Acoplamiento del método de teoría de elemento de pala con volúmenes finitos en OpenFOAM

Abstract

[ES] Los programas de dinámica de fluidos computacional (o CFD, por sus siglas en inglés) permiten obtener soluciones detalladas en problemas complejos de dinámica de fluidos. Como regla general, cuanto más complejo es el problema, mayor es el coste computacional requerido. Afortunadamente, existen múltiples métodos para reducir el coste computacional asociado, sin incurrir en prohibitivas penalizaciones en la calidad de los resultados. Uno de estos métodos es la resolución de rotores y hélices mediante el método de la teoría de elemento de pala (BET, por sus siglas en inglés), acoplada con la resolución mediante volúmenes finitos del resto del campo fluido. Así, es posible resolver problemas con una fuerte interacción entre el sistema propulsivo y las actuaciones aerodinámicas de una aeronave con un coste contenido.

OpenFOAM, la librería de código abierto de CFD más utilizada, tiene en la actualidad un método BET implementado, aunque altamente limitado. En este trabajo, el autor implementa el método BET en OpenFOAM dotándole de multitud de funcionalidades extra de gran utilidad: interpolación en número de Reynolds, número de Mach y ángulo de ataque, extrapolación en ángulo de ataque, múltiples métodos de mallado del disco del BET o resolución, entre otros. Además, se desarrolla una implementación modular, sentando una base para el desarrollo y mejora futura de este método. La implementación es verificada frente el método BET de Star-CCM+ obteniendo concordancias en la predicción de las cargas hasta el cuarto decimal.

La implementación del BET se realiza dentro de una herramienta más grande diseñada, nombrada como \textit{PropellerSource}. En ella se abstraen los elementos más importantes de los métodos basados en disco actuador como el mallado, el control, el cálculo de los términos fuente, la interpolación o la selección de celdas de volúmenes finitos. Esto permite facilitar la adición de modelos nuevos o mejorar los existentes.

[EN] Computational fluid dynamics (or CFD) programs make it possible to obtain detailed solutions to complex fluid dynamics problems. As a general rule, the more complex the problem, the higher the computational cost required. Fortunately, there are multiple methods to reduce the associated computational cost without incurring prohibitive penalties in the quality of the results. One such method is the resolution of rotors and propellers using the blade element theory (BET) method, coupled with finite volume resolution of the rest of the fluid field. Thus, it is possible to solve problems with a strong interaction between the propulsive system and the aerodynamic performances of an aircraft at a contained cost.

OpenFOAM, the most widely used open source CFD library, currently has a BET method implemented, although highly limited. In this work, the author implements the BET method in OpenFOAM providing it with many useful extra functionalities: interpolation in Reynolds number, Mach number and angle of attack, extrapolation in angle of attack, multiple meshing methods of the BET disk or resolution, among others. In addition, a modular implementation is developed, laying a foundation for future development and improvement of this method. The implementation is verified against the Star-CCM+ BET method obtaining matches in the predicted values of loads to the fourth decimal place.

The BET implementation is performed within a larger designed tool, named as \textit{PropellerSource}. It abstracts the most important elements of the actuating disk-based methods such as meshing, control, source term calculation, interpolation or finite volume cell selection. This allows to facilitate the addition of new models or to improve the existing ones.