Métodos y sistemas para optimizar el diseño de superficies aerodinámicas.

Incluyen en el proceso de diseño de la superficie aerodinámica de un cuerpo (41) que se mueve a través de un campo fluido pasos de: a) preparación de una simulación CFD de dicho cuerpo (41); b) resolución del cálculo CFD para unas determinadas condiciones del campo fluido y obtención de las líneas de corriente (51) del flujo sobre dicha superficie; c) cálculo de al menos una variable geométrica de la superficie, tal como la curvatura normal, según la dirección de dichas líneas de corriente (51) y adicionalmente de al menos una variable relevante del flujo aerodinámico, tal como el gradiente de presión; d) visualización simultánea de la superficie de dicho cuerpo (41) y de dicha al menos una variable geométrica y, adicionalmente, de dicha al menos una variable del flujo aerodinámico.

Metodos y sistemas para optimizar el diseño de superficies aerodinámicas

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a métodos y sistemas para optimizar el diseño de superficies de cuerpos que se mueven en un medio fluido y, más en particular, a métodos y sistemas para optimizar el diseño de superficies de aeronaves.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Actualmente el diseño de aeronaves se realiza usando Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) y Ensayos en Túnel de Viento (WTT) , siendo una tendencia actual la reducción de ensayos en túnel y el incremento de la simulación. Las ventajas de la simulación con CFD son significativas ya que se reduce el tiempo necesario para obtener una solución y permite alcanzar soluciones más optimizadas gracias a la flexibilidad y automatismo del proceso.

Un cálculo CFD necesita un modelo discreto en 3D de la aeronave y el espacio circundante y un resolvedor CFD implementado en ordenador. El modelo discreto de la aeronave se crea utilizando uno o más programas de ordenador para desarrollar una malla volumétrica, donde la geometría de la aeronave está dividida en subdominios para la aplicación de condiciones de contorno del problema fluidodinámico. El resolvedor CFD permite llevar a cabo los cálculos CFD relevantes para dicho modelo discreto.

La Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) permite la realización de cálculos detallados de cualquier sistema en el cual intervengan fluidos, mediante la resolución de las ecuaciones fundamentales de conservación de materia, energía y cantidad de movimiento para la geometría particular de cada sistema considerado. Los resultados que se obtienen son los valores de todas las variables que caracterizan el campo fluido (velocidad, presión, temperatura, composición, etc.) en cada uno de los puntos del mismo.

En ese sentido, los métodos de simulación conocidos que se utilizan para la optimización del diseño de superficies aerodinámicas siguen las etapas del diagrama representado en la Figura 1.

En la primera etapa 11 se define la geometría inicial de la superficie en cuestión, generalmente en un entorno CAD, a partir de planos 2D o bocetos que contienen sus características fundamentales.

En la segunda etapa 13 se genera una malla computacional. El dominio en cuestión queda pues discretizado en pequeñas celdas que pueden tener diversas formas. La complejidad de la física involucrada junto al tamaño del dominio define a grandes rasgos el tamaño del problema y la potencia de cálculo necesaria. La densidad de nodos puede cambiar de unas regiones a otras debiendo acumular un mayor número de ellos en las zonas donde se esperan fuertes variaciones de alguna variable.

En la tercera etapa 15 se resuelven las ecuaciones que gobiernan las variables de interés para el diseño de la superficie en cada uno de los elementos de la malla computacional generada en el paso anterior. Puesto que las ecuaciones son en derivadas parciales previamente hay que convertirlas en ecuaciones algebraicas (introduciendo errores numéricos de discretización y truncación) utilizando los esquemas numéricos más adecuados. Así se pasa de tener un conjunto de ecuaciones en derivadas parciales sobre un espacio continuo (x, y, z, t) a un sistema finito de ecuaciones algebraicas con variables independientes discretas (x[i], y[i], z[i], t[j]) .

En la cuarta etapa 17 se analizan los resultados obtenidos y si la distribución de los valores de las funciones objetivo no es satisfactoria se procede un ciclo iterativo cuyo primer paso 19 es modificar la malla computacional y los siguientes son la repetición de la tercera y cuarta etapas 15, 17 para realizar los cálculos CFD y analizar sus resultados en relación con la malla modificada en el paso 19. Una vez que se alcanzan buenos resultados, se pasa a la etapa final 21 en la que hay que se obtiene la definición geométrica de la superficie “optimizada” a partir de la malla computacional.

Como se deduce de lo expuesto, en ese proceso de diseño no hay ninguna ligazón entre el análisis geométrico y el análisis de la simulación. El proceso parte de una definición geométrica y termina con una geometría modificada pero la modificación no es el resultado de un análisis geométrico sino del análisis de la simulación. Ello se traduce en un mayor coste y duración de los procesos de diseño.

La presente invención está orientada a la solución de este inconveniente.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Es un objeto de la presente invención proporcionar métodos y sistemas para que en los procesos de diseño de superficies aerodinámicas se puedan conjugar la simulación CFD y el análisis geométrico.

Es otro objeto de la presente invención proporcionar métodos y sistemas que permitan al diseñador de superficies aerodinámicas visualizar, junto a la geometría de la superficie, características aerodinámicas relevantes de la misma.

Es otro objeto de la presente invención proporcionar métodos y sistemas que permitan reducir el coste del diseño de superficies aerodinámicas.

En un aspecto, esos y otros objetos se consiguen proporcionando un método asistido por ordenador para optimizar el diseño de una superficie de un cuerpo que se mueve en el seno de un campo fluido que comprende pasos de:

a) Preparación de una simulación CFD de dicho cuerpo.

b) Resolución del cálculo CFD para unas determinadas condiciones del campo fluido y obtención de las líneas de corriente del flujo sobre dicha superficie.

c) Cálculo de al menos una variable geométrica de la superficie según la dirección de dichas líneas de corriente.

d) Visualización simultánea de la superficie de dicho cuerpo y de dicha al menos una variable geométrica.

En una realización preferente de la invención dicha variable geométrica es la curvatura normal. Se consigue con ello que diseñador pueda visualizar conjuntamente con la superficie del cuerpo la variación de una variable geométrica muy relevante desde el punto de vista aerodinámico.

En otra realización preferente en los pasos c) y d) también se calcula y visualiza al menos una característica del flujo aerodinámico, tal como el gradiente de presión, a lo largo de las líneas de corriente. Se consigue con ello proporcionar al diseñador una información complementaria relevante para optimizar el diseño de la superficie aerodinámica.

En una realización preferente de la invención la representación gráfica de dichas variables se lleva a cabo sobre la propia superficie del cuerpo (a través, por ejemplo, de la utilización de códigos de colores) . Se consigue con ello facilitar la identificación de zonas particulares susceptibles de optimización.

En otra realización preferente de la invención la representación gráfica de dichas variables se lleva a cabo sobre las propias líneas de corriente (a través, por ejemplo, de la utilización de códigos de colores) . Se consigue con ello facilitar la identificación de las modificaciones a llevar a cabo para optimizar la superficie.

En otro aspecto, los objetos mencionados se consiguen proporcionando un sistema para optimizar el diseño de una superficie de un cuerpo que se mueve a través de un campo fluido que comprende:

a) Un módulo CAD para visualizar dicha superficie así como características geométricas o físicas asociadas a ella.

b) Un módulo CFD en 3D implementado en ordenador para obtener las líneas de corriente sobre dicha superficie para unas determinadas condiciones del campo fluido.

c) Un modulo de cálculo con medios aptos para:

c1) Recibir del Módulo CFD datos geométricos de dichas líneas de corriente.

c2) Calcular al menos una variable geométrica de la superficie según la dirección de dichas líneas de corriente.

c3) Transmitir los cálculos de dicha al menos una variable geométrica al módulo CAD para su visualización.

En una realización preferente, dicha variable geométrica es la curvatura. Se consigue con ello que diseñador pueda visualizar conjuntamente con la superficie del cuerpo la variación de una variable geométrica muy relevante desde el punto de vista aerodinámico.

En realizaciones preferentes de la invención en el...

1. Un método asistido por ordenador para optimizar el diseño de una superficie de un cuerpo (41) que se mueve a través de un campo fluido, caracterizándose el método por comprender pasos de:

a) preparación de una simulación CFD de dicho cuerpo (41) ;

b) resolución del cálculo CFD para unas determinadas condiciones del campo fluido y obtención de las líneas de corriente (51) del flujo sobre dicha superficie;

c) cálculo de al menos una variable geométrica de la superficie según la dirección de dichas líneas de corriente (51) ;

d) visualización simultánea de la superficie de dicho cuerpo (41) y de dicha al menos una variable geométrica.

2. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha al menos una variable geométrica es la curvatura normal.

3. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque en los pasos c) y d) también se calcula y visualiza al menos una variable del flujo aerodinámico según la dirección de dichas líneas de corriente (51) .

4. Un método según la reivindicación 3, caracterizado porque dicha al menos una variable del flujo aerodinámico es el gradiente de presión.

5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque dichas variables geométricas y del flujo aerodinámico se visualizan gráficamente sobre la propia superficie del cuerpo (41) .

6. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque dichas variables geométricas y del flujo aerodinámico se visualizan gráficamente sobre las líneas de corriente (51) .

7. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque el fluido es un fluido viscoso y las líneas de corriente (51) consideradas incluyen las líneas de fricción locales y/ó las proyecciones sobre la superficie de las líneas de corriente exteriores a la capa límite.

8. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque el fluido es un fluido no viscoso y las líneas de corriente (51) consideradas son las líneas de corriente local del flujo sobre la superficie.

9. Un método asistido por ordenador según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque dicha superficie es una superficie perteneciente a una aeronave.

10. Un programa de ordenador adaptado para ejecutar el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.

11. Un sistema para optimizar el diseño de una superficie de un cuerpo (41) que se mueve a través de un campo fluido que comprende:

b) un módulo CAD para visualizar dicha superficie así como características geométricas o físicas asociadas a ella;

a) un módulo CFD en 3D implementado en ordenador para obtener las líneas de corriente (51) sobre dicha superficie para unas determinadas condiciones del campo fluido;

caracterizado porque también comprende un módulo de cálculo con medios aptos para:

c1) recibir del modulo CFD datos geométricos de dichas líneas de corriente (51) ;

c2) calcular al menos una variable geométrica de la superficie según la dirección de dichas líneas de corriente (51) ;

c3) transmitir los cálculos de dicha al menos una variable geométrica al módulo CAD para su visualización.

12. Un sistema según la reivindicación 11, caracterizado porque dicha variable geométrica es la curvatura normal.

13. Un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 11-12, caracterizado porque dicho módulo de cálculo también comprende medios para calcular al menos una variable del fluido aerodinámico según la dirección de dichas líneas de corriente (51) y transmitir los resultados al módulo CAD para su visualización.

14. Un sistema según la reivindicación 13, caracterizado porque dicha variable del fluido aerodinámico es el gradiente de presión.

15. Un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 11-14, caracterizado porque superficie es una superficie perteneciente a una aeronave.