Interacción Fluido-Estructura en Flujos Bidimensionales e Inestacionarios Dominados por Vorticidad

Abstract

En el presente trabajo se presenta un modelo numérico bi-dimensional para simular la interacción fluido-estructura y determinar su incidencia durante los movimientos característicos del batimento de alas. El acoplamiento entre la estructura y el fluido es del tipo “fuerte” y requiere la
resolución simultánea del problema estructural y del aerodinámico. Las ecuaciones que gobiernan el fenómeno son integradas numérica, simultánea e interactivamente en el dominio del tiempo empleando un esquema iterativo basado en el método predictor-corrector de Hamming de cuarto orden. La estructura en consideración puede ser rígida o flexible. Para el segundo caso, el perfil aerodinámico se modela como una viga de Euler-Bernoulli. Las deformaciones a lo largo de la envergadura del perfil, debidas a las cargas aerodinámicas y producidas por el propio movimiento del perfil en el seno del fluido, son calculadas empleando el método de modos asumidos. Aunque este método esta limitado a pequeñas deformaciones, constituye un buen inicio para entender la naturaleza del fenómeno de interacción fluidoestructura. Puede considerarse que el número de Reynolds que caracteriza al flujo tiene un valor suficientemente alto como para asumir que los efectos viscosos están confinados, únicamente, a la capa límite y a las estelas. Este hecho permite considerar que el flujo está determinado por la vorticidad altamente concentrada en estas zonas. Se dice entonces que el flujo es dominado por vorticidad. Esta hipótesis, junto con posteriores simplificaciones, habilitan el empleo del conocido método de red de vórtices inestacionario y no lineal (UVLM) para la resolución completa del flujo y para el cálculo de las cargas aerodinámicas sobre las superficies sustentadoras. En este trabajo se analizó el mecanismo de generación de sustentación mediante la rotación de dos placas planas vinculadas con un resorte torsional. El movimiento es debido únicamente a la energía potencial elástica acumulada en el resorte. En ausencia de gravedad, el efecto del fluido sobre la estructura consiste tanto en la reducción de la amplitud de las oscilaciones de ambas placas, como en un ascenso neto del sistema. También se analizó la influencia de la interacción fluido-estructura en una cinemática típica del aleteo de aves e insectos en el modo de vuelo conocido como “hovering ”. También como parte de este esfuerzo, se desarrolló una
herramienta numérica que permite estudiar el fenómeno de interacción fluido-estructura, teniendo en cuenta la flexibilidad de las superficies sustentadoras. Una vez entendidos estos complejos mecanismos, será posible implementar esquemas de control activo de manera de hacer eficiente la generación de susten-tación y empuje a través del batimento de las alas. Todo esto pretende inspirar el desarrollo de micro-vehículos aéreos súper-maniobrables, no tripulados de alas batientes inspirados en la biología.