Análisis de fluidos alrededor de cuerpos bidimensionales mediante simulaciones computacionales

Universidad Nacional de Córdoba Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales - Ingeniería Aeronáutica Tesis de Grado “Análisis de fluidos alrededor de cuerpos bidimensionales mediante simulaciones computacionales"

Autor: Jorge Darío Montes Director: Ing. Jorge O. García Año 2010

Tesis de Grado Título: Ingeniero Aeronáutico Autor: Jorge Darío Montes

Índice General PORTADA INDICE LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABLAS LISTA DE SIMBOLOS AGRADECIMIENTOS OBJETIVOS

i ii v viii ix xi xii

ECUACIONES FUNDAMENTALES - CONCEPTOS PREVIOS 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

VOLUMEN DE CONTROL PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA MASA FORMA INTEGRAL DEL TEOREMA DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO FORMA INTEGRAL DEL TEOREMA DEL MOMENTO CINÉTICO FORMA INTEGRAL DEL PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA ECUACIONES DE NAVIER-STOKES FUERZAS EN UN PERFIL AERODINÁMICO NÚMERO DE REYNOLDS NÚMERO DE MACH

1 1 1 2 2 3 4 7 8

INTRODUCCIÓN AL CFD 2.1 2.2 2.3

CONCEPTOS PREVIOS PROCEDIMIENTOS BÁSICOS EN LA IMPLEMENTACIÓN DEL CFD EL MÉTODO DE VOLÚMENES FINITOS:

10 12 13

CASOS ESTUDIADOS 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3.2.8 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 3.4

VALIDACIÓN CILINDRO BIDIMENSIONAL Geometría Malla Condiciones de contorno Ejecuciones realizadas Número de Strouhal Coeficiente de resistencia y capa límite Comparación con fotografías experimentales Conclusiones PERFIL AERODINÁMICO NACA 0009 Geometría Malla Condiciones de contorno Ejecuciones realizadas Coeficiente de sustentación Coeficiente de resistencia Conclusiones PERFIL AERODINÁMICO NACA 0012

16 18 18 18 19 20 28 32 38 39 40 40 40 42 42 42 43 45 46

ii

Tesis de Grado Título: Ingeniero Aeronáutico Autor: Jorge Darío Montes 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.5.5 3.5.6 3.5.7

Geometría Malla Condiciones de contorno Ejecuciones realizadas Coeficiente de sustentación Coeficiente de resistencia: Conclusiones PERFIL AERODINÁMICO NACA 4412 Geometría Malla Condiciones de contorno Ejecuciones realizadas Coeficiente de sustentación Coeficiente de resistencia Conclusiones

46 46 48 48 48 49 51 52 52 52 54 54 54 55 57

APENDICE A – SOFTWARE OPENFOAM A.1 A.2 A.3 A.4 A.5 A.6 A.7 A.8

INSTALACIÓN PASOS A SEGUIR UTILIZACIÓN DEL SOFTWARE OPENFOAM CARACTERÍSTICAS DE OPENFOAM ESTRUCTURA DE UN CASO DE OPENFOAM DESCRIPCIÓN DE LAS PARTES DE UN CASO DE ESTUDIO DESCRIPCIÓN DE SOLVERS UTILIZADOS UNIDADES FÍSICAS

59 59 66 66 67 68 69 69

APENDICE B – SOLVERS DE OPENFOAM B.1 SOLVER POTENTIALFOAM B.1.1 /case/system/controlDict B.1.2 /case/system/fvSolution B.1.3 /case/system/fvSchemes B.1.4 /case/system/sampleDict B.1.5 /case/constant/boundary B.1.6 /case/0/p B.1.7 /case/0/U B.1.8 Recomendación sobre el archivo U B.1.9 Generar un archivo de log con los resultados de pantalla B.1.10 Ejecutar automáticamente el solver B.2 SOLVER ICOFOAM B.2.1 /case/system/controlDict B.2.2 /case/system/fvSolution B.2.3 /case/system/fvSchemes B.2.4 /case/system/sampleDict B.2.5 /case/constant/boundary B.2.6 /case/constant/transportProperties B.2.7 /case/0/p B.2.8 /case/0/U B.2.9 Generar un archivo de log con los resultados de pantalla B.2.10 Ejecutar automáticamente el solver B.3 SOLVER SIMPLEFOAM

70 70 71 72 73 74 75 77 78 78 78 80 80 83 84 85 86 88 88 90 91 91 92

iii

Tesis de Grado Título: Ingeniero Aeronáutico Autor: Jorge Darío Montes B.3.1 /case/system/controlDict B.3.2 /case/system/fvSolution B.3.3 /case/system/fvSchemes B.3.4 /case/system/sampleDict B.3.5 /case/constant/boundary B.3.6 /case/constant/transportProperties B.3.7 /case/constant/turbulentProperties B.3.8 /case/constant/RASProperties B.3.9 /case/0/p B.3.10 /case/0/U B.3.11 /case/0/nuT B.3.12 /case/0/nuTilda B.3.13 Generar un archivo de log con los resultados de pantalla B.3.14 Ejecutar automáticamente el solver

92 95 96 97 98 100 101 104 104 106 107 108 109 109

APENDICE C – SOFTWARE GMSH C.1 C.2 C.3 C.4 C.4.1 C.4.2 C.5 C.6 C.6.1

INTRODUCCIÓN A LA GENERACIÓN DE LA MALLA CON GMSH INSTALACIÓN DE GMSH FUNCIONALIDADES DE GMSH MODULO GEOMÉTRICO Definir geometría con ficheros de texto Archivos de otros programas MÓDULO DE MALLADO COMPATIBILIDAD CON OPENFOAM Error en la conversión del archivo .msh

111 111 111 112 112 115 115 119 120

APENDICE D – SOFTWARE PARAVIEW D.1 D.2 D.3 D.4 D.4.1 D.4.2 D.4.3 D.4.4 D.4.5 D.4.6 D.4.7 D.4.8 D.5

POST-PROCESO FORMATO DE ARCHIVOS APARIENCIA DE PARAVIEW BARRAS Y VENTANAS DE HERRAMIENTAS Barra Menu Barra Main Controls Barra Active Variable Control Barra Camera Controls Barra VCR Controls Ventana Lookmarks Ventana Pipeline Browser Ventana Object Inspector EXPORTAR RESULTADOS

121 121 121 123 123 123 123 123 124 124 125 125 126

APENDICE E – EJECUCIÓN DE CASOS DE OPENFOAM E.1 E.2 E.3 NOTA

USO DEL SOLVER POTENTIALFOAM USO DEL SOLVER ICOFOAM USO DEL SOLVER SIMPLEFOAM IMPORTANTE:

REFERENCIAS

127 130 133 137 138

iv

Tesis de Grado Título: Ingeniero Aeronáutico Autor: Jorge Darío Montes

Lista de Figuras Figura 1.1 – Fuerzas Actuantes en un avión en vuelo Figura 1.2 - Descomposición de esfuerzos Figura 2.1 – Ensayo CFD a un automóvil de fórmula uno Figura 2.2 – Aplicación de CFD al ciclismo de competición Figura 2.3 – (a) Esquema de Celda Centrada (b) Esquema de Celda y Vértice Figura 3.1 – Geometría y contorno del cilindro bidimensional Figura 3.2 – Malla del cilindro bidimensional Figura 3.3 – Geometría y contorno del cilindro bidimensional Figura 3.4 – Cilindro 2D Campo de Velocidades Re=30 Figura 3.5 – Cilindro 2D Campo de Presiones Re=30 Figura 3.6 – Cilindro 2D Campo de Velocidades Re=40 Figura 3.7 – Cilindro 2D Campo de Presiones Re=40 Figura 3.8 – Cilindro 2D Campo de Velocidades Re=50 Figura 3.9 – Cilindro 2D Campo de Presiones Re=50 Figura 3.10 – Cilindro 2D Campo de Velocidades Re=100 Figura 3.11 – Cilindro 2D Campo de Presiones Re=100 Figura 3.12 – Cilindro 2D Campo de Velocidades Re=200 Figura 3.13 – Cilindro 2D Campo de Presiones Re=200 Figura 3.14 – Cilindro 2D Campo de Velocidades Re=500 Figura 3.15 – Cilindro 2D Campo de Presiones Re=500 Figura 3.16 – Cilindro 2D Campo de Velocidades Re=1000 Figura 3.17 – Cilindro 2D Campo de Presiones Re=1000 Figura 3.18 – Cilindro 2D Campo de Velocidades Re=2000

v

Tesis de Grado Título: Ingeniero Aeronáutico Autor: Jorge Darío Montes

Figura 3.19 – Cilindro 2D Campo de Presiones Re=2000 Figura 3.20 – Comportamiento del número de Strouhal para el cilindro 2D Figura 3.21 – Oscilaciones del coeficiente de sustentación para Re 100 Figura 3.22 – Oscilaciones del coeficiente de sustentación para Re 200 Figura 3.23 – Oscilaciones del coeficiente de sustentación para Re 500 Figura 3.24 – Oscilaciones del coeficiente de sustentación para Re 1000 Figura 3.25 – Oscilaciones del coeficiente de sustentación para Re 2000 Figura 3.26 – Coeficiente de sustentación para 70seg