Diseño y análisis de nuevas configuraciones alares para el Cessna Turbo Stationair HD

Abstract

[ES] En el presente trabajo se desarrolla el diseño y análisis de nuevas configuraciones alares para mejorar la eficiencia aerodinámica y operacional de una aeronave de aviación general, el Cessna Turbo Stationair HD. A lo largo del texto se llevan a cabo diversos tipos de análisis aerodinámicos, comenzando por la aplicación de métodos numéricos potenciales, de bajo coste computacional, para comprobar el efecto de los diversos parámetros geométricos de un ala sobre la eficiencia aerodinámica. A partir de estos resultados se diseñan tres nuevas configuraciones alares de diferente alargamiento: 8, 8.5 y 9. Además, sobre estas se realiza un diseño preliminar de winglets y se estudia su efecto sobre la configuración alar. Posteriormente, se modelan el ala original y los nuevos diseños para su estudio aerodinámico y estructural mediante los métodos de volúmenes finitos y elementos finitos. Las configuraciones alares son simuladas en ANSYS Fluent, consiguiendo un modelado del problema más cercano a la realidad a través de la resolución más detallada de la capa límite y los efectos viscosos del flujo. Estos además, sirven como base para el posterior diseño estructural. Entre las simulaciones ejecutadas se incluyen también las relativas a los winglets y las configuraciones finales diseñadas. Seguidamente, utilizando como referencia los resultados para un vuelo en crucero obtenidos de Fluent, se simulan las estructuras alares en ANSYS Mechanical para estudiar su comportamiento estructural estático y dinámico, así como la masa de las nuevas configuraciones. Finalmente, se concluye el trabajo con el cálculo de los principales parámetros que definen el desempeño en crucero: alcance, autonomía y gasto de combustible. El objetivo es el de comprobar el rendimiento efectivo de las nuevas configuraciones tras los cambios sufridos en eficiencia aerodinámica y peso

[EN] This paper develops the design and analysis of new wing configurations to improve the aerodynamic and operational efficiency of a general aviation aircraft, the Cessna Turbo Stationair HD. Throughout the text, several types of aerodynamic analysis are carried out, starting with the application of numerical methods for potential flows to show the effect of various geometrical parameters of a wing on aerodynamic efficiency. Based on these results, three new wing configurations of different aspect ratio are designed: 8, 8.5 and 9. In addition, a preliminary design of winglets is carried out and their effect on the wing configuration is studied. The original wing and the new designs are modelled for their aerodynamic and structural study applying finite volume and finite element methods. The wing configurations are simulated in ANSYS Fluent, in order to obtain results with a closer-to-reality modelling through a more detailed modelling of the boundary layer and viscous effects. These also serve as the basis for the subsequent structural design. The simulations performed also include those ones of the winglets and the final designed configurations. Then, using as a reference the results for a cruise flight obtained from Fluent, the winglet structures are simulated in ANSYS Mechanical to study their static and dynamic structural behaviour, as well as the mass of the new configurations. Finally, the project is concluded with the calculation of the main parameters which define the cruise performance: range, autonomy and fuel burn. The objective is to check the performance of the new configurations after the changes in aerodynamic efficiency and weight