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Aeroelastic Gust Modelling

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Un vuelo suave por aires turbulentos

Un diseño de una aeronave más ligera promete reducir la huella de carbono de la aviación, pero debe ser suficientemente resistente para afrontar las ráfagas de viento. Investigadores financiados con fondos europeos han desarrollado modelos virtuales que predicen esas cargas rápidamente con una precisión sin precedentes, lo que permite la conceptualización de diseños de aeronaves radicalmente nuevos.

Transporte y movilidad

El cambio climático está provocando que las turbulencias sean más habituales en el transporte aéreo. Incluso las turbulencias suaves provocan incomodidad y lesiones a los auxiliares de vuelo, pero los pilotos no pueden hacer gran cosa por paliar su incidencia: las turbulencias en zonas de cielo claro no son ni visibles a simple vista ni detectables con los radares. Unas aeronaves más ligeras pueden emplear el combustible de modo más eficiente y emitir menos emisiones de carbono perjudiciales pero, ¿también pueden permitir disfrutar de vuelos más tranquilos? Para abordar esta cuestión, los diseñadores necesitan herramientas mejores para predecir las cargas dinámicas y optimizar su diseño. Los investigadores pusieron en marcha el proyecto AEROGUST, financiado con fondos europeos, para investigar en profundidad cómo interactúan las ráfagas de viento con la aeronave. Una mejor comprensión de los choques con las ráfagas permitirá desarrollar diseños más ligeros, lo cual a su vez podría reducir los márgenes de seguridad excesivamente conservadores. Menor necesidad de comprobaciones en túneles de viento «Desarrollar nuevos métodos de afrontar las turbulencias atmosféricas resulta esencial para el diseño y la certificación de aeronaves y turbinas eólicas», señala la doctora Ann Gaitonde, coordinadora científica conjunta de AEROGUST. En ambos casos, los golpes de viento breves pueden generar cargas significativas sobre las estructuras. Para diseñar estructuras seguras, resulta importante saber cuánta fuerza pueden alcanzar esas cargas en las peores circunstancias. Esto permite a los fabricantes de aeronaves o turbinas eólicas determinar lo resistentes que deben ser las piezas esenciales de las estructuras para soportar las tensiones máximas que pueden sufrir durante un vuelo o durante su funcionamiento, respectivamente. «Actualmente, la mayoría de datos experimentales acerca de las ráfagas se recopilan durante costosas pruebas en túneles de viento llevadas a cabo en una etapa bastante tardía del proceso de diseño, cuando las opciones de diseño ya son limitadas», añade la doctora Gaitonde. Esto provoca que sea difícil valorar rápidamente las adaptaciones en el diseño de las superficies aerodinámicas. Además, existen pocos túneles de viento en el mundo que puedan reproducir de forma precisa las condiciones de una aeronave de tamaño real durante el vuelo. Disponer de diseños de modelos de aeronaves más precisos antes de las verificaciones reduciría la necesidad de rediseñar nuevos modelos tras las pruebas en túneles de viento. Esto no solo ahorra tiempo y dinero, sino que también permite estudiar configuraciones de diseño novedosas, incluidos materiales diferentes y más flexibles. Prácticas actuales exigentes La dinámica de fluidos computacional (DFC) permite la computación de alto rendimiento en el diseño aeroespacial moderno. Mediante análisis numéricos y estructuras de datos, genera modelos virtuales extremadamente precisos que ofrecen una percepción sin precedentes de lo que realmente ocurre con el flujo de aire en torno a la aeronave. No obstante, la DFC es demasiado costosa para emplearla en todas las simulaciones de ráfagas necesarias. Hasta el momento, los investigadores han desarrollado modelizaciones de choques de las ráfagas contra las aeronaves mediante métodos fluctuantes lineales más sencillos y datos de flujos experimentales constantes. El equipo de AEROGUST utilizó datos de DFC fluctuantes para mejorar las simulaciones de ráfagas y modelos de orden reducido para disminuir el coste computacional de la DFC basándose en simulaciones de cargas de ráfagas. La inclusión de efectos no lineales aerodinámicos y estructurales en tales modelos permite obtener estructuras innovadoras y flexibles. Las técnicas de simulación mejoradas desarrolladas en AEROGUST deberían contribuir a conceptualizar configuraciones y diseños novedosos, así como a fabricar aeronaves más ecológicas. Además, deberían reducir la necesidad de costosas pruebas en túneles de viento, así como ahorrar tiempo y dinero en la fase de diseño antes de construir los prototipos físicos. Esto garantizará que la industria aeroespacial europea mantenga su competitividad en el futuro. «Si también podemos predecir el impacto de las ráfagas en las turbinas eólicas de forma más precisa, las estructuras podrían utilizarse en regiones más difíciles, como el círculo polar ártico y los trópicos», concluye el doctor Dorian Jones, coordinador científico conjunto de AEROGUST.

Palabras clave

AEROGUST, diseño, ráfaga, aeronave, túnel de viento, turbina eólica, dinámica de fluidos computacional (DFC), simulación numérica, modelos de orden reducido, no lineal

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