Aerodynamic analysis of complex geometries using CFD

Abstract

Aerodynamic analysis has become one of the most important tools in many engineering applications. In this sense, this thesis work is aimed at performing aerodynamic analysis of different geometries, expanding the available knowledge and obtaining valuable insight from the obtained results. Aerodynamic analysis can be carried out, principally, in two ways: Experimental research and Computational Fluid Dynamics (CFD). The former makes use of prototypes, wind tunnels and test tracks, making it a very expensive option. On the other hand, CFD makes use of numerical tools to solve the Navier-Stokes equations within a computational discretized domain. This latter approach is essentially limited by the available computational power and by the aerodynamicist's experience.

This work comprises eight chapters. The first one is an introduction to the type of flows and geometries considered, as well as, the general methodology followed in the posterior studies. The following six chapters are the core of this dissertation, and encompass the numerical resolution of the Navier-Stokes equations in selected geometries, ordered by complexity level. In particular, the contents of these seven chapters have been submitted or published in international journals and conferences. For this reason, they are self contained and few changes have been made. The reader might find that some concepts are repeated along them. The last chapter contains concluding remarks. Finally, appendix 1 describes some applications of aerodynamic studies to some related projects and appendix 2 comprises a list of publications done during the PhD.

El análisis aerodinámico se ha convertido en una de las herramientas más importantes en diversidad de aplicaciones de ingeniería. En este contexto, esta tesis está enfocada a realizar análisis aerodinámicos en diferentes geometrías, contribuyendo datos nuevos a la comunidad científica y extrayendo información útil de los resultados obtenidos. Dichos análisis se pueden realizar, principalmente, de dos maneras: Mediante investigación experimental y mediante simulaciones numéricas (CFD). Para realizar experimentos se han de construir prototipos para su uso en túneles de viento y pistas de prueba, con los altos costos que esto conlleva. En otro extremo se encuentra el CFD, donde haciendo uso de herramientas computacionales se resuelven numéricamente las ecuaciones de Navier-Stokes en un dominio computacional. Este segundo enfoque se ve limitado por la potencia de cálculo disponible y la experiencia del aerodinamicista. Este trabajo se compone de ocho capítulos. En el primer capítulo se realiza una breve introducción a los tipos de flujos y geometrías consideradas en este estudio, así como la metodología a usar en el resto de capítulos . Los siguientes seis capítulos constituyen el cuerpo de este documento, y presentan la solución numérica y posterior análisis de las ecuaciones de Navier-Stokes en algunas geometrías de relevancia. Los contenidos de estos seis capítulos han sido presentados para su publicación en revistas indexadas y congresos. El último capítulo presenta las conclusiones extraídas de la presente tesis. Finalmente, el apéndice 1 presenta el análisis aerodinámico aplicado a problemas industriales reales, mientras que el apéndice 2 presenta la lista de publicaciones realizadas durante el desarrollo del doctorado.