Aerodinámica inestacionaria y no-lineal de micro-vehículos aéreos de alas batientes inspirados en la biología

Resumen

En este trabajo se presenta el desarrollo de una herramienta de simulación numérica que permite estudiar la aerodinámica inestacionaria y no-lineal asociada al complejo movimiento de batimiento de las alas de insectos y aves pequeñas. El fin último de este esfuerzo es utilizar los resultados provenientes de este estudio para diseñar micro-vehículos aéreos de alas batientes inspirados en la biología. La cinemática del “vuelo natural” involucra, simultáneamente, movimientos hacia abajo y hacia arriba, rotaciones, oscilaciones y cambios significativos en el ángulo de ataque efectivo del ala. El modelo aerodinámico adoptado en este esfuerzo es una versión modificada de la versión 3D del unsteady vortex lattice, una generalización del conocido vortex lattice method, ampliamente utilizado en flujos incompresibles y estacionarios. El modelo permite tener en cuenta el comportamiento no-estacionario; las no-linealidades aerodinámicas asociadas con grandes ángulos de ataque y grandes desplazamientos producto del movimiento del eje longitudinal de cada ala; las deformaciones estáticas; y flujos dominados por vorticidad. En este trabajo se analiza la influencia del cuerpo del insecto en la generación de sustentación, para diferentes configuraciones de vuelo suspendido (hover), con y sin la presencia de una corriente de aire. La cinemática utilizada para prescribir el movimiento de las alas fue la desarrollada por Dickinson para mover un robot dinámicamente escalado (Robofly). La combinación del modelo cinemático con el modelo aerodinámico, junto con un pre-procesador para generar en forma paramétrica la geometría del insecto (cuerpo y alas) conforman una herramienta computacional que permite, entre otras: utilizar diferentes cinemáticas para el movimiento de las alas, definir en forma interactiva distintas geometrías para el insecto, predecir el campo de movimiento del fluido alrededor de la estructura del cuerpo y de las alas batientes, estimar la distribución espacio-temporal de la vorticidad adherida al cuerpo/alas del insecto, estimar la distribución de vorticidad y forma de las estelas emitidas desde los bordes filosos de las alas, predecir las cargas aerodinámicas actuantes sobre éstas, y tener en cuenta todas las posibles interferencias aerodinámicas.