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Design and Numerical Verification of an Electric Ducted-Fan Propulsion Experimental Platform with Two Configurations

Este estudio presenta el diseño y la validación numérica de una plataforma experimental de ventilador carenado eléctrico en configuraciones de ala y de conducto, demostrando campos de flujo uniformes y altos coeficientes de recuperación de presión total que se ven potenciados mediante la optimización de la geometría del conducto.

Autores originales: Xingyu Xu, Wei Wei, Qitian Tao, Lihui Sun, Xiaohua Liu

Publicado 2026-09-03

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CC BY 4.0

Autores originales: Xingyu Xu, Wei Wei, Qitian Tao, Lihui Sun, Xiaohua Liu

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El futuro del vuelo silencioso y limpio a menudo se asemeja a un ventilador oculto dentro de un tubo. Este es el ventilador de flujo dirigido eléctrico, un sistema de propulsión donde un motor potente hace girar las palas dentro de un cilindro cuidadosamente diseñado. A diferencia de una hélice de avión estándar que se encuentra en el aire abierto, este diseño utiliza el tubo para guiar el aire, comprimiéndolo y acelerándolo para generar empuje. Los ingenieros se sienten atraídos por estos sistemas porque pueden ocultarse en las alas o en el fuselaje, ofreciendo una forma flexible de alimentar la próxima generación de aeronaves eléctricas. Sin embargo, construir una máquina que funcione bien en un tablero de dibujo es muy diferente a construir una que funcione en el mundo real. Para saber si un ventilador y su tubo son verdaderamente eficientes, los científicos deben medir cuánta energía pierde el aire mientras atraviesa el sistema. Si el tubo tiene una forma deficiente, el aire se arremolina y se estanca, desperdiciando potencia. Si tiene una buena forma, el aire fluye suavemente, preservando su energía para impulsar la aeronave hacia adelante.

Para resolver este problema, un equipo de investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghái y la Corporación de Ciencia y Tecnología Aeroespacial de China diseñó un nuevo banco de pruebas a gran escala. Construyeron una plataforma experimental especializada capaz de albergar dos tipos diferentes de configuraciones de ventilador: una donde el ventilador está montado directamente sobre una sección del ala de un avión, y otra donde el ventilador se encuentra dentro de un tubo independiente. El objetivo era crear un entorno confiable donde pudieran probar cómo se comporta el aire dentro de estos sistemas sin la interferencia del viento o los efectos del suelo que usualmente alteran las mediciones. Debido a que construir y probar prototipos físicos es costoso y consume mucho tiempo, el equipo primero utilizó potentes simulaciones por computadora para verificar que su nuevo banco de pruebas funcionaría correctamente. Modelaron el flujo de aire a través de la cámara de prueba, comprobando si el aire permanecería estable y uniforme incluso antes de llegar al ventilador.

Los investigadores descubrieron que su nueva plataforma estaba a la altura del desafío. Cuando simularon el movimiento del aire a través de la cámara de prueba a velocidades que iban desde una brisa suave hasta unos potentes 100 kilogramos por segundo, el flujo de aire se mantuvo suave y estable. Esta estabilidad es crucial porque cualquier turbulencia proveniente de la propia sala de pruebas distorsionaría los resultados, haciendo imposible determinar si un ventilador estaba funcionando bien o mal. Las simulaciones mostraron que el aire que entraba al ventilador era limpio y constante, independientemente de si el ventilador estaba unido a un modelo de ala o de pie solo en un tubo. Esto confirmó que el banco de pruebas físico que diseñaron proporcionaría datos precisos para futuros experimentos.

Una vez validada la plataforma, el equipo centró su atención en el rendimiento de las dos configuraciones de ventilador. Midieron una métrica específica llamada coeficiente de recuperación de presión total, que esencialmente le dice a los ingenieros cuánta de la energía del aire se preserva mientras viaja a través del sistema. Un número más alto significa que se desperdicia menos energía. Los resultados fueron impresionantes. Para el ventilador montado en el ala, el sistema preservó más del 99 por ciento de la energía del aire. Para el modelo de tubo independiente, la eficiencia fue incluso ligeramente superior, preservando también más del 99 por ciento de la energía. Estas cifras indican que ambos diseños permiten que el aire fluya a través de ellos con muy poca pérdida, una señal de un sistema de propulsión bien diseñado.

El equipo no se detuvo simplemente en confirmar que los diseños funcionaban; también buscaron formas de mejorarlos. Se dieron cuenta de que la forma de la entrada del tubo, donde el aire entra por primera vez, desempeñaba un papel significativo en la fluidez con la que el aire se movía. Al cambiar la entrada de una forma acampanada a un borde curvo más aerodinámico, pudieron guiar el aire de manera más suave hacia el ventilador. Este pequeño cambio geomético tuvo un impacto mensurable. En sus simulaciones, la entrada optimizada del tubo redujo la pérdida de energía aún más, elevando la calificación de eficiencia a casi un 99.3 por ciento. Esta mejora demuestra que incluso los cambios sutiles en la forma de la toma de aire pueden aumentar significamente el rendimiento.

El estudio también abordó una pregunta práctica para cualquiera que construya una instalación de pruebas: ¿dónde debe colocarse el ventilador dentro de la sala? Los investigadores simularon el ventilador en la parte delantera, media y trasera de su cámara de prueba. Encontraron que la posición no importaba. Siempre que el aire fluyera suavemente hacia la sala, el ventilador se comportaba de la misma manera, independientemente de dónde se encontrara. Este hallazgo otorga a los ingenieros una gran flexibilidad al diseñar sus propios espacios de prueba, ya que no necesitan preocuparse por una ubicación precisa para obtener resultados válidos.

En última instancia, este trabajo proporciona una base sólida para el desarrollo de la propulsión de aeronaves eléctricas. Al diseñar una plataforma de prueba robusta y verificar su rendimiento mediante un detallado modelado por computadora, los investigadores han creado una herramienta que puede medir de manera confiable qué tan bien funcionan los ventiladores de flujo dirigido eléctricos. Sus hallazgos confirman que estos sistemas pueden alcanzar una alta eficiencia y que la atención cuidadosa a la forma de la toma de aire puede extraer aún más rendimiento. A medida que la industria de la aviación avanza hacia tecnologías más ecológicas, tener una forma confiable de probar y perfeccionar estos potentes ventiladores será esencial para convertir la promesa del vuelo eléctrico en una realidad.

Resumen Técnico: Diseño y Verificación Numérica de una Plataforma Experimental de Propulsión de Ventilador con Conducto Eléctrico

Planteamiento del Problema
Los ventiladores con conducto eléctricos (EDF, por sus siglas en inglés) son cada vez más reconocidos como sistemas de propulsión viables para la futura aviación eléctrica debido a su flexibilidad estructural y alta eficiencia de empuje. Sin embargo, la evaluación precisa de su rendimiento aerodinámico depende en gran medida de la disponibilidad de plataformas experimentales fiables. Las investigaciones existentes indican que las interacciones entre los EDF y los bancos de prueba pueden afectar significamente la precisión de las mediciones, y las plataformas actuales suelen sufrir de una adaptabilidad limitada y marcos de diseño incompletos. Además, si bien los métodos de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) han mostrado potencial para igualar la precisión experimental, las investigaciones aeroacústicas y aerodinámicas acopladas aún requieren pruebas de tierra para la verificación preliminar. Existe una necesidad específica de una plataforma experimental versátil capaz de acomodar diferentes configuraciones de EDF (como modelos integrados en alas y modelos independientes con conducto) asegurando al mismo tiempo una distorsión de flujo mínima y una alta fiabilidad de medición.

Metodología
Este estudio presenta el diseño y la validación numérica de una nueva plataforma experimental de propulsión de EDF. El proceso de diseño siguió un enfoque sistemático desde el sistema general hasta los componentes individuales, dividiendo la plataforma en un sistema mecánico (banco de pruebas, equipo auxiliar, accesorios de prueba) y un sistema eléctrico (fuente de alimentación, control y adquisición de datos).

Especificaciones de la Plataforma: La cámara de prueba se diseñó con dimensiones específicas para asegurar un flujo de aire sin obstrucciones: una altura de 5 m, una longitud en la dirección del flujo de 6 m y un ancho de rejilla de 4.2 m (cinco veces el diámetro del conducto). La plataforma soporta dos accesorios de prueba principales:
1. Modelo de Ala: Utilizando un perfil alar simétrico NACA 0012 (cuerda de 2600 mm, envergadura de 1520 mm) con un conducto de 700 mm de diámetro unido tangencialmente a la superficie inferior.
2. Modelo con Conducto: Una configuración independiente que cuenta con un labio de guía de flujo (diámetro de 1100 mm), una sección de medición y un conducto de escape recto corto para minimizar la pérdida de empuje.
Simulación Numérica: Para validar el diseño sin construir la instalación física de inmediato, el estudio empleó simulaciones CFD utilizando ANSYS Fluent. Las simulaciones utilizaron el modelo de turbulencia $k-\omega$ SST para resolver los flujos de la capa límite y predecir la separación bajo gradientes de presión adversos. El dominio incluyó mallas triangulares no estructuradas con un valor de $y^+$ inferior a 50. Las condiciones de contorno incluyeron entradas/salidas de presión para el campo lejano y entradas/salidas de flujo másico para los conductos internos. Las simulaciones se realizaron a caudales másicos de 5, 20 y 100 kg/s.
Optimización: Se realizó una optimación geométrica en el labio de entrada del modelo con conducto, reemplazando el diseño original acampanado por un labio aerodinámico basado en una ecuación paramétrica elíptica para mejorar la adherencia del flujo.

Resultados Clave
El análisis numérico arrojó las siguientes métricas de rendimiento:

Uniformidad del Flujo: Tanto la configuración de ala como la de conducto produjeron campos de flujo internos uniformes y estables.
Recuperación de Presión: Se calculó el coeficiente de recuperación de presión total ( $\xi_p$ $ξ_{p}$ ) para ambos modelos.
- Modelo de Ala: El coeficiente osciló entre 0.9989 (a 5 kg/s) y 0.9901 (a 100 kg/s).
- Modelo con Conducto: El coeficiente osciló entre 0.9991 (a 5 kg/s) y 0.9915 (a 100 kg/s).
- Ambas configuraciones cumplieron con el requisito de diseño de $\xi_p \geq 0.99$ .
Independencia de Posición: Las simulaciones que ubicaron los modelos en la parte frontal, media y trasera de la cámara de prueba demostraron que la rejilla y la posición de la cámara tienen una influencia insignificante en los campos de flujo internos y en los coeficientes de recuperación de presión total, siempre que el flujo de entrada sea uniforme y esté plenamente desarrollado.
Impacto de la Optimización: La optimización geométrica del labio de entrada del modelo con conducto resultó en una reducción de la caída de presión de 872 Pa a 699 Pa a un caudal másico de 100 kg/s. En consecuencia, el coeficiente de recuperación de presión total mejoró de 0.9915 a 0.9932.

Significancia y Contribuciones
La principal contribución de este trabajo es el diseño de una plataforma experimental de propulsión de EDF compatible con diámetros de conducto de 700 mm y 1000 mm, junto con una rigurosa validación numérica de su fiabilidad de medición. El estudio demuestra que:

El diseño de la plataforma propuesta minimiza eficazmente la interferencia aerodinámica y la distorsión del flujo, satisfaciendo los estrictos requisitos para las pruebas de EDF.
La configuración del modelo con conducto es particularmente adecuada para las pruebas de banco debido a su mayor coeficiente de recuperación de presión total en comparación con el modelo integrado en el ala.
La optimización geométrica del conducto de entrada (específicamente el perfil del labio) es un método eficaz para reducir las pérdidas de flujo y mejorar la recuperación de presión.

Los autores concluyen que esta plataforma experimental proporciona una solución práctica y efectiva para las pruebas aerodinámicas de EDF, ofreciendo una base sólida para el desarrollo y la validación futuros de los sistemas de propulsión de ventilador con conducto eléctrico. El trabajo aborda la brecha en la investigación existente al proporcionar un marco de diseño integral que soporta tanto configuraciones de ala integrada como de conducto independiente.

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