Ingeniero Civil Mecánico / Las nuevas tecnologías de fabricación digital, permiten producir elementos complejos de manera rápida y eficiente. Una aplicación de estas tecnologías es el desarrollo de vehículos voladores no tripulados. En particular, en el último tiempo interesan los micro vehículos aéreos que se asemejan a los pequeños insectos debido a las ventajas que estos presentan. Estos últimos, entre las características que exhiben es una mayor maniobrabilidad y estabilidad, además que se pueden pilotar en lugares de difícil acceso o peligrosos para una persona. El objetivo de esta memoria es diseñar y construir un mecanismo inspirado en características biológicas de aves o insectos y estudiar perfiles de alas que presenten mejores propiedades aerodinámicas. Para lograr el objetivo se cuenta con diversas fuentes de financiamiento (Fondecyt, ANR-Conicyt, etc.), además de los equipos, software e impresoras de fabricación digital disponibles en el laboratorio de robótica del departamento de ingeniería mecánica de la Universidad de Chile. La metodología consiste en una etapa de recopilación de información y antecedentes relacionados con la aerodinámica, materiales y construcción de robots similares. Luego se diseñarán los distintos componentes mecánicos involucrados, poniendo principal énfasis en el diseño y construcción de las alas del vehículo. Se estudiaron dos perfiles de alas para determinar cual presenta mejores propiedades aerodinámicas. Se midieron experimentalmente el empuje y sustentación que son capaces de generar y se modificaron parámetros en el diseño que influyen en la flexión y torsión de las alas para medir como estos afectan en su desempeño. Se midió en un túnel de viento la sustentación que genera el paso del aire a través de las alas para distintas velocidades de circulación del viento. Con el sistema mecánico definitivo, se realizaron pruebas de vuelo para estudiar la capacidad de vuelo del MAV. Se traslado el centro de masa y el ángulo de ataque de las alas para lograr condiciones de vuelo mas estables. Finalmente se construyó un micro vehículo aéreo el cual logro volar por unos instantes, pero que no fue capaz de mantener un vuelo estable.

Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo se enfocó en la elaboración y posterior análisis de convergencia de los resultados de un código de paneles implementado en Matlab, el cual incluye una metodología de paneles de vórtices y estela no congelada sobre un ala plana. Mediante tal código se buscó estudiar con mayor precisión la vorticidad sobre perfiles alares y de esta forma obtener predicciones reales de fuerzas de sustentación sobre éstos. El objetivo principal del trabajo de título es analizar la convergencia numérica de los resultados obtenidos a través del método implementado al utilizar estela transiente. El método de paneles consiste en dividir la superficie de un ala y la estela generada por ésta, en paneles rectangulares a lo largo y ancho del ala, formando una grilla. Cada uno de estos paneles está asociado a una vorticidad de intensidad constante y se calculan las influencias mutuas entre todos los paneles para obtener velocidades inducidas y la nueva posición de los paneles. Se procede luego con la siguiente iteración en el dominio temporal hasta lograr convergencia de resultados. El método de paneles se utiliza para el estudio de sistemas aerodinámicos y se presenta como una alternativa a los software CFD utilizados en la actualidad. El método de paneles posee la ventaja frente a éstos de solucionar las ecuaciones solo en las fronteras del flujo y no en un espacio discretizado, por lo que es capaz de obtener resultados con costos computacionales mucho menores. El movimiento de la estela es de gran importancia en el comportamiento de los sistemas aerodinámicos, pues los vórtices determinan altamente el arrastre y la sustentación producidos. Es por esto que se consideró necesaria la programación de un método de paneles que incluya movilidad de la estela y verificar si los resultados obtenidos concluyen que el aumento de precisión de éstos se justifica, tomando en consideración la mayor dificultad de convergencia al tomar en cuenta estos efectos. Se implementó el código en Matlab y posteriormente fue optimizado numéricamente. Esto redujo enormemente los tiempos de cálculos. Se redujo el tiempo de cálculo de , siendo n la cantidad de iteraciones. Además, se verificó la convergencia del método implementado, esto mediante la variación de los parámetros de convergencia. Finalmente se compararon los resultados obtenidos mediante el código con resultados esperados en un perfil alar plano y estos resultaron similares. Es posible afirmar que al aplicar una configuración adecuada de parámetros usando estela transiente, los resultados convergen rápidamente y son coherentes con la realidad. Se realizaron pruebas en un rango amplio de parámetros y se determinó que para asegurar una convergencia rápida de resultados en estudios posteriores, se recomienda utilizar un retraso de panel de control de 0.25 veces C, un largo de panel beta entre 0.3 y 2, y un largo de estela gamma entre 5 y 30.

Ingeniero Civil Mecánico / Este estudio presenta simulaciones numéricas de una turbina eólica de eje vertical tipo Darrieus, con el objetivo de determinar el efecto de la inclinación de los álabes sobre el desempeño aerodinámico de la turbina. Específicamente, se varía la geometría cilíndrica a la de un cono invertido, dejando el radio superior constante. Lo anterior se realiza tanto para un perfil de velocidad de aire uniforme, como para un perfil de velocidad de aire variable obtenido sobre el techo de un hogar. El método de volúmenes finitos fue utilizado en ANSYS Fluent® para las distintas simulaciones. Para la turbulencia se usó el modelo k-w SST y se dividió el dominio en uno rotativo y otro estático. Además se utiliza el modelo DMS (Double-Multiple Streamtube) para la comparación de resultados. Como resultado se obtiene que la inclinación de los álabes produce un desplazamiento de la zona de operación de la turbina, extendiéndose para velocidades angulares mayores sin cambiar su coeficiente de potencia, tanto para el caso de velocidad del aire uniforme, como para un perfil de velocidad del aire variable. Además para ambos casos, inclinar los álabes ayuda al inicio de su funcionamiento. Se concluyó que la variación de la curva de CP vs TSR, para los ángulos de inclinación 0°, 30° y 45° no es significativa para una turbina instalada en la zona de mayor potencial eólico aledaña a una vivienda, que presenta un perfil variable de velocidad del viento, en comparación con un perfil uniforme de velocidad. Sin embargo, para una inclinación de 15° se aumenta el coeficiente de potencia hasta un 11% en comparación al caso de un perfil uniforme. Para futuros trabajos se propone realizar una investigación más detallada para pequeños ángulos de inclinación menores a 15° esto tanto para el perfil de velocidad uniforme de velocidad del viento como el perfil variable, y encontrar la inclinación óptima. También experimentar con otras variaciones en el radio que no sean lineales con respecto a la altura, ya que al eliminar la restricción que impone la inclinación en la relación entre el radio de giro y la altura, se puede lograr un incremento de potencia. Finalmente, estudiar simulación 3D para observar como interfiere la estela entre cada uno de los cortes.

Este trabajo de iniciación científica consiste en el análisis fluidodinámico sobre un perfil NACA 0012 utilizando simulación numérica, específicamente la técnica de los volúmenes finitos. Se busca con esto determinar características como campo de velocidades, presión, temperatura, etc., en diferentes condiciones. El presente trabajo, propone la solución numérica de las ecuaciones que gobiernan un flujo de fluidos a través de una metodología similar a la metodología CVFEM (Control Volume Based Finite Element Method). Para la obtención de la solución segregada de las ecuaciones de conservación de la cantidad de movimiento y de la ecuación de conservación de masa que genera el problema de acoplamiento Presión – Velocidad. Para tratar este acoplamiento se usó el método SIMPLE. Para obtener los volúmenes de control elementales a partir de una malla No – Estructurada se dispone del método de las mediatrices, donde los volúmenes son generados a partir de una triangulación. Estos volúmenes son denominados volúmenes o diagramas de Voronoi. Para implementar todos los aspectos numéricos citados anteriormente se desarrollaron tres programas computacionales: THAYA-10X, es un programa que no solo me permite analizar un perfil NACA sino cualquier objeto, trabajando de esta manera como un túnel de viento virtual; PHITA-10X, es un programa desarrollado para generar mallas No - Estructuradas mediante los diagramas de Voronoi; RUPAY-10X, programa que me simula la conducción de calor en estado transitorio. Para finalizar se llevó a cabo un exhaustivo proceso de validación de los resultados frente a valores experimentales, teóricos y numéricos.

En el presente trabajo se ha realizado una caracterización de un vehículo aéreo no tripulado. Esta caracterización consiste en obtener la distribución de carga del vehículo analizado realizando cálculos aerodinámicos en base a las teorías tradicionales, seguido de una comprobación de resultados mediante simulaciones con ayuda de software CFD y finalmente una prueba de vuelo para corroborar lo obtenido. Los resultados del análisis aerodinámico difieren a los de la simulación con ayuda de software CFD ya que las fuerzas de sustentación y arrastre obtenidas mediante esta última, son 39% y 25% menores respectivamente, en comparación con los resultados analíticos. Esta reducción de las fuerzas obligó a realizar un vuelo con menos carga para evitar un posible accidente. El vuelo comprobó lo obtenido mediante análisis con software CFD, ya que el vehículo despegó del suelo y realizó un vuelo bastante estable, cumpliendo con los requerimientos definidos en el presente trabajo, se comprobó de esta forma que la metodología utilizada es útil para el análisis de otros vehículos. El peso vacío operativo del VANT es de 1.1 kilogramos, el peso a combustible a cero es de 1.675 kilogramos y el peso de despegue es de 2.175 kilogramos, lo que resulta en una carga útil posible de 0.575 kilogramos y una carga alar de 4.83 kg/m2. Finalmente, las velocidades alcanzadas están entre los 12 y 18 m/s, lo que corrobora que el resultado de la simulación brinda valores de carga adecuados, que se pueden utilizar si se requiere conocer las capacidades de un diseño en particular. / Tesis

Los aerodeslizadores son vehículos capaces de suspenderse al lanzar un chorro de aire contra una superficie que se encuentra debajo del mismo. Este caudal de aire genera un colchón de aire capaz de suspender el vehículo, lo cual le permite transitar sobre superficies lo suficientemente regulares sin entrar en contacto con las mismas Actualmente en el Perú, el uso y desarrollo de este tipo de vehículos es casi nulo. Creemos que su uso será beneficioso por la gran variedad de superficies con las que contamos, superficies que pueden ser tranquilamente transitadas por estos vehículos. En este trabajo se plantea el diseño aerodinámico de un vehículo de estas características con capacidad para dos pasajeros, de manera que se pueda demostrar la factibilidad de su uso en nuestro país. Cabe recalcar que el presente estudio consiste solamente en el diseño de los sistemas de suspensión y propulsión, ya que otros componentes tales como la falda flexible, el sistema de dirección y el casco han quedado fuera del mismo. Esto debido a la extensión del mismo, además que desde un principio se planteo solo el diseño de los componentes antes mencionados. En primer lugar se estudia el concepto de los aerodeslizadores, sus usos y sus principales antecedentes históricos. Posterior a esto se describen los componentes que lo conforman y se selecciona los componentes principales que llevara nuestro vehículo. Una vez definida la geometría y los componentes que compondrán nuestro vehículo se procede a presentar la teoría aerodinámica que rige el diseño de esta clase de vehículos, de manera que se pueda comprender la física que rige su funcionamiento. Finalmente se realizaran los cálculos aerodinámicos que permiten realizar la selección y diseño de los componentes principales, para terminar con el diseño general de los sistemas de suspensión y propulsión, el cual incluye las estructuras que soportaran los componentes y sus respectivas transmisiones. / Tesis

En el presente trabajo de tesis se realiza el análisis aerodinámico de una hélice 17x5 de un Vehículo Aéreo No Tripulado (VANT) del tipo cuadricóptero para precisar el efecto de la modificación del ángulo de paso en las fuerzas aerodinámicas con el objetivo de incrementar la eficiencia de vuelo vertical. En primer lugar, el estudio aerodinámico se realiza a partir de cálculos analíticos bajo la formulación de la teoría del Impulsor del Elemento Pala o también llamada Blade Element Momenthum Theory (BEMT) por sus siglas en inglés. El cálculo analítico se realiza en el software JBLADE el cual emplea el código BEMT para la resolución de problemas aerodinámicos de hélices. Los resultados se verifican que tengan un correcto sentido físico con tendencias y valores numéricos acordes con el estudio y experimentación de hélices; estos resultados forman punto de partida para el posterior análisis. Luego, el análisis aerodinámico se realiza a partir de la simulación computacional mediante el uso del software ANSYS Fluent. El paquete de ANSYS Fluent proporciona un análisis basado en el uso de volúmenes finitos. En específico, se enfoca la resolución del problema mediante el método del Marco de Referencia Móvil (MRF - Moving Reference Frame); el método resuelve los campos de flujos que involucran superficies rotatorias bajo un enfoque estacionario. El método MRF proporciona una solución físicamente correcta, simple y con menor uso de recurso computacional. En seguida, los resultados de la simulación se verifican frente a los cálculos analíticos a manera de validar los resultados. La tendencia de la respuesta muestra una correcta similitud con respecto a los cálculos analíticos. Sin embargo, existe un error promedio de 17,0% entre los valores numéricos de ambos métodos; esto debido a las simplificaciones realizadas en la configuración del modelo y en el proceso general de simulación. Finalmente, en la presente tesis se concluye que se logra obtener un aumento de la fuerza de empuje a partir de un cambio en el ángulo de paso; cabe resaltar que este aumento representa un impulso del 17,8% del peso total del cuadricóptero, con solo incrementar el ángulo de paso de cero a dos grados, lo cual resulta en un beneficio aerodinámico. / Tesis

Explica la metodología del diseño fluidodinámico de un álabe rotor y estator de una etapa del compresor axial. Se consideró el perfil DCA como base para el diseño tridimensional del cada álabe. Este diseño es evaluado utilizando la dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés), la cual confirma la eficacia del diseño presentado. La eficiencia isoentrópica de compresión obtenida mediante simulación numérica fue de 86.20%, el cual se debe, principalmente, a la selección del tipo de perfil. Se incluye, además, la curva de desempeño de la etapa diseñada para una misma velocidad rotacional. El presente documento de tesis finaliza estableciendo las conclusiones del tema y planteando los trabajos futuros. / Tesis

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En vista de que estamos escasos en este campo; con escasez de papers, artículos, publicaciones, y que en las bibliotecas se encuentra muy poco, el objetivo de este trabajo es llenar ese vacío, no hay así nomás una tesis de ésta naturaleza, que profundice el estudio analítico de este caso aerodinámico para plasmar físicamente resultados de su análisis y dar respuestas a diversas incógnitas que se generan en el investigador. Este trabajo servirá de ayuda y como medio de consulta para mis amigos, compañeros de promoción, y para enriquecer la fecunda producción de investigaciones en mi amada escuela de INGENIERÍA MECANICA DE FLUIDOS, de la Facultad de Ciencias Físicas y para el enriquecimiento de nuestra querida Universidad es que me permito desarrollar este método que puede servir para el curso de aerodinámica de otras universidades. / Tesis