Elliptic Aerofoil aerodynamics in a developed PIV facility

Abstract

El presente trabajo evalúa el comportamiento aerodinámico de un perfil elíptico de bajo espesor a números de Reynolds bajos por medio de las técnicas velocimetría por imágenes de partículas (PIV) y anemometría de hilo caliente (HWA). Esta investigación requirió el diseño u construcción de un túnel de viento de baja velocidad para llevar a cabo la campaña de medidas, en particular las realizadas con PIV. El desarrollo de la instalación experimental para obtener una descripción física del comportamiento del flujo alrededor y detrás del álabe fue uno de los hitos más importantes a lo largo de esta investigación. Se diseñó una nueva geometría de tobera para este propósito específico, y se realizó un extenso estudio que verificase su buen comportamiento. Los resultados obtenidos con CFD mostraron los efectos favorables del perfil sobre el flujo, en comparación con los ofrecidos por otros tres perfiles extraídos de la bibliografía. Medidas hechas con hilo caliente corroboraron estos resultados. El trabajo metodológico incluyó también el desarrollo de procedimientos para las pedidas de PIV, además de software para el análisis de los datos y la estimación de incertidumbres experimentales. Los efectos del ángulo de ataque sobre el flujo han sido analizados mediante medidas con PIV del flujo alrededor del álabe y en la estela para 0º, 5º, 10º and 15º. Debido a que estudios previos mostraron la autosimilitud de las distribuciones normalizadas de velocidad para distintas velocidades y rugosidades superficiales, solamente se estudió en profundidad un número Reynolds (calculado en base a la cuerda del perfil). La base de datos experimental adquirida con PIV permitió el estudio de campos de velocidades comprendiendo las componentes vertical y horizontal, obtenidas directamente de las medidas, así como distintas variables derivadas como la vorticidad y la turbulencia. También se acometió la visualización del flujo, lo que permitió obtener una visión en profundidad de los fenómenos que tenían lugar como son las estructuras coherentes, las capas límite y las burbujas laminares. Por último se realizó una campaña intensiva de medidas con hilo caliente en la estela del álabe, con más de 2000 medidas en 380 posiciones. Los resultados obtenidos se emplearon para aportar información adicional sobre las escalas de turbulencia, las características de la estela y la generación de estructuras verticales, además de para verificar la exactitud de los datos de PIV. Asimismo, se ha elaborado un breve cálculo del coeficiente de arrastre y del ángulo de entrada en pérdida del álabe. The present work assesses the aerodynamic performance at low-Reynolds number of a slender elliptic aerofoil by means of particle image velocimetry (PIV) and hot-wire anemometry (HWA) techniques. This investigation required the design and construction of a low-speed wind tunnel to perform the measurement campaign, in particular with PIV. The development of the experimental facility to obtain a physical description of the flow behaviour around and behind the aerofoil was one of the main milestones throughout this research. A new nozzle profile was designed for this specific purpose and an extensive study that verified its good performance was conducted. CFD results showed favourable effects of the profile over the flow, compared to other three profiles extracted from the literature. Hot-wire measurements has corroborated these results. The methodology work included also the development of the procedures for the PIV measurements, together with the software for the analysis of the data, and the estimation of the experimental uncertainties. The effects of the angle of attack on the flow have been analysed with PIV measurements of the flow around the aerofoil and in the wake at 0º, 5º, 10º and 15º. Only one chord-based Reynolds number was extensively studied because previous tests confirmed the self-similarity of the normalized velocity distributions with different velocities and surface roughness. The experimental database acquired with PIV have enabled the study of velocity fields comprising the streamwise and the vertical component, obtained directly from the measurements, as well as different derived variables as the vorticity and the turbulence. Flow visualization was carried out giving and in-depth vision of the flow phenomena such as coherent structures, boundary layers and laminar bubbles. An intensive hot-wire test campaign was performed in the aerofoil wake, with more than 2000 measurements on 380 positions. Results were used to give extra information about turbulent scales, wake characteristics and generation of vortical structures, as well as to verify the accuracy of the PIV data. In addition, a brief calculation has been made of the drag coefficient and the stall angle of the aerofoil.