Simulaciones numericas del comportamiento aeroelastico de vehiculos aereos no tripulados con alas que cambian de forma

Abstract

Una nueva tecnología, conocida como morphing wings, promete una generación de vehículos aéreos no tripulados (UAVs) que reconfiguran sus alas durante el vuelo del mismo modo que lo hacen las aves. Estas aeronaves se utilizarán en operaciones civiles, científicas y comerciales. Sin embargo, todavía existen barreras técnicas que deben ser superadas. Dos aspectos que resultan importantes en el vuelo de UAVs con alas reconfigurables, y aún no son completamente entendidos, son los aspectos aerodinámicos y aeroelásticos. El objetivo general de este trabajo de tesis de Doctorado es investigar, mediante simulaciones numéricas, los aspectos aerodinámicos y aeroelásticos asociados a UAVs con alas reconfigurables. Para llevar a cabo las simulaciones se ha desarrollado una herramienta numérica que incorpora: (i) un modelo computacional para estudiar la aerodinámica no estacionaria durante el proceso de reconfiguración de las alas, el cual resulta del acoplamiento entre un modelo cinemático y un modelo aerodinámico; y por otro lado, (ii) un modelo aeroelástico para estudiar el comportamiento aeroelástico asociado a cada una de las configuraciones que pueden adquirir las alas. Este último modelo está compuesto por el modelo aerodinámico antes mencionado, un modelo estructural y una estrategia para combinar ambos modelos. El modelo cinemático permite describir el proceso de los grandes cambios de forma que experimenta el ala reconfigurable considerada en este trabajo. El modelo aerodinámico utilizado es una extensión de la versión 3D del método de red de vórtices inestacionario, el cual permite predecir las características aerodinámicas en el dominio del tiempo, y además, contempla las interacciones aerodinámicas entre las distintas partes que constituyen el ala reconfigurable y las estelas. En el modelo estructural las alas son modeladas mediante un conjunto de vigas interconectadas. El método de los elementos finitos es utilizado para discretizar espacialmente las ecuaciones diferenciales que gobiernan la dinámica estructural. La solución es expresada en términos de los modos de vibrar de la estructura y las coordenadas modales son utilizadas como coordenadas generalizadas para describir la dinámica del sistema. El modelo aeroelástico considera la estructura del ala y el fluido como elementos de un único sistema dinámico. La transferencia de información entre el modelo estructural y el modelo aerodinámico (desplazamientos, velocidades y fuerzas) se lleva a cabo por medio de un esquema de interacción basado en funciones de base radial. La integración de todas las ecuaciones gobernantes se realiza en forma numérica, simultánea e interactiva en el dominio del tiempo mediante el método predictor-corrector de cuarto orden desarrollado por Hamming. Los resultados numéricos relacionados a los aspectos aerodinámicos muestran una fuerte dependencia entre las cargas aerodinámicas y las cinemáticas prescriptas sobre las alas reconfigurables. Las simulaciones aeroelásticas permiten comprender la respuesta del ala antes, durante y después que comience el fenómeno de flutter. Los resultados revelan una relación no- lineal entre los parámetros usados para reconfigurar las alas (ángulos de diedro) y la velocidad de flutter.