The simulation of aerodynamic elements using computational fluid dynamics (CFD), in the aeronautical industry represents a fundamental pillar in the development of new technologies and optimization of existing models. The aim of this study is to evaluate the behaviour of 3 profiles commonly used and defined by the National Aeronautics Committee (NACA) through ANSYS and compare the results obtained with previously published simulations. To obtain this information, models with control volumes for each profile, using CAD models based on the NACA specifications were created. In addition, it was necessary to define the boundary conditions within the simulation of finite volumes. The study allows a better understanding of parameters such as the pressure contour, speed contour, flow lines and Mach number that are characteristic of each profile, with their advantages and disadvantages. The resulting simulations determined a better overall performance of profile 63002 (5 digits) compared to profiles 4415 and 0012 (4 digits), confirming the established in the bibliography. Furthermore, the study allowed a better learning of aerodynamics (fluid mechanics) which, as far as the authors have investigated, has been little used in the Ecuadorian academic environment.

El desarrollo y uso de software que permiten simular el comportamiento de elementos aerodinámicos han presentado facilidades considerables no solamente en la industria aérea, sino también en áreas como la energía eólica y la aerodinámica de vehículos. Las ventajas de desarrollar simulaciones principalmente se relacionan al ahorro y optimización de tiempo que tomaría realizar un trabajo experimental, siempre y cuando los resultados de la simulación y experimentación no difieran considerablemente. Por este motivo siempre es requerida una validación de resultados que podría llevarse a cabo al compararlos con estudios previos.

El estudio del comportamiento de estos elementos nace en el año 1915, como un comité aeronáutico antecesor de la NASA en Estados Unidos y que se enfocaría en desarrollar y mejorar el existente armamento militar aéreo. Sin embargo, en la actualidad, el uso de las regulaciones de este Comité Consultivo Nacional de Aeronáutica (NACA) se ha diversificado de tal forma que puede ser utilizado no solo en perfiles aerodinámicos aéreos para aeronaves, sino también para elementos que constituyen turbinas eólicas y que usan perfiles de este tipo debido a sus mejores prestaciones aerodinámicas.

El estudio del comportamiento de este tipo de configuración de perfiles de alas de avión (principal aplicación) han sido usualmente tratadas como un régimen lineal, sin embargo, en algunas otras aplicaciones este análisis no ha sido suficiente. Para entender un poco de la terminología, se describe a continuación brevemente ciertos conceptos que serán usados en este estudio.

Las ecuaciones que rigen el fenómeno a simular están definidas en la mecánica de fluidos, las cuales principalmente deberán ajustarse a la ecuación de energía, continuidad, momento, Bernoulli, etc., sin embargo, se la resolución de las ecuaciones que se presenten será muy complicada sin el uso de un software de dinámica computacional. Por este motivo, se asume que las ecuaciones están definidas e incluidas en el software (ANSYS) que es utilizado en el presente estudio. En la figura 1 se muestra los principales elementos considerados para describir un perfil de un ala de avión.

De los principales elementos se puede definir el perfil alar como la forma de la sección del ala que se observa transversalmente. El borde de Ataque es la parte delantera del ala que primero toma contacto con el flujo de aire al cual estará sometido el perfil.

Adicionalmente se define el borde de salida como la parte posterior del perfil, la línea que une la parte posterior de todos los perfiles del ala. Por otro lado, los extradós e intradós son la parte superior e inferior del perfil entre los bordes de ataque y salida respectivamente. Se puede observar también que se define un espesor máximo como la distancia máxima entre el valor de extradós e intradós.

Una de las principales variantes en la configuración de los elementos del perfil es la línea de cuerda la cual es una línea imaginaria que va entre los bordes de ataque y de salida en cada perfil alar. La Curvatura por otro lado es la curva del ala desde el borde de ataque al borde de salida. La curvatura máxima se refiere a la de la superficie superior (extradós) y la media a la de la superficie inferior (intradós) y curvatura media a la equidistante a ambas superficies. Finalmente, se puede definir a el ángulo α como el ángulo que hay entre la dirección del viento y el perfil alar (más concretamente con la cuerda)

Es importante mencionar por otro lado como la NACA clasifica los distintos perfiles de acuerdo con numeración de cuatro o cinco dígitos, serie 16, serie 6, serie 7 y serie 8, como se muestra en la tabla 1 a continuación con sus ventajas y desventajas.

A pesar de que la mayoría de las simulaciones publicadas en la actualidad están más relacionadas con un régimen lineal, existe pocos datos relacionados a las pérdidas en perfiles de alas finitas. De las pocas publicaciones que incluyen el tema de pérdidas, no ofrecen detalles de fuerza y momento después de la posición inicial. Se han presentado también estudios puramente teóricos que han demostrado una relación consistente entre el coeficiente de elevamiento versus el ángulo de ataque, utilizando diferentes perfiles NACA.

De acuerdo con los anteriormente mencionado, se requiere el cálculo de ciertas características que nos ayuden a comparar los resultados de cada uno de los resultados simulados, ya sea con valores tabulados o presentados con publicaciones previas. Algunos de estos valores son definidos en la teoría de aerodinámica tal como número Mach, líneas de flujo, número de Reynolds, coeficiente de presión (Cp), perfiles de velocidades y presiones. El presente estudio se enfocará en la obtención y comparación de estos valores con datos de entrada obtenidos de bibliografía reciente.

El enfoque de las simulaciones en la actualidad son muchas, cada una con sus variaciones, ventajas y desventajas. Tales simulaciones pueden tener más énfasis en muchos ángulos de ataque sobre el perfil aerodinámico en la fuerza de levantamiento y la turbulencia que se genera al momento que uno de estos perfiles experimenta un despegue, en los números de Reynolds que se presentan usualmente en estos perfiles, e incluso algunas de las simulaciones sirven para validación de perfiles NACA utilizando no solo ANSYS como software de simulado, sino también otros programas de simulado tales como AutoDesk.

Por este motivo, y en función de lo descrito en esta sección de introducción, el principal objetivo del trabajo es simular el comportamiento de tres perfiles NACA (4415, 0012, 63206), hallando sus respectivas líneas de flujo, coeficientes de presión, perfil de velocidades, tomando en cuenta condiciones iniciales que han sido sugeridas en la bibliografía. Dichos resultados serán comparados con trabajos similares que han usado distintos softwares CFD. Por otro lado, el estudio plantea el uso de este tipo de simulaciones para un mejor aprendizaje de la aerodinámica y mecánica de fluidos en la educación de pregrado en Ecuador.

Para lograr resultados con precisión es deseable generar una variedad de geometrías en 2 y 3 dimensiones. Esto permite que se pueda modificar los ángulos de ataque y por ende los resultados que pueden ser optimizados con cada modificación. Por este motivo se define como se procedió al desarrollo de las geometrías y a su simulación en ANSYS. La simulación de los tres perfiles se lo realiza en las mismas condiciones iniciales y de frontera para comparar cual presenta un mejor desempeño.

Los perfiles NACA seleccionados a ser analizados serán de las siguientes series: 4415, 0012 y 63006; los cuales estarán bajo las siguientes condiciones de frontera:

Estos perfiles están disponibles en la página oficial para la generación de perfiles, Airfoil Tools (http://airfoiltools.com/airfoil), sitio-web con los parámetros precisos y confiables para las dimensiones de perfiles NACA. El uso de los perfiles ya implementados en dicha página web son los recomendados basados en la literatura.

Con las coordenadas obtenidas y una vez introducidas todos los valores, se genera un archivo el cual puede ser importado desde el software SOLIDWORKS. El objetivo es, una vez importado, extruir y generar un sólido en 3D que pueda ser evaluado y simulado en ANSYS.

Las simulaciones se realizarán con el objetivo de recolectar datos sobre el número MACH, las líneas de flujo, fuerza aerodinámica, el coeficiente de presión y el contorno de velocidades que se generan cuando los perfiles se encuentran en los parámetros antes expuestos. Con el uso de ICEM CFD, software que proporciona herramientas de geometría sofisticadas para generación de mallas, post-procesamiento y herramientas de optimización de mallas. Este software ha sido desarrollado para simulaciones que utilizan dinámica de fluidos computacional.

Las herramientas de generación de cuadrícula ofrecen la capacidad de crear paramétricamente cuadrículas a partir de la geometría en cuadrículas hexaédricas, tetraédricas e híbridas, estructuradas, no estructuradas y de bloques múltiples que consisten en celdas hexaédricas, tetraédricas, piramidales y prismáticas; y formatos de cuadrícula cartesiana combinados con condiciones de frontera.

Una vez generada el mallado del perfil se utiliza el Workbench Mechanical de ANSYS Versión Estudiantil 2019R3. Se generaron los modelos en 2D de Volúmenes Finitos, se usa este tipo de método porque en torno a cada punto de esta malla se construye un volumen de control que no se translapa con los de los puntos vecinos, de esta forma el volumen total de fluido resulta ser igual a la suma de volumenes de control considerados.

El modelo fue mallado con elementos tridimensionales hexaédricos con la especificación del SOLVER en este caso para análisis por CFD y se obtuvo:

La densidad del aire por lo general tiene un valor que oscila entre 1.2 kg/m3 y 1.3 kg/m3, pero para tener resultados más apegados a la realidad de vuelo en las probetas se opta por una altitud promedio de 12 800 pies de altura que deben operar en aeropuertos o aeródromos, por consecuente la densidad del aire bajará considerablemente hasta un valor de 0.688 kg/m3

Con las condiciones de frontera antes especificadas se procedió a determinar por medio de cálculos los siguientes parámetros:

Donde:

Como se puede observar los 3 perfiles NACA, el que más resalta por el equilibrio del número MACH es el de la serie 63006 por lo que es recomendable para aviones que rompen la barrera del sonido (supersónicos) dando mejor características en vuelos a altas velocidades en cambio las demás probetas presentan un contrate de valores MACH por lo tanto tendrán limitantes estructurales de velocidad (subsónicos). Este valor MACH es variable en función a la temperatura y altitud, es decir, a menor temperatura y mayor altitud el número MACH aumenta o viceversa.

Se puede observar en primera instancia que los perfiles de velocidades o líneas de flujo representan un comportamiento que se esperaba en base a la bibliografía. Identificamos el comportamiento del vector velocidad a lo largo del perfil en un ángulo de ataque de 17 grados, como se definió en la figura 2. Adicionalmente, en base al código de colores se puede sugerir una mayor concentración de turbulencias en los perfiles 4415 y 0012 comparado con el perfil 63006.

Los valores de velocidad que hemos obtenido se asemejan bastante con los valores obtenidos por Petrilli et al. 2014, trabajo que se enfoca en el comportamiento y optimización del perfil en su punto de salida y ángulo de ataque.

Se identifica que tanto a ángulos de ataque de 17 y 18 grados, existe una pérdida de sustentación, esto se debe a que existe una separación del flujo laminar ósea del aire suave sobre el perfil alar, dando lugar a un flujo turbulento. Estas líneas de flujo podrían ser observadas de mejor manera y comprobadas si se realiza experimentación con modelos a escala dentro de un túnel de viento. Lamentablemente es una de las restricciones actuales del estudio.

La fuerza de sustentación es importante debido a que es la fuerza que mantiene al ala (avión) estable. Dicha fuerza es generada por la masa de aire a través del perfil alar, siempre es perpendicular a la trayectoria de vuelo independientemente de la altitud del avión.

Se observa que, en base a los resultados mostrados, el perfil 63006 muestra el mayor valor de vector fuerza, por lo que podemos sugerir que este perfil es el que presentara una mejor fuerza sustentadora. Esto se ajusta a los resultados que se ha presentado en otros estudios en los que, en base a experimentación y estudios empíricos, se utiliza este perfil para aumentar el coeficiente de sustentación. Por otro lado, los perfiles (0012, 4415) las fuerzas son de menor valor. Con esto se comprueba que los perfiles de 5 dígitos tienen un mayor desarrollo comparados con los perfiles de 4 digititos, y son considerados como una evolución de los perfiles NACA

Los perfiles 4415 generan fuerzas de sustentación incluso cuando el Angulo de ataque es igual a cero. Este tipo de perfiles ofrecen menor resistencia al avance, sin embargo, no producen tanta sustentación. Por otro lado, en el perfil 0012 a medida que aumenta el ángulo de ataque tiende a tener un mejor comportamiento con respecto al centro de presiones.

Los cálculos de los coeficientes de presión sirven en el estudio para identificar lugares críticos de cada perfil NACA pronosticando la presión del aire como se logra observar que en todos los bordes de ataque de estos perfiles estarán soportando la máxima presión que se genera. Las consecuencias de este análisis están relacionadas a una mejor selección de materiales de fabricación, por ejemplo, en base a las condiciones de frontera.

Los coeficientes obtenidos de la simulación tienen un valor máximo de 7 o cercano a este valor, lo cual se puede observar claramente en las figuras 12, 13 y 14. Estos valores son los que se usualmente se recomiendan en aerodinámica para tener una mayor presión en el intradós que en el extradós, lo cual genera una buena sustentación de los perfiles.

Se puede observar claramente que el perfil 4415, se producen una mayor concentración de velocidades en el borde de salida, lo cual podría relacionarse a una mayor concentración de turbulencias. A pesar de que el perfil 0012 también es de la familia de 4 dígitos, es considerable la reducción del perfil de velocidades en el borde de salida. Por último, en el perfil 63002 en base al código de colores se observa que es mucho mejor la distribución del perfil de velocidades.

Nuevamente se puede atribuir mejores resultados al ser de una serie mejorada que la de 5 dígitos. Sin embargo, no se podría generalizar y decir que el perfil de 6 dígitos siempre será el mejor. Existirán aplicaciones específicas en las que cada uno de los perfiles son recomendados. Como ejemplo podemos anotar el uso de perfiles 4415 para vuelos en los que se tenga poca carga (pasajeros) como en paracaidismo o aeronaves dedicadas a fumigación. Otro ejemplo común de aplicaciones de perfil 0012 es en aeronaves para acrobacias aéreas o perfiles para hélices de helicópteros.

Como se muestra en literatura actual publicada, y en la cual se baso el presente estudio, ha sido posible obtener resultados similares para los tres perfiles utilizando un software diferente para el desarrollo de las simulaciones de dinámica computacional.

Se plantea el uso del presente trabajo como punto de partida para la simulación de otros perfiles NACA definidos, no solamente en perfiles de alas de avión sino, además, en perfiles de álabes de turbinas eólicas que permitirán la optimización y aprovechamiento de velocidades de viento presentes en el entorno local. Dicha optimización se puede enfocar en el uso de nuevos y mejores mallados al momento de utilizar la simulación dinámica. Por otro lado, es importante tener siempre presente que esto puede conllevar a un costo computacional mayor, a veces innecesario.