Escuela superior politécnica del litoral 30-jul-17, II Término 2017-2018 Laboratorio #2 de Hidrodinámica Cleiner Michael Marín Barzola
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Fuerzas de sustentación y arrastre Resumen En este artículo se presentan los resultados analíticos ye experimentales para descubrir cómo se comporta un fluido alrededor de un Hidrofolio, para la práctica experimental se usó un túnel de viento para simular el fluido con velocidad, y a su vez se usó un Hidrofolio de característica NACA 0015 , al darle diferentes ángulos ángulos de ataque ya sea en la cara superior o inferior , se pudo tomar datos de la presión sobre la superficie de esta . Para el análisis del problema se usan las ecuaciones de momento y masa , la cual implica una análisis con presión y velocidades , se usaron tubos de Pitot para medir las diferentes presiones alrededor de los Hidrofolios , la cuales sirvieron para el cálculo de la fuerza de sustentación , también se usa el análisis elementos finitos con programas de computación , la cual analiza el comportamiento del fluido y su vorticidad después de que este pasa por el borde de salida del Hidrofolio como último dato se muestran también las líneas de corrientes que pasan a través y los coeficiente c oeficiente de sustentación y de arrastre aproximados . Palabras clave: Hidrofolio, Fuerza de sustentación, fuerza de arrastre, presión, línea de corriente, perfil de velocidad, vorticidad
Abstrac In this article we present the experimental and experimental results to discover how a fluid is behaving around a AirFoil, for the experimental practice a wind tunnel was used to simulate the t he fluid with speed, and in turn a NACA 0015 , By giving different angles of attack either on the upper or lower face, it was possible to take data of the pressure on the surface of this. For the analysis of the problem we use the equations of momentum and mass, which implies an analysis with pressure and velocities, we used Pitot tubes to measure the different pressures around the hydrofoils, which were used to calculate the lift force , The finite element analysis with computer programs is also used, which analyzes the behavior of the fluid and its it s vorticity after it passes through the exit edge of the Airfoil as the last data also shows the lines of currents that pass through and The approximate lift and drag coefficient. Keywords: Hydrofoil, lift force, drag force, pressure, current line, velocity profile, vorticity
Objetivo
El objetivo principal es medir la fuerza de sustentación y de arrastre, distribución de presión y velocidades de un Hidrofolio NACA simétrico. Hacer simulaciones numéricas con análisis de elementos finitos usando ANSYS y XFLR5, analizar, comparar y comprobar los diferentes resultados obtenidos de manera experimental y de forma teórica. Introducción: Lift and drag force :
Para esta práctica se tomó las dimensiones principales del folio NACA usado el cual fue uno de serie de 4 dígitos, específicamente el 0015 Datos:
c(cuerda)[cm]: 6,1 t(espesor)[cm]:0,92 L(longitud de folio)[cm]: 14 Densidad del aire []: Velocidad de entrada al tanque[m/s](85%) :29 La posición del ancho del espesor se mide desde el borde de entrada a un 30% la cuerda
Para el cálculo de coeficiente de sustentación o coeficiente lift se lo puede estimar: =
0 , 5 ∗ ρ 2
Lo mismo se hace para encontrar el coeficiente de arrastre, en este caso es : =
0,5 ∗ ρ 2
Donde: L y D son las fuerza de sustentación y de arrastre respetivamente, A es el área proyectada ala fuerza usada , rho la densidad y U la velocidad del flujo paralelo a D . para obtener D y L se usan las siguientes expresiones:
En este caso no tiene camber es decir Ф=0
Fig.1 Especificaciones comunes de un folio NACA simétrico 0015 fuente: Airfoils Tools
Primero, se muestra las partes que compone un folio, y también las diferentes fuerzas que actúan sobre el al inter actuar con un fluido que tiene una determinada velocidad.
Fig.2 características presentes y fuerzas que se presentan en un folio , por la interacción de un fluido
Análisis de resultados experimentales Se considera para esta práctica
un
hidrofolio colocado a la mitad de un túnel de viento, esta velocidad se considera el 85% de la velocidad máxima, en ella se mide la distribución de presión sobre la superficie del folio , para después predecir la velocidad en esta , y calcular las fuerzas de arrastre y sustentación y sus respectivos crecientes , en esta práctica también se analiza el cálculo de la vorticidad , a partir de la fuerza de sustentación , y para eso hacemos el análisis de momento de masa , asi mismo se lo calcula midiendo presión después de que el fluido haya pasado por el borde de salida del hidrofolio la medida de presión aquí se
Distribución de presión angulo 0 grados:
lo hace con tubos de pitot . Los datos obtenidos en el túnel de viento se encuentran
en
el
anexo
archivo(tabla
A
de
1
este .)
Velocidad de contorno a 7 cm de la mitad del folio: Análisis de resultados ANSYS Fluent Se usó un análisis con 500 iteraciones. drag and lift coefficient: 0.00022813344 -0.00015252797 Drag and lift forces: 0.13115653 -0.14388449
CL y CD
Se puede observar que el folio no tiene voladizo, por lo que la velocidad de contorno , líneas de corriente será la misma a lo largo del folio .
Líneas de flujo:
Distribución de presión alrededor del folio:
A 2 grados :
A 4 grados: D y L : 0.17052447 -4.5375765 CD y CL: 0.00027664007 -0.0048065778
Fuerza D and L 0.13979017 -1.8652405 Coef D and L 0.0002367337 -0.0019754663
Lineas , distrubucion de presion y velocidad alrededor del hidrofiolio.
Lineas , distrubucion de presion y velocidad alrededor del hidrofiolio.
6 grados D y L : 0.27346236 -6.1815395 Cd Cl : 0.00038965879 -0.0065477016
8 grados D y L: 0.34403527 -8.433519
Cd Cl: 0.0004790486 -0.0089332027
Lineas , distrubucion de presion y velocidad alrededor del hidrofiolio. 10 grados D y L: 0.5019987 -10.328885 Cd Cl: 0.00064554145 -0.010939418
Lineas , vector velocidad , distrubucion de presion y velocidad alrededor del hidrofiolio.
Lineas , vector velocidad , distrubucion de presion y velocidad alrededor del hidrofiolio.
12 grados D y L: 0.68261545 -11.147092 Cd Cl: 0.00083717331 -0.011804682
14 grados D y L: 0.96904358 -12.016628 Cd Cl: 0.0011433491 -0.012724367
16 grados D y L: 1.4158516 -13.419952 Cd Cl: 0.0016010803 -0.014214057
Lineas , vector velocidad , distrubucion de presion y velocidad alrededor del hidrofiolio.
Lineas , vector velocidad , distrubucion de presion y velocidad alrededor del hidrofiolio.
18 grados D y L: 2.1499527 -12.342652 Cd Cl: 0.0023486467 -0.013077874
Lineas , vector velocidad , distrubucion de presion y velocidad alrededor del hidrofiolio.
20 grados D y L: 2.6062507 -10.905105 Cd Cl: 0.0028144958 -0.01155719
Lineas , vector velocidad , distrubucion de presion y velocidad alrededor del hidrofiolio.
Visualizacoion de la vorticidad :
Lineas de corriente y vorticidad a 5 cm del centro del hidrofolio inclinado con un angulo de ataque de -20 grados
análisis de resultados con Xflr5
Coeficiente de arrastre vs Angulo de ataque
Relación Cl/Cd vs angulo de ataque
Distribución y coeficiente de presión ángulo de 0 grados :
distribución de presión para un angulo de 10 grados Coeficiente de empuje (sustentación)
distribución de presión para un Angulo de 12 grados
Coeficiente medio
Conclusiones y recomendaciones
Como se era de esperar, el análisis con métodos finitos usando ecuaciones diferenciales, resulta muy útil a la hora de calcular aproximaciones, el uso de Ansys y
fxrl5 fue muy útil para el cálculo de arrastre y sustentación, por otro la do el análisis experimental tiene poca confiabilidad, ya que , hay más errores es cada proceso que hacemos
Referencia:
1. http://airfoiltools.com/polar/details?polar=xf-naca0015-il-50000 2. Frank White , fluid mechanics 3. Lift and Drag on an Airfoil ME 123: Mechanical Engineering Laboratory II: Fluid Dr. J. M. Meyers | Dr. D. G. Fletcher | Dr. Y. Dubief Anexos A ( gráficos ):
Fig A
Ilustracion de un túnel de viento
Fig B .materiales usados en la práctica , distribución de presión a lo largo de la cuerda del hidrofolio en un ángulo de 12 grados
Anexo B (tablas y datos ): Tabla 1 x/c
0,000
0,007
0,034
0,075
0,123
0,257
0,407
0,557
0,708
0,862
∆( P-Poo) [mm de H2O]
α[°]
Poo [mm de H2O]
-20
-5,41
27,93
20,74
14,29
4,76
-1,62
-4,04
-5,68
-7,77
-10,39
69
-18
-5,42
27,65
19,9
13,66
4,52
-1,42
-4,39
-5,67
-7,54
-9,89
69,5 70
-16
-6,55
26,35
17,92
11,69
2,61
-2,99
-4,99
-4,71
-6,29
-8,13
-14
-57,46
29,55
23,16
16,71
7,81
2,67
0,46
-0,4
-0,99
-1,45
69
-12
-44,55
29,2
21,16
14,87
6,12
1,23
-0,38
-1,04
-1,11
-1,27
69
-10
-24,52
26,8
17,82
12,09
4,15
-0,35
-1,49
-1,38
-1,02
-0,75
71
-8
-4,8
23,26
13,14
7,18
0,21
-3,25
-3,56
-3,37
-1,75
-0,34
71,5
-6
11,19
18,23
8,17
2,8
-2,97
-5,37
-4,94
-4,3
-2,01
-0,1
71,2
-4
28,92
8,92
0,16
-3,93
-7,18
-8,47
-7,59
-5,76
-3,77
-2,3
71
-2
34,14
-4,08
-11,04
-12,62
-13,81
-13,87
-11,16
-8,73
-7,12
-6,26
71
0
32,42
-17,92
-23,26
-22,33
-19,94
-17,9
-14,54
-11,57
-10,29
-7,57
69,6
2
32,07
-31,4
-33,05
-30,02
-25,11
-21,66
-18,3
-15,19
-11,39
-6,13
69
4
24,99
-46,01
-42,78
-37,06
-29,27
-24,63
-21,33
-13,96
-10,47
-6,37
68,8
6
10,92
-65,53
-57,72
-49,05
-38,45
-30,68
-21,91
-16,17
-11,95
-7,74
68
8
5,78
-75,17
-62,87
-59,06
-36,08
-30,02
-22,69
-16,48
-11,7
-6,77
66,4
10
-25,25
-82,53
-79,2
-81,02
-37,94
-30,71
-22,77
-16,22
-11,26
-5,33
65,5
12
-38,04
-85,62
-84,01
-83,35
-36,43
-27,73
-18,88
-13,24
-8,22
-6,09
64,2
14
3,7
-23,34
-23,49
-24,24
-24,05
-24,82
-25,69
-26,66
-26,85
-25,79
66,2
16
2,6
-23,37
-23,89
-24,61
-24,92
-25,33
-26,47
-27,4
-27,71
-27,5
65,2
18
-1,84
-25,46
-25,64
-25,92
-25,59
-25,58
-26,31
-26,98
-27,33
-26,84
64,4
20
-4,63
-24,04
-23,89
-23,98
-24,15
-23,91
-24,64
-25,01
-25,13
-24,89
64,2
H0ras trabajadas : 50 horas
