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Título
Estudio experimental de la transición de la capa límite de una placa plana en un túnel de viento
Autor
Director/es
Facultad/Centro
Área de conocimiento
Titulación
- Grado en Ingeniería Aeroespacial
Datos de la obra
Álvarez Sevilla, S. (2023). Estudio experimental de la transición de la capa límite de una placa plana en un túnel de viento. [Trabajo de fin de Grado, Universidad de León]
Fecha
2023-09
Abstract
[ES] En el presente documento se aborda el análisis del impacto de una corriente de aire incidente en una placa plana de aluminio dentro de un túnel de viento cerrado, con el objetivo de estudiar la transición en la capa límite laminar a turbulenta mediante un estudio experimental que se contrasta con un estudio numérico mediante simulaciones CFD utilizando dos modelos RANS. El experimento se realiza bajo condiciones controladas de velocidad y turbulencia, con velocidades de 3,5, 8, 11 y 14 m/s, medidas mediante un sensor de Pitot estática. La placa se calienta uniformemente mediante resistencias eléctricas, generando un flujo de calor constante de 394 W/m2. Se incorpora una placa aislante de 5 cm de grosor para minimizar pérdidas, con un chaflán en el borde de ataque extendiéndose 15 cm en el eje horizontal. Para medir la temperatura de la superficie de la placa al incidir la corriente se emplea una cámara térmica de infrarrojos FLIR A50/70, y se aplica pintura negro mate a la mitad de la placa para contrastar los datos obtenidos para superficies con distinta emisividad. A partir de las temperaturas en la superficie de la placa se busca determinar la ubicación de la región de transición entre flujo laminar y turbulento en la capa límite. Los datos se contrastan con métodos numéricos CFD mediante el software ANSYS Fluent. Se diseña una geometría bidimensional del problema y se ejecuta para dos modelos RANS de turbulencia diferentes: k − ω Gamma Transport Equation y Gamma-Theta SST model. La comparación entre resultados experimentales y simulaciones revela tendencias similares, concluyéndose que, debido a las bajas velocidades empleadas, el número de Reynolds no es suficiente para observar una clara región de transición. Al simular el experimento con velocidades mayores, en este caso 25 y 35 m/s, se evidencia que a las velocidades experimentales el flujo es laminar, por lo que para visualizar la transición se requiere aumentar la velocidad, alargar la placa o inducir turbulencia. Para concluir el documento, se ensaya la placa con tres mecanismos de aumento de turbulencia en la superficie: generadores de vorticidad, un hilo y papel de lija, con el objeto de examinar cómo cambian las temperaturas al forzar la transición cerca del borde de ataque a velocidades de 3,5, 8 y 14 m/s. [EN] The present document addresses the analysis of the impact of an incident air current on a flat aluminum plate inside a closed wind tunnel. The objective is to study the transition from laminar to turbulent boundary layer using an experimental study that is contrasted with a numerical study using CFD simulations with two RANS models. The experiment is conducted under controlled conditions of velocity and turbulence, with velocities of 3.5, 8, 11, and 14 m/s, measured using a static Pitot sensor. The plate is uniformly heated using electric resistors, generating a constant heat flux of 394 W/m2. A 5 cm thick insulating plate is incorporated to minimize losses, with a bevel at the leading edge extending 15 cm along the horizontal axis. To measure the temperature of the plate's surface when the current is incident, an infrared thermal camera FLIR A50/70 is employed, and matte black paint is applied to half of the plate to contrast the data obtained for surfaces with different emissivity. Based on the temperatures on the plate's surface, the goal is to determine the location of the transition region between laminar and turbulent flow in the boundary layer. The data is compared with numerical CFD methods using ANSYS Fluent software. A two- dimensional geometry of the problem is designed and executed for two different turbulence RANS models: k-ω Gamma Transport Equation and Gamma-Theta SST model. The comparison between experimental results and simulations reveals similar trends, concluding that, due to the low velocities used, the Reynolds number is not sufficient to observe a clear transition region. When simulating the experiment with higher velocities, in this case, 25 and 35 m/s, it becomes evident that at the experimental velocities, the flow is laminar. To visualize the transition, it is necessary to increase the velocity, extend the plate, or induce turbulence. To conclude the document, the plate is tested with three turbulence enhancement mechanisms on the surface: vorticity generators, a wire, and sandpaper. This is done to examine how temperatures change when forcing the transition near the leading edge at velocities of 3.5, 8, and 14 m/s.
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trabajo fin de grado