Bioinspired fluid-structure interaction problemsgusts, load mitigation and resonance

Resumen

La naturaleza sirve habitualmente de referencia para el diseño y desarrollo de soluciones sostenibles en numerosos campos diferentes. El reciente desarrollo de vehículos robóticos de pequeña escala, como Micro Vehículos Aéreos (MAVs, en inglés), no es una excepción y ha tenido un impacto cada vez más importante en la sociedad, proponiendo nuevas alternativas en áreas cómo vigilancia o exploración planetaria. Tratando de imitar el vuelo de insectos y pequeños pájaros, estos dispositivos pretenden ofrecer diseños más eficientes y con mayor maniobrabilidad que los diseños ya existentes. Ocurre de manera similar con robots nadadores, contando con muchos prototipos diferentes. Incluso existen, por ejemplo, diseños de turbinas eólicas de pequeña escala bioinspiradas en semillas auto-rotantes, buscando una extracción de energía más eficiente. Además, para desarrollar diseños sostenibles, incrementar su tiempo de vida y reducir sus costes de mantenimiento son ideas clave. Dependiendo del dispositivo a diseñar, se pueden seguir diferentes metodologías para alcanzar estas dos metas a la par que se cumplen con los requisitos de diseño. Un claro ejemplo puede encontrarse en el desarrollo de turbinas eólicas. Sus palas deben ser diseñadas para soportar no solo cargas y tensiones máximas sino también la fatiga causada por las fluctuaciones alrededor de la carga requerida para operar correctamente. Reducir los problemas asociados a fatiga limitando la amplitud de estas fluctuaciones usando control activo o pasivo es una manera de incrementar su vida útil. El objetivo de esta disertación es contribuir al entendimiento de la física bajo la locomoción de vehículos inspirados en la naturaleza. Con este fin, se han realizado simulaciones numéricas directas de diferentes ejemplos y problemas a bajo número de Reynolds, Re, utilizando un solver de interacción fluido-estructura (FSI). El solver FSI se basa en el acople de un solver fluido para flujo incompresible ya existente con algoritmos robóticos para el cómputo de la dinámica de sistemas de cuerpos rígidos conectados. Las particularidades de este solver se detallan en la tesis. La segunda parte de la tesis incluye el análisis de estos ejemplos y problemas mencionados anteriormente. Más en detalle, se ha analizado el comportamiento aerodinámico y aeroelástico de perfiles y alas a Re =1000 en varias condiciones y ambientes. Animales que vuelan y nadan están inmersos en ambientes turbulentos y racheados que afectan a su comportamiento aerodinámico. El primer problema que ha sido estudiado es el de la respuesta no estacionaria de perfiles que son impactados por ráfagas tipo vórtice. Este primer ejemplo se centra en cómo el impacto de vórtices viscosos de diferente tamaño e intensidad en perfiles bidimensionales modifican su respuesta. Aunque en un marco simplificado, este análisis permite extraer información relevante sobre el comportamiento aerodinámico de estos perfiles. Esta respuesta aerodinámica se ha visto que es semejante, y se propone un modelo semi-empírico para determinar la evolución temporal de las fuerzas de sustentación basándose en una definición integral de la velocidad vertical inducida por la ráfaga, la cuál puede ser conocida a priori. El objetivo del segundo problema es analizar la carga que es posible mitigar en perfiles utilizando flaps pasivos-rotantes de borde de salida en perfiles que experimentan oscilaciones en el ángulo de ataque. Esto se corresponde con una simplificación del problema de mitigación de cargas en turbinas eólicas de pequeña escala. El uso de flaps pasivos-rotantes de borde de salida es análoga a la estrategia que se ha propuesto recientemente para turbinas eólicas de gran escala. Aquí se investiga la validez de esta estrategia en un escenario completamente diferente. Al contrario de lo que ocurre en experimentos a mayor número de Reynolds, cuyos resultados coinciden con las predicciones de un modelo lineal cuasi-estacionario cuando la cinemática del problema está bajo el rango de aplicabilidad del modelo, la mitigación de carga obtenida en este trabajo difiere de los valores proporcionados por esta teoría. La carga mitigada es mayor o menor que los valores predichos dependiendo de la amplitud de las oscilaciones en el ángulo de ataque. Sin embargo, los resultados de este trabajo muestran que un incremento en la longitud del flap manteniendo fija la cuerda del perfil lleva a un incremento igual en la reducción de carga, en línea con las predicciones del modelo cuasi-estacionario. El desarrollo de estructuras vorticales se ve claramente afectadas por el flap cuando es suficientemente grande, lo cual implica cambios en la dinámica del flap y en las fuerzas vistas por el perfil. Se analiza también la repercusión que tienen varias de las variables que definen el espacio paramétrico en el comportamiento aerodinámico del perfil y en la dinámica del flap. Esto permite obtener información relevante de cara a una selección apropiada de estas variables. Finalmente, el tercer y cuarto problema estudian los efectos de la flexibilidad en la dirección de la envergadura tanto en alas aisladas como en pares de alas dispuestas en tandem horizontal mientras realizan movimientos de batida. Las alas se consideran placas planas rectangulares, y la flexibilidad en la dirección de la envergadura se modela discretizando estas placas planas en un número finito de sub-cuerpos rígidos que se conectan a través de muelles de torsión. Las alas se consideran rígidas en la dirección de la cuerda. Alas aisladas flexibles en la dirección de la envergadura encuentran un óptimo en el comportamiento propulsivo cuando ocurre una resonancia fluido-estructural. A esta flexibilidad, el promedio temporal del empuje es máximo, siendo el doble que el valor dado por alas rígidas, y el incremento de la eficiencia es de alrededor del 15%. La flexibilidad y la generación de fuerzas están acopladas, de tal formaque la respuesta estructural modifica el desarrollo de estructuras vorticales generadas por el movimiento del ala, y viceversa. El comportamiento óptimo proviene de una combinación de mayores ángulos de ataque efectivos, sincronizados convenientemente con el movimiento de rotación de tal forma que la proyección de fuerzas es máxima, con un desarrollo retrasado de estas estructuras vorticales. Además, mientras que los efectos de relación de aspecto son importantes para alas rígidas, estos efectos son pequeños comparados con los efectos de flexibilidad cuando las alas son suficientemente flexibles. De hecho, mientras que el incremento en el coeficiente de empuje para alas rígidas con relación de aspecto 4 es 1.2 veces mayor que aquel dado por alas rígidas con relación de aspecto 2, el valor de este coeficiente de empuje para alas resonantes es dos veces superior al proporcionado por alas rígidas de relación de aspecto 4. Mientras se ha visto que las alas delanteras de los sistemas de alas en tandem se comportan de manera similar a las aisladas, la respuesta aeroelástica de las alas traseras se ve sustancialmente afectada por la interacción con los vórtices desarrollados y desprendidos por el ala delantera. Este efecto de captura de estela modifica la flexibilidad a la cual se obtiene un comportamiento propulsivo óptimo. Este efecto de captura de estela se analiza a través de una estimación del ángulo de ataque efectivo visto tanto por alas delanteras como traseras, conectando el comportamiento óptimo con la maximización del ángulo de ataque efectivo en los instantes requeridos. Dados estos resultados, se ha llevado a cabo un estudio preliminar analizando el comportamiento aerodinámico de sistemas en tandem compuestos por alas con diferente flexibilidad, los cuales sugieren que éstos podrían mejorar el comportamiento aerodinámico de sistemas hechos por alas igualmente flexibles.