Adverse aerodynamics effects of a high speed train under the influence of cross winds, analysis and optimization of wind fence

The research work that here is summarized, it is classed on the area of dynamics and measures of railway safety, specifically in the study of the influence of the cross wind on the high-speed trains as well as the study of new mitigation measures like wind breaking structures or wind fences, with optimized shapes. The work has been developed in the Research Center in Rail Technology (CITEF), and supported by the Universidad Politécnica de Madrid, Spain.

Coupling time-stepping numerical methods and standard aerodynamics codes for instability analysis of flows in complex geometries

The development of a global instability analysis code coupling a time-stepping approach, as applied to the solution of BiGlobal and TriGlobal instability analysis 1, 2 and finite-volume-based spatial discretization, as used in standard aerodynamics codes is presented. The key advantage of the time-stepping method over matrix-formulation approaches is that the former provides a solution to the computer-storage issues associated with the latter methodology. To-date both approaches are successfully in use to analyze instability in complex geometries, although their relative advantages have never been quantified. The ultimate goal of the present work is to address this issue in the context of spatial discretization schemes typically used in industry. The time-stepping approach of Chiba 3 has been implemented in conjunction with two direct numerical simulation algorithms, one based on the typically-used in this context high-order method and another based on low-order methods representative of those in common use in industry. The two codes have been validated with solutions of the BiGlobal EVP and it has been showed that small errors in the base flow do not have affect significantly the results. As a result, a three-dimensional compressible unsteady second-order code for global linear stability has been successfully developed based on finite-volume spatial discretization and time-stepping method with the ability to study complex geometries by means of unstructured and hybrid meshes

Numerical and Experimental Studies of Sail Aerodynamics

The purpose of this investigation was the determination of the aerodynamic performance of sails and gain knowledge of the phenomena involved in order to improve the aerody¬namic characteristics. In this research, the airflow around different sails in four scenarios was studied. The method to analyze these scenarios was the combination of numerical simulations and experimental tests by taking advantage of the best of each tool. Two different Com¬putational Fluid Dynamic codes were utilized: the ANSYS-CFX and the CD-Adapco’s STAR-CCM+. The experimental tests were conducted in the Atmospheric Boundary Layer Wind Tunnel at the Universidad de Granada (Spain), the Twisted Flow Wind Tunnel at the University of Auckland (New Zealand) and the A9 Wind Tunnel at the Universidad Polit´ecnica de Madrid (Spain). Through this research, it was found the three-dimensional effect of the mast on the aerodynamic performance of an IMS Class boat. The pressure distribution on a Transpac 52 Class mainsail was also determined. Moreover, the aerodynamic perfor¬mance of the 43ft and 60ft Dhow Classes was obtained. Finally, a feasibility study was conducted to use a structural wing in combination with conventional propulsions systems. The main conclusion was that this research clarified gaps on the knowledge of the aerodynamic performance of sails. Moreover, since commercial codes were not specifically designed to study sails, a procedure was developed. On the other hand, innovative experimental techniques were used and applied to model-scale sails. The achievements of this thesis are promising and some of the results are already in use by the industry on a daily basis. El propósito de este estudio era determinar el comportamiento aerodinámico de unas velas y mejorar el conocimiento de los fenómenos que suceden para optimizar las características aerodinámicas de dichas velas. En esta investigación se estudió el flujo de aire alrededor de diferentes velas en cuatro escenarios. El método para analizar estos escenarios fue la combinación de simulaciones numéricas y ensayos experimentales mediante el aprovechamiento de las ventajas de cada herramienta. Se utilizaron dos códigos de dinámica de fluidos computacional: el ANSYS-CFX y el STAR-CCM+ de la empresa CD-Adapco. Los ensayos experimentales se desarrollaron en el túnel de viento de capa límite de la Universidad de Granada (España), el túnel de viento de la Universidad de Auckland (Nueva Zelanda) y en el túnel A9 de la Universidad Politécnica de Madrid (España). Mediante esta investigación, se determinó el efecto tridimensional del mástil en un velero de la clase IMS. También se describió la distribución de presiones sobre una mayor de un Transpac 52. Además, se obtuvo el comportamiento aerodinámico de las clases 43ft y 60ft de los veleros Dhows. Finalmente, se llevó a cabo un estudio de viabilidad de la utilización de un ala estructural en combinación con sistemas de propulsión convencionales. La conclusión principal de esta investigación fue la capacidad de explicar ciertas lagunas en el conocimiento del comportamiento aerodinámico de las velas en diferentes escenarios. Además, dado que los códigos comerciales no están específicamente diseñados para el estudio de velas, se desarrolló un procedimiento a tal efecto. Por otro lado, se han utilizado innovadoras técnicas experimentales y se han aplicado a modelos de velas a escala. Los logros de esta investigación son prometedores y algunos de los resultados obtenidos ya están siendo utilizados por la industria en su día a día.

On Cup Anemometer Rotor Aerodynamics

The influence of anemometer rotor shape parameters, such as the cups’ front area or their center rotation radius on the anemometer’s performance was analyzed. This analysis was based on calibrations performed on two different anemometers (one based on magnet system output signal, and the other one based on an opto-electronic system output signal), tested with 21 different rotors. The results were compared to the ones resulting from classical analytical models. The results clearly showed a linear dependency of both calibration constants, the slope and the offset, on the cups’ center rotation radius, the influence of the front area of the cups also being observed. The analytical model of Kondo et al. was proved to be accurate if it is based on precise data related to the aerodynamic behavior of a rotor’s cup.

Static Pressure Impact on Aerodynamics of High Speed Railway Tunnels

A pressure wave is generated when a high speed train enters a tunnel. This wave travels along the tunnel back and forth, and is reflected at the irregularities of the tunnel duct (section changes, chimneys and tunnel ends). The pressure changes are associated to these waves can have an effect on passengers if the trains are not suitably sealed or pressurized. The intensity of the waves depends mainly on the train speed, and on the blockage ratio (train-section-to- tunnel-section area ratio). As the intensity of the waves is limited by regulations, and also by the effects on passengers and infrastructures, the sizing of the tunnel section area is largely influenced by the maximum train speed allowed in the tunnel. The aim of this study is to analyse the increase in cost in a tunnel due to the existence of this difference in ground level, and evaluate the increase of construction costs that this elevation might involve.

Some developments on cup anemometer aerodynamics

In the present study the geometry of cups is experimentally studied through anemometer performance. This performance is analyzed in two different ways. On the one hand the anemometer transfer function between cases is compared. On the other hand the stationary rotation speed is decomposed into constant and harmonic terms, the comparison being established between the last ones. Results indicate that some cup shapes can improve the uniformity of anemometer rotation, this fact being important to reduce degradation due to ageing.

Reduced order models for industrial thermo-fluid problems

A new method is presented to generate reduced order models (ROMs) in Fluid Dynamics problems of industrial interest. The method is based on the expansion of the flow variables in a Proper Orthogonal Decomposition (POD) basis, calculated from a limited number of snapshots, which are obtained via Computational Fluid Dynamics (CFD). Then, the POD-mode amplitudes are calculated as minimizers of a properly defined overall residual of the equations and boundary conditions. The method includes various ingredients that are new in this field. The residual can be calculated using only a limited number of points in the flow field, which can be scattered either all over the whole computational domain or over a smaller projection window. The resulting ROM is both computationally efficient(reconstructed flow fields require, in cases that do not present shock waves, less than 1 % of the time needed to compute a full CFD solution) and flexible(the projection window can avoid regions of large localized CFD errors).Also, for problems related with aerodynamics, POD modes are obtained from a set of snapshots calculated by a CFD method based on the compressible Navier Stokes equations and a turbulence model (which further more includes some unphysical stabilizing terms that are included for purely numerical reasons), but projection onto the POD manifold is made using the inviscid Euler equations, which makes the method independent of the CFD scheme. In addition, shock waves are treated specifically in the POD description, to avoid the need of using a too large number of snapshots. Various definitions of the residual are also discussed, along with the number and distribution of snapshots, the number of retained modes, and the effect of CFD errors. The method is checked and discussed on several test problems that describe (i) heat transfer in the recirculation region downstream of a backwards facing step, (ii) the flow past a two-dimensional airfoil in both the subsonic and transonic regimes, and (iii) the flow past a three-dimensional horizontal tail plane. The method is both efficient and numerically robust in the sense that the computational effort is quite small compared to CFD and results are both reasonably accurate and largely insensitive to the definition of the residual, to CFD errors, and to the CFD method itself, which may contain artificial stabilizing terms. Thus, the method is amenable for practical engineering applications. Resumen Se presenta un nuevo método para generar modelos de orden reducido (ROMs) aplicado a problemas fluidodinámicos de interés industrial. El nuevo método se basa en la expansión de las variables fluidas en una base POD, calculada a partir de un cierto número de snapshots, los cuales se han obtenido gracias a simulaciones numéricas (CFD). A continuación, las amplitudes de los modos POD se calculan minimizando un residual global adecuadamente definido que combina las ecuaciones y las condiciones de contorno. El método incluye varios ingredientes que son nuevos en este campo de estudio. El residual puede calcularse utilizando únicamente un número limitado de puntos del campo fluido. Estos puntos puede encontrarse dispersos a lo largo del dominio computacional completo o sobre una ventana de proyección. El modelo ROM obtenido es tanto computacionalmente eficiente (en aquellos casos que no presentan ondas de choque reconstruir los campos fluidos requiere menos del 1% del tiempo necesario para calcular una solución CFD) como flexible (la ventana de proyección puede escogerse de forma que evite contener regiones con errores en la solución CFD localizados y grandes). Además, en problemas aerodinámicos, los modos POD se obtienen de un conjunto de snapshots calculados utilizando un código CFD basado en la versión compresible de las ecuaciones de Navier Stokes y un modelo de turbulencia (el cual puede incluir algunos términos estabilizadores sin sentido físico que se añaden por razones puramente numéricas), aunque la proyección en la variedad POD se hace utilizando las ecuaciones de Euler, lo que hace al método independiente del esquema utilizado en el código CFD. Además, las ondas de choque se tratan específicamente en la descripción POD para evitar la necesidad de utilizar un número demasiado grande de snapshots. Varias definiciones del residual se discuten, así como el número y distribución de los snapshots,el número de modos retenidos y el efecto de los errores debidos al CFD. El método se comprueba y discute para varios problemas de evaluación que describen (i) la transferencia de calor en la región de recirculación aguas abajo de un escalón, (ii) el flujo alrededor de un perfil bidimensional en regímenes subsónico y transónico y (iii) el flujo alrededor de un estabilizador horizontal tridimensional. El método es tanto eficiente como numéricamente robusto en el sentido de que el esfuerzo computacional es muy pequeño comparado con el requerido por el CFD y los resultados son razonablemente precisos y muy insensibles a la definición del residual, los errores debidos al CFD y al método CFD en sí mismo, el cual puede contener términos estabilizadores artificiales. Por lo tanto, el método puede utilizarse en aplicaciones prácticas de ingeniería.

BaTboT: a biologically inspired flapping and morphing bat robot actuated by SMA-based artificial muscles

Bats are animals that posses high maneuvering capabilities. Their wings contain dozens of articulations that allow the animal to perform aggressive maneuvers by means of controlling the wing shape during flight (morphing-wings). There is no other flying creature in nature with this level of wing dexterity and there is biological evidence that the inertial forces produced by the wings have a key role in the attitude movements of the animal. This can inspire the design of highly articulated morphing-wing micro air vehicles (not necessarily bat-like) with a significant wing-to-body mass ratio. This thesis presents the development of a novel bat-like micro air vehicle (BaTboT) inspired by the morphing-wing mechanism of bats. BaTboT’s morphology is alike in proportion compared to its biological counterpart Cynopterus brachyotis, which provides the biological foundations for developing accurate mathematical models and methods that allow for mimicking bat flight. In nature bats can achieve an amazing level of maneuverability by combining flapping and morphing wingstrokes. Attempting to reproduce the biological wing actuation system that provides that kind of motion using an artificial counterpart requires the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators. Thus, NiTinol Shape Memory Alloys (SMAs) acting as artificial biceps and triceps muscles are used for mimicking the morphing wing mechanism of the bat flight apparatus. This antagonistic configuration of SMA-muscles response to an electrical heating power signal to operate. This heating power is regulated by a proper controller that allows for accurate and fast SMA actuation. Morphing-wings will enable to change wings geometry with the unique purpose of enhancing aerodynamics performance. During the downstroke phase of the wingbeat motion both wings are fully extended aimed at increasing the area surface to properly generate lift forces. Contrary during the upstroke phase of the wingbeat motion both wings are retracted to minimize the area and thus reducing drag forces. Morphing-wings do not only improve on aerodynamics but also on the inertial forces that are key to maneuver. Thus, a modeling framework is introduced for analyzing how BaTboT should maneuver by means of changing wing morphology. This allows the definition of requirements for achieving forward and turning flight according to the kinematics of the wing modulation. Motivated by the biological fact about the influence of wing inertia on the production of body accelerations, an attitude controller is proposed. The attitude control law incorporates wing inertia information to produce desired roll (φ) and pitch (θ) acceleration commands. This novel flight control approach is aimed at incrementing net body forces (Fnet) that generate propulsion. Mimicking the way how bats take advantage of inertial and aerodynamical forces produced by the wings in order to both increase lift and maneuver is a promising way to design more efficient flapping/morphing wings MAVs. The novel wing modulation strategy and attitude control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling flying robots, that eliminates the need of appendices such as flaps and rudders, and would allow performing more efficient maneuvers, especially useful in confined spaces. As a whole, the BaTboT project consists of five major stages of development: - Study and analysis of biological bat flight data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. - Formulation of mathematical models for: i) wing kinematics, ii) dynamics, iii) aerodynamics, and iv) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modeling the effects of modulating wing inertia into the production of net body forces for maneuvering. - Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of wings and body, ii) SMA muscle-like mechanisms, iii) the wing-membrane, and iv) electronics onboard. It is aimed at developing the bat-like platform (BaTboT) that allows for testing the methods proposed. - The flight controller: i) control of SMA-muscles (morphing-wing modulation) and ii) flight control (attitude regulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BaTboT’s wings. - Experiments: it is aimed at quantifying the effects of properly wing modulation into aerodynamics and inertial production for maneuvering. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving flight efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Windtunnel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the wings can considerably affect the dynamics/aerodynamics of flight and how to take advantage of wing inertia modulation that the morphing-wings enable to properly change wings’ geometry during flapping. Resumen: Los murciélagos son mamíferos con una alta capacidad de maniobra. Sus alas están conformadas por docenas de articulaciones que permiten al animal maniobrar gracias al cambio geométrico de las alas durante el vuelo. Esta característica es conocida como (alas mórficas). En la naturaleza, no existe ningún especimen volador con semejante grado de dexteridad de vuelo, y se ha demostrado, que las fuerzas inerciales producidas por el batir de las alas juega un papel fundamental en los movimientos que orientan al animal en vuelo. Estas características pueden inspirar el diseño de un micro vehículo aéreo compuesto por alas mórficas con redundantes grados de libertad, y cuya proporción entre la masa de sus alas y el cuerpo del robot sea significativa. Esta tesis doctoral presenta el desarrollo de un novedoso robot aéreo inspirado en el mecanismo de ala mórfica de los murciélagos. El robot, llamado BaTboT, ha sido diseñado con parámetros morfológicos muy similares a los descritos por su símil biológico Cynopterus brachyotis. El estudio biológico de este especimen ha permitido la definición de criterios de diseño y modelos matemáticos que representan el comportamiento del robot, con el objetivo de imitar lo mejor posible la biomecánica de vuelo de los murciélagos. La biomecánica de vuelo está definida por dos tipos de movimiento de las alas: aleteo y cambio de forma. Intentar imitar como los murciélagos cambian la forma de sus alas con un prototipo artificial, requiere el análisis de métodos alternativos de actuación que se asemejen a la biomecánica de los músculos que actúan las alas, y evitar el uso de sistemas convencionales de actuación como servomotores ó motores DC. En este sentido, las aleaciones con memoria de forma, ó por sus siglas en inglés (SMA), las cuales son fibras de NiTinol que se contraen y expanden ante estímulos térmicos, han sido usados en este proyecto como músculos artificiales que actúan como bíceps y tríceps de las alas, proporcionando la funcionalidad de ala mórfica previamente descrita. De esta manera, los músculos de SMA son mecánicamente posicionados en una configuración antagonista que permite la rotación de las articulaciones del robot. Los actuadores son accionados mediante una señal de potencia la cual es regulada por un sistema de control encargado que los músculos de SMA respondan con la precisión y velocidad deseada. Este sistema de control mórfico de las alas permitirá al robot cambiar la forma de las mismas con el único propósito de mejorar el desempeño aerodinámico. Durante la fase de bajada del aleteo, las alas deben estar extendidas para incrementar la producción de fuerzas de sustentación. Al contrario, durante el ciclo de subida del aleteo, las alas deben contraerse para minimizar el área y reducir las fuerzas de fricción aerodinámica. El control de alas mórficas no solo mejora el desempeño aerodinámico, también impacta la generación de fuerzas inerciales las cuales son esenciales para maniobrar durante el vuelo. Con el objetivo de analizar como el cambio de geometría de las alas influye en la definición de maniobras y su efecto en la producción de fuerzas netas, simulaciones y experimentos han sido llevados a cabo para medir cómo distintos patrones de modulación de las alas influyen en la producción de aceleraciones lineales y angulares. Gracias a estas mediciones, se propone un control de vuelo, ó control de actitud, el cual incorpora información inercial de las alas para la definición de referencias de aceleración angular. El objetivo de esta novedosa estrategia de control radica en el incremento de fuerzas netas para la adecuada generación de movimiento (Fnet). Imitar como los murciélagos ajustan sus alas con el propósito de incrementar las fuerzas de sustentación y mejorar la maniobra en vuelo es definitivamente un tópico de mucho interés para el diseño de robots aéros mas eficientes. La propuesta de control de vuelo definida en este trabajo de investigación podría dar paso a una nueva forma de control de vuelo de robots aéreos que no necesitan del uso de partes mecánicas tales como alerones, etc. Este control también permitiría el desarrollo de vehículos con mayor capacidad de maniobra. El desarrollo de esta investigación se centra en cinco etapas: - Estudiar y analizar el vuelo de los murciélagos con el propósito de definir criterios de diseño y control. - Formular modelos matemáticos que describan la: i) cinemática de las alas, ii) dinámica, iii) aerodinámica, y iv) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular las alas en la producción de fuerzas netas. - Diseño y fabricación de BaTboT: i) estructura de las alas y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación mórfico basado en SMA, iii) membrana de las alas, y iv) electrónica abordo. - Contro de vuelo compuesto por: i) control de la SMA (modulación de las alas) y ii) regulación de maniobra (actitud). - Experimentos: están enfocados en poder cuantificar cuales son los efectos que ejercen distintos perfiles de modulación del ala en el comportamiento aerodinámico e inercial. El objetivo es demostrar y validar la hipótesis planteada al inicio de esta investigación: mejorar eficiencia de vuelo gracias al novedoso control de orientación (actitud) propuesto en este trabajo. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos son realizados utilizando un túnel de viento con la instrumentación necesaria para llevar a cabo las mediciones de desempeño respectivas. En los resultados se discutirá y demostrará que la inercia producida por las alas juega un papel considerable en el comportamiento dinámico y aerodinámico del sistema y como poder tomar ventaja de dicha característica para regular patrones de modulación de las alas que conduzcan a mejorar la eficiencia del robot en futuros vuelos.

Asymptotic Description of Flutter Amplitude Saturation by Nonlinear Friction Forces

The computation of the non-linear vibration dynamics of an aerodynamically unstable bladed-disk is a formidable numerical task, even for the simplified case of aerodynamic forces assumed to be linear. The nonlinear friction forces effectively couple dif- ferent travelling waves modes and, in order to properly elucidate the dynamics of the system, large time simulations are typically required to reach a final, saturated state. Despite of all the above complications, the output of the system (in the friction microslip regime) is basically a superposition of the linear aeroelastic un- stable travelling waves, which exhibit a slow time modulation that is much longer than the elastic oscillation period. This slow time modulation is due to both, the small aerodynamic effects and the small nonlinear friction forces, and it is crucial to deter- mine the final amplitude of the flutter vibration. In this presenta- tion we apply asymptotic techniques to obtain a new simplified model that captures the slow time dynamics of the amplitudes of the travelling waves. The resulting asymptotic model is very re- duced and extremely cheap to simulate, and it has the advantage that it gives precise information about the characteristics of the nonlinear friction models that actually play a role in the satura- tion of the vibration amplitude.

Experimental investigation on box-wing configuration for UAS

The range for airframe configurations available for UAS is as diverse as those used for manned aircraft and more since the commercial risk in trying unorthodox solutions is less for the UAS manufacturer. This is principally because the UAS airframes are usually much smaller than the manned aircraft and operators are less likely to have a bias against unconventional configurations. One of these unconventional configurations is the box-wing, which is an unconventional solution for the design of the new UAS generation. The existence of two wings separated in different planes that are, however, significantly close together, means that the aerodynamic analysis by theoretical or computational methods is a difficult task, due to the considerable interference existing. Considering the fact that the flight of most UAS takes place at low Reynolds numbers, it is necessary to study the aerodynamics of the box wing configuration by testing different models in a wind tunnel to be able to obtain reasonable results. In the present work, the study is enhanced by varying not only the sweepback angles of the two wings, but also their position along the models’ fuselage. Certain models have shown being more efficient than others, pointing out that certain relative positions of wing exists that can improve the aerodynamics efficiency of the box wing configuration.

Three decades of Space Activities at the Instituto Universitario de Microgravedad "Ignacio Da Riva" / Universidad Politécnica de Madrid (IDR/UPM) en History of Rocketry and Astronautics

Strictly speaking, space related activities at the Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos (ETSIA) begun in 1973, when Prof. Ignacio Da Riva got a contract from the European Space Agency (ESA) to compile a handbook on spacecraft thermal control. By the same time, ESA issued an announcement of opportunities offering to the European scientific community the possibility of perform microgravity relevant experiments on board space platform like the European orbital laboratory Spacelab. Prof. Da Riva proposed one of the few selected experiments dealing with fluid physics under microgravity conditions, later flown on Spacelab-1 mission in 1983. These two events were the starting point where Prof. Da Riva, full professor of Aerodynamics at ETSIA, nucleated a small group of young professors and students located at the Laboratorio de Aerodinámica y Mecánica de Fluidos (LAMF) of ETSIA. Such group was leaded by Prof. Da Riva since its creation till 1991, when Prof. Da Riva died, and it was the seed of the more recently created research institute for aerospace science and technology named "Ignacio Da Riva" (IDR) in his honour. In this communication space related activities performed either at LAMF or IDR during the last three decades are briefly described.

Asymptotic Description of Flutter Amplitude Saturation by Nonlinear Friction Forces

The computation of the non-linear vibration dynamics of an aerodynamically unstable bladed-disk is a formidable numerical task, even for the simplified case of aerodynamic forces assumed to be linear. The nonlinear friction forces effectively couple dif- ferent travelling waves modes and, in order to properly elucidate the dynamics of the system, large time simulations are typically required to reach a final, saturated state. Despite of all the above complications, the output of the system (in the friction microslip regime) is basically a superposition of the linear aeroelastic un- stable travelling waves, which exhibit a slow time modulation that is much longer than the elastic oscillation period. This slow time modulation is due to both, the small aerodynamic effects and the small nonlinear friction forces, and it is crucial to deter- mine the final amplitude of the flutter vibration. In this presenta- tion we apply asymptotic techniques to obtain a new simplified model that captures the slow time dynamics of the amplitudes of the travelling waves. The resulting asymptotic model is very re- duced and extremely cheap to simulate, and it has the advantage that it gives precise information about the characteristics of the nonlinear friction models that actually play a role in the satura- tion of the vibration amplitude.

Aerodynamic Optimization of the Nose Shape of a High-speed Train

La influencia de la aerodinámica en el diseño de los trenes de alta velocidad, unida a la necesidad de resolver nuevos problemas surgidos con el aumento de la velocidad de circulación y la reducción de peso del vehículo, hace evidente el interés de plantear un estudio de optimización que aborde tales puntos. En este contexto, se presenta en esta tesis la optimización aerodinámica del testero de un tren de alta velocidad, llevada a cabo mediante el uso de métodos de optimización avanzados. Entre estos métodos, se ha elegido aquí a los algoritmos genéticos y al método adjunto como las herramientas para llevar a cabo dicha optimización. La base conceptual, las características y la implementación de los mismos se detalla a lo largo de la tesis, permitiendo entender los motivos de su elección, y las consecuencias, en términos de ventajas y desventajas que cada uno de ellos implican. El uso de los algorimos genéticos implica a su vez la necesidad de una parametrización geométrica de los candidatos a óptimo y la generación de un modelo aproximado que complementa al método de optimización. Estos puntos se describen de modo particular en el primer bloque de la tesis, enfocada a la metodología seguida en este estudio. El segundo bloque se centra en la aplicación de los métodos a fin de optimizar el comportamiento aerodinámico del tren en distintos escenarios. Estos escenarios engloban los casos más comunes y también algunos de los más exigentes a los que hace frente un tren de alta velocidad: circulación en campo abierto con viento frontal o viento lateral, y entrada en túnel. Considerando el caso de viento frontal en campo abierto, los dos métodos han sido aplicados, permitiendo una comparación de las diferentes metodologías, así como el coste computacional asociado a cada uno, y la minimización de la resistencia aerodinámica conseguida en esa optimización. La posibilidad de evitar parametrizar la geometría y, por tanto, reducir el coste computacional del proceso de optimización es la característica más significativa de los métodos adjuntos, mientras que en el caso de los algoritmos genéticos se destaca la simplicidad y capacidad de encontrar un óptimo global en un espacio de diseño multi-modal o de resolver problemas multi-objetivo. El caso de viento lateral en campo abierto considera nuevamente los dos métoxi dos de optimización anteriores. La parametrización se ha simplificado en este estudio, lo que notablemente reduce el coste numérico de todo el estudio de optimización, a la vez que aún recoge las características geométricas más relevantes en un tren de alta velocidad. Este análisis ha permitido identificar y cuantificar la influencia de cada uno de los parámetros geométricos incluídos en la parametrización, y se ha observado que el diseño de la arista superior a barlovento es fundamental, siendo su influencia mayor que la longitud del testero o que la sección frontal del mismo. Finalmente, se ha considerado un escenario más a fin de validar estos métodos y su capacidad de encontrar un óptimo global. La entrada de un tren de alta velocidad en un túnel es uno de los casos más exigentes para un tren por el pico de sobrepresión generado, el cual afecta a la confortabilidad del pasajero, así como a la estabilidad del vehículo y al entorno próximo a la salida del túnel. Además de este problema, otro objetivo a minimizar es la resistencia aerodinámica, notablemente superior al caso de campo abierto. Este problema se resuelve usando algoritmos genéticos. Dicho método permite obtener un frente de Pareto donde se incluyen el conjunto de óptimos que minimizan ambos objetivos. ABSTRACT Aerodynamic design of trains influences several aspects of high-speed trains performance in a very significant level. In this situation, considering also that new aerodynamic problems have arisen due to the increase of the cruise speed and lightness of the vehicle, it is evident the necessity of proposing an optimization study concerning the train aerodynamics. Thus, the aerodynamic optimization of the nose shape of a high-speed train is presented in this thesis. This optimization is based on advanced optimization methods. Among these methods, genetic algorithms and the adjoint method have been selected. A theoretical description of their bases, the characteristics and the implementation of each method is detailed in this thesis. This introduction permits understanding the causes of their selection, and the advantages and drawbacks of their application. The genetic algorithms requirethe geometrical parameterization of any optimal candidate and the generation of a metamodel or surrogate model that complete the optimization process. These points are addressed with a special attention in the first block of the thesis, focused on the methodology considered in this study. The second block is referred to the use of these methods with the purpose of optimizing the aerodynamic performance of a high-speed train in several scenarios. These scenarios englobe the most representative operating conditions of high-speed trains, and also some of the most exigent train aerodynamic problems: front wind and cross-wind situations in open air, and the entrance of a high-speed train in a tunnel. The genetic algorithms and the adjoint method have been applied in the minimization of the aerodynamic drag on the train with front wind in open air. The comparison of these methods allows to evaluate the methdology and computational cost of each one, as well as the resulting minimization of the aerodynamic drag. Simplicity and robustness, the straightforward realization of a multi-objective optimization, and the capability of searching a global optimum are the main attributes of genetic algorithm. However, the requirement of geometrically parameterize any optimal candidate is a significant drawback that is avoided with the use of the adjoint method. This independence of the number of design variables leads to a relevant reduction of the pre-processing and computational cost. Considering the cross-wind stability, both methods are used again for the minimization of the side force. In this case, a simplification of the geometric parameterization of the train nose is adopted, what dramatically reduces the computational cost of the optimization process. Nevertheless, some of the most important geometrical characteristics are still described with this simplified parameterization. This analysis identifies and quantifies the influence of each design variable on the side force on the train. It is observed that the A-pillar roundness is the most demanding design parameter, with a more important effect than the nose length or the train cross-section area. Finally, a third scenario is considered for the validation of these methods in the aerodynamic optimization of a high-speed train. The entrance of a train in a tunnel is one of the most exigent train aerodynamic problems. The aerodynamic consequences of high-speed trains running in a tunnel are basically resumed in two correlated phenomena, the generation of pressure waves and an increase in aerodynamic drag. This multi-objective optimization problem is solved with genetic algorithms. The result is a Pareto front where a set of optimal solutions that minimize both objectives.

Advances in global instability computations: from incompressible to hypersonic flow

Esta tesis constituye un gran avance en el conocimiento del estudio y análisis de inestabilidades hidrodinámicas desde un punto de vista físico y teórico, como consecuencia de haber desarrollado innovadoras técnicas para la resolución computacional eficiente y precisa de la parte principal del espectro correspondiente a los problemas de autovalores (EVP) multidimensionales que gobiernan la inestabilidad de flujos con dos o tres direcciones espaciales inhomogéneas, denominados problemas de estabilidad global lineal. En el contexto del trabajo de desarrollo de herramientas computacionales presentado en la tesis, la discretización mediante métodos de diferencias finitas estables de alto orden de los EVP bidimensionales y tridimensionales que se derivan de las ecuaciones de Navier-Stokes linealizadas sobre flujos con dos o tres direcciones espaciales inhomogéneas, ha permitido una aceleración de cuatro órdenes de magnitud en su resolución. Esta mejora de eficiencia numérica se ha conseguido gracias al hecho de que usando estos esquemas de diferencias finitas, técnicas eficientes de resolución de problemas lineales son utilizables, explotando el alto nivel de dispersión o alto número de elementos nulos en las matrices involucradas en los problemas tratados. Como más notable consecuencia cabe destacar que la resolución de EVPs multidimensionales de inestabilidad global, que hasta la fecha necesitaban de superordenadores, se ha podido realizar en ordenadores de sobremesa. Además de la solución de problemas de estabilidad global lineal, el mencionado desarrollo numérico facilitó la extensión de las ecuaciones de estabilidad parabolizadas (PSE) lineales y no lineales para analizar la inestabilidad de flujos que dependen fuertemente en dos direcciones espaciales y suavemente en la tercera con las ecuaciones de estabilidad parabolizadas tridimensionales (PSE-3D). Precisamente la capacidad de extensión del novedoso algoritmo PSE-3D para el estudio de interacciones no lineales de los modos de estabilidad, desarrollado íntegramente en esta tesis, permite la predicción de transición en flujos complejos de gran interés industrial y por lo tanto extiende el concepto clásico de PSE, el cuál ha sido empleado exitosamente durante las pasadas tres décadas en el mismo contexto para problemas de capa límite bidimensional. Típicos ejemplos de flujos incompresibles se han analizado en este trabajo sin la necesidad de recurrir a restrictivas presuposiciones usadas en el pasado. Se han estudiado problemas vorticales como es el caso de un vórtice aislado o sistemas de vórtices simulando la estela de alas, en los que la homogeneidad axial no se impone y así se puede considerar la difusión viscosa del flujo. Además, se ha estudiado el chorro giratorio turbulento, cuya inestabilidad se utiliza para mejorar las características de funcionamiento de combustores. En la tesis se abarcan adicionalmente problemas de flujos compresibles. Se presenta el estudio de inestabilidad de flujos de borde de ataque a diferentes velocidades de vuelo. También se analiza la estela formada por un elemento rugoso aislado en capa límite supersónica e hipersónica, mostrando excelentes comparaciones con resultados obtenidos mediante simulación numérica directa. Finalmente, nuevas inestabilidades se han identificado en el flujo hipersónico a Mach 7 alrededor de un cono elíptico que modela el vehículo de pruebas en vuelo HIFiRE-5. Los resultados comparan favorablemente con experimentos en vuelo, lo que subraya aún más el potencial de las metodologías de análisis de estabilidad desarrolladas en esta tesis. ABSTRACT The present thesis constitutes a step forward in advancing the frontiers of knowledge of fluid flow instability from a physical point of view, as a consequence of having been successful in developing groundbreaking methodologies for the efficient and accurate computation of the leading part of the spectrum pertinent to multi-dimensional eigenvalue problems (EVP) governing instability of flows with two or three inhomogeneous spatial directions. In the context of the numerical work presented in this thesis, the discretization of the spatial operator resulting from linearization of the Navier-Stokes equations around flows with two or three inhomogeneous spatial directions by variable-high-order stable finite-difference methods has permitted a speedup of four orders of magnitude in the solution of the corresponding two- and three-dimensional EVPs. This improvement of numerical performance has been achieved thanks to the high-sparsity level offered by the high-order finite-difference schemes employed for the discretization of the operators. This permitted use of efficient sparse linear algebra techniques without sacrificing accuracy and, consequently, solutions being obtained on typical workstations, as opposed to the previously employed supercomputers. Besides solution of the two- and three-dimensional EVPs of global linear instability, this development paved the way for the extension of the (linear and nonlinear) Parabolized Stability Equations (PSE) to analyze instability of flows which depend in a strongly-coupled inhomogeneous manner on two spatial directions and weakly on the third. Precisely the extensibility of the novel PSE-3D algorithm developed in the framework of the present thesis to study nonlinear flow instability permits transition prediction in flows of industrial interest, thus extending the classic PSE concept which has been successfully employed in the same context to boundary-layer type of flows over the last three decades. Typical examples of incompressible flows, the instability of which was analyzed in the present thesis without the need to resort to the restrictive assumptions used in the past, range from isolated vortices, and systems thereof, in which axial homogeneity is relaxed to consider viscous diffusion, as well as turbulent swirling jets, the instability of which is exploited in order to improve flame-holding properties of combustors. The instability of compressible subsonic and supersonic leading edge flows has been solved, and the wake of an isolated roughness element in a supersonic and hypersonic boundary-layer has also been analyzed with respect to its instability: excellent agreement with direct numerical simulation results has been obtained in all cases. Finally, instability analysis of Mach number 7 ow around an elliptic cone modeling the HIFiRE-5 flight test vehicle has unraveled flow instabilities near the minor-axis centerline, results comparing favorably with flight test predictions.

Predicción de la velocidad crítica de flameo mediante el uso de modelos aeroelásticos extrapolados en tiempo real con datos de vuelo

La Aeroelasticidad fue definida por Arthur Collar en 1947 como "el estudio de la interacción mutua entre fuerzas inerciales, elásticas y aerodinámicas actuando sobre elementos estructurales expuestos a una corriente de aire". Actualmente, esta definición se ha extendido hasta abarcar la influencia del control („Aeroservoelasticidad‟) e, incluso, de la temperatura („Aerotermoelasticidad‟). En el ámbito de la Ingeniería Aeronáutica, los fenómenos aeroelásticos, tanto estáticos (divergencia, inversión de mando) como dinámicos (flameo, bataneo) son bien conocidos desde los inicios de la Aviación. Las lecciones aprendidas a lo largo de la Historia Aeronáutica han permitido establecer criterios de diseño destinados a mitigar la probabilidad de sufrir fenómenos aeroelásticos adversos durante la vida operativa de una aeronave. Adicionalmente, el gran avance experimentado durante esta última década en el campo de la Aerodinámica Computacional y en la modelización aeroelástica ha permitido mejorar la fiabilidad en el cálculo de las condiciones de flameo de una aeronave en su fase de diseño. Sin embargo, aún hoy, los ensayos en vuelo siguen siendo necesarios para validar modelos aeroelásticos, verificar que la aeronave está libre de inestabilidades aeroelásticas y certificar sus distintas envolventes. En particular, durante el proceso de expansión de la envolvente de una aeronave en altitud/velocidad, se requiere predecir en tiempo real las condiciones de flameo y, en consecuencia, evitarlas. A tal efecto, en el ámbito de los ensayos en vuelo, se han desarrollado diversas metodologías que predicen, en tiempo real, las condiciones de flameo en función de condiciones de vuelo ya verificadas como libres de inestabilidades aeroelásticas. De entre todas ellas, aquella que relaciona el amortiguamiento y la velocidad con un parámetro específico definido como „Margen de Flameo‟ (Flutter Margin), permanece como la técnica más común para proceder con la expansión de Envolventes en altitud/velocidad. No obstante, a pesar de su popularidad y facilidad de aplicación, dicha técnica no es adecuada cuando en la aeronave a ensayar se hallan presentes no-linealidades mecánicas como, por ejemplo, holguras. En particular, en vuelos de ensayo dedicados específicamente a expandir la envolvente en altitud/velocidad, las condiciones de „Oscilaciones de Ciclo Límite‟ (Limit Cycle Oscillations, LCOs) no pueden ser diferenciadas de manera precisa de las condiciones de flameo, llevando a una determinación excesivamente conservativa de la misma. La presente Tesis desarrolla una metodología novedosa, basada en el concepto de „Margen de Flameo‟, que permite predecir en tiempo real las condiciones de „Ciclo Límite‟, siempre que existan, distinguiéndolas de las de flameo. En una primera parte, se realiza una revisión bibliográfica de la literatura acerca de los diversos métodos de ensayo existentes para efectuar la expansión de la envolvente de una aeronave en altitud/velocidad, el efecto de las no-linealidades mecánicas en el comportamiento aeroelástico de dicha aeronave, así como una revisión de las Normas de Certificación civiles y militares respecto a este tema. En una segunda parte, se propone una metodología de expansión de envolvente en tiempo real, basada en el concepto de „Margen de Flameo‟, que tiene en cuenta la presencia de no-linealidades del tipo holgura en el sistema aeroelástico objeto de estudio. Adicionalmente, la metodología propuesta se valida contra un modelo aeroelástico bidimensional paramétrico e interactivo programado en Matlab. Para ello, se plantean las ecuaciones aeroelásticas no-estacionarias de un perfil bidimensional en la formulación espacio-estado y se incorpora la metodología anterior a través de un módulo de análisis de señal y otro módulo de predicción. En una tercera parte, se comparan las conclusiones obtenidas con las expuestas en la literatura actual y se aplica la metodología propuesta a resultados experimentales de ensayos en vuelo reales. En resumen, los principales resultados de esta Tesis son: 1. Resumen del estado del arte en los métodos de ensayo aplicados a la expansión de envolvente en altitud/velocidad y la influencia de no-linealidades mecánicas en la determinación de la misma. 2. Revisión de la normas de Certificación Civiles y las normas Militares en relación a la verificación aeroelástica de aeronaves y los límites permitidos en presencia de no-linealidades. 3. Desarrollo de una metodología de expansión de envolvente basada en el Margen de Flameo. 4. Validación de la metodología anterior contra un modelo aeroelástico bidimensional paramétrico e interactivo programado en Matlab/Simulink. 5. Análisis de los resultados obtenidos y comparación con resultados experimentales. ABSTRACT Aeroelasticity was defined by Arthur Collar in 1947 as “the study of the mutual interaction among inertia, elastic and aerodynamic forces when acting on structural elements surrounded by airflow”. Today, this definition has been updated to take into account the Controls („Aeroservoelasticity‟) and even the temperature („Aerothermoelasticity‟). Within the Aeronautical Engineering, aeroelastic phenomena, either static (divergence, aileron reversal) or dynamic (flutter, buzz), are well known since the early beginning of the Aviation. Lessons learned along the History of the Aeronautics have provided several design criteria in order to mitigate the probability of encountering adverse aeroelastic phenomena along the operational life of an aircraft. Additionally, last decade improvements experienced by the Computational Aerodynamics and aeroelastic modelization have refined the flutter onset speed calculations during the design phase of an aircraft. However, still today, flight test remains as a key tool to validate aeroelastic models, to verify flutter-free conditions and to certify the different envelopes of an aircraft. Specifically, during the envelope expansion in altitude/speed, real time prediction of flutter conditions is required in order to avoid them in flight. In that sense, within the flight test community, several methodologies have been developed to predict in real time flutter conditions based on free-flutter flight conditions. Among them, the damping versus velocity technique combined with a Flutter Margin implementation remains as the most common technique used to proceed with the envelope expansion in altitude/airspeed. However, although its popularity and „easy to implement‟ characteristics, several shortcomings can adversely affect to the identification of unstable conditions when mechanical non-linearties, as freeplay, are present. Specially, during test flights devoted to envelope expansion in altitude/airspeed, Limits Cycle Oscillations (LCOs) conditions can not be accurately distinguished from those of flutter and, in consequence, it leads to an excessively conservative envelope determination. The present Thesis develops a new methodology, based on the Flutter Margin concept, that enables in real time the prediction of the „Limit Cycle‟ conditions, whenever they exist, without degrading the capability of predicting the flutter onset speed. The first part of this Thesis presents a review of the state of the art regarding the test methods available to proceed with the envelope expansion of an aircraft in altitude/airspeed and the effect of mechanical non-linearities on the aeroelastic behavior. Also, both civil and military regulations are reviewed with respect aeroelastic investigation of air vehicles. The second part of this Thesis proposes a new methodology to perform envelope expansion in real time based on the Flutter Margin concept when non-linearities, as freeplay, are present. Additionally, this methodology is validated against a Matlab/Slimulink bidimensional aeroelastic model. This model, parametric and interactive, is formulated within the state-space field and it implements the proposed methodology through two main real time modules: A signal processing module and a prediction module. The third part of this Thesis compares the final conclusions derived from the proposed methodology with those stated by the flight test community and experimental results. In summary, the main results provided by this Thesis are: 1. State of the Art review of the test methods applied to envelope expansion in altitude/airspeed and the influence of mechanical non-linearities in its identification. 2. Review of the main civil and military regulations regarding the aeroelastic verification of air vehicles and the limits set when non-linearities are present. 3. Development of a methodology for envelope expansion based on the Flutter Margin concept. 4. A Matlab/Simulink 2D-[aeroelastic model], parametric and interactive, used as a tool to validate the proposed methodology. 5. Conclusions driven from the present Thesis and comparison with experimental results.