Dimensionless analysis of vortex generation in high performance semiflexible aerodynamic structures

Abstract

La caracterización de sistemas aerodinámicos de alto desempeño continúa representando uno de los principales desafíos de la mecánica de fluidos contemporánea debido a la interacción entre la geometría, la organización del flujo y la generación de estructuras vorticales coherentes bajo condiciones altamente turbulentas. En este contexto, la presente investigación propone un marco de interpretación física basado en parámetros adimensionales para analizar los mecanismos responsables de la generación de vórtices en configuraciones aerodinámicas geométricamente diferentes, representadas por un alerón delantero de Fórmula 1 Williams FW43 y una vela alar semiflexible AC72.

La metodología se fundamenta en simulaciones numéricas de alta fidelidad mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), empleando Large Eddy Simulation (LES) con una estrategia de inicialización RANS implementada en OpenFOAM. El análisis se desarrolla a partir de la caracterización de los campos de presión y velocidad, la organización de la estela, la distribución de vorticidad, la identificación de estructuras vorticales mediante el criterio Q y la evaluación de métricas adimensionales relacionadas con la redistribución de presión, el transporte de cantidad de movimiento, la persistencia vortical, la enstrofía y la circulación de la estela.

Los resultados muestran que, a pesar de las diferencias geométricas y operacionales entre ambas configuraciones, la organización del flujo responde a mecanismos físicos comparables gobernados por la interacción entre la geometría y las estructuras vorticales coherentes. Desde esta perspectiva, la redistribución de presión, el desarrollo de la estela y el transporte de energía pueden interpretarse mediante un conjunto consistente de descriptores adimensionales que permiten establecer relaciones físicas entre configuraciones aerodinámicas distintas sin asumir una equivalencia aerodinámica directa.

Finalmente, se propone un marco de caracterización funcional basado en parámetros adimensionales que prioriza la interpretación física de la organización del flujo sobre el análisis exclusivo de coeficientes aerodinámicos o descriptores espectrales. Este enfoque proporciona una metodología consistente para el análisis comparativo de configuraciones aerodinámicas complejas bajo restricciones computacionales realistas y contribuye a una comprensión más profunda de los mecanismos físicos que gobiernan la generación de estructuras vorticales, la reorganización de la estela y el desempeño aerodinámico de sistemas de alto rendimiento.