Aerodinámica General I Facultad de Ingeniería UNLP Guía Práctica Xfoil Contenido 1 Introducción .............................................................................................................. 2 2 Formulaciones teóricas .............................................................................................. 2 3 4 5 2.1 Formulación No viscosa .................................................................................... 3 2.2 Formulación Inversa .......................................................................................... 3 2.3 Formulación Viscosa ......................................................................................... 3 Ejecución del programa ............................................................................................. 3 3.1 Unidades ............................................................................................................ 5 3.2 Geometría perfil ................................................................................................. 5 3.3 Calculo de perfil ................................................................................................. 7 3.4 Recomendaciones ............................................................................................ 12 Ejemplos de cálculo ................................................................................................ 13 4.1 Calculo de distribución de presiones para un perfil NACA 2412. .................. 13 4.2 Grafica de coeficientes aerodinámicos para un perfil NACA 2412 ................ 14 Bibliografía.............................................................................................................. 16 1 1 Introducción Esta guía sirve como un apoyo al uso del software conocido como Xfoil1, en ningún momento intenta reemplazar al material original que se puede descargar de forma gratuita de la página del mismo2. Xfoil es un programa interactivo diseñado para el análisis perfiles aerodinámicos. Funciona mediante una serie de rutinas las cuales realizan varias funciones tales como: - - - Análisis viscoso o no viscoso de un perfil, permitiendo: o Transición libre o forzada o Determinación de burbuja de separación o Separación de borde de fuga. o Predicción de sustentación y resistencia debajo del πΆππππ₯ Diseño y rediseño de perfiles mediante la especificación de la distribución de velocidades sobre el mismo. Diseño y rediseño de perfiles mediante la especificación de nuevos parámetros geométricos tales como: o Máximo espesor y/o curvatura o Radio de borde de ataque o Espesor de borde de fuga o Línea media o Deflexión de flap o Contorno geométrico (mediante el mouse) Mezcla de perfiles Cálculos de la polar con Reynolds y/o Mach fijos o variables Lectura y escritura de geometría y polares de perfiles Dibujos de geometría, distribución de presiones y polares. Xfoil 1.0 fue escrito por Mark Drela en 1986 y su código fuente es Fortran 77. Lo destacable de este software es la combinación de la velocidad y precisión del método de paneles con nuevos métodos de interacción viscosos/no-viscosos totalmente acoplados usados en el código ISES desarrollado por Drela y Giles. Después de muchas iteraciones e interacciones de profesionales se liberó al público de forma gratuito la versión 6.9 en el año 2000 y se fueron arreglando problemas hasta la versión actual la 6.99 liberada en el 2013, los programadores no tienen previstas nuevas versiones al software. En el manual original dejaron una nota hacia los programadores “Xfoil no tiene exactamente la implementación más limpia pero no es mala teniendo en cuenta las modificaciones sufridas en su breve historia. Siéntete libre de ensuciarte con el código tanto como quieras, siempre que todo se haga bajo el acuerdo GPL. Drela y Youngren no ayudaran en cualquier modificación del código, debido a que cada uno tiene una docena de proyectos esperando. Procede bajo tu propio riesgo”. 2 Formulaciones teóricas La metodología general de Xfoil se encuentra descripta en: 2 XFOIL: An Analysis and Design System for Low Reynolds Number Airfoils, Conference on Low Reynolds Number Airfoil Aerodynamics; Drela, M; University of Notre Dame; June 1989. También aparece en Low Reynolds Number Aerodynamics. T.J. Mueller (Editor); Lecture Notes in Engineering #54; Springer Verlag. 1989; ISBN 3-540-51884-3; ISBN 0-387-51884-3. La capa limite usada por Xfoil se encuentra en Viscous-Inviscid Analysis of Transonic and Low Reynolds Number Airfoils; Drela, M. and Giles, M.B.; AIAA Journal; 25(10); pp.1347-1355; October 1987. La forma del borde de fuga se ve en Integral Boundary Layer Formulation for Blunt Trailing Edges; Drela, M.;Paper AIAA89-2166; August 1989. Otra literatura relacionada en la bibliografía 3,4,5. 2.1 Formulación No viscosa La formulación no viscosa de Xfoil es un método de paneles simple. Se modela un borde de fuga finito con un panel fuente, las ecuaciones se cierran con una condición explicita de Kutta. Tiene un modelo de compresibilidad de Karma Tsien permitiendo buenas predicciones compresibles. El modelo no sirve en flujo supersónico y pierde validez en el rango transónico (M>0,6), tampoco modela ondas de choque. 2.2 Formulación Inversa Xfoil tiene dos tipos de formulaciones inversas Full-Inverse y Mixed-Inverse. La primera calcula la geometría del perfil basándose en la distribución de velocidades sobre el mismo. La formulación mixta (Mixed-Inverse) es la no viscosa pero en vez de ser incógnitas los vórtices de los paneles, ahora las coordenadas de los nodos son las incógnitas donde se dé la distribución de velocidades. Esta formulación no se verá en esta guía. 2.3 Formulación Viscosa La capa limite y las ondas son definidas mediante una formulación de dos ecuaciones integrales de capa limite y un criterio de transición π π 6. La solución viscosa interactúa fuertemente con el flujo potencial incompresible mediante el modelo de transpiración. La resistencia se determina mediante el espesor de la onda aguas abajo. 3 Ejecución del programa Una vez abierto el programa aparece el siguiente menú de opciones 3 Fig. 1. Menú principal de Xfoil Los comandos precedidos por un “punto” (Ej. .OPER) llevan al usuario a otra subsección del programa. A los comandos seguidos por una letra minúscula es necesario ingresarles una entrada dependiendo de la letra: - i r f s Entero Real Nombre completo de archivo (nombre.dat) Cadena de caracteres En el caso que indique dos letras minúsculas es necesario ingresarle dos datos. El resto de los comandos funcionan directamente. Es importante destacar que el programa no distingue en mayúsculas o minúsculas a la hora de ejecutar comandos. Para ejecutar un comando se debe escribir el nombre que figura y presionar enter. Xfoil presenta una opción rápida con ciertos comandos en los cuales solo ingresando las letras mayúsculas del nombre se ejecuta el mismo. Si no se recuerda la sección en la que uno se encuentra basta con escribir en el programa “?” para que muestre la misma. 4 3.1 Unidades Xfoil obtiene los coeficientes aerodinámicos (πΆπ , πΆπ , πΆπ ) normalizando las fuerzas y momentos con la presion dinámica, asume que la cuerda es 1, hay que tener cuidado si se trabaja con coordenadas no normalizadas. El número de Reynolds se define como el cociente entre la velocidad y la viscosidad cinemática. En la Tabla 1 se muestra la definición normal de lo mencionada y la definición de Xfoil Tabla 1 Convención normal Xfoil πΏ πΏ πͺπ π∗π π π· π· πͺπ π∗π π π π πͺπ π ∗ π2 π π∗π π πΉπ π π 3.2 Geometría perfil Típicamente se arranca con el comando LOAD o NACA para crear la geometría del perfil. El comando NACA necesita un número entero como entrada. El comando LOAD necesita un nombre de archivo de coordenadas del perfil, el cual debe estar en la misma carpeta que el programa. La entrada al comando se ingresa luego de este mediante un espacio, si no se ingresa de esa forma generara un aviso pidiendo el argumento de entrada. En la Tabla 2 se muestra las 4 formas de ingresar un perfil en Xfoil Tabla 2. Ingreso geometría del perfil Ejemplo NACA Ejemplo LOAD 3.2.1 XFOIL c> NACA 4415 XFOIL c> NACA Enter NACA 4 or 5-digit airfoil designation XFOIL c> LOAD e387.dat XFOIL c> LOAD Enter Filename i> 4415 s> e387.dat Formato archivo de geometría. Xfoil reconoce 4 formatos de geometría: Plain, Labeled, ISES, MSES. Todas las líneas del archivo tienen validez excepto aquellas que comienzan con “#” que se ignoran. - Formato Plain Este es el más común de todos, el cual indica en dos columnas las coordenadas X e Y del perfil, comienza en el borde de fuga avanza hasta el borde de ataque y termina en el de fuga, sin líneas vacías. 5 X(1) X(2) . . X(N) - Y(1) Y(2) . . Y(N) Formato Labeled Es el mismo que el anterior pero en la primera fila lleva el nombre del perfil NACA 0012 X(1) Y(1) X(2) Y(2) . . Este es el formato más conveniente de usar. Al colocar el nombre en la primera fila Fortram reconoce el mismo como una cadena de caracteres, si el perfil comienza con una T o una F es recomendable modificar el mismo y agregar algún carácter antes, esto es debido a que Fortram puede reconocer estas letras como variables lógicas. - Formato ISES Al formato Labeled se le agrega una fila luego del nombre indicando el dominio de la grilla NACA 0012 -2.0 3.0 -2.5 3.0 X(1) Y(1) X(2) Y(2) . . - Formato MSES Es similar al ISES pero puede contener muchos perfiles en el mismo archivo, todos separados por la línea 999.0 999.0 Al usuario se le consultara que perfil quiere cargar. Se recomienda obtener el archivo en formato Labeled, estos se pueden obtener de la página web de UIUC Airfoil Coordinates Database 7, si se obtiene de otro lado buscarlo con el nombre de formato Selig. 3.2.2 Mallado del perfil Para ello se trabaja con 2 comandos PANE y .PPAR. El primero genera una malla estándar en el programa con 160 puntos distribuidos sobre el perfil, al ejecutar el comando se muestran los detalles del mallado. Fig. 2. Detalles del mallado El comando .PPAR como esta precedido por un punto nos lleva a otra sección, en esta sección podremos modificar los detalles del mallado. Con ello se puede lograr refinar secciones de interés como el borde de ataque, de fuga, zona de pérdida, zona de 6 generación de burbujas, etc. Al activar este comando se mostrara un gráfico del perfil y la distribución de paneles sobre el mismo Fig. 3. Distribución de paneles 3.3 Calculo de perfil Para ingresar al módulo de cálculo se debe ingresar el comando OPER, este abrirá una subsección con los siguientes comandos. <cr> ! Return to Top Level Redo last ALFA,CLI,CL,ASEQ,CSEQ,VELS Visc r .VPAR Re r Mach r Type i ITER INIT Toggle Inviscid/Viscous mode Change BL parameter(s) Change Reynolds number Change Mach number Change type of Mach,Re variation with CL Change viscous-solution iteration limit Toggle BL initialization flag Alfa r Prescribe alpha CLI r Prescribe inviscid CL Cl r Prescribe CL ASeq rrr Prescribe a sequence of alphas CSeq rrr Prescribe a sequence of CLs SEQP Toggle polar/Cp(x) sequence plot display CINC Toggle minimum Cp inclusion in polar HINC Toggle hinge moment inclusion in polar Pacc i Toggle auto point accumulation to active polar PGET f Read new polar from save file PWRT i Write polar to save file PSUM Show summary of stored polars PLIS i List stored polar(s) PDEL i Delete stored polar PSOR i Sort stored polar PPlo ii. Plot stored polar(s) APlo ii. Plot stored airfoil(s) for each polar ASET i Copy stored airfoil into current airfoil 7 PREM ir. Remove point(s) from stored polar PNAM i Change airfoil name of stored polar PPAX Change polar plot axis limits RGET f RDEL i Read new reference polar from file Delete stored reference polar GRID CREF FREF Toggle Cp vs x grid overlay Toggle reference Cp data overlay Toggle reference CL,CD.. data display CPx CPV .VPlo .ANNO HARD SIZE r CPMI r Plot Cp vs x Plot airfoil with pressure vectors (gee wiz) BL variable plots Annotate current plot Hardcopy current plot Change plot-object size Change minimum Cp axis annotation BL i BLC BLWT r Plot boundary layer velocity profiles Plot boundary layer velocity profiles at cursor Change velocity profile scale weight FMOM FNEW rr VELS rr DUMP f CPWR f CPMN NAME s NINC Calculate flap hinge moment and forces Set new flap hinge point Calculate velocity components at a point Output Ue,Dstar,Theta,Cf vs s,x,y to file Output x vs Cp to file Report minimum surface Cp Specify new airfoil name Increment name version number Si se quiere volver a la sección anterior se presiona enter sin ingresar ningún comando. Como se observa la subsección oper esta ordenado en pequeñas subsecciones. Se explicará el uso y funcionamiento de los comandos más usuales 3.3.1 Visc r Permite activar el modo viscoso de Xfoil, el cual genera una capa límite alrededor del perfil y deja de ser un cálculo enteramente potencial. Al activar este comando nos pide que ingresamos el número de Reynolds 3.3.2 .VPAR Nos lleva a una subsección que nos permite modificar parámetros de la capa limite, un parámetro importante es la transición de la capa limite, esta puede ser forzada (ingresando una posición) o libre mediante el método π π (esta está por defecto). Este último método pide al usuario ingresar un valor de “Ncrit” el cual es el logaritmo del factor de amplificación de la frecuencia más amplificada que genera la transición. Depende del nivel de turbulencia ambiente, valores típicos de Ncrit son Tabla 3. Ncrit Situación Planeador Moto planeador Túnel de viento de baja turbulencia Túnel de viento con turbulencia media Túnel de viento con alta turbulencia Ncrit 12 – 14 11 – 13 10 – 12 9 (esta por defecto) 4–8 8 3.3.3 Re r y Mach r Sirven para ingresar y/o modificar número de Reynolds y Mach. Estos debido a que Xfoil utiliza un método compresible y viscoso. 3.3.4 ITER Cambia el límite de iteración para llegar a la solución viscosa (por defecto 10). 3.3.5 INIT Reinicia el cálculo y no utiliza el resultado anterior. 3.3.6 Alfa r Permite ingresar el valor de ángulo de ataque a calcular. Al ingresar un ángulo de ataque aparece un gráfico del perfil con su distribución de coeficiente de presiones Fig. 4, si está activado el modulo viscoso en línea punteada aparece la formulación potencial y en línea solida la formulación viscosa. Además indica el perfil calculado, Reynolds, coeficientes aerodinámicos y Ncr. Fig. 4. Distribución de presiones perfil. 3.3.7 CLI r y Cl r Permite ingresar un valor de coeficiente de sustentación no viscoso (CLI) y viscoso (CL) y determina el ángulo de ataque al cual corresponde y grafica la distribución de presiones al igual que el comando anterior. 3.3.8 Aseq rrr y CSeq rrr Se usa para ingresar una secuencia de valores de ángulo de ataque o coeficiente de sustentación. El comando pide el ángulo de inicio, el ángulo final y el paso (diferencia entre dos ángulos consecutivos). El programa va resolviendo cada ángulo de ataque y los va graficando uno encima de otro sobre el mismo gráfico, devolviendo a la vez una tabla de coeficientes aerodinámicos. 9 Fig. 5. Resultados secuencia de alfa 3.3.9 SEQP Al realizar una secuencia de ángulos de ataque o πΆπ permite elegir el grafico mostrado, entre el de coeficiente de presiones o la de coeficientes aerodinámicos, este último está compuesto por 4 gráficos πΆπ π£π πΆπ , πΆπ π£π πΌ, πΆπ π£π πΌ y la posición de transición de la capa limite normalizada con la cuerda del intradós y extrados. Fig. 6. Gráfico de coeficientes aerodinámicos 10 3.3.10 CINC Con este comando se agrega el coeficiente de presiones mínimo a la tabla de resultados. 3.3.11 Pacc i Permite activar la polar en Xfoil, esto se utiliza para acumular puntos de un perfil y podes graficarlos y/o guardarlos. Este paso es necesario para extraer los datos luego del Xfoil. Se pueden activar diferentes programas al mismo tiempo para trabajar con distintas configuraciones. Los siguientes comandos son para trabajar sobre la/s polar/es, si al costado del comando pide ingresar un entero “i” se debe ingresar el número de la polar que se quiera analizar. 3.3.12 PGET i Permite cargar una polar que se creó y guardo en el pasado. 3.3.13 PWRT i Guarda la polar activa en un archivo de texto, pide el nombre del archivo con el cual se guarda y se lee con algún editor de texto. 3.3.14 PSUM Muestra en una tabla las polares que se crearon y/o cargaron en esta sesión y algunas características de ellas (Reynolds, Mach, Ncrit, transición forzada) 3.3.15 PLIS i Muestra en una tabla los cálculos que se han realizado en esa polar en la sesión activa. Es lo que se guarda si se utiliza el comando PWRT. 3.3.16 PDEL i Borra la polar solicitada 3.3.17 PSORT i Ordena los datos dentro de la polar, no es necesario calcular los ángulos de ataque en orden ascendente o descendente, luego se ordenan. 3.3.18 PPlo ii Grafica los coeficientes aerodinámicos Fig. 6, si se ingresa un número luego del comando grafica solo esa polar, sino graficara todas con diferentes colores. 3.3.19 APlo ii Grafica el perfil aerodinámico de las polares guardadas, si es el mismo para diferentes polares los grafica encimados. 3.3.20 PREM ir Borra puntos de cálculo dentro de la polar. 3.3.21 PPAX Permite modificar los límites de los gráficos de las polares. 3.3.22 GRID Coloca una grilla sobre el gráfico de coeficiente de presiones. 3.3.23 CPx Grafica el coeficiente de presiones sobre el perfil. 3.3.24 CPV Grafica vectores de presión sobre el perfil 11 3.3.25 BL i Grafica el perfil de velocidad de la capa limite sobre el perfil. Fig. 7. Perfil de velocidades capa límite 3.3.26 BLC Permite graficar el perfil de velocidad de la capa límite en determinados lugares, para ellos se ingresa el comando y luego se hace clic en donde se quiera graficar. 3.3.27 Z y U Estos comandos no son exclusivos de oper sino que se pueden utilizar en todo momento. El comando Z permite agrandar una parte del grafico para verla con más detalle, para ello debemos hacer click en 2 esquinas de la diagonal de un rectángulo que se quiera agrandar y el comando U deshace lo anterior. 3.4 Recomendaciones El código de Xfoil no es perfecto y requiere un nivel de conocimiento aerodinámico y sentido común por parte del usuario. Por lo que se recomienda lo siguiente a la hora de realizar cálculos, en especial viscosos: - - Realizar una buena discretizaciòn del perfil en las zonas peligrosas, como donde está el pico de presión y la burbuja de separación. No realizar cambios abruptos de ángulo de ataque, ya que Xfoil utiliza los resultados de cálculos anteriores como inicio y funciona mejor y más rápido si los cambios son pequeños. Siguiendo el punto anterior cuando el cálculo es cercano a πΆππππ₯ , es recomendable ir de a pequeños pasos. Si se quiere realizar un cambio brusco de ángulo de ataque es recomendable reiniciar todo mediante el comando INIT. Si el modo viscoso no llega a una solución es recomendable utilizar el comando INIT y reiniciar el cálculo en el último punto en el cual se llegó a una solución. Si el modo viscoso no llega a una solución también se puede aumentar el número de iteraciones con el comando ITER, por defecto es 10. No es recomendable excederse con el número de ITER porque si el programa no llega a una solución el cálculo va a ser largo. 12 4 Ejemplos de cálculo 4.1 Calculo de distribución de presiones para un perfil NACA 2412. Se explicara por pasos como obtener la distribución de presiones en un perfil NACA 2412 a un número de Reynolds de 2 millones. Carga del perfil - Abrir Xfoil mediante su ejecutable Cargar el perfil mediante el comando NACA, ingresar el número del perfil. Mediante el comando PPAR se modifica la malla del perfil. Se cambia el número de paneles el comando N, se pone 300 paneles en el perfil. Ejecutar el comando OPER para abrir el módulo de calculo - XFOIL c> NACA 2412 XFOIL c> PPAR Change what ? (<cr> if nothing else) c> N Enter number of panel nodes i> 300 XFOIL c> OPER En la siguiente imagen se ve el cambio de mallado del perfil. Fig. 8. Mallado perfil NACA 2412 Calculo Una vez ejecutado el comando oper aparece el módulo de cálculo. - Ejecutar el comando Visc si se quiere utilizar el modulo viscoso. Ingresar número de Reynolds. Ingresa el ángulo de ataque mediante el comando Alfa, para este ejemplo 2º. Si se quiere otro ángulo de ataque basta con ingresar nuevamente el comando alfa y el ángulo. .OPERi c> VISC Enter Reynolds number r>2000000 M = 0.0000 Re = 2000000 .OPERv c> ALFA 2 En Fig. 9 se ve el resultado de lo desarrollado. En línea punteada se observa el resultado no viscoso y en línea llena el viscoso, se ve que hay pequeñas diferencias 13 entre ellos, a medida que los efectos viscosos predominan el resultado no viscoso pierde validez como se observa en la Fig. 10. Fig. 9. Resultado coeficiente de presiones NACA 2412 πΆ = 2º Fig. 10. Resultado coeficiente de presiones NACA 2412 πΆ = ππ° Estos resultados se pueden exportar a un archivo de texto mediante el comando CPWR. En el archivo exportado están las coordenadas x e y y el valor de cp en esa posición. 4.2 Grafica de coeficientes aerodinámicos para un perfil NACA 2412 Se parte directamente con el cálculo de coeficientes, la carga del perfil se explicó en el punto anterior. - Activar la acumulación de puntos mediante el comando Pacc i, este va a pedir el nombre del archivo con el cual se quiere hacer esto. Ingresar los ángulos a calcular, esto puede hacerse mediante le comando alfa o mediante el comando ASeq, el orden no importa luego se ordenan mediante el 14 - comando PSOR. Siempre conviene arrancar con un ángulo sin desprendimientos o efectos viscosos considerables para que el programa pueda converger rápidamente. Conviene aumentar el número de iteraciones para cada cálculo mediante el comando ITER. Graficar las curvas aerodinámicas mediante el comando PPlo. Si se quiere modificar los límites del grafico se hace mediante el comando PPAX. .OPERv c> pacc Polar 1 newly created for accumulation Airfoil archived with polar: NACA 2412 Enter polar save filename OR <return> for no file s> NACA_2412_GUIA New polar save file filename Polar accumulation enabled .OPERva c> aseq Enter first alfa value (deg) r> -2 Enter last alfa value (deg) r> 16 Enter alfa increment (deg) r> 1 .OPERva c> pplo Después de modificar los límites de la gráfica se puede obtener algo como lo de la siguiente figura. Fig. 11. Resultado coeficientes aerodinámicos NACA 2412. Esto se puede guardar mediante el comando PWRT. Este pedirá el nombre de archivo para guardar y generara un archivo de la forma como se ve en la imagen siguiente. 15 Fig. 12. Archivo resultado coeficientes aerodinámicos NACA 2412 5 Bibliografía 1 Pagina oficial de Xfoil, Subsonic https://web.mit.edu/drela/Public/web/xfoil/ 2 Airfoil Development System; Manual de usuario Xfoil; https://web.mit.edu/drela/Public/web/xfoil/xfoil_doc.txt Elements of Airfoil Design Methodology; Drela, M.; Applied Computational Aerodynamics; (P. Henne, editor); AIAA Progress in Aeronautics and Astronautics, Volume 125, 1990. 3 Low-Reynolds Number Airfoil Design for the MIT Daedalus Prototype: A Case Study; Journal of Aircraft; Drela, M.; 25(8); pp.724-732; August 198. 4 Pros and Cons of Airfoil Optimization, Chapter in "Frontiers of Computational Fluid Dynamics; 1998; D.A. Caughey, M.M. Hafez; Eds.; World Scientific; ISBN 981-023707-3. 5 Ingen, J. L. van, “A Suggested Semi-empirical Method for the Calculation of the Boundary Layer Transition Region.” Report ,VTH-74, 1956, 6 UIUC Airfoil Coordinates selig.ae.illinois.edu/ads/coord_database.html 7 Database: https://m- 16