Water droplet deformation and breakup in the vicinity of the leading edge of an incoming airfoil

Resumen

La presente tesis ha tenido por objeto abordar el problema de la deformación y ro- tura de gotas debido a la presencia del campo fluido acelerado generado en las inmedia- ciones de un borde de ataque de un perfil aerodinámico. En la literatura hay numerosos estudios de deformación y rotura de gotas en otras condiciones, como campo fluidos de velocidad constante, cuyos trabajos experimentales se han llevado a cabo principal- mente en instalaciones tales como tubos de choque o túneles de viento. Sin embargo la deformación y rotura de gotas en campos fluidos no estacionarios es un problema que no se había abordado todavía. Los campos fluidos no estacionarios, acelerados o dece- lerados, solo se habían estudiado para esferas solidas o para gotas lo suficiente peque- ñas como para despreciar su deformación, siendo además este campo de investigación un campo todavía activo, ya que existen resultados experimentales contradictorios. Por tanto la principal novedad de este trabajo ha sido estudiar la deformación y rotura de gotas en un campo fluido no estacionario. El problema de deformación y rotura de gotas en las inmediaciones de un perfil es de aplicación en el campo aeronáutico, en concreto, en el problema de formación de hielo en alas de aviones debido a la presencia de gotas sobre-enfriadas grandes (tam- bién conocidas como SLD). Cuando una gota sobreenfriada impacta en una superficie solida, es posible que se forme hielo en dicha superficie siendo la cantidad y la forma de hielo formado dependiente entre otros factores del tamaño de la gota y del lugar de impacto. Si las gotas se rompiesen antes de llegar a impactar en el ala, como de hecho se ha observado que ocurre, el tamaño de las gotas a impactar cambia bruscamente, lo que podría modificar la forma de hielo en el ala respecto al caso en que las gotas no se rompen. Asimismo, y aunque las gotas no se rompan, el hecho de que se deformen significa que modifican su resistencia lo que se traduce en una variación de su trayec- toria y consecuentemente del lugar de impacto. El hecho de que se forme hielo en las superficies aerodinámicas del avión es extremadamente peligroso, ya que modifica la sustentación y la resistencia de las mismas, pudiendo ocasionar accidentes. El problema se abordó de forma experimental realizándose varias campañas de en- sayos en las instalaciones del brazo rotatorio de INTA estudiándose gotas de diámetros entre 300 micras y 3.6 mm. En dichos ensayos, se montó un modelo en el extremo del bra- zo rotatorio de forma que se alcanzaron velocidades del modelo de hasta 90 m/s. Las gotas, en forma de chorro, se dejaron caer en la trayectoria del modelo que se acercaba a las mismas con velocidad constante. Se utilizaron tres modelos de distinto tamaño (radio del borde de ataque de 0.103 mm, 0.070 mm y 0.029 mm) y cinco velocidades de modelo (50 m/s, 60 m/s, 70 m /s, 80 m/s y 90 m/s). Por medio de la técnica de fotografía de sombras, se grabaron las imágenes de vídeo de la deformación y la rotura III