ES2906635T3 - Procedimiento para diseñar bordes de ataque y estructura sustentadora provista de dicho borde - Google Patents
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Abstract
La invención concierne un procedimiento de fabricación o diseño de un borde de ataque de una estructura sustentadora donde, comenzando en el punto medio de la base (0,0), se aplica una curva al perfil de la estructura, cuya longitud "Li" es función del grosor máximo de la sección NACA en la base del perfil "Ho" en la base y viene definida por la ecuación L1 = 0,051 OHo2 - 0,0790Ho + 15,5790, y cuya cota máxima en el eje "x" se sitúa en el punto "L1/2" y se define mediante la relación x = 0.0137(L1)1 4944, estando la forma de dicha curva definida mediante la ecuación: (y- yo) = 0.0000000107x6 + 0.0000016382x5 - 0.0000794412x4 + 0.0010194142x3 + 0.0097205322x2 + 0.0136993913x y calculando el resto de la curva mediante un proceso iterativo según lo anteriormente indicado.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento para diseñar bordes de ataque y estructura sustentadora provista de dicho borde
Campo de la técnica
La invención se refiere a un procedimiento para diseñar bordes de ataque que, modificando solo el perfil de la estructura (no el alzado), reduce el coeficiente de arrastre (resistencia) en estructuras sustentadoras aero/hidrodinámicas. La invención comprende también distintas estructuras provistas de dicho borde.
Estado de la técnica
La reducción del coeficiente de arrastre en cualquier estructura sustentadora, aun en una pequeña proporción, puede traducirse en reducciones de consumo de energía significativas, especialmente en los sectores del transporte aéreo, marítimo y generación eólica.
Actualmente, todas las superficies sustentadoras (alas, estabilizadores, palas de aerogenerador) tienen bordes de ataque de perfil tradicional liso. Existen algunas propuestas de bordes de ataque que presentan ventajas aerodinámicas sobre los bordes de ataque lisos, como la de la solicitud EP1805412, optimizada para palas de aerogenerador. Este último perfil tiene un diseño de bordes lobulados que modifica el perfil y el alzado del borde de ataque, cuya complejidad encarece el proceso de fabricación.
Se hacen necesarios por lo tanto bordes de ataque aplicables a una variedad de estructuras sustentadoras.
El documento WO2014026246 desvela una forma de ala que presenta variaciones cíclicas en la envergadura en el borde de ataque o cerca del mismo.
El documento XP055638723 es una tesis de maestría titulada "Automatic 2D Airfoil Generation, Evaluation and Optimisation using MATLAB andXFOIL".
El documento JP5386433B2 describe un dispositivo de diseño de palas capaz de diseñar de forma eficiente una pala con una superficie de pala lisa.
Objeto de la invención
El procedimiento de la invención se basa en correlacionar el número de curvas aplicadas al perfil con la envergadura de la estructura sustentadora y la anchura de su sección, usando una función polinomial para definir la forma de la curva.
El borde propuesto es, por el contrario, de morfología muy sencilla, ya que no modifica el alzado de la estructura y se basa en un diseño de la curvatura del perfil específico y adaptado a cada estructura aero/hidrodinámica susceptible de ser modificada.
El borde puede aplicarse a estructuras aerodinámicas (alas, palas de aerogeneradores, estabilizadores en aviones, alabes de turbinas) o hidrodinámicas (timones, proas de embarcaciones, quillas, etc.), ya que todas estas estructuras poseen un perfil sustentador similar al que se muestra en la figura 1.
De acuerdo con la invención propuesta, el procedimiento para diseñar un borde de ataque de una estructura sustentadora comprende las siguientes etapas:
a. establecer un sistema de coordenadas con un eje "x" en la base del perfil de la estructura sustentadora y un eje "y" ortogonal al mismo y que se extiende desde el punto medio de la base del perfil hasta el vértice de la estructura; b. identificar el grosor máximo de la sección NACA (Comité Asesor Nacional para la Aeronáutica) en la base del perfil "H0" y comenzar a modificar el perfil de la superficie en el punto (0,0) aplicando una curva, cuya longitud "L1" de acuerdo con el grosor máximo "H0" en la base, viene definida por la ecuación L1 = 0,0510Hü2 - 0,0790Hü 15,5790, y cuya cota máxima en el eje "x", que se da en el punto "y-i/2", dado que en este segmento y-i=Li, viene definida mediante la relación x = 0,0137(L1)14944, estando definida la forma de dicha curva mediante la ecuación: (y-yü) = 0,0000000107x6 0,0000016382x5 - 0,0000794412x4 0,0010194142x3 0,0097205322x2 0,0136993913x, donde y0=0 ;
c. repetir la etapa b usando el grosor "H1" del perfil en la cota "y-i" para calcular la nueva longitud "L2", de modo que y2=L-i+L2, estando definida la cota máxima en el eje "x", que se da en el punto "L1+L2/2 ", mediante la relación x = 0,0137(L2)14944, estando definida la forma de dicha curva mediante la ecuación: (y-y1) = 0,0000000107x6 0,0000016382x5 - 0,0000794412x4 0,0010194142x3 0,0097205322x2 0,0136993913x; y así sucesivamente. En el sentido de la presente descripción, "modificar" hace referencia a cualquier etapa que implique producción, como diseño, modelado, elaboración de superficies, etc.
La profundidad de afectación "D", entendida como la distancia medida desde el borde de ataque del perfil respecto a la distancia a la que se modifica la morfología de la estructura sustentadora, se calcula de manera dinámica, desde un valor máximo en la cota y=0 hasta un valor igual a cero en el punto "ymáx". El valor máximo de "D", es decir, "D0",
está en el intervalo del 0,25 % al 0,31 % de la longitud de la cuerda de la primera sección NACA "Pmáx" de la estructura a modificar. Dicho intervalo se obtiene del valor más preferente, 0,28 % de "Pmáx" al que se le aplica un factor de corrección de ±10 %.
Breve descripción de los dibujos
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con una realización práctica preferente de la misma, se adjunta la siguiente descripción de un juego de dibujos en los que, con carácter ilustrativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 es una representación del perfil de la superficie sustentadora y los puntos de referencia iniciales (coordenadas) para definir la primera curva y las sucesivas que definen el borde de ataque de este modelo. La figura 2 muestra unas vistas en perfil, alzado, perspectiva y lateral de una superficie de acuerdo con la invención.
Descripción detallada de la invención
El diseño del borde de ataque se realiza en varias etapas iterativas. En primer lugar, se establece un sistema de coordenadas con un eje "x" en la base del perfil de la estructura sustentadora y un eje "y" ortogonal al mismo y que se extiende desde el punto medio de la base del perfil hasta el vértice de la estructura. En el punto (0,0) comienza la curva, cuya longitud "L1" de acuerdo con el grosor máximo "H0" en la base viene definida por la ecuación L1 = 0,0510Hü2 - 0,0790Hü 15,5790.
La forma de la curva se obtiene mediante la ecuación:
(y-yo) = 0,0000000107x6 0,0000016382x5 - 0,0000794412x4 0,0010194142x3 0,0097205322x2 0,0136993913x
de modo que y0 = 0
La cota máxima en el eje "x" de dicha curva se alcanza en el punto "y-i/2" y tiene como valor x = 0,0137(L1)14944.
Esta función polinómica se obtiene del estudio de las aletas caudales de los tiburones en formato 3D, con la ayuda del software Plot Digiter, que obtiene a partir de la imagen de la curva los valores de puntos en los ejes "x" e "y" de una gráfica. Los inventores realizaron posteriormente un ajuste a la función polinómica que mejor garantizaba una reducción en el coeficiente de fricción (ver más adelante).
Una vez calculado el primer segmento de la curva, el segundo se calcula de manera análoga, siendo "H1" el grosor del perfil en la cota "y1", en el que acaba la primera curva, de modo que L2 = 0,0510H-i2- 0,0790H1 15,5790.
Siendo la forma de la curva la que indica la ecuación:
(y-y-i) = 0,0000000107x6 0,0000016382x5 - 0,0000794412x4 0,0010194142x3 0,0097205322x2 0,0136993913x
Y la cota máxima en el eje "x" en ese segundo tramo, que se alcanza en el punto "L1+L2/2 ", y tiene como valor x = 0,0137(L2)14944.
Como puede apreciarse en la figura 2, el alzado de la estructura sustentadora no se modifica, aunque, claro está, un corte transversal de la misma mostrará la diferencia en profundidad entre distintos segmentos.
La profundidad de afectación "D", medida respecto del borde de ataque del perfil, se calcula de manera dinámica, desde un valor máximo en el punto y=0 hasta un valor igual a cero en el punto "ymáx". El valor máximo de "D", es decir, "Do", está en el intervalo del 0,25 % al 0,31 % de la longitud de la cuerda de la primera sección NACA "Pmáx" de la estructura a modificar. Dicho intervalo se obtiene del valor más preferente, 0,28 % de "Pmáx" al que se le aplica un factor de corrección de ±10 %.
El borde es escalable a cualquier tamaño y puede aplicarse a estructuras sustentadoras en el aire o en el medio acuático
En los resultados experimentales que se presentan a continuación, el borde de la invención aplicado a un estabilizador hidrodinámico ha mostrado una reducción del coeficiente de arrastre del 1 %, en comparación con un modelo idéntico con el borde de ataque liso (ver tabla 1 más adelante).
La eficiencia hidrodinámica de los modelos se ha evaluado como sigue: se ha reconstruido mediante software un modelo con un borde de acuerdo con la invención expuesta anteriormente y un modelo de borde liso. A continuación, mediante un análisis de dinámica de fluidos (o CFD, Computational Fluid Dynamics) usando el software ANSYS Fluent, se han comparado los coeficientes de arrastre (Cd), campo de velocidades y presiones con la superficie cuyo borde de ataque es liso. La comparativa se ha llevado a cabo para dos velocidades (2 y 5 m/s) y tres ángulos de ataque distintos (0°, 15° y 45°).
Para ello, se suministró el fichero CAD en formato IGS/STEP del estabilizador hidrodinámico sobre el cual generar el modelo CFD. Asimismo, se suministró el CAD de la geometría en el mismo formato con borde de ataque liso.
En primer lugar, se establecieron las condiciones del estudio definiendo: a) la geometría del volumen virtual de control en el que se realizaron los análisis (7 m de largo, 3 m de ancho y 1,5 m de alto); b) las características de mallado más adecuadas a emplear en los modelos. En este último caso, se incluyó un análisis de sensibilidad de malla para seleccionar el número de celdas idóneo, con el fin de optimizar el esfuerzo computacional.
Tras ello, se estableció una capa de celdas en torno al estabilizador hidrodinámico que permite captar la capa límite a su alrededor (con especial cuidado en la zona del borde de ataque) y, a continuación, se aplicó un crecimiento de malla suave hacia el entorno exterior.
Tres fueron los parámetros analizados en cuanto a su influencia sobre el coeficiente de arrastre "Cd": la velocidad, el ángulo de ataque y el perfil del borde de ataque. El coeficiente de arrastre se define como:
en la que "F" es la componente de la fuerza en la dirección de la velocidad del flujo; "p" es la densidad del fluido, "u" es la velocidad del flujo y "A" es la superficie de referencia, que para cuerpos hidrodinámicos sumergidos es la superficie en contacto con el fluido.
Los resultados del análisis CFD indican que el borde de ataque propuesto presenta un menor coeficiente de arrastre que su homólogo liso en todas las configuraciones estudiadas y que el promedio de reducción de la resistencia del modelo de ataque con borde curvado es del 1,1 %. En la tabla 1, se puede observar el porcentaje de reducción del Coeficiente de arrastre (Cd) del estabilizador con perfil curvo frente a la aleta con perfil liso (1-(Cd perfil curvo/Cd perfil liso) x 100) en los distintos casos de estudio: dos velocidades (2 y 5 m/s) y tres ángulos de ataque distintos (0°, 15° y 45°).
Por otra parte, los campos de velocidades para el tipo de perfil curvado también son más desarrollados y presentan menor afectación al flujo aguas abajo que en el caso de perfil liso.
Claims (3)
1. Procedimiento para diseñar un borde de ataque en estructuras aero/hidrodinámicas, el cual reduce la resistencia del coeficiente de arrastre mediante la modificación únicamente del perfil de la estructura y no de su alzado, comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas:
a. establecer un sistema de coordenadas con un eje "x" ortogonal a la cuerda en la base del perfil de la estructura sustentadora y un eje "y" ortogonal al eje "x" y que se extiende desde el punto medio de la base hasta el vértice de la estructura;
b. identificar el grosor máximo de la sección NACA en la base del perfil "H0" y comenzar a modificar el perfil de la superficie existente en la coordenada (0,0) aplicando una curva, cuya longitud "L1" de acuerdo con el grosor máximo "H0" en la base, viene definida por la ecuación L1 = 0,0510H02 - 0,0790H0 15,5790, y cuya cota máxima en el eje "x", que se da en el punto "y1/2", viene definida mediante la relación x = 0,0137(L1)14944, estando definida la forma de dicha curva mediante la ecuación: (y-y0) = 0,0000000107x6 0,0000016382x5 - 0,0000794412x4 0,0010194142x3 0,0097205322x2 0,0136993913x;
c. repetir la etapa b usando el grosor "H1" del perfil en la cota "y1" para calcular la nueva longitud "L2", de modo que y2=L1+L2, estando definida la cota máxima en el eje "x", que se da en el punto "L1+L2/2 ", mediante la relación x = 0,0137(L2)14944, estando definida la forma de dicha curva mediante la ecuación: (y-y1) = 0,0000000107x6 0,0000016382x5 - 0,0000794412x4 0,0010194142x3 0,0097205322x2 0,0136993913x;
d. repetir la etapa b para los siguientes segmentos.
2. Procedimiento para diseñar un borde de ataque de una estructura sustentadora de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la profundidad de afectación "D", calculada desde el borde de ataque del perfil, varía entre un valor máximo en el punto y=0 y un valor igual a cero en el punto "ymáx"; y en el que "D0" está en el intervalo del 0,25 % al 0,31 % de la longitud de la cuerda de la primera sección NACA "Pmáx" de la estructura a modificar.
3. Estructura sustentadora aero/hidrodinámica provista de un borde de ataque diseñado de acuerdo con el procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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