Simulación numérica de la interacción de los chorros de salida en una tobera bifurcada montada en un perfil NACA 0015

Abstract

En el presente trabajo se realiza la simulación numérica de la interación de los chorros de salida de una tobera bifurcada con un flujo de corriente libre. Dicha tobera es capaz de deflectar su flujo total de salida por medio del efecto Coanda, mismo que se observa cerca de superficies curvas y es debido a la viscosidad del fluido. Se adaptó la tobera a un perfil NACA 0015 con el fin de también simular el flujo alrededor de este perfil aerodinámico simétrico. Se utilizó el software libre OpenFOAM, que utiliza el método de volúmenes finitos para resolver las ecuaciones de conservación de la dinámica de los fluidos en dos dimensiones y en estado transitorio. Para validar los resultados obtenidos con el software OpenFOAM, éstos se compararon satisfactoriamente con los resultados publicados en la literatura abierta relacionada con el pro- yecto ACHEON (2016). Este proyecto fue patrocinado por la Unión Europea y tuvo como objetivo el diseñar un dispositivo que aumente la capacidad de empuje vectorial de vehı́culos aéreos, para lo que se diseñó y patentó la tobera bifurcada utilizada en este estudio. En los análisis numéricos y experimentales del proyecto ACHEON no se consideró una velocidad de la corriente libre. En el presente trabajo (que puede ser considerado como una extensión del proyecto ACHEON) se ha tomado en cuenta una velocidad de la corriente libre con bajos números de Reynolds (Re= 100,000 y Re= 500,000) y un flujo másico total (suma de los flujos másicos de ambos chorros) constante e igual a 8 kg/s. Adicionalmente, con el fin de lograr diferentes deflexiones, se han considerado seis relaciones adimensionales de los flujos másicos de ambos chorros: 0, 0.1, 0.2, 0.25, 0.5 y 0.75. Se evaluaron diferentes casos de deflexión del chorro resultante de salida: hacia arriba (cuando el ángulo del chorro es positivo con respecto al eje del perfil), hacia abajo (cuando el ángulo del chorro es negativo con respecto al eje del perfil) y nula (cuando el chorro es paralelo al eje del perfil). Se calcularon las fuerzas resultantes de empuje debido a los chorros. Adicionalmente, se determinó el impulso especı́fico del dispositivo al considerar las fuerzas de empuje y el flujo másico de salida de los chorros. Se observó que para cada relación adimensional de flujos másicos, el valor absoluto del ángulo de deflexión disminuye (aumenta) conforme aumenta (disminuye) la velocidad de la corriente libre. Sin embargo, se observó que la magnitud de las fuerzas de empuje y el impulso especı́fico son independientes de la velocidad de la corriente libre y se ven afectados sólo por la variación en la relación adimensional de los flujos másicos de los chorros. A diferencia de los resultados obtenidos en el proyecto ACHEON, donde no se consideró corriente libre y por ello se tienen deflexiones sin controlar, en el presente proyecto de tesis se logró modular con diferentes valores de velocidad de corriente libre el ángulo de deflexión a la salida de la tobera bifurcada. Se puede concluir que al modificar la velocidad de la corriente libre y la velocidad de salida de los chorros de la tobera bifurcada es posible controlar el ángulo de deflexión total a la salida de la misma, lo que mejorarı́a la maniobrabilidad del dispositivo sobre el que se adaptase.