentes y diagrama de fuerzas des de vista alzada [7]. Para poder controlar la velocidad del fluido, se dispone del manómetro, mostrado en la Figura 13, este está conectado a la sección de medida. Esta velocidad la obtiene en base a la presión en el punto de medida, siguiendo el efecto Venturi (ver 2.4 Ecuación de Bernoulli). Figura 13: Manómetro de tubo inclinado [7]. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 35 A continuación, se muestra información complementaria del túnel de viento, mostrando su potencial a la hora de realizar estudios de cuerpos sólidos, sin embargo, para el presente trabajo no se han utilizado. Para estudiar presiones diferenciales se dispone de 16 tubos manométricos, mostrado en la Figura 14, todas disponen en su interior de la misma cantidad de agua, si se produce una disminución de presión en el punto de medida, el nivel del agua sube mientras que, si se produce un aumento de presión, el nivel del agua disminuye. El túnel de viento también dispone de un generador de niebla que nos permite visualizar el recorrido del fluido a través del sólido, mostrado en la Figura 15. Para recopilar y visualizar todos los datos mostrados, es necesario el software G.U.N.T, el cual nos permite graficar de manera automática todos los resultados generados por el túnel de viento. Figura 14: Tubos manométricos HM 170.50 [7]. Figura 15: Generador de niebla [7]. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 36 3.2 Simulaciones CFD La fluidodinámica computacional, o más conocida por CFD es un método de análisis numérico que permite estudiar los comportamientos de un fluido en múltiples casos y aplicaciones, en el caso del proyecto se enfoca en la interacción del fluido con un cuerpo sólido. Esto se desarrolla a través de un modelo virtual, donde se realizan cálculos basados en las fórmulas teóricas de Navier-Stocks (se habla de ello en la sección 3.2.2). Este método de análisis permite optimizar los gastos económicos y de tiempo de un proyecto obteniendo diferentes tipos de resultados similares a la realidad. Su funcionamiento se basa en la preparación de un modelo 3d que sea posible simular, teniendo en cuenta que tiene que ser lo más similar posible al prototipo que deseamos fabricar. Seguidamente, se genera una malla la cual afecta a la superficie de todo el cuerpo sólido y al área permisible por el que puede pasar el fluido. Hechos estos dos pasos se procede a introducir las condiciones de contorno y proceder con la simulación. Los resultados que se obtienen son parámetros como pueden ser la velocidad, el coeficiente de presiones o las turbulencias ocasionadas en cada uno de los puntos. En la Figura 16 se muestra un ejemplo de una simulación a través de túnel de viento virtual. Figura 16: Simulación CFD Škoda Octavia. Estos modelos se pueden encontrar en diferentes sectores como pueden ser. • Sector automoción. La principal utilización se basa en optimizar la aerodinámica del vehículo, donde se asume el aire como el fluido, para mejorar su rendimiento y eficiencia de combustible. Sin embargo, es posible realizar otros tipos de simulaciones como pueden ser las del combustible dentro del depósito o a lo largo del recorrido del proceso de combustión interna del motor. • Sector fabricación industrial. Son necesarias las simulaciones CFD en empresas de metalurgia o involucradas en el proceso de fundición, donde Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 37 es necesario saber cómo el hierro fundido se va depositando en el molde, ya que puede afectar a las propiedades del producto final si no se vierte de manera correcta. • Sector naval. Las simulaciones CFD es una de las mejores herramientas a la hora de resolver problemas de hidrodinámica, ya que son capaces de resolver ecuaciones de Navier Stock para un fluido incompresible y de un flujo turbulento. Su utilización se basa en optimizar la estructura externa de barcos y submarinos. • Sector de ingeniería civil. Todas las infraestructuras que se quieran construir las cuales se ubiquen en un lugar donde puede afectar un rio, un lago, el mar etc. será necesario realizar una simulación CFD de esta para ver cómo podría llegar a afectar a la obra. • Sector de ingeniería medioambiental. Se enfoca principalmente en mover el aire caliente de los focos que los genera. Esto se consigue estudiando el flujo del aire del lugar y forzándolo a un movimiento constante. 3.1.1 Ecuaciones de Navier-Stocks El teorema de Navier-Stokes son las versiones diferenciales de los teoremas de conservación de masas y la cantidad de movimiento, permitiendo estudiar el fluido de una manera tridimensional. Ecuación de la continuidad de movimiento La ecuación de continuidad se basa en la ley de conservación de las masas, causando que la masa dentro de un volumen de control fijo en el espacio cumpla con la siguiente función. 𝜕𝜌 𝜕𝑡 +𝛻(𝜌𝑣)=0 Ec 8 En nuestro caso, al ser nuestro fluido de una densidad constante y encontrarse en régimen estacionario, es posible simplificar la función. 𝛻(𝑣)=0 Ec 9 Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 38 Ecuación de cantidad de movimiento La ecuación de cantidad de movimiento se basa en la segunda ley de Newton, la cual relaciona la fuerza aplicada con el ratio de cambio de la cantidad de movimiento respecto al tiempo. 𝐹𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜=𝑑𝑣 𝑑𝑡(𝑚𝑣) Ec 10 Donde 𝐹𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 son las fuerzas aplicadas sobre el fluido. Para un fluido incomposible y de viscosidad constante, esta ecuación se traduce en. 𝜌(𝑑 𝑑𝑡+(v𝛻)𝑣)=−𝛻𝑃+𝜇𝛻2𝑣 Ec 11 3.2.1 Modelos de turbulencia y algoritmo de resolución de ecuaciones En una simulación de túnel de viento virtual, es necesario escoger la metodología en la que el software realizara cada una de las operaciones. Esto es debido a que existen diferentes modelos de turbulencia basados en modificaciones de las ecuaciones de Navier Stockes. Si bien Navier Stockes nos permite explicar toda la física del movimiento de un fluido, las turbulencias que se generan en un fluido se producen a escalas tan pequeñas que provoca que sea imposible resolverlas directamente. Es por ello que estas se modifican y se aproximan en función de la finalidad de su aplicación. Los diferentes modelos que existen son los siguientes. • Modelo LES (acrónimo en ingles de Large Eddy Simulation). Su funcionamiento se basa en resolver de manera directa los nodos grandes mientras que los nodos de menor tamaño, a través del modelo de Smagorinsky el cual introduce una viscosidad Eddy según el tamaño de la malla, permite resolverlo. Es necesario un ordenador con buenas capacidades para poder realizar las simulaciones. • Modelo RANS (acrónimo en ingles de Reynolds Averaged NavierStocks). Su funcionamiento se basa en separar el flujo en componentes medios, los cuales se resuelven de manera directa, y fluctuantes, los cuales se aproximan mediante modelos de turbulencia. Es posible Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 39 encontrar 4 modelos diferentes los cuales optimizan el proceso de simulación y adaptan las ecuaciones a las circunstancias que sean necesarias. Los diferentes modelos son. o Spalart-Allmaras. Fue desarrollado para realizar simulaciones precisas de los flujos en la capa limite. Dispone de una única ecuación lineal en la cual dispone de una única variable, la viscosidad turbulenta (ν). Se utiliza este modelo cuando el flujo tiene poca separación y un bajo número de Reynolds. Es la más recomendada para las simulaciones CFD. o K-Omega. Fue desarrollado para observar los efectos de la turbulencia en la capa limite y en regiones con presiones adversas. Su funcionamiento se basa en el cálculo de la energía cinética turbulenta y la tasa de disipación especifica. Se utiliza en modelos con un numero de Reynolds bajo, pero con una mayor separación entre capas respecto a la capa limite. Proporciona resultados precisos, pero tiene una gran sensibilidad de las condiciones iniciales. o K-Épsilon. Sigue la misma metodología que el método K-Omega, pero resuelve la tasa de disipación turbulenta en vez de la tasa de disipación especifica. Se utiliza en modelos con bajo número de Reynolds y mallas poco refinadas. o Estrés de Reynolds. Es el modelo más complejo de todos los presentados. Dispone de 7 ecuaciones diferentes para poder calcular todos los flujos con una gran precisión. Necesita de mucha potencia computacional para poder realizar las simulaciones. Son los más comunes ya que no necesitan de grandes capacidades computacionales para ser procesados, sin embargo, son también los más limitados. • Modelo DES (acrónimo en ingles de Datached Eddy Simulation). Su funcionamiento se basa en combinar los modelos LES y RANS para obtener la eficiencia y precisión de los modelos LENS con la alta versatilidad de los modelos RANS. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 40 Método de resolución de ecuaciones Existen dos métodos de resolución de las ecuaciones no lineales, los cuales se tienen en cuenta a la hora de realizar el estudio del fluido [8]. • Segregated Flow: El método de resolución consta en dividir las ecuaciones del flujo en grupos más pequeños, resolviéndolos de forma independiente, y posteriormente ensamblando el problema en general para obtener la ecuación completa. Tiene una gran adaptabilidad a diferentes condiciones del flujo, sin ser sensibles a pequeños cambios. Sin embargo, tienen una convergencia lenta, sobre todo en geometrías complejas, aumentando el tiempo de computación. Se dividen en PISO, el cual desacopla presión y velocidad a la hora de realizar los cálculos, y SIMPLE, el cual mantiene ambos valores juntos. • Coupled Flow: Este método resuelve todas las ecuaciones generadas en el dominio del flujo. Es el ideal a la hora de resolver problemas con grandes gradientes, además de su convergencia más efectiva respecto al otro método. Sin embargo, es necesaria una mayor memoria RAM. 3.3.1 Túnel de viento virtual Dentro de un software CFD es posible dimensionar un túnel de viento virtual. Para este trabajo se utiliza el software STAR-CMM+, una herramienta de simulación desarrollada por Siemens enfocada principalmente en simulaciones multifásicas y de dinámica de fluidos [10]. Este túnel de viento tendría la misma función que un túnel de viento convencional, estudiar la interacción del aire cuando recorre un sólido, pero siendo este capaz de proporcionarnos una mayor cantidad de resultados, adaptándose a la geometría a estudiar y sin la necesidad de disponer de un túnel de viento físico con todas sus limitaciones. Geometría y condiciones de contorno Las condiciones de contorno necesarias para poder emular un túnel de viento en un software CFD son las siguientes. • Entrada del túnel: Aplicada en la pared la cual representa la entrada del fluido al túnel. Corresponde a un Velocity Inlet dentro del programa. Inicia el recorrido del fluido asignando las propiedades de este, ya sean su velocidad, viscosidad o dirección de movimiento. • Paredes del túnel: Aplicada en las paredes que delimitan la longitud del túnel de viento. Corresponden a un Wall dentro del programa. Delimita el flujo para que se mantenga dentro del túnel. Se dispone de dos paredes diferentes. o Pared con fricción: Actúa como una pared real, generando una fuerza de fricción entre el fluido y esta. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 41 o Pared sin fricción: Evade la fricción y actúa únicamente como un delimitante, evita afectar a la interacción del solido con el fluido. • Salida del túnel: Aplicada en la pared la cual representa la salida del fluido en el túnel. Corresponde a un Pressure Outlet dentro del programa. Actúa como punto de referencia de la presión, ya que sino las ecuaciones de Navier Stocks mostrarían resultados erróneos. • Suelo del túnel: Aplicada en la superficie del túnel, exclusivo para simulaciones del sector de automoción, nos permite aplicar un movimiento para poder simular con más realismo el movimiento de un vehículo. Corresponde a un Wall. • Superficie del cuerpo a estudiar: Se aplica en todas las superficies del solido que se encuentran dentro del túnel de viento. Corresponde a un Wall dentro del programa, con configuración no-slip. Permite el contacto entre el fluido y el cuerpo a estudiar, generando las cargas en este y permite al programa calcular todos los parámetros. En la Figura 17 se muestra un ejemplo de una geometría de túnel de viento virtual donde en el interior se muestra el perfil NACA a estudiar. Figura 17: Túnel de viento virtual generado en el programa Star-CMM+. Las dimensiones de un túnel de viento se han de adaptar a la geometría se quiera analizar, para que las paredes no puedan influir en el flujo, modificando los resultados finales, y para que no sea necesarios grandes capacidades computacionales. Para ello es posible utilizar el Índice de Bloqueo. El Índice de bloqueo [9] es una relación de superficies entre el área frontal del objeto que queremos analizar y el área transversal del túnel de viento. Viene determinada por la siguiente formula. 𝐵𝑅 =𝐴 𝐴𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 Ec 11 Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 48 A lo largo del paso del fluido por el sólido, al disponer de mayor facilidad de recorrer este por la parte inferior el fluido se acelera, produciendo una disminución drástica de la presión. Mientras lo recorre, la capa limite va aumentando su tamaño, a la vez que aumenta el grosor de esta (ver sección 2.3.2 donde esta explicado). En la parte superior, la velocidad se mantiene constante, excepto en la parte central del perfil, la cual sufre una aceleración del fluido, repercutiendo en una disminución de presión. Estas secciones con coeficientes de presión negativo son los que generan la carga de sustentación, en este caso negativo por el ángulo de ataque del perfil, causado por la diferencia de presiones entre la parte superior e inferior. El borde de salida del perfil tiene una forma afilada para cumplir con la condición de Kutta [11], el cual permite al fluido abandonar de manera ordenada el sólido, sin generar vórtices. Esto permite al fluido no sufrir perdidas de velocidad y por ende mantener la presión en la parte superior de este. También se produce un principio de acción reacción entre el movimiento del fluido del fluido y el propio perfil alar, generando una fuerza de reacción en la misma dirección que la fuerza generada por el gradiente de presiones, generando una carga lift negativa extra [12]. Para entender mejor el funcionamiento del perfil, se realiza un estudio de como varia el coeficiente lift y el coeficiente Drag en función de su ángulo de ataque. En todos los casos, se mantiene el ejemplo del perfil NACA 0015. En la Figura 25, se observa como el coeficiente lift aumenta de manera proporcional conforme va aumentando el ángulo de ataque. Este comportamiento se puede observar en todos los perfiles, como muestra el estudio de Ardany, Pandiagan y Hasan [13]. Esto se produce debido a que conforme el ángulo de ataque del perfil aumenta, el flujo que recorre la sección inferior del perfil aumenta, produciendo un mayor aumento de velocidad y en consecuencia una mayor disminución de la presión. Sin embargo, cuando el ángulo de ataque es demasiado elevado, en este caso se produce en un ángulo de 18º, se produce una disminución drástica del coeficiente lift ya que el fluido no es capaz de seguir la superficie del fluido, causando un mayor desprendimiento de la capa limite. En la Figura 26 se observa el aumento del coeficiente Drag conforme aumenta el ángulo de ataque del perfil. El coeficiente Drag aumenta de manera parabólica hasta llegar al ángulo de 18º, donde aumenta considerablemente este. Esto es producido por el desprendimiento de la capa limite, el cual genera grandes turbulencias, generando más cargas Drag. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 49 Figura 25: Coeficiente lift de un perfil NACA0015 en función de su ángulo de ataque. Figura 26: Coeficiente Drag de un perfil NACA0015 en función de su ángulo de ataque. Un factor importante de este estudio es los resultados obtenidos tanto en ángulos de ataque positivos como negativos, siendo estos simétricos. Esto es causado debido a la simetría en la geometría del perfil en las partes superiores e inferiores. La Figura 27 muestra la velocidad en una sección del túnel, pero con un ángulo de ataque de 20º mientras que la Figura 28 muestra el coeficiente de presiones en todo el perfil con el mismo ángulo. Estas figuras muestran como el desprendimiento de la capa limite generado en la parte central del perfil impide el paso del fluido acelerado, llegando a ralentizarlo e impidiendo que se genere el gradiente de presiones entre ambas superficies. -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Coeficiente lift Ángulo de ataque (º) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Coeficiente Drag Ángulo de ataque (º) Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 50 Figura 27: Velocidad del fluido durante su recorrido en un perfil NACA con un ángulo de 20º, con las condiciones características explicadas en la sección 3.2.3. Figura 28: Coeficiente de presiones del fluido durante su recorrido en un perfil NACA, con un ángulo de 20º, con las condiciones características explicadas en la sección 3.2.3. Por último, la Figura 29 muestra la eficiencia aerodinámica del perfil alar conforme varía el ángulo de ataque. Esta es importante ya que muestra cual es el ángulo o intervalo de ángulos que nos permite generar una mayor carga lift con la mínima carga Drag. En este perfil se muestra como la eficiencia aumenta de forma proporcional hasta su máxima eficiencia, la cual se obtiene a un ángulo de ataque de 10º, para posteriormente ir reduciéndose de manera proporcional hasta el ángulo de 18º, donde se produce una reducción drástica de esta. Si es necesario una mayor carga que la obtenida, es más eficiente cambiar las dimensiones del perfil a uno con mayor tamaño, ya que conforme aumenta el Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 51 tamaño del solido un mayor fluido actúa sobre este, que aumentar el ángulo de ataque. Figura 29: Eficiencia aerodinámica de un perfil NACA0015 en función de su ángulo de ataque. 4.3 Flap de Gurney El flap de Gurney consiste en una pestaña ubicada en salidas de perfiles aerodinámicos de aproximadamente entre un 1-5%, según un estudio realizado por J.J Wang [14], de tamaño respecto al cuerda del perfil. Esta pestaña fue inventada por el ingeniero Dan Gurney, con el objetivo de incrementar el rendimiento del vehículo. Gracias a esta idea consiguió generar una gran carga en el eje trasero del vehículo, provocando una conversión de un vehículo con comportamiento de sobreviraje a uno con comportamiento de subviraje. La finalidad del perfil es modificar el recorrido del flujo en el borde de salida de la parte del extradós. Para ello este flap actúa como obstáculo para el fluido a la hora del desprendimiento, generando un vórtice. Este adelanta el efecto de desprendimiento que debería sufrir el flap, obligando al fluido del intradós a obtener una mayor aceleración de este, con su consecuente disminución de presión. Además, estos vórtices también se generan en la cara opuesta del flap, prologando el desprendimiento del fluido y aumentando el recorrido del fluido del intradós (ver Figura 30). Figura 30: Perfil aerodinámico con flap de Gurney. -6 -4 -2 0 2 4 6 -20 -10 0 10 20 Eficiencia aerodinamcia (Cl/Cd) Ángulo de Ataque (º) Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 52 Sin embargo, el disponer del flap de Gurney nos produce un aumento de la resistencia aerodinámica del sólido, esto producido al aumento de área frontal que interacciona con el fluido, además de ser un perfil sin optimizar su forma. Se ha realizado un estudio para observar como el rendimiento de un perfil alar varía en función del tamaño del flap de Gurney. Para ello, se dimensionan diferentes flaps, con tamaños de 1, 4 y 7 mm, correspondiendo a un 1%, 4% y 7% de la cuerda. Cabe destacar que los dos primeros entran en el rango sugerido por Wang et al [14] mientras que el tercero es mayor. Este último caso se ha usado para comprobar los límites del flap. La Figura 31 muestra la velocidad en una sección del túnel del perfil a estudiar aplicando las condiciones del túnel de viento mostradas en la sección 3.2.3 con un flap de Gurney de 1 mm, la Figura 32 muestra las mismas condiciones con un flap de Gurney de 4 mm y la Figura 33 con un flap de Gurney de 7 mm. Conforme aumenta el tamaño del flap de Gurney, los vórtices generados en la pared van aumentando, produciendo que el desprendimiento de la capa límite de la superficie del perfil se produzca con mayor anterioridad. Este efecto causa que la estela generada por cada uno de los flaps aumente. Todo esto dificulta la recirculación del fluido, impidiendo que se cumpla la condición de Kutta, por ende, produce que el fluido de la superficie inferior del perfil sufra una mayor aceleración. Sin embargo, al ser una simulación estacionaria, no es posible demostrar este efecto, pero si se puede observar un aumento del tamaño de la estela generada, por lo tanto, si se genera una mayor estela quiere decir que el fluido ha sufrido una modificación en esta parte, por lo tanto, se puede asumir que aparecerán vórtices de von Kármán en esta área. Figura 31: Velocidad del fluido durante su recorrido en un perfil NACA con flap de Gurney de 1 mm, con las condiciones características explicadas en la sección 3.2.3. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 53 Figura 32: Velocidad del fluido durante su recorrido en un perfil NACA con flap de Gurney de 4 mm, con las condiciones características explicadas en la sección 3.2.3. Figura 33: Velocidad del fluido durante su recorrido en un perfil NACA con flap de Gurney de 7 mm, con las condiciones características explicadas en la sección 3.2.3. La Figura 34 muestra la distribución de presiones del perfil a través del parámetro adimensional del coeficiente de presiones, mostrado en la sección 2.1.4, con un flap de Gurney de 1mm, la Figura 35 muestra las mismas condiciones con un flap de Gurney de 4mm y la Figura 36 con un flap de Gurney de 7mm. Conforme el flap de Gurney aumenta, también aumenta el coeficiente de presiones negativo generado en la parte inferior del perfil, causado por la aceleración de la velocidad en esa zona. En cambio, en la parte superior se generan dos focos de presiones que producen un gran aumento del coeficiente. El primero ubicado al inicio del perfil, ocasionado por el contacto del fluido con el sólido, el cual ralentiza la velocidad del fluido. El segundo se encuentra en el flap de Gurney, el cual la pared provoca una disminución de la velocidad del fluido. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 54 Este último se puede observar que, en el flap de 1 mm, el aumento de presión se genera tanto en la parte delantera y trasera del flap, pero, en los flaps de 4 mm y 7 mm, la parte delantera sufre un aumento de presión, causado por el contacto del fluido y los vórtices generados, y la parte trasera del flap sufre una caída de presión. Repitiendo el estudio realizado en la sección 4.2, se estudia como el ángulo de ataque del perfil puede afectar a su rendimiento. En la Figura 37, se puede observar cómo varía el coeficiente lift en diferentes flaps de Gurney. Este no cambia el incremento lineal del coeficiente lift al aumentar el ángulo de ataque, manteniendo el pendiente de la curva en ambos casos. Sin embargo, al romper con la simetría del perfil, cuando este tiene un ángulo de 0º ya es posible generar carga lift. Además, se observa una reducción de eficiencia aerodinámica entre los ángulos 17º y 19º, producido porque al flap de Gurney ser un elemento con la finalidad de acelerar el fluido de la parte inferior, el desprendimiento excesivo de la capa limite se produce a un menor ángulo. En la Figura 38, se puede observar cómo varía el coeficiente drag en función si un perfil alar no dispone de flap de Gurney o, en caso de disponer, en función de su tamaño. De igual forma que se ha observado en el coeficiente lift, el flap de Gurney no afecta a la tendencia de su comportamiento conforme el ángulo vario, ya que sigue una tendencia no lineal. A diferencia del lift, exceptuando el ángulo 17º, donde se mantiene constante el Drag, se puede concluir que el ángulo de ataque no afecta para cambiar la tendencia de este. Figura 34: Coeficiente de presión del fluido durante su recorrido en un perfil NACA con flap de Gurney de 1 mm, con las condiciones características explicadas en la sección 3.2.3. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 55 Figura 35: Coeficiente de presión del fluido durante su recorrido en un perfil NACA con flap de Gurney de 4 mm, con las condiciones características explicadas en la sección 3.2.3. Figura 36: Coeficiente de presión del fluido durante su recorrido en un perfil NACA con flap de Gurney de 7 mm, con las condiciones características explicadas en la sección 3.2.3. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 56 Figura 37: Coeficiente lift de un perfil NACA 0015 sin flap de Gurney, con flap de Gurney de 1 mm, con flap de Gurney de 4 mm y con flap de Gurney de 7 mm conforme varía el ángulo de ataque. Figura 38: Coeficiente DRAG de un perfil NACA 0015 sin flap de Gurney, con flap de Gurney de 1 mm, con flap de Gurney de 4 mm y con flap de Gurney de 7 mm conforme varía el ángulo de ataque. Por último, la Figura 39 muestra el rendimiento del perfil alar según si no dispone de flap de Gurney o, en caso de disponer, en función de su tamaño. Se muestra como el perfil optimo varía según el ángulo de ataque utilizado. Siendo en un rango de funcionamiento de 0º a 3º el que dispone un flap de Gurney de 4 mm, de 3º a 5º el flap de Gurney de 1 mm y a partir de los 5º el que no dispone de flap de Gurney. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 5 10 15 20 25 Coeficiente Lift Ángulo de ataque (º) FdG 1 mm FdG 4 mm FdG 7 mm No FdG 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 0 5 10 15 20 25 Coeficiente Drag Ángulo de ataque (º) FdG 1 mm FdG 4 mm FdG 7 mm No FdG Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 57 Como conclusión, se observa que el flap de Gurney permite maximizar las cargas lift generadas en el perfil, sacrificando la eficiencia aerodinámica del perfil. Esto es muy útil en el sector de la automoción, concretamente en el Motorsport, el cual tiene una normativa con bastantes restricciones en términos de medida. En estos casos, el flap de Gurney permite augmentar las cargas de lift sin augmentar el tamaño del perfil. Por otro lado, el flap de Gurney no tendría sentido en aplicaciones donde el tamaño del perfil no está restringido, ya que en esos casos es más conveniente desde un punto aerodinámico usar el perfil de mayor eficiencia. Además, también se demuestra como el flap de 7 mm no obtiene un buen rendimiento, sin ser la mayor eficiencia en ningún momento durante las pruebas, justificando por qué Wang et al [14] no lo recomienda. Figura 39: Eficiencia aerodinámica de un perfil NACA 0015 sin flap de Gurney, con flap de Gurney de 1 mm, con flap de Gurney de 4 mm y con flap de Gurney de 7 mm conforme varía el ángulo de ataque. 4.4 Flap de Gurney con agujero En 2009, Lee [15] realizo modificaciones al perfil de Gurney para observar cómo influía en el comportamiento del fluido respecto el cuerpo. Una de estas modificaciones fue realizar diferentes perforaciones en el flap de Gurney para facilitar el paso del fluido en el flap. De esta manera le permitía reducir el Drag generado sin sacrificar una gran carga lift, permitiendo maximizar la eficiencia aerodinámica. También se produce diferentes modificaciones en la estela. Al disponer de un flujo en la parte central del perfil, causa una reducción a la anchura de la estela, favoreciendo la reducción de Drag causado por los gradientes de presiones. 0 1 2 3 4 5 6 0 5 10 15 20 25 Eficiencia aerodinamica (Cl/Cd) Ángulo de ataque (º) FdG 1 mm FdG 4 mm FdG 7 mm No FdG Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 64 5. Comportamiento del perfil en el túnel de viento experimental y virtual En este capítulo se muestran los ensayos realizados en el túnel de viento de la universidad y en el túnel de viento virtual con el mismo modelo de perfil. En la Figura 50 se muestran los perfiles a estudiar. Al igual que el modelo del capítulo 4, se trata de un perfil NACA0015 adaptado con una varilla para poder ser introducido dentro del túnel de viento. También cuenta con dos endplates, que tienen diferentes funciones como poder montar diferentes flaps de Gurney, el cual se utilizan dos roscas, o que permite tener un leading Edge móvil, el cual no se ha utilizado para este proyecto, pero si ha influenciado en la toma de resultados. Figura 50: Perfil NACA a estudiar de la universidad (izquierda) y modelo generado en CATIAV5 (derecha). Para realizar las comparativas, se ha establecido una velocidad del fluido de 10 m/s, equivalente a un numero de Reynolds de 21,116 y 20 m/s, equivalente a 42,233 número de Reynolds, debido a que el túnel de viento dispone de una velocidad máxima de 25 m/s. Se han modificado las dimensiones del túnel de viento virtual a las mismas del túnel de viento de la universidad, teniendo este unas dimensiones de 193x181x800 mm. Respecto a los ángulos de ataque a estudiar, se han seleccionado los valores 0º, 5º, 10º, 15º, 20º y 25º. Se seleccionan estos ángulos ya que en el capítulo 4 se observa como son los ángulos suficientes para generar una separación en la capa limite, causando la perdida de lift. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 65 5.1 Incerteza La incerteza [16] es la falta de exactitud a la hora de realizar una medición. Esta desviación se puede originar por diferentes factores como puede ser la poca precisión del manómetro a la hora de medir la velocidad del fluido, el error a la hora de posicionar el ángulo de ataque en el túnel de viento o la exactitud de la calibración de los instrumentos de medida. Se han repetido tres veces los ensayos realizados en cada uno de estos. En cada uno se ha cambiado el Angulo de ataque de manera aleatoria, para no producir un error en repetición, además de desmontar la placa. Los resultados se muestran en los Anexos en la sección “II. Medidas obtenidas en el túnel de viento”. En la Tabla 2 se muestra el cálculo del error relativo generado en los ensayos en el túnel de viento. Error relativo DRAG (N) Downforce (N) Naca sin FdG, v=10 m/s 7,22% 11,39% Naca sin FdG, v=20 m/s 2,85% 3,65% Naca FdG 1 mm, v=10 m/s 6,51% 8,16% Naca FdG 1 mm, v=20 m/s 5,60% 2,09% Naca FdG 4 mm, v=10 m/s 3,03% 3,65% Naca FdG 4 mm, v=20 m/s 1,46% 2,10% Naca FdG 7 mm, v=10 m/s 4,57% 3,43% Naca FdG 7 mm, v=20 m/s 5,17% 2,53% Promedio Error relativo 4,55% 4,62% Tabla 2: Error relativo generado durante el ensayo en el túnel de viento. Se obtiene un error promedio de 4,55%, dándose su punto máximo en el Downforce de 11,39%. Este error se considera un valor aceptable debido a la gran sensibilidad de los sensores a la hora de captar resultados y a todas las variables que producían cambios significativos entre resultados. A continuación, se muestra el intervalo de confianza en el perfil sin flap de Gurney. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 66 Figura 51: Intervalos de confianza generados en la medición del Drag de un perfil NACA0015 sin flap de Gurney a 10 m/s. Figura 52: Intervalos de confianza generados en la medición del Drag de un perfil NACA0015 sin flap de Gurney a 20 m/s. Figura 53: Intervalos de confianza generados en la medición del Downforce de un perfil NACA0015 sin flap de Gurney a 10 m/s. 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0 5 10 15 20 25 Drag (N) Ángulo de ataque (º) 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 0 5 10 15 20 25 Drag (N) Ángulo de ataque (º) 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0 5 10 15 20 25 Downforce (N) Ángulo de ataque (º) Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 67 Figura 54: Intervalos de confianza generados en la medición del Downforce de un perfil NACA0015 sin flap de Gurney a 20 m/s. 5.2 Análisis de resultados Realizado el estudio, se recopilan todos los valores para poder ser graficados, siendo diferenciados las curvas de las gráficas en líneas continuas los valores obtenidos en el túnel de viento físico y las líneas discontinuas los valores obtenidos en túnel de viento virtual. En la Figura 55 se muestra la carga Drag generada en los diferentes perfiles a una velocidad de 10 m/s mientras que en la Figura 56 se muestra el mismo caso, pero a una velocidad de 20 m/s. Los valores obtenidos en túnel de viento virtual en ambos casos son superiores a los valores obtenidos en el túnel de viento físico. Figura 55: Comparativa carga Drag generado entre un perfil NACA0015 y sus diferentes flap de Gurney en un túnel de viento virtual y uno físico a una velocidad de 10 m/s. 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 0 5 10 15 20 25 Downforce (N) Ángulo de ataque (º) Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 68 Figura 56: Comparativa carga Drag generado entre un perfil NACA0015 y sus diferentes flap de Gurney en un túnel de viento virtual y uno físico a una velocidad de 20 m/s. Se observa una tendencia no lineal en ambos casos, donde en el intervalo del ángulo de ataque de 0º a 10º el Drag aumenta lentamente y de los 11º a los 25º donde aumenta de manera más significativa. En comparación al capítulo 4, se observa como la carga Drag inicial es mayor en este perfil que en el anterior, pero el comportamiento no lineal se mantiene similar. En la Figura 57 se muestra la carga lift generada en los diferentes perfiles a una velocidad de 10 m/s mientras que en la Figura 58 se muestra el mismo caso, pero a una velocidad de 20 m/s. Figura 57: Comparativa carga lift generado entre un perfil NACA0015 y sus diferentes flap de Gurney en un túnel de viento virtual y uno físico a una velocidad de 10 m/s. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 69 Figura 58: Comparativa carga lift generado entre un perfil NACA0015 y sus diferentes flap de Gurney en un túnel de viento virtual y uno físico a una velocidad de 20 m/s. Se observa como el comportamiento del perfil, a una velocidad de 10 m/s, varía entre túneles de viento, obteniendo el máximo valor de carga generado al ángulo de ataque de 10º en el túnel de viento virtual, mientras que en el túnel de viento real se obtiene cuando este dispone un ángulo de ataque de 15º, esta diferencia no es tan grande si se considera que se han estudiado los ángulos de ataque de 5 en 5. Este efecto en los resultados se genera debido a que, en el modelo físico, al disponer de una superficie rugosa, genera unas mayores turbulencias que el modelo ideal estudiado en el túnel de viento virtual. Además, predecir numéricamente las turbulencias es más complicado. Comparado al capítulo 4, la máxima carga lift se obtiene a un ángulo de ataque menor, causado por el efecto de ambos endplates en los perfiles. Sin embargo, al aumentar la velocidad a 20 m/s, las curvas de ambos túneles se estabilizan, mostrando resultados bastante similares entre ellos. Comprando ambos parámetros en conjunto, la diferencia del lift es inferior a la diferencia del Drag debido a que este depende en mayor medida de la capa limite, ya que las cargas lift se generan por el efecto Venturi. Cabe destacar que, en general, el comportamiento de la capa límite está más afectado por imperfecciones en la superficie, por lo cual el error esperado es mayor cuando la capa límite es más relevante. La diferencia de resultados entre ambas velocidades se debe a que conforme esta aumenta, el efecto Venturi asume una mayor importancia que el efecto de la capa limite, y al obtener un menor error en el lift que en el Drag, se puede concluir en que los resultados a velocidades de 20 m/s son más significativos. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 70 En la Figura 59 se muestra la eficiencia en los diferentes perfiles a una velocidad de 10 m/s mientras que en la Figura 60 se muestra el mismo caso, pero a una velocidad de 20 m/s. Se observa una similitud en los comportamientos de diferentes perfiles a una velocidad de 10 m/s, los perfiles estudiados en túnel de viento virtual muestran comportamientos diferentes a los del túnel de viento real, donde la eficiencia del perfil se reduce de manera considerable en el perfil virtual, mientras que en el perfil real la pendiente más desfavorable se encuentra entre los ángulos de 15º a 20º. Figura 59: Comparativa eficiencia entre un perfil NACA0015 y sus diferentes flap de Gurney en un túnel de viento virtual y uno físico a una velocidad de 10 m/s. Se observa que, particularmente a 20 m/s, se producen vibraciones notables modificando la velocidad del cuerpo, afectando al comportamiento aerodinámico de este. Como hipótesis se plantea que estas vibraciones son la causa de la diferencia observada en los resultados de túnel de viento virtual y real. Respecto a los perfiles del túnel de viento virtual, se observa como el perfil sin flap de Gurney dispone de una eficiencia completamente distinta a los otros perfiles. Como hipótesis, se plantea que, debido a las pocas muestras de ángulos de ataque medidos, los resultados no son más similares a los obtenidos en el capítulo 4. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 71 Figura 60: Comparativa eficiencia entre un perfil NACA0015 y sus diferentes flap de Gurney en un túnel de viento virtual y uno físico a una velocidad de 20 m/s. Estudiado las tendencias de los comportamientos de cada uno de los perfiles se procede al cálculo del error generado entre ambas pruebas. Para ello se ha calculado el error relativo y absoluto de cada una de las pruebas, adjuntada en los Anexos en el apartado “IV. Calculo error relativo y absoluto entre el túnel de viento real y virtual.”. Posteriormente se calcula el error promedio a las velocidades estudiadas y el error promedio general. Estos resultados se muestran en la Tabla 3. Error Promedio Error Absoluto Error relativo DRAG Lift CL/CD DRAG Lift CL/CD Velocidad 10 m/s -0,089 -0,085 0,581 54% 41% 25% Velocidad 20 m/s -0,255 -0,412 -0,004 35% 34% 38% Promedio -0,172 -0,249 0,288 45% 37% 31% Tabla 3: Error relativo y absoluto en los parámetros Drag, lift y eficiencia entre el túnel de viento real y virtual. Según el AIAA (acrónimo en ingles de American Institute of Aeronautics and Astronautics) es posible calcular el error máximo permisible para poder determinar si los datos obtenidos a través de túnel de viento virtual son válidos a través de cuantificar los errores numéricos generados durante la solución y verificando que el código del programa se ejecuta de manera correcta durante cada iteración [17]. Sin embargo, al no disponer de un método capaz de numerar o revisar lo mencionado, se opta por utilizar como valor de referencia un máximo de 40%, argumentado por Talukdar, Sardar, Kulkarni y Saha [18]. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 72 En términos generales, se obtiene un error general del 37,66 %, siendo un valor esperado y aceptado según la literatura. Analizando a mayor detalle, se observa como el parámetro de Drag se obtiene un valor superior en el promedio y obteniendo más de un 50% a 10 m/s. El único parámetro que se obtiene dentro del intervalo es la eficiencia del perfil. Se consigue debido a las compensaciones que se producen entre error del Drag y Lift. Observando los errores obtenidos de manera individual, se muestra como conforme el ángulo de ataque del perfil aumenta, el error relativo disminuye hasta el ángulo de 15º, el cual realiza un aumento significativo y vuelve a disminuir. Este efecto se produce por la discrepancia de desprendimiento de capa límite entre diferentes modelos, causado por la dificultad de calcular las turbulencias en un túnel de viento virtual y por las discrepancias mostradas en la geometría. Este efecto se muestra en la Figura 61. Además, conforme se añade un flap de Gurney y va aumentando su tamaño, el error inicial obtenido disminuye. Figura 61: Error relativo generado entre diferentes perfiles en el parámetro de la eficiencia. La causa de este efecto es la diferencia de geometría entre el perfil físico y el virtual. El perfil físico dispone de ciertas irregularidades que provocan que el perfil no sea simétrico, provocando que la carga lift no sea lo más similar a 0, cuando el ángulo de ataque es de 0º, obteniendo un valor distinto que afecta al resto de parámetros. Conforme el ángulo de ataque aumenta, la importancia de la superficie y geometría disminuye. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 73 Otro factor que produce un aumento del error es la incerteza, mostrada en la sección 5.1, de la toma de medidas del túnel de viento. Este error es de un 4,6% de promedio, pero se obtiene un mayor error cuando a la velocidad es de 10 m/s y el ángulo de ataque es 0º, causado por las discrepancias de la carga lift. El error del mallado, pese a ser de entre 2-3%, también es un factor a considerar, ya que pese a servir para optimizar los recursos computacionales y el tiempo empleado, altera los resultados obtenidos. Asimismo, la entrada del fluido en el túnel de viento real no es ideal, pudiendo llegar a existir turbulencias, una velocidad del fluido diferente a la mostrada por el barómetro o no estar el aire a las condiciones atmosféricas ideales. Sin embargo, en el túnel de viento virtual sí que se dispone de las condiciones ideales del fluido y de la velocidad exacta de este. También, las vibraciones ocasionadas en el perfil afectan a los resultados obtenidos, debido a que modifican la toma de contacto del fluido con el cuerpo. Esto se traduce en una variación de carga constante y un cambio de la velocidad relativa entre el viento y el perfil, generando variaciones de presiones constantes entre ambas caras del perfil. Por último, la gran sensibilidad de los aparatos de medida del túnel de viento y los pequeños valores medidos pueden causar errores de calibración de los aparatos. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 80 6.3 Análisis geometría solido Para poder estudiar un sólido en el túnel de viento es necesario realizar unas modificaciones a este. En el caso del perfil NACA0015, se implementó una varilla de 9 mm de diámetro como eje de soporte al túnel, permitiendo poder sujetar el perfil además de medir las cargas a través del sensor y dos endplates circulares de 136 mm de diámetro, ubicados en cada lateral del perfil con el objetivo de eliminar el flujo lateral que recircula del intradós al extradós, el cual causa una recirculación del fluido que reduce los gradientes de presiones generados. Este efecto sucede debido a las dimensiones del túnel, el cual obligan a estudiar un perfil corto, y no es posible estudiarlo como si fuera un alerón si no se realizara la modificación. Figura 70: Perfil NACA0015 sin modificaciones (izquierda) y con modificaciones para poder ser introducido en el túnel de viento real (derecha). Estos complementos modifican los resultados en los parámetros estudiados. Para poder cuantificar la desviación generada por estos respecto al original, se estudia a través del túnel de viento virtual el modelo simplificado a una velocidad del fluido de 20 m/s, y con la geometría del túnel de viento real, facilitando la comparación de los resultados del capítulo anterior. Posteriormente se calcula el error absoluto y relativo. Respecto a los sólidos, se estudia el perfil NACA0015 sin flap de Gurney y con flap de Gurney de 1, 4 y 7 mm. Estos resultados se encuentran en los Anexos, en la sección “V. Ensayos en túnel de viento virtual del perfil NACA0015 simplificado” y “VI. Error relativo y absoluto entre diferentes geometrías”. En la Tabla 7 se muestra el promedio del error relativo y absoluto generado en cada uno de los perfiles estudiados. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 81 Tabla 7 Promedio error relativo y absoluto estudiados en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 4 mm a una velocidad del fluido de 20 m/s. Se observa como la carga Drag aumenta en todos los perfiles, manteniéndose un error entre el 45% y el 55%, esto se debe a que los elementos añadidos al perfil utilizado en el túnel de viento real aumentan la superficie de contacto, aumentando el área que genera cargas Drag. En términos de cargas lift, se muestra un error entorno al 25% y 38%, siendo este mayor. Como hipótesis a este efecto se plantea que es causa de los endplates, al disponer de poco espacio entre ellos, se acelera el fluido en mayor medida en ambas partes, favoreciendo a generar un mayor gradiente de presiones. Por último, respecto a la eficiencia del perfil, se observa como el error disminuye conforme se añade un flap de Gurney de mayor tamaño. DRAG Lift CL/CD DRAG Lift CL/CD No Flap de Gurney , v = 20 m/s 0,3784 0,0586 -0,3101 54,81% 37,37% 91,01% Flap de Gurney 1 mm, v = 20 m/s 0,4019 0,1584 -1,3923 53,38% 38,57% 86,67% Flap de Gurney 4 mm, v = 20 m/s 0,4508 0,4845 -0,9472 49,54% 30,99% 51,22% Flap de Gurney 7 mm, v = 20 m/s 0,5325 0,6115 -0,6708 45,61% 26,52% 34,33% Error absoluto Error relativo Tipo de perfil Error Promedio de cada ensayo Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 82 7. Discusión: túnel de viento real vs virtual En este capítulo, en base a los resultados presentados en los anteriores capítulos, se discute las ventajas y desventajas de un túnel de viento real y un túnel de viento virtual. El túnel de viento real permite obtener resultados del comportamiento aerodinámico de cualquier sólido, con un error del 5% el cual es considerable pero aceptable, y en un tiempo bastante eficiente. Sin embargo, no es capaz de mostrar al detalle todos los efectos del fluido a un cuerpo sólido, está muy delimitado tanto en medidas del túnel como capacidad de acelerar un fluido a determinadas velocidades y es necesario modificar la geometría del cuerpo para poder estudiarlo, tal como se ha demostrado en la sección 6, los errores causados por esta limitación no son menospreciables. Estos errores son posibles de solventar con un túnel de mayores dimensiones o de mayor tecnología, pero debido a los altos costes que esto podría llegar a ocasionar provoca que sea una gran limitante. El túnel de viento virtual tiene una gran cantidad de recursos que nos permite experimentar con diferentes dimensiones tanto de cuerpos solidos como de túneles de viento, o su gran versatilidad en modelos de turbulencias, métodos de computación y condiciones de contorno a aplicar, llegando a ser posible ensayar con cualquier fluido. También, su interfaz para poder visualizar las pruebas, permite comprender en gran medida como el aire afecta al cuerpo a estudiar, utilizando de ejemplo el flap de Gurney con agujero, gracias a las simulaciones CFD, a la escena de velocidades, se descubre que el causante del alargamiento de la estela es el vórtice, generado por el agujero, junto al vórtice generado en la parte superior del flap, los cuales no habrían podido ser contemplados si no fuese por los ensayos en túnel de viento virtual. En contra de los modelos de túnel de viento virtual, es que son resultados teóricos en condiciones ideales, los cuales siempre dependen de una validación física que solo puede aportar un túnel de viento, ya que como se ha mostrado en el proyecto, existe un error entre el 30-40%. Además, si se realiza el estudio de la malla a utilizar, y según la precisión deseada a la hora de obtener resultados, el tiemplo mínimo necesario para obtener los resultados es mucho más largo que al posible de obtener en un túnel de viento. El método ideal de estudio es combinar las dos técnicas ya que un túnel real permite obtener los resultados más realistas, considerando todos los detalles físicos mientras que el túnel de viento permite observar errores que se puedan generar en el túnel de viento real, además de poder comprender con una mayor facilidad como actúa el fluido por todo el sólido, ayudando a procesos de mejorar la eficiencia aerodinámica o la carga lift del cuerpo a estudiar. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 83 8. Propuestas de mejora En este capítulo se proponen mejoras a realizar en el estudio una vez finalizado, siendo estos los siguientes. • Escaneado del perfil NACA real. Para poder cuantificar el error en túnel de viento virtual entre el modelo ideal y el modelo real, se recomienda escanear de manera precisa el modelo, llegando a ser capaz de obtener la rugosidad de la superficie. De esta manera se plantea como hipótesis si el error real disminuiría o aumentaría comparado al error generado en el perfil ideal. • Estudio de un mayor número de ángulos de ataque. En el capítulo 5 se muestra como el ángulo de ataque que maximiza la eficiencia en túnel de viento virtual es de 10º mientras que en el túnel de viento real es de 15º. Al no ser estudiado los ángulos de ataque entre estos valores no se puede garantizar que estos valores realmente sean los máximos y que exista tanta diferencia entre ambas eficiencias. De cara a un nuevo estudio se recomienda utilizar intervalos de 1º o 2º para poder garantizar las curvas de tendencia de estas gráficas y validar si realmente existe esta diferencia de comportamientos o si es menor. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 84 9. Conclusiones Se concluye que se ha alcanzado el objetivo principal del TFG, que consistía en realizar una comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento real y un túnel de viento virtual, mediante simulaciones CFD. Para este se ha empleado un perfil NACA0015, el cual ha permitido evaluar las discrepancias existentes entre ambas técnicas, calculando sus errores entre estos. Las conclusiones que se han obtenido son. • Se ha determinado un error general entre el túnel de viento real y virtual del 37,66%, el cual según la literatura [18] se considera un error aceptable. • Se determinan que las virtudes de un túnel de viento son la rapidez y facilidad para tomar muestras, teniendo en cuenta un error del 5%. Los defectos de este son sus dimensiones y capacidades de acelerar el fluido, siendo este delimitante a la hora de realizar estudios. • Se determinan que las virtudes de un túnel de viento virtual son su gran versatilidad para realizar estudios, siendo capaz de cambiar las dimensiones de túnel de viento, de geometría o de fluido. Los defectos son su dependencia de túnel de viento para verificar y validar valores, además de realizar las simulaciones con las condiciones ideales tanto del cuerpo solido como del fluido. Se observa como el perfil NACA0015 cumple con un comportamiento simétrico cuando no dispone de un flap de Gurney. Cuando este se añade rompe la simetría, incrementando la carga de sustentación generada forzando el desprendimiento de la capa limite. En contra este aumento de carga supone una reducción de la eficiencia aerodinámica del perfil, la cual, pese a realizar un orificio en el flap se puede mejorar, pero no superar al perfil que no dispone de flap. Por último, se delimita como rango optimo de funcionamiento del flap de Gurney hasta los 4 mm, ya que los resultados obtenidos en el flap de 7 mm no muestran mejoras. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 85 Referencias [1] U. A. Korde and R. C. Ertekin, “Viscous-Fluid Flow,” in Engineering Mathematics for Marine Applications, 2023. doi: 10.1017/9781108363235.015. [2] J. D. Anderson, “Fundamentals of aerodynamics.,” 1984, doi: 10.2514/152157. [3] “Flujo Laminar y Flujo Turbulento | fisindustrial.” Accessed: Sep. 12, 2024. [Online]. 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[17] “Guide: Guide for the Verification and Validation of Computational Fluid Dynamics Simulations (AIAA G-077-1998(2002)),” in Guide: Guide for the Verification and Validation of Computational Fluid Dynamics Simulations (AIAA G-077-1998(2002)), 1998. doi: 10.2514/4.472855.001. [18] P. K. Talukdar, A. Sardar, V. Kulkarni, and U. K. Saha, “Parametric analysis of model Savonius hydrokinetic turbines through experimental and computational investigations,” Energy Convers Manag, vol. 158, 2018, doi: 10.1016/j.enconman.2017.12.011. Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 87 Anexos I. Tablas para determinar el mallado de las simulaciones CFD A continuación, se muestra el estudio de malla realizado para cada una de las simulaciones empleadas en el presente trabajo. Para las imágenes se han utilizado los mallados resaltados en color verde mientras que para las gráficas el resaltado en naranja. Tabla 8: Diferentes mallados utilizados para un perfil NACA0015 sin flap de Gurney. Tabla 9: Diferentes mallados utilizados para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 1 mm sin agujero. Tabla 10: Diferentes mallados utilizados para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 4 mm sin agujero. Tabla 11: Diferentes mallados utilizados para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 7 mm sin agujero. Lift DRAG Tamaño de malla tunel Growth Rate Mallado superficial Mallado curvatura Numero de capas Amplio de la primera capa Ratio de aumento Aspect Ratio Celda y+ Tiempo de simulacion Error relativo lift y DRAG -0,484067 0,100197 0,08 1,1 1,00E-04 2,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.9 3,3 3h 0,00% -0,491622 0,100645 0,1 1,1 0,0001 2,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.8 5 1h 1,00% -0,492355 0,102348 0,2 1,1 0,001 2,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.8 5,4 20 min 1,93% -0,501433 0,104385 0,5 1,1 0,001 2,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.75 5,8 15 min 3,88% -0,496574 0,103097 0,7 1,1 0,001 2,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.77 6 10 min 2,74% -0,556007 0,109905 0,8 1,1 0,01 2,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.75 6,8 1 min 30 seg 12,28% -0,562224 0,159222 0,9 1,1 0,1 0,005 7 0,003 1,2 Uniforme 0.64 7,55 15 seg 37,53% -0,556458 0,167845 1 1,1 0,15 0,05 5 0,002 1,1 Uniforme 0.5 11.052 10 seg 41,23% Lift DRAG Tamaño de malla tunel Growth Rate Mallado superficial Mallado curvatura Numero de capas Amplio de la primera capa Ratio de aumento Aspect Ratio Celda y+ Tiempo de simulacion Error relativo lift y DRAG -0,529347 0,107614 0,08 1,1 1,00E-04 2,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.87 3.5 3h 15 min 0,00% -0,52466 0,107864 0,1 1,1 0,0001 2,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.8 4.8 1h 10 min 0,56% -0,534896 0,109458 0,2 1,1 0,001 2,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.78 5.4 35 min 1,38% -0,542291 0,110288 0,5 1,1 0,001 2,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.75 5.8 20 min 2,47% -0,564865 0,123138 0,7 1,1 0,001 2,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.74 6 11 min 10,57% -0,576947 0,13646 0,8 1,1 0,01 2,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.73 6.7 3 min 17,90% -0,618565 0,137642 0,9 1,1 0,1 0,005 7 0,003 1,2 Uniforme 0.61 7.9 40 seg 22,38% -0,654893 0,14065 1 1,1 0,15 0,05 5 0,002 1,1 Uniforme 0.5 11.0 20 seg 27,21% Lift DRAG Tamaño de malla tunel Growth Rate Mallado superficial Mallado curvatura Numero de capas Amplio de la primera capa Ratio de aumento Aspect Ratio Celda y+ Tiempo de simulacion Error relativo lift y DRAG -0,71486 0,17655 0,08 1,1 1,00E-04 5,00E-06 10 0,005 1,3 Uniforme 0.85 3.4 3h 30 min 0,00% -0,71690 0,17965 0,1 1,1 0,0001 5,00E-06 10 0,005 1,3 Uniforme 0.83 4.5 1h 20 min 1,02% -0,72599 0,17997 0,2 1,1 0,001 8,00E-06 10 0,005 1,3 Uniforme 0.77 4.9 40 min 1,75% -0,73721 0,18006 0,5 1,1 0,001 1,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.73 5.3 25 min 2,56% -0,74685 0,18975 0,7 1,1 0,001 1,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.71 6.4 14 min 5,98% -0,75984 0,19766 0,8 1,1 0,01 1,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.69 6.8 2min 9,13% -0,77896 0,20476 0,9 1,1 0,1 0,0005 7 0,003 1,2 Uniforme 0.62 7.5 1 min 12,47% -0,79846 0,21568 1 1,1 0,15 0,05 5 0,002 1,1 Uniforme 0.56 9.4 40 seg 16,93% Lift DRAG Tamaño de malla tunel Growth Rate Mallado superficial Mallado curvatura Numero de capas Amplio de la primera capa Ratio de aumento Aspect Ratio Celda y+ Tiempo de simulacion Error relativo lift y DRAG -0,93655 0,25570 0,08 1,1 5,00E-05 5,00E-06 10 0,005 1,3 Uniforme 0.89 3.2 3h 35 min 0,00% -0,94016 0,25687 0,1 1,1 5,00E-05 5,00E-06 10 0,005 1,3 Uniforme 0.87 4.3 1h 16 min 0,42% -0,94563 0,25987 0,2 1,1 0,0005 8,00E-06 10 0,005 1,3 Uniforme 0.79 4.6 42 min 1,30% -0,94812 0,26475 0,5 1,1 0,0005 1,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.76 5.1 26 min 2,39% -0,95662 0,27897 0,7 1,1 0,0003 1,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.72 6.5 13 min 5,62% -0,96847 0,28476 0,8 1,1 0,001 1,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.67 6.9 1 min 45 seg 7,39% -0,98124 0,31025 0,9 1,1 0,1 0,0005 7 0,003 1,2 Uniforme 0.65 7.2 50 seg 13,05% -1,00337 0,33548 1 1,1 0,15 0,05 5 0,002 1,1 Uniforme 0.59 9.5 35 seg 19,17% Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 88 Tabla 12: Diferentes mallados utilizados para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 4 mm con agujero. Tabla 13: Diferentes mallados utilizados para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 7 mm con agujero. II. Medidas obtenidas en el túnel de viento A continuación, se muestra un recopilatorio de todos los resultados obtenidos en el túnel de viento real, separados este por cada prueba realizada. Tabla 14: Resultados Drag y Downforce obtenidos para un perfil NACA0015 sin flap de Gurney a una velocidad de 10 m/s. Tabla 15: Resultados Drag y Downforce obtenidos para un perfil NACA0015 sin flap de Gurney a una velocidad de 20 m/s. Tabla 16: Resultados Drag y Downforce obtenidos para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 1 mm a una velocidad de 10 m/s. Lift DRAG Tamaño de malla tunel Growth Rate Mallado superficial Mallado curvatura Numero de capas Amplio de la primera capa Ratio de aumento Aspect Ratio Celda y+ Tiempo de simulacion Error relativo lift y DRAG -0,83486 0,19456 0,08 1,1 5,00E-05 5,00E-06 10 0,005 1,3 Uniforme 0.91 3.1 3h 45 min 0,00% -0,83756 0,19580 0,1 1,1 0,00005 5,00E-06 10 0,005 1,3 Uniforme 0.86 3.9 1h 40 min 0,48% -0,84633 0,19786 0,2 1,1 0,0005 8,00E-06 10 0,005 1,3 Uniforme 0.75 4.3 55 min 1,53% -0,85824 0,19912 0,5 1,1 0,0005 1,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.72 4.8 35 min 2,57% -0,87633 0,20480 0,7 1,1 0,0003 1,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.70 6.2 17 min 5,11% -0,90146 0,21488 0,8 1,1 0,001 1,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.69 6.9 5min 9,21% -0,93486 0,22365 0,9 1,1 0,1 0,0005 7 0,003 1,2 Uniforme 0.66 7.8 3 min 13,46% -0,98463 0,25483 1 1,1 0,15 0,05 5 0,002 1,1 Uniforme 0.5 10.9 1 min 24,46% Lift DRAG Tamaño de malla tunel Growth Rate Mallado superficial Mallado curvatura Numero de capas Amplio de la primera capa Ratio de aumento Aspect Ratio Celda y+ Tiempo de simulacion Error relativo lift y DRAG -0,93548 0,25014 0,08 1,1 5,00E-05 5,00E-06 10 0,005 1,3 Uniforme 0.89 3.2 3h 35 min 0,00% -0,94016 0,25648 0,1 1,1 5,00E-05 5,00E-06 10 0,005 1,3 Uniforme 0.87 4.3 1h 16 min 1,52% -0,94563 0,25987 0,2 1,1 0,0005 8,00E-06 10 0,005 1,3 Uniforme 0.79 4.6 42 min 2,49% -0,94721 0,26050 0,5 1,1 0,0005 1,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.76 5.1 26 min 2,70% -0,95662 0,27897 0,7 1,1 0,0003 1,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.72 6.5 13 min 6,89% -0,96847 0,28476 0,8 1,1 0,001 1,00E-05 10 0,005 1,3 Uniforme 0.67 6.9 1 min 45 seg 8,68% -0,98124 0,31025 0,9 1,1 0,1 0,0005 7 0,003 1,2 Uniforme 0.65 7.2 50 seg 14,46% -1,00337 0,33548 1 1,1 0,15 0,05 5 0,002 1,1 Uniforme 0.59 9.5 35 seg 20,69% Angulo de ataque DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) 00,04 0,08 0,05 0,02 0,07 0,05 0,05 0,05 0,94 50,06 0,18 0,06 0,18 0,08 0,20 0,07 0,19 2,80 10 0,09 0,35 0,09 0,35 0,09 0,35 0,09 0,35 3,89 15 0,13 0,40 0,14 0,43 0,15 0,45 0,14 0,43 3,05 20 0,18 0,20 0,19 0,18 0,18 0,23 0,18 0,20 1,11 25 0,22 0,23 0,23 0,29 0,23 0,23 0,23 0,25 1,10 Primer Ensayo Segundo Ensayo Tercer Ensayo Rendimiento del perfil NACA sin Flap de Gurney, v = 10 m/s Promedio Angulo de ataque DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) 00,23 0,25 0,27 0,18 0,28 0,20 0,26 0,21 0,81 50,30 0,87 0,30 0,84 0,31 0,87 0,30 0,86 2,84 10 0,38 1,40 0,37 1,43 0,39 1,40 0,38 1,41 3,71 15 0,55 1,71 0,57 1,77 0,59 1,78 0,57 1,75 3,08 20 0,86 1,73 0,89 1,70 0,88 1,85 0,88 1,76 2,01 25 0,96 1,04 0,92 1,09 0,99 1,07 0,96 1,07 1,11 NACA sin Flap de Gurney, v = 20 m/s Segundo Ensayo Tercer Ensayo Promedio Rendimiento del perfil Primer Ensayo Angulo de ataque DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) 00,09 0,17 0,07 0,16 0,07 0,18 0,08 0,17 2,22 50,07 0,24 0,08 0,28 0,09 0,29 0,08 0,27 3,38 10 0,11 0,49 0,09 0,25 0,11 0,46 0,10 0,40 3,87 15 0,18 0,61 0,16 0,52 0,20 0,61 0,18 0,58 3,22 20 0,26 0,30 0,25 0,32 0,26 0,32 0,26 0,31 1,22 25 0,32 0,38 0,31 0,37 0,32 0,40 0,32 0,38 1,21 NACA con Flap de Gurney, l = 1 mm y v = 10 m/s Primer Ensayo Segundo Ensayo Tercer Ensayo Promedio Rendimiento del perfil Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 89 Tabla 17: Resultados Drag y Downforce obtenidos para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 1 mm a una velocidad de 20 m/s. Tabla 18: Resultados Drag y Downforce obtenidos para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 4 mm a una velocidad de 10 m/s. Tabla 19: Resultados Drag y Downforce obtenidos para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 4 mm a una velocidad de 20 m/s. Tabla 20: Resultados Drag y Downforce obtenidos para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 7 mm a una velocidad de 10 m/s. Tabla 21: Resultados Drag y Downforce obtenidos para un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 7 mm a una velocidad de 20 m/s. Angulo de ataque DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) 00,34 0,65 0,32 0,71 0,31 0,65 0,32 0,67 2,07 50,40 1,32 0,38 1,28 0,40 1,32 0,39 1,31 3,32 10 0,54 2,04 0,34 1,96 0,53 2,04 0,47 2,01 4,28 15 0,77 2,61 0,76 2,51 0,81 2,64 0,78 2,59 3,32 20 1,09 1,60 1,07 1,52 1,08 1,51 1,08 1,54 1,43 25 1,36 1,74 1,34 1,71 1,55 1,76 1,42 1,74 1,23 Rendimiento del perfil NACA con Flap de Gurney, l = 1 mm y v = 20 m/s Primer Ensayo Segundo Ensayo Tercer Ensayo Promedio Angulo de ataque DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) 00,08 0,21 0,08 0,20 0,08 0,21 0,08 0,21 2,58 50,10 0,29 0,12 0,34 0,11 0,36 0,11 0,33 3,00 10 0,12 0,53 0,13 0,50 0,13 0,52 0,13 0,52 4,08 15 0,19 0,63 0,20 0,62 0,20 0,68 0,20 0,64 3,27 20 0,26 0,35 0,24 0,35 0,28 0,38 0,26 0,36 1,38 25 0,36 0,45 0,36 0,45 0,35 0,43 0,36 0,44 1,24 Rendimiento del perfil NACA con Flap de Gurney, l = 4 mm y v = 10 m/s Primer Ensayo Segundo Ensayo Tercer Ensayo Promedio Angulo de ataque DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) 00,35 0,84 0,36 0,82 0,35 0,78 0,35 0,81 2,30 50,46 1,47 0,45 1,42 0,43 1,43 0,45 1,44 3,22 10 0,56 2,13 0,57 2,10 0,57 2,11 0,57 2,11 3,73 15 0,82 2,73 0,81 2,67 0,86 2,87 0,83 2,76 3,32 20 1,17 1,71 1,18 1,75 1,16 1,83 1,17 1,76 1,51 25 1,45 1,90 1,40 1,76 1,43 1,84 1,43 1,83 1,29 Rendimiento del perfil Primer Ensayo Segundo Ensayo Tercer Ensayo Promedio NACA con Flap de Gurney, l = 4 mm y v = 20 m/s Angulo de ataque DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) 00,08 0,22 0,09 0,21 0,09 0,20 0,09 0,21 2,42 50,11 0,37 0,10 0,31 0,10 0,36 0,10 0,35 3,35 10 0,15 0,55 0,14 0,52 0,15 0,56 0,15 0,54 3,70 15 0,21 0,67 0,22 0,72 0,24 0,73 0,22 0,71 3,16 20 0,28 0,40 0,26 0,41 0,31 0,42 0,28 0,41 1,45 25 0,36 0,45 0,38 0,48 0,34 0,46 0,36 0,46 1,29 NACA con Flap de Gurney, l = 7 mm y v = 10 m/s Primer Ensayo Segundo Ensayo Tercer Ensayo Promedio Rendimiento del perfil Angulo de ataque DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) DRAG (N) Downforce (N) 00,37 0,89 0,35 0,82 0,39 0,87 0,37 0,86 2,32 50,29 1,63 0,47 1,55 0,44 1,63 0,40 1,60 4,01 10 0,62 2,21 0,59 2,19 0,63 2,21 0,61 2,20 3,59 15 0,86 2,82 0,88 2,88 0,83 2,66 0,86 2,79 3,25 20 1,17 1,75 1,28 1,95 1,17 1,73 1,21 1,81 1,50 25 1,54 1,96 1,53 1,95 1,52 1,90 1,53 1,94 1,27 Rendimiento del perfil NACA con Flap de Gurney, l = 7 mm y v = 20 m/s Primer Ensayo Segundo Ensayo Tercer Ensayo Promedio Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 96 Flap de Gurney 7 mm, v = 20 m/s Numero de sim AdA DRAG Lift CD CL CL/CD 1 0 0,2178 0,6145 0,0037 0,0104 2,8219 2 5 0,3188 1,2013 0,0054 0,0203 3,7678 3 10 0,4870 1,8061 0,0082 0,0305 3,7084 4 15 0,7206 2,4116 0,0122 0,0407 3,3469 5 20 1,0558 2,9368 0,0178 0,0496 2,7815 6 25 1,5112 3,3600 0,0255 0,0567 2,2235 Tabla 41 Resultados en los parámetros estudiados en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 7 mm a una velocidad del fluido de 20 m/s. VI. Error relativo y absoluto entre diferentes geometrías A continuación, para cuantificar el error generado entre ambas simulaciones, se calcula cada uno de los errores generados entre cada simulación, permitiendo obtener un error promedio de cada parámetro. Tabla 42 Error relativo y absoluto estudiados en un perfil NACA0015 sin flap de Gurney a una velocidad del fluido de 20 m/s. Tabla 43 Error relativo y absoluto estudiados en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 1 mm a una velocidad del fluido de 20 m/s. DRAG Lift CL/CD DRAG Lift CL/CD 0,3277 0,0001 4,2687 77,64% 21,22% 99,88% 0,3296 0,3515 1,5666 72,61% 39,17% 26,30% 0,3415 0,6543 -2,2094 60,56% 36,27% 74,65% 0,3437 0,9439 -2,1198 46,93% 34,91% 88,04% 0,4997 -0,6245 -1,9968 42,71% 37,42% 140,11% 0,4283 -0,9739 -1,3700 28,44% 55,22% 117,11% Promedio 0,3784 0,0586 -0,3101 54,81% 37,37% 91,01% Error Absoluto Error Relativo DRAG Lift CL/CD DRAG Lift CL/CD 0,3284 0,0944 -0,6036 75,89% 45,52% 125,98% 0,3329 0,4529 -2,3649 69,29% 39,14% 98,19% 0,3514 0,7879 -1,6245 57,74% 37,73% 47,35% 0,3440 1,0672 -0,5498 43,80% 35,68% 14,44% 0,5288 -0,6158 -1,8823 41,73% 33,22% 128,63% 0,5258 -0,8360 -1,3287 31,80% 40,11% 105,44% Promedio 0,4019 0,1584 -1,3923 53,38% 38,57% 86,67% Error Absoluto Error Relativo Xavi Moreno Coronado Trabajo Final de Grado Comparativa de resultados y limitaciones entre un túnel de viento y simulaciones CFD. 97 Tabla 44 Error relativo y absoluto estudiados en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 4 mm a una velocidad del fluido de 20 m/s. Tabla 45 Error relativo y absoluto estudiados en un perfil NACA0015 con flap de Gurney de 7 mm a una velocidad del fluido de 20 m/s. DRAG Lift CL/CD DRAG Lift CL/CD 0,3165 0,3011 -1,1420 69,79% 45,92% 79,00% 0,3253 0,6799 -1,4253 60,41% 41,75% 47,13% 0,3455 1,0469 -0,6762 49,43% 40,24% 18,17% 0,3597 1,3622 -0,0151 39,04% 38,80% 0,40% 0,6366 -0,2735 -1,4860 42,64% 11,67% 94,68% 0,7211 -0,2094 -0,9387 35,96% 7,56% 67,96% Promedio 0,4508 0,4845 -0,9472 49,54% 30,99% 51,22% Error Absoluto Error Relativo DRAG Lift CL/CD DRAG Lift CL/CD 0,3010 0,4667 -0,7377 58,02% 43,16% 35,40% 0,3201 0,8819 -0,5075 50,10% 42,33% 15,57% 0,3539 1,2708 -0,0494 42,08% 41,30% 1,35% 0,5885 0,8585 -0,8487 44,95% 26,25% 33,97% 0,7797 0,1707 -1,0885 42,48% 5,49% 64,30% 0,8516 0,0203 -0,7928 36,04% 0,60% 55,42% Promedio 0,5325 0,6115 -0,6708 45,61% 26,52% 34,33% Error Absoluto Error Relativo