Estudi computacional i experimental d'un perfil aerodinàmic

Abstract

En aquest treball, se simula amb OpenFOAM un cas experimental d'un perfil NACA0012, realitzat al laboratori, en un túnel de vent, amb diferents angles d'atac (0, 7, 14 i 17 graus), i es calcula els coeficients de 'drag' ($C_D$), 'lift' ($C_L$) i 'pitch' ($C_M$). Les simulacions es realitzen amb diferents models i mallats: models de tipus RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) d'una (Spalart-Allmaras) i dues equacions ($k-\epsilon$ i $SST \, k-\omega$) i de tipus LES (Large Eddy Simulation), amb el model IDDES Spalart-Allmaras (Improved Delayed Detached Simulation). També, per a un mateix model, s'empren diferents mallats, generats amb l'eina integrada de generació de mallats d'OpenFOAM, snappyHexMesh, i amb l'eina de creació de mallats GMSH. Els resultats obtinguts amb les diferents combinacions de models, mallats, i angles d'atac es comparen amb els resultats experimentals obtinguts al túnel de vent, per a comprovar la capacitat d'aquests de modelar amb fidelitat casos reals, i els seus avantatges i desavantatges. Es conclou que els models RANS ('Reynolds-Averaged Navier-Stokes'), consumint una quantitat de recursos menor, obtenen resultats comparables als models LES quan la variable o fenomen a estudiar és resultat d'una mitja temporal. No obstant, els models LES ('Large Eddy Simulation') proporcionen una resolució temporal comparable amb un model DNS ('Direct Numerical Simulation'), que no ofereixen els models RANS. Es conclou també que l'eina 'snappyHexMesh' d'OpenFOAM permet generar mallats estructurats de millor qualitat que l'eina GMSH per a geometries amb formes singulars, com la vora posterior d'un perfil d'ala.

En el presente trabajo, se simula con OpenFOAM un caso experimental de un perfil NACA0012, realizado en el laboratorio, en un túnel de viento, con diferentes ángulos de ataque (0, 7, 14 i 17 grados), y se calculan los coeficientes de 'drag' ($C_D$), 'lift' ($C_L$) i 'pitch' ($C_M$). Las simulaciones se realizan con diferentes modelos i mallados: modelos de tipo RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) de una (Spalart-Allmaras) y dos ecuaciones ($k-\epsilon$ i $SST \, k-\omega$) y de tipos LES (Large Eddy Simulation), con el modelo IDDES Spalart-Allmaras (Improved Delayed Detached Simulation). También, para un mismo modelo, se usan diferentes mallados, generados con la herramienta integrada de mallado de OpenFOAM, snappyHexMesh, y con la herramienta de creación de mallados GMSH. Los resultados obtenidos con las diferentes combinaciones de modelos, mallados y ángulos de ataque se comparan con los resultados experimentales obtenidos en el túnel de viento, para comprobar la capacidad de estos de modelar con fidelidad casos reales, y sus ventajas y desventajas. Se concluye que los modelos RANS ('Reynolds-Averaged Navier-Stokes'), consumiendo una cantidad de recursos menor, obtienen resultados comparables a los modelos LES cuando la variables o fenómeno a estudiar es resultado de una media temporal. No obstante, los modelos LES ('Large Eddy Simulation') proporcionan una resolución temporal comparable con un modelo DNS ('Direct Numerical Simulation'), que no ofereixen els models RANS. Se concluye también que la herramienta 'snappyHexMesh' de OpenFOAM permite generar mallados estructurados de mejor calidad que la herramienta GMSH para geometrías con formas singulares, como el borde posterior de un perfil de ala.

In the present work, an experimental case of a NACA0012 airfoil in a wind tunnel is simulated using OpenFOAM, with different angles of attach (0, 7, 14 and 17 degrees), and the drag ($C_D$), lift ($C_L$) and pitch ($C_M$) coefficients are calculated. The simulations are performed with different models and meshes: RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) models, with one-equation (Spalart-Allmaras) and two-equation ($k-\epsilon$ i $SST \, k-\omega$) models, and LES (Large Eddy Simulation) models, with the IDDES Spalart-Allmaras model (Improved Delayed Detached Simulation). Also, for a given model, different meshes are used, generated with the OpenFOAM-integrated mesh generator, snappyHexMesh, and the GMSH mesh generator. The results obtained with the different mesh, model and angle of attach combinations are compared with the experimental data obtained in the wind tunnel, in order to compare their capacity of modelling real phenomena, and their advantages and disadvantages. It is concluded that RANS models (Reynolds-Averaged Navier-Stokes), consuming fewer resources, obtain results comparable to LES models when the variable or phenomenon to be studied is the result of a time average. However, LES models (Large Eddy Simulation) provide a temporal resolution comparable to a DNS model (Direct Numerical Simulation), which RANS models do not offer. It is also concluded that the 'snappyHexMesh' tool in OpenFOAM allows for the generation of higher quality structured meshes compared to the GMSH tool for geometries with singular shapes, such as the trailing edge of an airfoil.