Uso de Software libre para generar capacidades de asistencia

Uso de Software libre para generar capacidades de asistencia
técnica en estudios aerodinámicos.
En el Centro Aeronáutico y Espacial, considera muy importante acercarse al
'Proyecto de Software libre' (GNU-Licencia Pública General Reducida), por la calidad
científica internacional involucrada, porque favorece y promueve la generación del
conocimiento sin restricciones. No obstante sus aplicaciones pueden ser utilizas para
brindar servicios rentados a terceros, evitando encarecer estos servicios ya que el costo de
la licencia no se prorratea en el precio del mismo atento que el valor del servicio consiste
casi exclusivamente del know how del oferente de dicho servicio, evitando incurrir en
costos por licencia de uso, muchas veces elevados para una PyME. En caso del uso de un
software comercial, al valor del know how, se le debe agregar el valor de la licencia del
software.
Para comprender la filosofía del software libre, se resume la definición en
los siguientes conceptos:
“El Software Libre es un tipo particular de software que le permite al usuario el
ejercicio de cuatro libertades básicas:

Ejecutarlo con cualquier propósito.

Estudiar cómo funciona y adaptarlo a sus necesidades.

Distribuir copias libremente.

Mejorarlo, y liberar esas mejoras al público.
Con la única restricción del copyleft (o sea, cualquiera que redistribuya el
software, con o sin cambios, debe dar las mismas libertades que antes), y con el requisito
de permitir el acceso al código fuente (imprescindible para ejercer las libertades 1 y 3)”.
Conexo a este proyecto (GNU), también se encuentra otra filosofía que se
conoce como Open Source (código abierto) como una visión más práctica de interpretación
de la filosofía “software libre”, pero que en esencia también ofrecen sus códigos abiertos
para su modificación y evolución.
La dificultad de la utilización de los códigos comprendidos en esta filosofía
radica en que los mismos necesitan, en algunos casos, muchas horas de investigación y
compresión interna.
Por las anteriores consideraciones, el Centro creó un programa de I+D,
apoyado en la experticia de sus integrantes en el tema, llamado SOLSOL-PY (Soluciones
Software libre para las Pymes) que se está llevando a cabo mediante la incorporación de
becarios en forma sistemática al Centro, con la misión de investigar interpretar la gran
variedad de códigos para la ingeniería disponibles en la comunidad científica del Software
Libre, siendo el primero en presentarse por el programa “Cuantificación de gases efectos
invernadero en Aeropuertos bajo plataforma Scilab”.
A continuación se presenta el segundo trabajo realizado dentro del
programa SOLSOL-PY.
Método de Paneles Open Source: APAME (Aircraft 3D Panel Method)
Desde el inicio de la aviación, fue necesario desarrollar métodos de cálculo
que permitieran estimar y predecir, cómo se comportaría un avión con determinada
configuración, y si éste sería estable en su desempeño.
Por ello se desarrollaron los métodos potenciales bi y tridimensionales,
conocido como métodos de los paneles. Sin embargo su amplia utilización no fue posible
hasta la llegada de los primeros computadores, que podrían realizar la enorme cantidad de
cálculos necesarios para obtener resultados aerodinámicamente valiosos para el estudio
preliminar de una configuración dada.
Finalmente, en la actualidad, si bien este método ha sido ampliamente
superado por otros métodos que se usan en CFD, como por ejemplo Elementos Finitos y
Volumen Finito, gracias al avance de las computadoras modernas, no ha podido igualarse
la velocidad de resolución de este método; de tal manera que aún con sus limitaciones,
frente a los métodos antes mencionados, permite hacer evaluaciones completas de
configuraciones de aeronaves complejas, para varios ángulos de ataque y guiñada en
segundos..
El método de los paneles.
El método de los paneles consiste en distribuir una o más singularidades
elementales conocidas como: fuentes, sumideros, dobletes y vórtices; que simulan el
comportamiento del fluido. Estos, deben satisfacer la ecuación de Laplace, sobre cada
punto de control que se toman según el criterio del método bajo la condición de Kutta.
La superficie del cuerpo a simular, se parte en muchas pequeñas superficies,
las cuales se denominan paneles. Inicialmente éstos eran rectangulares, de allí que se los
denominara así, aunque actualmente también se usan triangulares.
Al aumentar, el número de superficies, en las cuales se divide la superficie,
aumenta el número de ecuaciones que deben satisfacer la ecuación de Laplace,
conduciendo así a un sistema de ecuaciones donde las incógnitas a resolver son los valores
de estos potenciales, dispuestos sobre los paneles, para que cumplan en los puntos de
control la condición de Kutta y la de impenetrabilidad del contorno.
APAME (Aircraft 3D Panel Method)
Creado por el Ing. Daniel Filković, como software libre u Open Source, está
pensado para ser empleado en el diseño de una aeronave, específicamente APAME, tiene
como objetivo calcular las características aerodinámicas de una aeronave, aplicando el
método de los paneles para fluido incompresible.
Modela un flujo no viscoso, por lo cual, los esfuerzos debidos a la viscosidad
y otros fenómenos asociados como capa límite y el efecto de desprendimiento del flujo no
están contemplados. Permite el uso de paneles cuadrangulares como triangulares,
haciéndolo versátil, y permitiendo posteriormente comparar resultados con otros
métodos numéricos como por ejemplo el método de elementos finitos.
Con este método se obtienen los coeficientes aerodinámicos como
sustentación CL, resistencia inducida CDi y los distintos momentos, como así también las
fuerzas ejercidas por el fluido sobre la aeronave.
Fig. 1 Geometría de la Aeronave.
Fig. 2. Generación de paneles con OpenVsp.
Para la generación de los paneles se utiliza, con un software de diseño, Fig. 2, que en este
caso es el OpenVsp, que permite el modelado gráfico en cuestión, y así poder extraer las
coordenadas que serán utilizadas en el APAME Fig. 3.
Fig.3 Modelo importado preprocesado para trabajar con APAME 3D
Una vez encontrada la geometría lo exportamos dichos datos en un formato
adecuado, donde esa superficies es traducida a través de unas interfaz como Scilab, en una
lista de datos tales como, coordenadas, lados definidos y sus normales respectivas, son
elementos que serán incorporados al programa APAME 3D.
Luego, completamos el proceso agregando las condiciones iníciales tales como
velocidad, densidad y ángulo de ataque.
El proceso interno que realiza el programa, nos da como resultado las
características aerodinámicas de la aeronave Fig. 4, las cuales, utilizando un coprocesador
se pueden visualizar gráficamente.
Fig. 4. Grafica con los resultados de APAME 3D Fig. 5. Visualización de resultados de APAME
La bondad de este software es de suma utilidad para el estudio aerodinámico de
una aeronave, aportando la versatilidad de realizar estudios a varios ángulos de ataque y
de deslizamiento, permitiendo obtener rápidamente resultados para un prediseño de una
aeronave.
El trabajo fue realizado por el Becario Gustavo Jorge Fernández, con la Asistencia
técnica del Ingeniero Mecánico Aeronáutico Ernesto Delfino Aguirre- eaguirre@inti.gob.ar.
Dr. Ing. Raul Mingo (raul@inti.gob.ar)
Director
INTI-Aeronáutico y Espacial