¿Las simulaciones de software y las pruebas de túnel de viento predicen con precisión Cd y Cl en condiciones reales?

¿El coeficiente de sustentación (Cl) y el coeficiente de arrastre (Cd) que obtengo usando simulaciones de software o pruebas subsónicas en túnel de viento serán los mismos que en un avión real mientras navega? O habrá algún error?

Habrá algún error. Tengo mucha experiencia con la mecánica computacional y siempre hay un error inherente. La pregunta siempre es si el error es aceptable dada la aplicación, no si hay un error en absoluto. Si es inaceptable, necesitará un modelo más sofisticado, ya sea mediante un modelo más sofisticado o mediante la obtención de datos experimentales.
Las pruebas de túnel de viento generalmente son "condiciones del mundo real" para todos los propósitos prácticos. Es por eso que los tenemos y no solo usamos CFD para todo.
También con las pruebas de túnel de viento habrá diferencias provenientes de (posiblemente) diferentes números de Reynolds, diferentes números de Mach, diferentes escalas geométricas, efectos de bloqueo, efectos de soporte, etc. Es por eso que todavía hay pruebas de vuelo a gran escala :)
Habrá muchos errores debido a las técnicas involucradas (método en sí), y luego están los errores causados ​​por las diferencias de configuración (configuración aerodinámica de la cosa voladora real (que no está modelada o está modelada con diferentes geometrías) y peso de el real, etc.), y finalmente, desde el momento en que el diseño de la aeronave se congela hasta la entrada en servicio, hay cambios de diseño que pueden influir en las características aerodinámicas. Es por eso que ajusta las aproximaciones durante la fase de prueba de vuelo con un avión prototipo.
Como se mencionó, existen diferencias entre CFD, túnel de viento y el mundo real. Esto es muy evidente en la Fórmula 1, donde los equipos utilizan la primera sesión de práctica para realizar pruebas en el mundo real de piezas aerodinámicas que creen que funcionarán en función de CFD y WT. Algunos equipos pasan toda una temporada luchando por descubrir por qué lo que funciona en el laboratorio no funciona en la pista.

Respuestas (1)

Depende.

En la dinámica de fluidos computacional (CFD) existen límites para el cálculo del flujo turbulento. Esto significa que la separación de grandes flujos no se puede modelar con precisión; especialmente sus características dependientes del tiempo son computacionalmente demasiado complejas para ser modeladas. En su lugar, se deben utilizar métodos estadísticos.

Para las características adjuntas y de campo lejano, los métodos se refinan lo suficiente como para producir resultados muy precisos, tanto que lo que históricamente se había estudiado en las pruebas del túnel de viento o solo en el avión terminado ahora se puede calcular con confianza hasta velocidades hipersónicas. Todavía existen errores; después de todo, si el modelo geométrico no incluye las irregularidades de fabricación del avión real, los resultados no coincidirán totalmente, pero sí lo suficientemente cerca para fines de ingeniería.

En las pruebas de túnel de viento, no puede esperar los mismos resultados siempre que el número de Reynolds y el número de Mach sean diferentes de los reales. Esto se ajusta con factores de corrección y nuevamente los resultados se vuelven lo suficientemente buenos para propósitos de ingeniería. Los túneles de viento criogénicos incluso eliminan esta restricción, pero son muy caros de construir y operar, porque funcionan con nitrógeno puro a muy baja temperatura y varios bares de presión. Quedan pequeños errores, porque todos los detalles de la aeronave real no se pueden modelar en un modelo de túnel de viento y su relación entre la presión dinámica y la rigidez no se puede ajustar para todas las condiciones de flujo, por lo que los efectos aeroelásticos seguirán siendo diferentes.

Las pruebas de túnel de viento siguen siendo valiosas para predecir fuerzas en condiciones posteriores a la pérdida y para calibrar nuevos códigos CFD. La mayor parte de la dotación operativa se puede cubrir con CFD. La combinación de ambos es suficiente para predecir los coeficientes de fuerza con confianza, y solo los efectos aeroelásticos y los detalles del comportamiento de entrada en pérdida pueden resultar ligeramente diferentes de lo previsto en las pruebas.

Como señala @TrebiaProject en los comentarios, CFD puede ayudar con las correcciones. La influencia del aguijón en el que está montado el modelo sería un ejemplo principal. CFD puede ayudar a comprender su influencia y corregirla. Esto hace que CFD sea complementario, por lo que ambas técnicas conducirán a mejores resultados si se combinan correctamente.

En mi experiencia, CFD solo funciona bien si sabes la respuesta a priori. Una vez que haya realizado alguna prueba en el túnel de viento, siempre puede encontrar CFD para que coincida; pero si está comenzando desde cero, CFD casi siempre está desactivado (si no es que está totalmente equivocado). Por otro lado, CFD es una gran herramienta para generar datos para iteraciones de diseño o correcciones fuera de condición.
@JZYL ¿Puedo cortésmente estar en desacuerdo? CFD no es trivial de usar, pero cuando sabe lo que está haciendo, ahorra una gran cantidad de tiempo y el túnel de viento solo brinda una confirmación final de todo ese trabajo de CFD. A continuación, con CFD puede observar cada rincón del campo de flujo con detalles que serían imposibles en el túnel de viento. Usas el túnel de viento para calibrar el cálculo, pero lo que realmente te ilumina es el resultado numérico, no los datos del túnel.
Los túneles de viento también tienen el desafío de las correcciones debido a los soportes y fijaciones de los modelos. Esas correcciones se pueden predecir usando CFD. WindTunnel y CFD son hoy complementarios. Los túneles de viento proporcionan una gran cantidad de condiciones de vuelo, mientras que CFD proporciona un alto nivel de detalles para cada solución. Además de lo descrito anteriormente.
@TrebiaProject. ¡Gracias! No podría estar más de acuerdo.
¿Las simulaciones de software y las pruebas de túnel de viento predicen con precisión Cd y Cl en condiciones reales?
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