Modelo de Avión JSM

Validación CFD - 3rd AIAA CFD High Lift Prediction Workshop

Resumen

En los últimos años, la dinámica de fluidos computacional (CFD) se ha convertido en una herramienta esencial para el diseño y la optimización de diversos sistemas de ingeniería, incluidos los vehículos y medios de transporte en el sector aeroespacial. Sin embargo, la predicción del flujo de aire alrededor de geometrías complejas en vehículos aéreos sigue siendo una tarea desafiante. Para abordar este problema, se estableció el «AIAA CFD High Lift Prediction Workshop» para evaluar la capacidad predictiva de los códigos CFD para las geometrías de vehículos en el ámbito aeroespacial. Este taller proporciona un conjunto de geometrías obligatorias, condiciones de contorno y mallas computacionales para permitir una comparación justa entre diferentes códigos CFD y establecer las mejores prácticas para la modelización y simulación.

En este contexto, hemos realizado un caso de validación CFD para el modelo de avión JSM del tercer «AIAA CFD High Lift Prediction Workshop» basado en el paper «Verification and Validation of OpenFOAM for High-Lift Aircraft Flows», utilizando el software Symula. El objetivo principal de nuestro estudio ha sido evaluar la precisión y capacidad predictiva del módulo de túnel de viento virtual de la plataforma Symula para esta geometría de vehículo aéreo, en particular con respecto a los modelos de turbulencia, el mallado y los esquemas numéricos. Con este fin, hemos obtenido resultados para los tres niveles de precisión disponibles en Symula y los hemos comparado con los datos experimentales de referencia proporcionados por el taller, además de con el resto de resultados obtenidos para distintos tipos de softwares comerciales CFD y participantes de este taller CFD.

A través de este caso de validación, pretendemos demostrar el rendimiento y la confiabilidad del software de simulación CFD de Symula para aplicaciones en el sector aeroespacial. Los resultados de nuestro estudio podrían contribuir potencialmente al desarrollo de herramientas CFD más precisas y eficientes para el diseño y la optimización de geometrías de vehículos aéreos, con implicaciones para mejorar el rendimiento, la eficiencia y la seguridad de los vehículos en el entorno aeroespacial.

MODELO 3D

La geometría de este caso de simulación se corresponde con el modelo de vehículo aéreo JSM (Jaxa highlift configuration Standard Model). Este modelo de estudio es un modelo a escala que cuenta con un valor de cuerda media aerodinámica de 529,2 mm, una envergadura de ala de 4600 mm y un «Aspect Ratio» de 9,42. Destacar que en los casos de estudio en túnel de viento y del resto de participantes, se ha empleado condición de simetría, ya que el modelo de avión utilizado ha sido una versión simplificada que solo contaba con la mitad de la geometría. Nosotros hemos empleado el modelo completo ya que el software Symula no permite aplicar condición de simetría.

RESULTADOS

VALORES DE RESISTENCIA AL AVANCE

Los valores obtenidos para el cálculo de fuerza de resistencia al avance se muestran en la siguiente gráfica. Se comparan resultados de las 3 precisiones ofrecidas en la plataforma Symula con respecto a datos experimentales obtenidos en túnel de viento, además de con respecto al resto de participantes, softwares CFD y modelos de turbulencia.

Precisión «Conceptual»: El error obtenido, en promedio para los diferentes ángulos de ataque, para esta precisión es del 38% comparado con datos experimentales de túnel de viento y del 16% comparado con la media de resultados obtenidos por el resto de participantes. Aunque se trata de un error elevado si lo comparamos con el valor exacto experimental, en este nivel de precisión se ofrece un orden de magnitud con respecto a dicho valor real.
Precisión «Precisa»: En este caso el error se reduce ligeramente hasta el 32% con respecto a valores experimentales y hasta el 11%comparado con la media de resultados obtenidos por el resto de participantes.
Precisión «Realista»: Para la máxima precisión ofrecida por la plataforma Symula , el error se reduce hasta un 14% con respecto a valores experimentales y hasta un 5% comparado con la media de resultados obtenidos por el resto de participantes.

A continuación se muestran los valores obtenidos en función del ángulo de ataque:

VALORES DE SUSTENTACIÓN

Los valores obtenidos para el cálculo de fuerza de sustentación se muestran en la siguiente gráfica. Se comparan resultados de las 3 precisiones ofrecidas en la plataforma Symula con respecto a datos experimentales obtenidos en túnel de viento, además de con respecto al resto de participantes, softwares CFD y modelos de turbulencia.

Precisión «Conceptual»: El error obtenido, en promedio para los diferentes ángulos de ataque, para esta precisión es del 15% comparado con datos experimentales de túnel de viento. Aunque se trata de un error elevado si lo comparamos con el valor exacto experimental, en este nivel de precisión se ofrece un orden de magnitud con respecto a dicho valor real.
Precisión «Precisa»: En este caso el error se mantiene en promedio en un 15% con respecto a valores experimentales. Tanto en la precisión conceptual como en la precisa, para elevados ángulos de ataque el error se incrementa considerablemente. Para poder capturar de forma adecuada fenómenos de desprendimiento de capa límite, será necesario hacer uso de la precisión realista.
Precisión «Realista»: Para la máxima precisión ofrecida por la plataforma Symula , el error se reduce hasta un 5% con respecto a valores experimentales. En este caso, la precisión se mantiene constante con respecto al ángulo de ataque. Gracias al modelo de turbulencia LES y a un refinamiento mayor de malla, esta precisión logra capturar fenómenos de desprendimiento para elevados ángulos de ataque sin problema.

A continuación se muestran los valores obtenidos en función del ángulo de ataque:

COMPORTAMIENTO AERODINÁMICO

También se muestran algunas imágenes de resultados obtenidos para el comportamiento fluido dinámico del aire. Se muestran resultados de contornos de velocidad, presión de viento sobre el vehículo, líneas de corriente y contornos de drag.

Estos resultados son los que ofrecemos de forma automatizada en la plataforma web de Symula, además de permitir la descarga de resultados para trabajar con programas con Paraview y poder realizar cualquier tipo de operación de post-procesado en local.