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

Abstract

El presente trabajo de titulación tiene como objetivo mostrar el comportamiento aerodinámico por medio de simulaciones numéricas que permitan determinar si un globo aerostático diseñado como prueba (compuesto por un globo esférico y un elipsoide de menor tamaño) cumple con ciertas características aerodinámicas que permitan determinar si es mejor o no que otros globos existentes. Como es basado en un trabajo real, se encapsula el globo en un rectángulo denominado túnel de viento y que cuenta con características similares a las del laboratorio de energías renovables ubicado en la sede de la Universidad Técnica Federico Santa María en Quilpué. Inicialmente se efectuó un estudio sobre el comportamiento del viento, describiendo como se origina y como son las variaciones temporales y espaciales, además, se efectúa un estudio de los principios básicos como lo son la presión, el arrastre y la sustentación. También se busca información sobre la capa limite en cuerpos aerodinámicos. Se espera que tanto los parámetros que se requieren y el comportamiento de la capa limite permitan dar información necesaria sobre que esperar de resultados de las simulaciones y determinar si la mejora de geometría fue acertada. Se inician los trabajos de simulación fabricando un globo con una cola más pequeña que la parte frontal, que lo llamaremos globo ovoidal, que permita dar un sentido aerodinámico y se compara, con un globo de este largo, pero de forma cilíndrica, es decir su cara frontal es del mismo tamaño que su cara trasera. Por medio de ANSYS FLUENT se dibujan ambas figuras para posteriormente comenzar con los trabajos dentro de la plataforma. En primer lugar,se busca una relación adecuada, para ambas figuras, para el mallado de simulación. Luego de encontrar un refinado adecuado para simular se procede a establecer los nombres del túnel con la característica que se espera cumplir durante el desarrollo de simulaciones, por ejemplo, la entrada y salida de flujo. El primer análisis se realiza de manera general para ambos cuerpos, se realizan simulaciones para diferentes velocidades (2,5,8,10,12,15,18 y 20 m/s) diferentes turbulencias del viento (5%,10%15% y 20%) para cuatro ángulos de ataques específicos (0°, 5°, 10° y 15°) realizando un total de 256 simulaciones en donde se obtienen los parámetros de CL, CD, CP, FD, FL presión mínima y máxima sobre el globo. Se obtienen conclusiones sobre que comportamiento debe ser el esperado y finalmente se concentra la atención en una velocidad y turbulencia especifica que hayan presentado los resultados más estables de simulación, además de ser visualmente puntos críticos en los gráficos. El trabajo concluye haciendo un análisis de ángulo de ataque para la velocidad y turbulencia crítica señalada, se obtienen los mismos parámetros aerodinámicos y finalmente se podrán obtener conclusiones que permitan determinar si efectivamente el globo ovoidal es mejor que el cilíndrico, y podremos determinar punto crítico de ángulo de ataque (por medio de los gráficos obtenidos) y punto crítico de separación de capa limite obtenido por contornos de velocidades de las simulaciones en los ángulos de ataque críticos.