En este trabajo se propone abordar el problema de interacción fluido-estructura de un ala flexible batiente sometida a un movimiento oscilatorio forzado de cabeceo bajo un flujo incidente de aire a través de un enfoque computacional. El interés en tal sistema radica en el hecho de que este constituye el modelo más simple de un mecanismo de propulsión bio-inspirado: el problema de una estructura con movimiento de vaivén que se deforma al interactuar con el fluido circundante es el problema básico detrás de animales nadadores y voladores. Desde el punto de vista ingenieril, se ha propuesto el uso de alas y láminas batientes como mecanismos de propulsión en embarcaciones y en Micro Aerial Vehicles (MAVs), como elementos de control activo de flujos, y como elementos de extracción de energía de viento, olas y corrientes marinas. A lo largo de esta disertación, primero, se propone un modelo matemático para el sistema acoplado de interés. Luego, se lo transforma en un modelo numérico,
exponiéndose las metodologías de discretización escogidas para cada componente de ese sistema y para el acoplamiento en sí. Posteriormente, ese modelo numérico se aborda a través de software de código abierto (OpenFOAM, CalculiX y preCICE) extendido para satisfacer las necesidades de la aplicación. El análisis realizado se concentra en un rango de parámetros que conduce a una fuerte interacción entre las dinámicas del ala y del flujo. Particularmente, el número de Reynolds adopta valores lo suficientemente altos como para que la dinámica del sistema esté gobernada por fuerzas inerciales, pero lo suficientemente bajos como para desestimar predominio de estructuras turbulentas. A través de tal análisis, se caracteriza la respuesta cinemática y dinámica del ala, estudiando, en particular, las fuerzas de propulsión o arrastre según el caso y las configuraciones óptimas de
cabeceo forzado para la generación de empuje. Adicionalmente, se relaciona dicha respuesta con el escurrimiento resultante y las estructuras coherentes presentes en él. La comparación de los resultados obtenidos con aquellos de trabajos experimentales sobre un sistema bastante similar revela que el modelo propuesto y su resolución a través de la herramienta adaptada y extendida logra capturar las características de interés del fenómeno físico en estudio. Específicamente, se encuentra que los máximos de fuerzas de propulsión para un ala con movimiento de cabeceo se dan para frecuencias adimensionales desplazadas con respecto a aquellas para las cuales se dan los máximos de desplazamientos verticales del borde de fuga del ala; que esos máximos de fuerzas de propulsión no necesariamente se dan para una frecuencia de forzado del movimiento igual a una frecuencia natural de la estructura; que las mayores fuerzas de propulsión se logran cuando los vórtices en la estela detrás el ala logran una disposición lo más ordenada y estable posible.