ESTUDIO EXPERIMENTAL-NÚMERICO PARA LA OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO DE UN GLOBO AEROSTÁTICO CAUTIVO DE ALTA ESTABILIDAD

Abstract

El presente trabajo de titulación se divide en dos partes, la primera tiene como objetivo mostrar el comportamiento aerodinámico por medio de un trabajo experimental que permita determinarsi un globo aerostático diseñado como prueba (compuesto por un globo esférico y un elipsoide de menor tamaño), del cual ya se tienen un resultados numéricos de simulación, cumple y ratifica características aerodinámicas como arrastre y sustentación que permitan determinar si los resultados obtenidos se ajustan a la realidad. Esta parte del trabajo es realizada en el laboratorio de energías renovables ubicado en la sede de la Universidad Técnica Federico Santa María en Quilpué. La segunda parte del trabajo consiste en analizar el comportamiento aerodinámico de forma numérica de dos cuerpos denominados NPL y GNVR, ambos son cuerpos que combinan geometrías de diseño y se encuentran publicados en diferentes artículos con el fin de ser utilizados para los análisis aerodinámicos. El programa por utilizar es ANSYS FLUENT y tiene por objetivo determinar su capacidad aerodinámica, si son mejores que el cuerpo creado en el laboratorio y cuál de los dos globos tiene un mejor ángulo de ataque crítico aerodinámico. Inicialmente se realizó un estudio del comportamiento del viento, describiendo sus principales características, como se origina y varía según el tipo de suelo. Además, se efectúa un estudio de los principios básicos de aerodinámica como lo son la presión, el arrastre y la sustentación. A partir de esta información recolectada se obtuvo información necesaria para predecir ciertas características del viento y cómo se comporta un cuerpo en lugares con corriente libre. Además, se detallan las características de los globos meteorológicos, comportamientos y condiciones generales. En la primera etapa del trabajo se realiza el estudio experimental, que busca la optimización del diseño de un globo aerostático de alta estabilidad. Para ello se diseñan dos pruebas, la prueba estática y la dinámica. Se detalla en principio la disposición del sistema y el proceso llevado a cabo para confeccionar cada componente de éste, resultando obtener en la prueba estática la capacidad de levante inicial y prueba de permeabilidad del globo, mediante la medición de parámetros definidos 4 veces al día durante 4 días. Por otro lado, en la prueba dinámica se registran las fuerzas de sustentación y arrastre del globo para velocidades de viento de 5, 10, 15 y 20 m/s. Se detallan las etapas de cada experimento. El primer análisis de la parte numérica consiste en dibujar ambos cuerpos (NPL y GNVR) y posteriormente realizar simulaciones para diferentes velocidades (5, 10 y 15 m/s) diferentes turbulencias del viento (10%, 20% y 30%) para ángulos de ataques de 0° a 16° realizando un total de 144 simulaciones para cada globo. De estos resultados se obtienen los parámetros de CL, CD, CP, FD, FL sobre el globo, además de un análisis para velocidades y presiones por medio de contornos y gráficos obtenidos en el post procesamiento de ANSYS. De este análisis se obtiene una velocidad única con variación de turbulencia que permita enfocar el análisis. El trabajo concluye realizando un análisis de tamaño de celda de cada cuerpo en cada ángulo de ataque simulados, con el fin de poder volver a simular aquellos ángulos en que la celda mínima este por debajo de 0,05 para la velocidad seleccionada. Se obtienen los mismos parámetros aerodinámicos y finalmente se curvas corregidas para sustentación y coeficiente aerodinámico que permiten obtener conclusiones que permitan determinar si el globo NPL o GNVR tiene mejores características aerodinámicas determinando un ángulo de ataque crítico y una relación entre arrastre y sustentación, además de visualizar las zonas de sustentación y pérdidas a lo largo del globo por medio del coeficiente de presión.