Análisis de aeromodelos con Xflr 5

Este artículo no pretende ser un tutorial sobre el uso del programa xflr5 en el diseño de aeromodelos aunque quizá, la secuencia de pasos seguidos en la elaboración del estudio pueda ser de utilidad en la simulación de futuros modelos.

El objetivo del análisis 

La idea de fondo es hacer un estudio comparativo entre dos modelos que comparten algunos aspectos de su geometría si bien difieren en su concepto o misión, mientras uno es un aeromodelo para vuelo deportivo con aspecto de maqueta, el otro es un acrobático puro. El objetivo del análisis es pues, comprobar cómo se reflejan en los  datos estas diferencias entre los proyectos.

Método.

Como ya se ha mencionado en el primer párrafo, para realizar este ensayo usaremos el conocido programa de simulación xflr5, software de código abierto que puede descargarse de forma gratuita en https://sourceforge.net/projects/xflr5/files/ y del que se obtienen resultados suficientemente fiables, aun con sus limitaciones, como para llegar a conclusiones significativas.

El método a aplicar se divide en varias fases, en primer lugar la obtención y análisis de los perfiles y secciones aerodinámicas necesarios. Estos archivos, necesariamente en formato .dat podemos obtenerlos en :

https://mselig.ae.illinois.edu/ads/coord_database.html

Puede darse que no puedan abrirse los archivos en xflr5 a pesar de estar en el formato correcto, ya que puede ser lo lea como .txt. Este es un problema común que se soluciona de forma sencilla.

imagen bloc de notas

imagen de los datos correspondientes al perfil e168 tal y como aparecen en bloc de notas del pc.

Una vez descargado el archivo del perfil “cualquiera.dat” lo abriremos en  el programa denominado Bloc de notas haciendo doble clic en el icono del Bloc de notas o mediante la búsqueda en la lista de programas. Generalmente, puede encontrarse en la sección «Accesorios».

Hacemos clic en «Archivo», luego eligiendo la opción «Abrir». Abrimos el archivo que se desea convertir en un archivo de datos, a continuación, elegir la opción «Guardar como …».En el menú desplegable, seleccione «Todos los archivos».

Eliminar el nombre por defecto en el campo «Nombre de archivo», incluida la extensión. Escribir el nombre del archivo que desea guardar y añadir .dat al final del nombre de archivo. Clic en Guardar y cerrar el archivo. Ahora debería abrirse sin problemas en xflr5.

Las siguientes fases  forman parte del proceso de creación del proyecto en sí y podríamos resumirlas en lo siguiente.

  • Análisis de los perfiles
  • Dimensionado del ala
  • Análisis del ala
  • Modelado del avión completo.
  • Obtención de la polar del avión

Análisis de los perfiles

 El archivo del perfil en formato.dat lo cargaremos en el programa desde la opción  “Direct Foil Design” que  aparece en el menú desplegable de la pestaña “File”.

imagen 1 xflr

                 Una vez descargado el archivo correspondiente, se elige la opción “Load File” desde el  menú “File”. Una vez seleccionado el archivo del perfil, se mostrará con la  distribución de puntos correspondiente al mismo en la pantalla principal

El número de puntos que se definen sobre el perfil está predefinido. La importancia del número de puntos radica en el análisis aerodinámico que se realizará posteriormente, puesto que un número pequeño de puntos implica una baja resolución y fiabilidad en los resultados, sobre todos a números de Reynolds medios y bajos. Como solución, se puede definir un mallado más fino de puntos sobre el perfil. Para ello, una vez cargado el perfil, se hace click con el botón derecho en la fila del perfil correspondiente en la parte inferior de la pantalla y se selecciona “Refine globally”. En ese menú se introduce el número de puntos máximo. El estudio aerodinámico llevará más tiempo debido al mallado más fino, pero los resultados serán, también, más fiables.

imagen 2 xflr

Ya definidos los perfiles es el momento del análisis usando el módulo “xfoil direct analysis” Donde se obtendrán las polares sobre las que interpretar las propiedades y características específicas de cada perfil dado. Estas polares se usaran en el siguiente paso al realizar el análisis aerodinámico del ala.

Para hacer el estudio usaremos la  opción “Batch Analysis”,  el  programa  realizará  de  forma  sucesiva  los  análisis  de una serie de números de Reynolds de forma continua.

imagen 3 xflr

Es importante mencionar que para cada perfil habrá que obtener las polares que cubran un rango  suficiente de números de Reynolds, y el rango de ángulos en los que se va a trabajar ya que en el análisis 3D de las superficies  aerodinámicas  se  interpolará  entre  todas  las  polares  obtenidas.  Aun con esto, si posteriormente nos encontramos con un mensaje de error podemos volver a  este módulo y realizar los análisis requeridos.

Una vez definidos todos los parámetros, se hace click en “Analyze” y comienza el análisis de todos los casos definidos.  Una vez terminado, el programa mostrara la polar obtenida.

imagen 4 xflr

Diseñando y analizando superficies “Wing and Plane Design”.

Antes de iniciar este paso será necesario  tener claras las distintas geometrías implicadas. ya que en este módulo es donde diseñaremos o mejor expresado modelaremos el avión.

Para introducir un ala en XFLR5, se selecciona la opción “Define a New Wing” dentro del menú “Wing‐Plane”. Aparece entonces una interfaz con un ala predefinida sobre la que se pueden realizar las modificaciones que se requieran. El ala se introduce dividiéndola en distintas secciones en una de las alas reflejándose  automáticamente en el ala contraria. Introducimos un primer valor que corresponde con la cuerda de la raíz y en las sucesivas secciones las cuerdas y tramos de la envergadura correspondientes. Para definir la flecha hay que modificar la opción “offset”, la cual determina la distancia del borde de ataque al eje X. También podemos introducir variables como la torsión y el diedro de cada sección. Por último, mediante la columna “foil” se asigna a cada sección del ala el perfil que corresponda. La visión 3D se actualizará mostrando el perfil seleccionado.

imagen 5 xflr

Análisis del ala

Para realizar el análisis del ala, lo primero es entrar en el menú “Define an Analysis” desde el menú “Polars”. En la ventana que aparece han de definirse todas las condiciones del análisis.

Se selecciona el tipo de análisis que se desee. Type 1 corresponde a velocidad constante. Type 2 corresponde a sustentación constante y Type 4 a ángulo de ataque constante.

El modulo “Wing analysis methods “ Permite elegir entre varios métodos aerodinámicos siendo el más habitual VLM (Vortex Lattice Method). La casilla “Viscous” debe estar activa para que en la simulación se incluyan las características viscosas halladas en el análisis del perfil en 2D.

Nota: (El análisis viscoso no puede ser realizado en el modelo 3D, por lo que el programa “toma” los resultados obtenidos con el análisis viscoso obtenido tras el análisis del perfil. Se trata de una aproximación sin base teórica ya que lo trata como si fueran cuestiones independientes, y se sabe que no es así).

Una vez definido el intervalo e incrementos deseados, se pulsa en el botón “Analyze”. Antes de pulsar para comenzar el análisis conviene tener activada la opción “Store OpPoint” por si se requiere tratar con los puntos de operación posteriormente.

Aparece una ventana que muestra la evolución del análisis. Cuando termine, se puede ver el informe para encontrar si ha habido algún error durante el análisis y poder hacer las correcciones oportunas. Estos errores suelen deberse a que el análisis inicial de los perfiles no está en el rango de números Reynolds necesario o el ángulo que se está trabajando no ha sido previamente analizado

Sobre la elección del Wing analysis method

La elección del método de análisis del ala en 3D depende de que se quiera obtener. En

la sección de Wing analyis method, hay disponibles 3 opciones:

  • LLT
  • VLM
  • 3D Panels

En el manual en inglés de la página de XFLR5 recomiendan usar la opción «VLM (Vortex Lattice Methods)» para la estimación de la pendiente de la curva de sustentación y el Cl0, mientras que para el análisis de entrada en pérdida se recomienda la opción «LLT (Lift Line Theory)». Se recomienda emplear el VLM para caracterizar la aerodinámica del ala y una vez determinadas, emplear LLT para determinar las condiciones de entrada en pérdida.

El VLM tiene una utilidad de muchísima importancia en cualquier análisis (además de permitir el modelado alas con menor alargamiento o con flecha más acusada, diedro, winglets,etc.) y es la del cálculo de momentos aerodinámicos. De hecho, la propia guía del usuario no recomienda el cálculo de momentos con el LLT debido a que los cálculos no son fiables, por ello se recomienda el análisis con VLM.

En lo que concierne al cálculo de los momentos aerodinámicos debe tenerse en cuenta que XFLR5 calcula el momento de las fuerzas respecto a un punto que se le indique (por defecto este es el borde de ataque, punto 0,0). Normalmente se desean tener los momentos aerodinámicos en el centro aerodinámico (punto respecto al cual el momento no depende del ángulo de ataque). El cálculo de este punto puede hacerse observando cual es la MAC del ala y buscando la posición en y de dicha MAC en el ala. Una vez se tenga, se sabe que el centro aerodinámico para un ala convencional y como norma general, se encuentra a un cuarto de la MAC.

Modelado de un avión

 El paso o pasos finales consisten en modelar y realizar el análisis de todo el conjunto del avión montado. Para ello existe la opción “Define a New Plane” del menú “Wing‐Plane”, que permite añadir y editar los componentes que llevará el avión.

En  “Main Wing” se introduce el ala de forma manual como se explicó anteriormente o importando una que ya ha sido creada. También se introduce su posición y, en su caso, la incidencia.

geometria mix

Geometría del Mix introducida en el programa mediante el módulo de diseño.

Activando la pestaña “Body” puede seleccionarse, y en su caso editar, el fuselaje del modelo, si bien en muchos análisis no se introduce ya que puede introducir alteraciones en el análisis que pueden dificultar su interpretación.

En la ventana “Elevator” se introduce el estabilizador horizontal definiéndolo igual que el ala. También se introduce su posición e incidencia. Por ultimo en “Fin” se introduce el estabilizador vertical definiéndolo igual que el ala y el horizontal. Se pueden escoger distintas opciones: vertical doble, simétrico y simple.

Debe cuidarse la posición vertical y horizontal a la que se sitúan el ala principal, los estabilizadores, etc. ya que si el ala (o canard) está muy cerca de los estabilizadores (o del propio ala), o bien si está a la misma altura o muy poco por encima, la deflexión de estela hará que determinadas superficies entren en pérdida durante el análisis, no pudiendo completarse el análisis del avión completo. Además, debería tenerse especial cuidado en las incidencias (tilt angle) que se utilicen para las diferentes superficies; tanto el upwash en el canard como el downwash en el estabilizador pueden dificultar o impedir el análisis.

Análisis del avión

Para realizar el análisis del avión el procedimiento es el mismo que el que se siguió para el correspondiente a la superficie alar. Por tanto se accede al menú “Polar Analysis”, como en el  caso del ala pero por con ciertos cambios.

Ahora vemos que solamente se puede escoger el método VLM combinado con el 3D. Asimismo, habrá que colocar el centro de gravedad y el peso del avión completo y una vez introducidos todos los datos, se pulsa OK y el avión aparecerá en el modo de visualización 3D.

imagen 6 xflr

Si no se han producido errores, en esta visualización aparecerán datos referentes a los diferentes coeficientes del modelo, Cl0, Cd, Cm0 , así como la relación Cl/Cd , velocidad, ángulo de ataque y las posiciones del centro de presiones y centro de gravedad. Si no aparece es que el análisis ha fallado en algún ángulo de ataque y no ha sido posible la presentación de datos, también puede ocurrir que no pueda completarse el estudio en todos los ángulos de ataque seleccionados en el cuadro de dialogo y solo nos permita ver unos pocos. Si es asi, debemos comprobar los ángulos donde falla y en su caso corregir el problema. Normalmente suele ser un fallo relacionado con el análisis previo del perfil en un nº de Reynolds fuera de la envolvente del avión.

imagen analisis mix

Imagen del modelo en 3D con los gráficos correspondientes a la sustentación, estela aerodinámica , resistencia y otros datos tras el análisis.

 

En la ventana de dialogo del análisis podrán activarse las visualizaciones de la estela, momento de cabeceo, centro de presiones, resistencia aerodinámica. Si no es posible activar estas pestañas es que nuestro análisis ha fallado por alguna razón y debemos comprobar y corregir el fallo antes de seguir.

Estos fallos no siempre son fáciles de corregir, como se ha mencionado suele ser un problema que se soluciona repitiendo el análisis de los perfiles en los ángulos de ataque y números Reynolds adecuados, otra cuestión es el fallo por interpolación porque, aun haciendo el análisis en el rango correcto el sistema es incapaz de encontrar determinados valores de Cl para dichos análisis. Este fallo no tiene una solución concreta, un cambio de Angulo de incidencia,  separar los planos, o repetir cierto rango de Nr pueden arreglarlo, pero no siempre funciona y simplemente tendremos que renunciar a esa parte del estudio.

Interpretación de los resultados. 

Después de esta introducción al uso del programa e introducidas sus respectivas geometrías, de los análisis de ambos aviones se obtienen sus respectivas polares en las que podemos observar una predicción aproximada de su comportamiento en vuelo. Tanto del Mix como del Vencejo podemos decir que volarán y que su comportamiento será estable como se desprende de los datos reflejados en las diferentes graficas que ofrece el sistema una vez concluido el estudio.

El sistema nos muestra las gráficas correspondientes a varios coeficientes relacionándolos entre si o con el ángulo de ataque.

graficas mix

Comparándolas podemos apreciar las diferencias entre ambos modelos. Comenzamos por la distribución de la sustentación, en esta grafica podemos ver qué zona del ala puede entrar en perdida primero y nos servirá en este caso como confirmación de una premisa del diseño de la planta alar, la misma en el Mix fue concebida como un multitrapecio con fuerte estrechamiento con el fin de ser lo más similar posible a una planta elíptica y del estudio de la distribución de la sustentación encontramos que el planteamiento es cierto, en efecto y es notable comparando ambas curvas que el ala del Mix está muy cerca de una distribución elíptica mientras que la del Vencejo, con una planta alar trapezoidal, no es tan eficiente. La razón de esto era reducir la resistencia  y eliminar en lo posible los vórtices de la punta del ala. En la representación 3D, activando la visualización de la resistencia inducida vemos como esta va disminuyendo hasta desaparecer en la punta del ala.

distribucion sustentacion vencejo a 0

 

distribucion mix

En principio ambas alas tenían el mismo perfil pero la necesidad de un Cl mayor en el Mix sugirió un cambio de perfil pasando del e168 al goe766, este último seguramente repercutiría en una menor velocidad teórica que luego se ha confirmado en el análisis, sin embargo el modelo podrá mantener un giro más sostenido sin hacer trabajar en exceso a la cola manteniendo la estabilidad.

Otra curva que podemos comparar es la del Cm0 donde podemos ver como en el Vencejo se da una pequeña tendencia a encabritarse que se corrige en cuanto el AoA supera los 0,5 grados. Como en el Vencejo el tren de aterrizaje es fijo de tipo convencional, se genera una resistencia que induce un ligero momento de picado que en la práctica compensa el Cm0 del avión.

vencejo aoa0.5

 

En el Mix, y dadas las características del perfil donde el Cm0 es mayor, con la disposición de las alas y el estabilizador, encontramos que Cm0 es igual a 0, cuando el ángulo de ataque se sitúa en el punto de máxima fineza del perfil.

cmo mix sin corregir

cmo mix corregido

Esta situación es buena para un velero en la que estaremos buscando un buen rendimiento en el planeo pero necesitamos una solución de compromiso que permita al avión alcanzar mayor velocidad manteniendo la estabilidad dinámica. Lo que sugiere el estudio es un cambio en la incidencia del estabilizador, de forma que el decalaje del mismo, es decir, el ángulo relativo entre el estabilizador y la línea media de la sección alar sea 0º. Cambiando la incidencia del estabilizador para lograr esta condición vemos que al repetir el análisis el Cm0 es prácticamente cero con la incidencia alar de 0,6 AoA de 0º.

Una cierta sorpresa se da al introducir el fuselaje en el análisis, como se ha mencionado causa alteraciones importantes al interactuar con los planos modificando la distribución de la sustentación y otros parámetros, uno de ellos es el coeficiente de cabeceo del avión. Si incluimos  el fuselaje en el análisis encontramos que influye en el modelo de forma que no es necesario modificar el decalaje del estabilizador, retornando a su posición original para situar el Cm0 en 0 con incidencia alar de 0,6°.Otro efecto de incluir el fuselaje es un aumento en la velocidad teórica de 10m/s

mix fuselaje

Por lo demás, las curvas nos hablan de que ambos modelos tienen relaciones Cl/Cd muy similares. Por las características de los perfiles usados el Mix tiene Cl mayores que el Vencejo y este último es potencialmente más rápido aunque con ciertos matices. La simulación inicial no incluía la torsión geométrica del ala y volviendo al modelo sin incluir el fuselaje hacemos algunas correcciones para comprobar que respuesta ofrece el análisis con la nueva configuración.

Las modificaciones implican al ala, se introducen en xflr5 los datos referentes a la torsión geométrica del ala modificando la misma en el módulo de diseño. esto implica una diferencia de 1.5º negativos con respecto a la raíz en la punta del ala. Que en vuelo a 0º de angulo de ataque implica que la raíz del ala esta a 0.6 º positivos, la punta lo hace a -0.9º. Por otra parte, la simulación sugiere un nuevo cambio en la incidencia del estabilizador para situarlo en 0.5º positivos.

resistencia punta ala mix corregidoEl resultado es que ahora el modelo es considerablemente mas rápido, ganando 20m/s a 0º hasta los 65 m/s, o lo que es igual unos 220 km/h. ESto es consecuencia de la reducción de la resistencia parásita del ala, que como puede verse en la imagen como trazos amarillos se reduce  de forma notable hacia la punta del ala.

La estabilidad mejora dejando que la curva del coeficiente de momento pase por 0 con la incidencia alar a 0.6º.

 

 

velocidad vencejo

Velocidad del Vencejo según AoA

Naturalmente estos resultados son teóricos y nos servirán como referencia para tomar decisiones  en la práctica  que es donde se podrá ver si se confirman estas características.

 

Fuente: Elaboración propia y Manual de Iniciación xflr5. De José Carlos García Hiniesta y Sergio Esteban Roncero.

Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla

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4 comentarios en “Análisis de aeromodelos con Xflr 5

  1. Buenos días.
    interesante el artículo.
    Quisiera hacer algunas preguntas:
    Tengo la versión 6, la descargué hace poco tiempo, en ella no puedo abrir más que los perfiles NACA que vienen en la pestaña «Foil», no puedo abrir ningún otro archivo. ¿Que se puede hacer?
    Por otra parte, estoy interesado en hacer un velero canard aprovechando el fuselaje de un funcub averiado, ¿que perfiles podria emplear en el canard y en el ala?

    Un saludo

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    • Los métodos posibles para meter
      un perfil en el programa son dos:
       Mediante un archivo .dat que incorpore la nube de puntos que corresponda a
      cada perfil.
       Mediante un asistente que incorpora una base de datos para ciertos perfiles
      con numerología característica, como los NACA.
      a) Método 1: mediante un archivo .dat
      Si no se tiene el archivo correspondiente al perfil, una base de datos muy completa se
      puede encontrar en http://aerospace.illinois.edu/m‐selig/ads/coord_database.html#R.
      Una vez descargado el archivo correspondiente, se elige la opción “Load File” desde el
      menú “File”. Una vez seleccionado el archivo del perfil en cuestión, se mostrará la
      distribución de puntos correspondiente al mismo en la pantalla principal.
      Puedes usar los mismos perfiles, placa plana o simétrico en el canard y el que la función del avión aconseje. En todo caso conviene fijar dos parámetros. Es mejor que el plano canard esté más alto en relación al eje que el ala. Por otro lado debe tener unos 3° positivos con respecto al ala.

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      • Buenos días,
        gracias por las respuestas.
        En cuanto al XFLR5, por alguna razón «cósmica» no se abrían los archivos .dat que probaba, seguramente pulsaba alguna tecla inadecuadamente.
        En cuanto al canard le preguntaba por algún perfil en particular para velero pues yo no tengo mucho conocimiento de cuales se utilizan para este fin.
        Un saludo.

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  2. Hola Gato! Estupendo análisis. Tenía pendiente la lectura, y me parece muy completo.
    Y cuando creas que tienes bastante, mete otro lote de Reynolds con la mitad de salto de ángulo del que has hecho hasta ahora 😊

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