Evaluación del fenómeno del buffet mediante la utilización de cálculo numérico

Abstract

[ES] Durante el vuelo transónico de una aeronave ocurren determinados fenómenos que producen inestabilidades en el flujo causando la separación de la capa límite, siendo el buffet uno de ellos. El buffet es un fenómeno periódico oscilatorio inestable caracterizado por un movimiento de baja frecuencia y alta amplitud de una onda de choque sobre la superficie de un perfil alar. Este fenómeno depende únicamente de parámetros aerodinámicos como el número de Mach, el ángulo de incidencia o el número de Reynolds. Su aparición induce un complejo comportamiento autónomo e inestable de diferentes características de flujo que normalmente incluye la separación y la readhesión de la capa límite turbulenta en el pie de la onda de choque. Estas excitaciones armónicas en el flujo pueden dar lugar a una interacción dinámica con la propia estructura conocida como buffeting, produciéndose un acoplamiento entre la frecuencia estructural y la de buffet, poniendo en peligro la estabilidad e integridad de la aeronave.

En el siguiente documento se presenta un estudio numérico del buffet con el objetivo de entender la aparición y evolución de este fenómeno mediante simulaciones CFD en un perfil alar NACA0012. Asimismo, se tratará de caracterizar la respuesta aeroelástica del perfil a flujos transónicos en los que, en presencia de buffet, existe una interacción fluido-estructura. Este buffeting y sus efectos asociados, como el lock-in, serán modelados mediante un estudio aeroelástico con el perfil alar suspendido en un muelle a torsión con un único grado de libertad. Un estudio paramétrico permitirá observar su naturaleza y alcance, así como la forma de tratar de evitarlo.

[EN] During aircraft transonic flights several phenomena which produce flow instabilities happen, possibly causing boundary layer separation, beeing buffet one of them. Buffet is a periodic unstable oscillatory phenomenon characterized by a low frequency and high amplitude shock-wave motion on the surface of an airfoil. This phenomenon depends only on aerodynamic parameters such as Mach number, angle of incidence or Reynolds number. Its onset induces a complex autonomous and unstable behaviour of different flow characteristics that usually includes the separation and re-adhesion of the turbulent boundary layer at the foot of the shock-wave. The harmonic excitations in flow could result in a dynamic interaction with the structure known as buffeting, producing a coupling between the structural and buffet frequencies, jeopardizing the stability and integrity of the aircraft.

The following document presents a numerical study of buffet with the aim of understanding the onset and development of this phenomenon through CFD simulations in a NACA0012. Likewise, it will be characterized the aeroelastic response of the airfoil in transonic flows at buffet conditions with the existence of a fluid-structure interaction. This buffeting and its associated effects, such as the lock-in, will be modelled by means of an aeroelastic study with the airfoil suspended in a torsion spring with a single degree of freedom. A parametric study will allow us to observe his nature and scope, as well as how to try to avoid it.

[CA] Durant el vol transsònic d'una aeronau ocorren diversos fenòmens que produeixen inestabilitats en el flux causant la separació de la capa límit, sent el buffet un d'ells. El buffet és un fenomen periòdic, oscil·latori i inestable caracteritzat per un moviment de baixa freqüència i alta amplitud d'una ona de xoc sobre la superfície d'un perfil alar. Aquest fenomen depén únicament de paràmetres aerodinàmics com el nombre de Mach, l'angle d'incidència o el nombre de Reynolds. La seua aparició indueix un comportament complex, autònom i inestable del flux, que normalment inclueix la separació i readhesió de la capa límit turbulenta al peu de l'ona de xoc. Aquestes excitacions harmòniques en el flux donen lloc a una interacció dinàmica amb la mateixa estructura coneguda com a buffeting, produint-se un acoblament entre la freqüència estructural i la de buffet, ficant-se en perill l'estabilitat i integritat de l'aeronau.

En el següent document es presenta un estudi numèric del buffet amb l'objectiu d'entendre l'aparició i evolució del fenomen mitjançant simulacions CFD en un perfil alar NACA0012. Així mateix, es tractarà de caracteritzar la resposta aeroelàstica del perfil a fluxos transsònics en els quals, en presència del buffet, existeix una interacció fluid-estructura. Aquest buffeting i els seus efectes associats, com el lock-in, seran modelats mitjançant un estudi aeroelàstic amb el perfil alar suspés en un moll amb un únic grau de llibertat. Un estudi paramètric permetrà observar la seua naturalesa i abast, així com la forma de tractar d'evitar-ho.