brayant proyecto 2d airfoil cfd
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ELECTIVA II - CFD
SIMULACIÓN DEL PERFIL NACA 2412 EN ANSYS-FLUENT
MEDIANTE EL MODELO LES
Brayant Nieto Gómez
Xiolesmy Alfonso Rodríguez
GEOMETRÍA
Se debe analizar el perfil aerodinámico en 2D ilustrado en la figura 1 utilizando el modelo
de turbulencia LES en FLUENT-ANSYS y hallar los coeficientes de Lift y Drag para
ángulos de ataque de 0°, 10° y 20°. El caso a evaluar presenta una velocidad de entrada
de 20 m/s, de tal manera que existe un flujo turbulento.
Los parámetros iniciales del análisis son los siguientes:
Como condición geométrica inicial únicamente se tiene el perfil, el cual es un NACA 2412
con cuerda de 1 m (fig. 1), este se evaluará con ángulos de ataque de cero, diez y veinte
grados.
Figura 1. Parámetros de la geometría.
Para crear el dominio, se utiliza una forma de C con el fin de que la malla se distribuya
mejor alrededor del perfil y sea más homogénea, así la malla será más refinada y se
obtendrán valores más precisos a la hora de realizar la simulación. En la figura 2 se
observan las dimensiones correspondientes al dominio.
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Figura 2. Dimensiones de la geometría.
Como el dominio de la simulación no es una tubería (se recuerda que un perfil
aerodinámico se encuentra en el aire, es decir la atmósfera), no es necesario que la
longitud antes del perfil ( ) se calcule para que se desarrolle totalmente el flujo, por lo
que se toma a criterio propio esta medida de tal manera que el perfil quede bien ubicado
para que pueda concordar con la forma en C del dominio. Para esto, la C es una
semicircunferencia con radio de 10 m ( .
Como la C es una semicircunferencia, la altura será el diámetro de la
semicircunferencia: .
Después del perfil, es necesario saber el comportamiento del flujo hasta que se
desarrolle, por lo que se calcula la longitud :
Se observa que esta longitud es demasiado grande para realizar una malla,
especialmente para una simulación LES debido a que se debe realizar una malla más fina
que los modelos RANS y tiene más gasto computacional, por lo que se toma una
dimensión mucho menor para esta longitud. Se considera que un de 24 veces la
cuerda del perfil es suficiente para observar el comportamiento del flujo más próximo al
perfil.
Lf
c
Lh
h
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MALLA
Para crear la geometría del perfil en ICEM-FLUENT se descarga de la página libre “The
Incomplete Guide to Airfoil Usage”, en formato .txt y especificando las coordenadas en ,
y . En la Figura 3 se muestran algunos de los puntos que se exportan a
ICEM-FLUENT.
Figura 3. Puntos para Exportar a ICEM-FLUENT en formato .txt.
Al exportar los puntos y crear las curvas correspondientes a los Extrados e Intrados del
perfil, la geometría se ve de la siguiente forma:
Figura 4. Perfil Creado en ICEM-FLUENT.
Las coordenadas de los puntos utilizados para generar el Dominio son:
Al realizar todo el proceso para realizar la malla: Importación de puntos de Perfil,
Generación de Curvas, Creación de Superficie, Creación de Bloques, Asociación de los
bloques con la Geometría, Refinamiento de Pre-Malla, Creación de Malla, Planchado de
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Malla; la malla resultante queda como se muestra en la figura 5. El criterio de refinamiento
está basado en que se va a evaluar el perfil, por lo que las zonas más refinadas serán en
las paredes alrededor de este.
Figura 5. Creación de Malla en ICEM-ANSYS.
Luego se crean los parámetros de frontera, asociando Farfield con Pressure-Farfield y
los extrados/intrados como Wall.
Figura 6. Condiciones de Frontera.
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Se procede a crear el archivo para importar a ANSYS-FLUENT y así, realizar el proceso
de solución y análisis de datos, tal y como se muestra a continuación.
ESPECIFICACIONES PARA REALIZAR LA SIMULACIÓN EN ANSYS-FLUENT
Se calcula el Reynolds, el Mach y la Presión con los que se van a trabajar el caso. Se
utiliza como flujo gas ideal (Ideal Gas), el cual se justifica posteriormente:
( )
√
√
A continuación se muestran y justifican las especificaciones en FLUENT-ANSYS que se
utilizaron para la simulación:
GENERAL
Figura 7. Configuración Página “General”.
- Type - Pressure based: Aunque el flujo tiene alta velocidad en
comparación con la velocidad de entrada para un flujo laminar, no se
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generaran ondas de choque, es decir, que no habrá grandes
cambios de densidad a lo largo del fluido.
- Velocity Formulation - Absolute: La opción “Relative” se elige
únicamente al estar activo “density based”.
- Time - Transient: El flujo transiente es inherente al Modelo LES.
- 2D space - Planar: Esta opción indica que el modelo es en 2D.
MODELS
Para los casos en 2D no es común utilizar el Modelo LES para realizar la
simulación, por lo que este modelo no se muestra como opción al iniciar FLUENT.
Fue necesario ingresar un código al abrir el caso, de tal manera que se activara la
opción de LES.
Código: (rpsetvar’les-2d? #t)
Luego de activar LES, las opciones de Modelos de Viscosidad se muestran así:
Figura 8. Configuración Página “Models”.
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- Subgrid Scale Model - Smagorinsky Lilly: Este sub-modelo es el propio
de LES, es decir las otras opciones que se muestran son híbridos entre el
Modelo LES y los modelos RANS.
- Energy - ON: Se activa la Energía debido a que se desea llevar un
seguimiento del cambio de esta. Debido al Modelo LES, el cambio de
energía es considerable en comparación a los modelos RANS.
MATERIALS
Figura 9. Configuración Página “Materials”.
- Air - Ideal Gas: Se elige Gas Ideal en vez de Constante en la Densidad,
debido a que el modelo tiene en cuenta los cambios de densidad y esta no
será una constante.
BOUNDARY CONDITIONS
- Operating Pressure - Zero: Como se especifica la presión de entrada, no
es necesario adicionar el valor de Presión de Operación, debido a que este
valor se adicionaría a la Presión Total, es decir, en realidad se utilizaría una
presión más grande de la que se va a evaluar.
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Figura 10. Configuración Página “Operating Conditions”.
- FF
Type - Pressure Far-Field:
Según lo calculado anteriormente:
Presión= 105472.5 Pa
Mach= 0.05760556
Temp = 300K
Para variar el ángulo del perfil, se deja la misma malla y se varía el ángulo
de la velocidad de entrada, lo cual corresponde a la misma condición. Esto
se configura en “X/Y-Component of Flow Direction”, en la figura 11 se
observa el ángulo de entrada configurado para 20 Grados.
Figura 11. Configuración Página “Pressure Far-Field”.
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SOLUTION METHODS
Figura 12. Configuración Página “Solution Methods”.
Estos valores se configuran en Segundo Orden, debido a que esta opción ofrece
una mayor precisión, además, es más acorde al modelo LES.
- Scheme: SIMPLE
- Gradient: Least Squares Cell Based
- Pressure: Second Order
- Density: Second Order Upwind
- Momentum: Bounded Central Differencing
- Energy: Second Order Upwind
La opción “Transient Formulation” se deja en Segundo Orden porque al cambiar la
configuración en 2D a LES, no es posible elegir otra opción.
- Transient Formulation: Bounded Second Order Implicit
SOLUTION INITIALIZATION
- Standard Initialization: Ya que se saben los datos de entrada es la mejor
opción para que la solución converja relativamente más rápido.
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RUN CALCULATION
Figura 13. Configuración Página “Run Calculation”.
- Time Step Size (S) - 0.0005: Según la Ayuda de ANSYS se recomienda
utilizar un valor de ó . Se utilizó un valor un poco más
grande debido a que con estos valores se tardaba demasiado en realizar
una iteración.
- Number of Time Steps - 3: Este debe ser pequeño para que se puedan
realizar bastantes Iteraciones y la Simulación se realiza bien detallada.
- Max Iterations/Time Step - 10000: En este número de Iteraciones sólo
han transcurrido 5 segundos, por lo que se confirma que la simulación es
muy detallada y se tarda en evaluar segundo por segundo.
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RESULTADOS
Después de realizar la simulación con los parámetros mencionados anteriormente, se
realizan únicamente 10000 Iteraciones para cada caso debido a que el proceso de
simulación requiere mucho tiempo. Se lleva un seguimiento de los “Residuals” y de los
coeficientes de Drag y Lift (Arrastre y Sustentación, respectivamente) para posteriormente
graficar propiedades y características del flujo resultante alrededor del perfil, tal y como se
muestra a continuación.
CERO GRADOS
- Iteraciones
Figura 14. “Residuals” con Ángulo de Ataque de Cero Grados.
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Figura 15. Seguimiento CL con Ángulo de Ataque de Cero Grados.
Figura 16. Seguimiento CD con Ángulo de Ataque de Cero Grados.
Con estos resultados se puede observar el transcurso del flujo alrededor del perfil, cuando
este se encuentra a 0 grados. Concorde con las gráficas principales de coeficientes de
sustentación y arrastre del perfil 2412, a cero grados no existe desprendimiento de flujo,
generado a su vez sustentación y poco arrastre. Después de 8000 iteraciones y 4
segundos simulados, se aprecian los siguientes valores:
Al observar las imágenes de contornos, se evidencia la escasa aparición de torbellinos o
vórtices generado luego de que el flujo pasa por el perfil.
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- Vectores de Velocidad
Figura 19. Vectores de Velocidad con Ángulo de Ataque de Cero Grados.
- Contornos de Presión
Figura 20. Contornos de Presión con Ángulo de Ataque de Cero Grados.
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- Contornos de Velocidad
Figura 21. Contornos de Velocidad con Ángulo de Ataque de Cero Grados.
- Contornos de Temperatura
Figura 22.A. Contornos de Temperatura con Ángulo de Ataque de Cero Grados.
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Figura 22.B. Contornos de Temperatura con Ángulo de Ataque de Cero Grados.
- Líneas de Corriente
Figura 23. “Pathlines” con Ángulo de Ataque de Cero Grados.
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DIEZ GRADOS
Figura 24. “Residuals” con Ángulo de Ataque de Diez Grados.
Figura 25. Seguimiento CL con Ángulo de Ataque de Diez Grados.
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Figura 26. Seguimiento CD con Ángulo de Ataque de Diez Grados.
Los coeficientes finales obtenidos de la simulación son:
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- Vectores de Velocidad
Figura 27. Vectores de Velocidad con Ángulo de Ataque de Diez Grados.
- Contornos de Presión
Figura 28.A. Contornos de Presión con Ángulo de Ataque de Diez Grados.
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Figura 28.B. Contornos de Presión con Ángulo de Ataque de Diez Grados.
- Contornos de Velocidad
Figura 29.A. Contornos de Velocidad con Ángulo de Ataque de Diez Grados.
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Figura 29.B. Contornos de Velocidad con Ángulo de Ataque de Diez Grados.
- Contornos de Temperatura
Figura 30.A. Contornos de Temperatura con Ángulo de Ataque de Diez Grados.
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Figura 30.B. Contornos de Temperatura con Ángulo de Ataque de Diez Grados.
Figura 30.C. Contornos de Temperatura con Ángulo de Ataque de Diez Grados.
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- Líneas de Corriente
Figura 31. “Pathlines” con Ángulo de Ataque de Diez Grados.
- Contornos de Viscosidad Turbulenta
Figura 32.A. Contornos de Viscosidad con Ángulo de Ataque de Diez Grados.
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Figura 32.B. Contornos de Viscosidad con Ángulo de Ataque de Diez Grados.
VEINTE GRADOS
Figura 33. “Residuals” con Ángulo de Ataque de Veinte Grados.
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Figura 34. Seguimiento CL con Ángulo de Ataque de Veinte Grados.
Figura 35. Seguimiento CL con Ángulo de Ataque de Veinte Grados.
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- Vectores de Velocidad
Figura 36. Vectores de Velocidad con Ángulo de Ataque de Veinte Grados.
- Contornos de Presión
Figura 37.A. Contornos de Presión con Ángulo de Ataque de Veinte Grados.
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Figura 38.B. Contornos de Presión con Ángulo de Ataque de Veinte Grados.
- Contornos de Velocidad
Figura 39.A. Contornos de Velocidad con Ángulo de Ataque de Veinte Grados.
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Figura 39.B. Contornos de Velocidad con Ángulo de Ataque de Veinte Grados.
- Contornos de Temperatura
Figura 40.A. Contornos de Temperatura con Ángulo de Ataque de Veinte Grados.
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Figura 40.B. Contornos de Temperatura con Ángulo de Ataque de Veinte Grados.
- Líneas de Corriente
Figura 41. “Pathlines” con Ángulo de Ataque de Veinte Grados.
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- Contornos de Viscosidad Turbulenta
Figura 42.A. Contornos de Viscosidad Turbulenta con Ángulo de Ataque de Veinte Grados.
Figura 42.B. Contornos de Viscosidad Turbulenta con Ángulo de Ataque de Veinte Grados.
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ANÁLISIS DE RESULTADOS
CERO GRADOS
Concorde con las gráficas principales de coeficientes de sustentación y arrastre del
perfil 2412, a cero grados no existe desprendimiento de flujo, generado a su vez
sustentación y poco arrastre.
Al observar las imágenes de contornos, se evidencia la escasa aparición de
torbellinos o vórtices generado luego de que el flujo pasa por el perfil.
DIEZ GRADOS Se observa que se generan vórtices después de que el flujo pasa a través del perfil 2412, aunque se evidencia que a este ángulo no se presenta desprendimiento de capa límite. Esto concluye que a diez grados se presenta un caso de operación normal. El Cl y Cd son mayores que a cero grados. VEINTE GRADOS Se observa que se generan más vórtices después que a diez grados, después que el flujo pasa a través del perfil 2412, también se evidencia que a este ángulo se presenta desprendimiento de capa límite. Esto concluye que a veinte grados se presenta un caso de operación no normal. El Cl y Cd son mayores que a diez grados COMPILACIÓN RESULTADOS CL Y CD En la tabla 1 se muestran los datos obtenidos por la simulación en las configuraciones de cada grado, de los que se basan para hallar las gráficas concluyentes que resumen todo lo presentado anteriormente. Los resultados deben concordar con datos hallados experimentalmente del perfil NACA 2412. A continuación se muestra una gráfica para Cl y Cd del perfil (aunque es en distintas condiciones de Reynolds y mach, se puede utilizar de referencia).
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Figura 43. Gráficas Cl y Cd Experimentales.
Ángulo de Ataque
CD CL
0 0,01525 0,23252 10 0,070266 1,0863 20 0,73318 1,5103
Tabla 1. Recopilación datos CL y CD.
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Figura 44. Gráfica de Resultados Cl Vs Alpha.
Figura 45. Gráfica de Resultados Cd Vs Alpha.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0 5 10 15 20 25
Co
efi
cie
nte
de
Lif
t
Angulo de Ataque
LIFT COEFFICIENT
lift coefficient
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 5 10 15 20 25
Co
efi
cie
nte
de
Dra
g
Angulo de Ataque
DRAG COEFFICIENT
drag coefficient