¿Cómo se usan los modelos de túnel de viento al diseñar aviones supersónicos?

Hay dos cosas involucradas: arrastre de onda y separación de la capa límite. El arrastre de la onda depende del número de Mach, mientras que este último depende del número de Reynolds del flujo. Es fácil mantener el número de Mach entrante, ya que es independiente de la geometría; sin embargo, el número de Reynolds depende de la geometría del modelo.

Si se usa aire como medio, a continuación, suponiendo que el flujo se ha de mantener a un número de Mach constante, y u se fija por las relaciones dinámicas de gas. μ está fuera de nuestro alcance, por lo que el único parámetro no fijo es d .$\rho$$u$$\mu$$d$

Dado que es mucho más pequeño para un modelo que para un avión real, el flujo tendrá un Re menor que el de un avión real. Esto dará características de separación de flujo diferentes para un modelo que para un avión real.$d$$\text{Re}$

En las pruebas subsónicas, lo único que importa es , que se puede ajustar para que coincida con el tamaño real al ajustar u para dar d . Pero en el flujo supersónico, no tenemos ese lujo, ya que u es decidido por el número de Mach del flujo entrante.$\text{Re}$$u$$d$$u$

Entonces, ¿cómo se utilizan los modelos de túnel de viento para el diseño de aviones, naves espaciales y misiles? ¿Existen técnicas de corrección para predecir mejor la separación del flujo? ¿Se pueden usar las mismas técnicas para tratar con datos CFD?

En la comunidad de Fluid Dynamics hace unos 40 años, el grupo se dividió principalmente en experimentadores y teóricos. Sin embargo, en ese momento, CFD era bastante nuevo, tenía que ejecutarse en supercomputadoras costosas y no era de confianza. Era bastante común que un teórico o experimentalista descartara en el mejor de los casos los resultados del CFD, mientras que otros pueden ignorar por completo los resultados del CFD como inútiles. De hecho, mi antiguo asesor de doctorado, el Dr. David Whitfield, fue uno de los primeros pioneros en usar CFD junto con experimentos aerodinámicos en el Complejo de Desarrollo de Ingeniería de Arnold (AEDC). Esta referencia explica bien el pensamiento sobre CFD en esos días:

En AEDC, CFD se utilizó para complementar las pruebas de túnel de viento, pero según el Dr. Whitfield, no mucha gente creía en CFD a principios de la década de 1970.

"De hecho", dijo, "mis esfuerzos para promover CFD dentro de AEDC a principios de la década de 1970 probablemente me echaron, o atravesaron, la mayoría de las puertas de caoba. Sin embargo, cuando se utilizó CFD para explicar la fuente del problema de angularidad de flujo en la sección de prueba de 16T, y cuando el grupo CFD del Dr. John Adams Fellow de AEDC en VKF explicó cómo funcionaba un túnel allí en Mach 12 y no Mach 16 como se pensaba anteriormente, CFD encontró una nueva vida ".

"Una vez me dijeron que 'AEDC es un lugar de datos de prueba, y no hay lugar para CFD'", explicó. "Nuestro objetivo era ayudar a quienes corren los túneles para que puedan hacer mejor su trabajo. No creo que AEDC deba ser solo un lugar de 'datos de prueba'. Más bien debería ser un lugar para soluciones y comprensión física de los problemas , y esto se puede lograr mejor mediante la cooperación mutua entre quienes se centran en experimentos y quienes se centran en números ".

En esos días, generalmente el diseñador diseñaba un nuevo prototipo y lo enviaba al túnel de viento para probarlo, y tal vez se realizaría algo de CFD al mismo tiempo. En general, habría muchos prototipos construidos y probados, lo que fue muy costoso. Una de esas instalaciones experimentales donde solía trabajar cobraba $ 16,000 por día de pruebas. Por otro lado, con el desarrollo de códigos CFD de código abierto robustos, como OpenFoam y computadoras de clúster, las simulaciones CFD son bastante baratas.

Entonces, con el tiempo, el CFD comenzó a madurar, y con la popularización de las computadoras en clúster se volvió bastante factible funcionar a bajo costo. Con más y más validaciones con experimentos que se publican en revistas como AIAA Journal, los modelos CFD han comenzado a ser cada vez más confiables. Hoy en día, el costo de ejecutar experimentos es mucho más costoso que ejecutar simulaciones CFD. Por lo tanto, se utilizan más simulaciones de CFD en las etapas iniciales de diseño, con muchas iteraciones de un lado a otro, e incluso en estos días la optimización de diseño basada en CFD (CDO) a menudo se usa en el proceso de diseño.

Hoy en día, tengo entendido que los túneles de viento se usan en estos días principalmente por las siguientes razones: (1) probar prototipos finalizados y (2) realizar investigaciones fundamentales en flujos supersónicos, especialmente para desarrollar modelos numéricos más precisos.

Con respecto a lograr la similitud de flujo, cuando tiene dos números no dimensionales diferentes, como el número de Reynolds y el número de Mach, el experimentalista debe elegir qué número es más importante para que coincida. Para flujos subsónicos, se debe usar el número de Reynolds, mientras que para flujos transónicos y supersónicos se debe usar el número de Mach.

$^{\circ}$C, pero solo alcanza un número máximo de Reynolds de 50 millones por metro. Con una longitud máxima de la sección de prueba de 9 metros, el número máximo posible de Reynolds sería 450,000,000, aún menos de la mitad que un Boeing 747. En estos casos, las personas han desarrollado leyes de escala para lidiar con cómo escalar los resultados al mayor Número de Reynolds. El escalado tiene que ver principalmente con el grosor de la capa límite, que también afecta otras cosas como la fricción de la piel y, en última instancia, levantar y arrastrar. Hubo una conferencia especial celebrada en la Universidad de Princeton en 2003 para discutir estos temas. Los resultados de esa conferencia fueron este libro: http://link.springer.com/book/10.1007/978-94-007-0997-3

Desde mi experiencia, los experimentos solo se utilizan para:

• validar métodos numéricos
• resuelva las características de flujo que no son capturadas correctamente por CFD (por ejemplo, flujo inestable, diferencias en las escalas de longitud y tiempo, interacción fluido-estructura)

Como dijo @Wes, la calidad y precisión del CFD moderno es tan alta combinada con el poder de cómputo de los clústeres modernos que la realización de experimentos simples normalmente ya no vale la pena.