Desarrollo de Velocimetría de Imágenes de Partículas para Aplicaciones de Túneles de Viento Hipersónicos. Trabajo de Grado

Abstract

RESUMEN : La investigación en aerodinámica hipersónica es fundamental para el avance de tecnologías aeroespaciales. No obstante, caracterizar flujos hipersónicos involucra desafíos notables por su alta velocidad y complejidad. En este escenario, la Velocimetría de Imágenes de Partículas (PIV) se destaca como una técnica esencial para adquirir mediciones precisas de velocidad en estos ambientes extremos. Este trabajo de grado, realizado en el túnel de viento hipersónico de la Universidad de Texas en San Antonio (UTSA), explora esta técnica. Se ejecutaron pruebas de PIV para examinar flujos hipersónicos de chorro, enfocándose en comprender la interacción de estos flujos con la capa límite en condiciones hipersónicas. El estudio es vital por su impacto en la estabilidad, control y manejo térmico de vehículos aeroespaciales, ejemplificado por los retos que enfrentó el avión-cohete hipersónico X-15 de la NASA. Los campos vectoriales de velocidad y vorticidad que se obtuvieron son cruciales para visualizar y analizar la dinámica de los flujos hipersónicos, aportando datos indispensables para optimizar el diseño y la eficiencia de los sistemas de control térmico en vehículos de alta velocidad. Los hallazgos indicaron velocidades de hasta 520 m/s, proporcionando avances significativos en la comprensión de la aerodinámica hipersónica y su aplicación en la ingeniería aeroespacial. Este estudio demuestra la eficacia de la técnica PIV en entornos extremos y resalta su capacidad para mejorar el diseño aerodinámico y la seguridad de futuras misiones aeroespaciales.

ABSTRACT : Hypersonic aerodynamics research is fundamental for advancing aerospace technologies. However, characterizing hypersonic flows involves significant challenges due to their high speed and complexity. In this scenario, Particle Image Velocimetry (PIV) stands out as an essential technique for acquiring precise velocity measurements in these extreme environments. This thesis work, conducted in the hypersonic wind tunnel at the University of Texas at San Antonio (UTSA), explores this technique. PIV tests were carried out to examine hypersonic jet flows, focusing on understanding the interaction of these flows with the boundary layer under hypersonic conditions. The study is crucial due to its impact on the stability, control, and thermal management of aerospace vehicles, exemplified by the challenges faced by NASA's X-15 hypersonic rocket plane. The velocity and vorticity vector fields obtained are crucial for visualizing and analyzing the dynamics of hypersonic flows, providing essential data to optimize the design and efficiency of thermal control systems in high-speed vehicles. The findings indicated speeds of up to 520 m/s, providing significant advancements in understanding hypersonic aerodynamics and its application in aerospace engineering. This study demonstrates the effectiveness of the PIV technique in extreme environments and highlights its ability to enhance aerodynamic design and safety for future aerospace missions.