[pt] Entradas de ar submersas são utilizadas em diversos sistemas de uma aeronave, tais como motor, ar-condicionado, ventilação e turbinas auxiliares. Neste trabalho visa-se estudar, através de simulações numéricas, a influência do uso de um gerador de vórtices sobre a espessura da camada limite a montante de uma entrada de ar submersa, com o intuito de reduzi-la e, assim, aumentar o desempenho deste tipo de entrada. O escoamento em uma entrada NACA convencional é analisado numericamente e seus resultados são tomados como referência para comparações subseqüentes. Em seguida, o gerador de vórtices é projetado e acoplado à entrada NACA convencional. Uma análise paramétrica numérica da influência da posição horizontal, do ângulo de ataque e da área do gerador de vórtices sobre a estrutura do escoamento e sobre os parâmetros de desempenho da entrada de ar é apresentada. Finalmente, um mastro de suporte do gerador de vórtices é projetado e são realizadas simulações do conjunto entrada NACA com gerador de vórtices e mastro para três ângulos de derrapagem do mastro. Os resultados mostram que a presença do gerador de vórtices livre leva a reduções consideráveis da espessura da camada limite e, consequentemente, a ganhos significativos nos parâmetros de desempenho da entrada de ar. Para o caso da entrada NACA com gerador de vórtices livre, os ganhos obtidos em relação à entrada NACA convencional, em termos de eficiência e de vazão mássica, são de até 58% e 21%, respectivamente. No caso da entrada NACA com gerador de vórtices e mastro, o melhor resultado exibe ganhos da ordem de 53%, em termos de eficiência, e de 19%, em termos da vazão mássica que ingressa na entrada de ar. A contribuição do arrasto provocado pela presença do gerador de vórtices com mastro no arrasto total do conjunto entrada NACA com gerador de vórtices e mastro é pequena, menor que 10%. / [en] Submerged air inlets are used for several systems of an aircraft, such as engine, air conditioning, ventilation, and auxiliary turbines. This work intends, through numerical simulations, to study the influence of the use of a vortex generator upon the boundary layer that develops upstream of a submerged air intake, with the aim of decreasing its thickness and, thus, to increase the inlet performance. The flow in a conventional NACA inlet is analyzed numerically and its results are considered as a reference for subsequent comparisons. Then, the vortex generator is designed and assembled to the conventional NACA inlet. A parametric analysis of the influence of the horizontal position, the angle of attack, and the area of the vortex generator on the flow field structure and on the performance parameters of the air inlet is presented. Finally, a support mast of the vortex generator is designed, and simulations are performed for the ensemble NACA inlet with vortex generator and mast for three sideslip angles of the support. The results show that the presence of the vortex generator is responsible for considerable reductions of the boundary layer thickness and, consequently, significant improvements of the performance parameters of the NACA inlet. The improvements, relative to the conventional NACA intake, in terms of ram recovery ratio and mass flow rate, may reach of 58% and 21%, respectively, for the case of the NACA inlet with the freely standing vortex generator. For the case of the NACA inlet with the vortex generator and support, improvements of up to 53%, in terms of ram recovery ratio, and 19%, in terms of mass flow rate ingested by the intake, were obtained. The contribution of the drag induced by the presence of the vortex generator with support on the total drag of the ensemble is smaller than 10%.

[pt] In order to gain deeper understanding of the ow physics around low aspect ratio wings, the current dissertation presents a numerical study of the ow around a race-car rear wing, in particular, the PUC-Rio Formula-University car. To diminish the time it takes to prepare a numerical simulation, we evaluate the performance and accuracy of a particular utility available in Open-FOAM, namely, snappyHexMesh, which generates hexahedral unstructured grids. The effect of using such a grid in numerical simulations employing two different turbulence models (Spalart Allmaras and k - w SST) for several angles of attack is investigated. The methodology of the study comprised six steps: 3D scanning of the real geometry, geometry modeling, grid generation, ow computation, solution validation, ow visualization and analysis. The grid qualities were assessed using a simple two-dimensional case, which showed good agreement with experimental data with an absolute difference ranging between 0.39 per cent and 8 per cent. While comparing them with numerical validated data the difference ranged between 0.5 per cent and 3.6 per cent. By visualizing the velocity and pressure fields, it was confirmed that the methodology used in the current study is capable of capture the various physical phenomena present in the ow around a rear wing, which is characterized by horseshoe vortices at the end plates, local recirculation zones, tip vortices and their interaction with the boundary layer at the suction surface. The simulations showed that the size of the tip and horseshoe vortices increases with the angle of attack, as well as their in uence on the boundary-layer separation. Consequently, although the end plates are known to be useful in reduction of vortex, it was observed there is still a great waste of energy in their formation. / [en] A fim de obter uma compreensão mais profunda da física do escoamento em torno de asas de baixa relação de aspecto, a presente dissertação apresenta um estudo numérico do escoamento em torno da asa traseira de um carro de corrida, em particular, o carro de fórmula da PUC-Rio. Para diminuir o tempo que leva para preparar uma simulação numérica, avaliamos o desempenho e a precisão de um utilitário disponível no OpenFOAM chamado snappyHexMesh, o qual gera malhas não estruturadas usando em sua maioria elementos hexahédricos. O efeito do uso de tal malha nos resultados das simulações numéricas é investigado, empregando dois modelos de turbulência diferentes (Spalart Allmaras e k - omega SST) para vários ângulos de ataque. A metodologia do estudo foi composta por seis etapas: a digitalização da geometria, a modelagem da geometria, a geração da malha, o cálculo do escoamento, a avaliação da solução, a visualização e análise do escoamento. As qualidades da malha foram avaliados através de um caso bidimensional simples, que mostrou boa concordância com dados experimentais com uma diferença absoluta variando entre 0,39 por cento e 8 por cento. Em quanto que comparando-os com dados numéricos validados a diferença variou entre 0,5 por cento e 3,6 por cento. Visualizando os campos de velocidade e os campos de pressão, foi confirmado que a metodologia utilizada no estudo é capaz de capturar os diversos fenômenos físicos presentes no escoamento, o qual é caracterizado por vórtices de ferradura nas placas, zonas de recirculação locais, vórtices de ponta e sua interação com a camada limite na superfície de sucção. As simulações mostraram que o tamanho dos vórtices de ponta e dos vórtices de ferradura aumenta com o ângulo de ataque, bem como sua inuência sobre a separação da camada limite. Consequentemente, embora as placas sejam reconhecidamente úteis na diminuição dos efeitos de ponta, ainda há um grande desperdício de energia na formação de vórtices.

[pt] Nos últimos anos tem-se observado o crescente fomento de pesquisas globais por sistemas de energias renováveis que proporcionem menor impacto ambiental, garantindo às necessidades do presente sem comprometer a capacidade das gerações futuras. Tal propósito tem impulsionado o avanço da pesquisa em diferentes áreas do campo da energia eólica global, objetivando-se entender o comportamento estrutural e mecânico de cada componente, a fim de garantir uma engenharia de maior segurança e qualidade, bem como reduzir o tempo de indisponibilidade dos aerogeradores. O presente estudo tem como objetivo avaliar o comportamento estrutural de um aerogerador onshore de eixo horizontal, com rotor de três pás, submetido a campos normais e extremos de velocidade do vento definidos de acordo com a IEC 61400- 1 - Wind Turbines Design Requirements. Devido ao acesso limitado às informações técnicas dos aerogeradores comercializados pelos fabricantes, será realizada a análise para o aerogerador de referência de 5 MW desenvolvido pelo Laboratório Nacional de Energias Renováveis (NREL) dos Estados Unidos, o qual disponibilizou as especificações técnicas do aerogerador para acesso público. O comportamento da estrutura será avaliado através da simulação do sistema acoplado rotor-torre-fundação no código FAST, que é um simulador aero-hidro-servo-elástico desenvolvido pelo NREL, o qual está abertamente disponível e bem documentado no meio científico. Os casos de vento normal e extremo, estabelecidos pela IEC 61400-1 e utilizados no FAST, são processados pelo programa TurbSim, também disponibilizado pelo NREL. A análise modal do aerogerador é realizada pelo software SAP2000 para obtenção das frequências naturais e avaliação da característica dos modos de vibração da estrutura. O modelo de elementos finitos considera a torre e as pás discretizadas em elementos de viga. / [en] In recent years there has been a global research for forms of renewable energy which could provide less environmental impact as well as guarantee energy for future generations. This scenario leads to the rise of studies in wind power field which scrutinizes the wind turbine aiming to understand the structural and mechanical behaviour of each component in order to assure safer and quality engineering as well as reducing the wind turbines downtime. The present study aims to understand the structural behavior of an onshore three-bladed horizontal-axis wind turbine subjected to the normal and extreme wind speed fields defined in accordance with IEC 61400- 1 - Wind Turbines Design Requirements. Due to limited access to technical information on wind turbines marketed by manufacturers, the analysis will be performed for the 5 MW Reference Wind Turbine developed by the National Renewable Energy Laboratory (NREL) of the United States, which made the technical specifications of the turbine available for public access. The behavior of the structure will be evaluated through the simulation of the rotor-tower-foundation coupled system in the FAST code, which is an aero-hydro-servo-elastic simulator developed by NREL, which is openly available and well documented in the scientific community. The cases of normal and extreme wind, established by IEC 61400-1, used in FAST, are processed by the TurbSim program also provided by NREL. The modal analysis of the wind turbine is performed using the software SAP2000 in order to obtain the natural frequencies and evaluate the characteristic of the structure s vibration modes. The finite element model considers the tower and the blades discretized into beam elements.

[pt] Pontes com vãos superiores a 2.000 m tornam-se muito sensíveis à ação do vento, particularmente ao drapejamento. Nesta tese é estudado um método para a supressão do drapejamento em pontes de grandes vãos através de um controle aerodinâmico ativo. Apresentam-se técnicas analíticas de projeto para o controle ativo do sistema aero elástico constituído pelo tabuleiro e por duas superfícies de controle. Estas técnicas são baseadas em aproximações racionais das cargas aerodinâmicas não permanentes (ou auto-excitadas) no domínio Laplaciano, no qual as equações de movimento são representadas por equações matriciais de coeficientes constantes. A primeira parte da tese é dedicada à formulação matricial das funções racionais conhecida como Minimum State, assim como a aplicações a dados aerodinâmicos obtidos experimentalmente para vários tipos de seções transversais de pontes. A precisão das aproximações é calculada. Desenhos dos derivativos aerodinâmicos, dados sob forma de tabelas, e das respectivas aproximações, são elaborados para fins de comparação. Em seguida, são apresentadas as equações em espaço de estado descrevendo o comportamento aeroelástico de uma seção transversal de ponte. A partir dos dados geométricos e características dinâmicas de uma determinada ponte, (massa, momento de inertia polar, frequências naturais e fatores de amortecimento), e assumindo a semelhança geométrica entre as seções transversais da ponte em verdadeira grandeza e do modelo em escala do qual os derivativos aerodinâmicos foram extraídos, é possível calcular a velocidade crítica desta ponte, utilizando os programas em linguagem MATLAB apresentados no corpo deste trabalho. Esta parte da tese mostra ser possível construir um catálogo com vários perfis de pontes, caracterizados por derivativos aerodinâmicos variáveis em função de frequências reduzidas adimensionais, e das funções racionais correspondentes. A segunda parte é dedicada à fomulação das equações de movimento em espaço de estado, descrevendo o comportamento aeroelástico do sistema tabuleiro - superfícies de controle. As equações resultantes são ampliadas com novos estados aerodinâmicos responsáveis pela modelagem da influência do fluxo de ar sobre o tabuleiro e sobre as superfícies de controle em movimento. As equações de movimento são função da velocidade média do vento incidente. A dependência da equação de movimento à velocidade do vento motivou a aplicação dos conceitos de realimentação de ganhos, constante e variável, ao problema da supressão do drapejamento, os quais são apresentados separadamente em dois capítulos.O enfoque de ganho variável de saída é formulado em termos de minimização de um índice de desempenho dimensionalmente proporcional à soma do trabalho realizado pelas superfícies de controle e da energia cinética proporcional à velocidade vertical do tabuleiro. Apresenta-se também em detalhe um método sistemático para determinar a matriz de controle de ganhos variável, aplicada ao caso hipotético da ponte de Gibraltar. Neste caso, o conceito de realimentação de ganhos variável mostrou-se muito efetivo em suprimir o drapejamento do tabuleiro da ponte. Diferentes características geométricas e dinâmicas de outras pontes podem ser introduzidas nos programas MATLAB apresentados no Apêndice, para obtenção da velocidade crítica nos casos de tabuleiros isolados, tabuleiros com asas estacionárias e tabuleiros com asas giratórias ativamente controladas, para supressão do drapejamento do tabuleiro. / [en] Long span bridges, with main spans beyond 2.000 m become highly sensitive to wind action, particularly to flutter. An active aerodynamic control method of suppressing flutter of very long span bridges is studied in this thesis. Analytical design techniques for active control of the aeroelastic system consisting of the bridge deck and two control surfaces are presented. These techniques are based on a rational approximation of the unsteady aerodynamic loads in the entire Laplace domain, which yieds matrix equations of motion with constant coefficientes. The first part of this thesis is dedicated to the matrix formulation of the rational functions known as Minimum State and to applications to aerodynamic data obtained experimentally for various types of bridge profiles. The precision of the approximations iscalculated, and plots of the approximation functions compared to the available tabular data are drawn. Next, the state-space equations of motion describing the aeroelastic behaviour of a section of a bridge deck is presented. Given the dynamic data of a bridge structure (mass, rotational mass moment of inertia, natural frequencies, stiffness and damping ratios), and assuming that a geometric similitude exists between the profiles of the full-scale bridge deck and the sectional model from which the frequency dependent aerodynamic data was extracted, it is possible to calculate the critical velocity of that particular bridge. This part of the thesis shows that it is possible to build up a catalog of several profiles, characterized by frequency dependent aerodynamic data and the corresponding rational functions. The second part is dedicated to the formulation of the state-space equations of motion describing the aeroelastic behaviour of the entire system consisting of the bridge deck and control surfaces. The resulting equation includes new aerodynamic states which model the air flow influence on the moving deck. The equation of motion is a function of the mean velocity of the incoming wind. The dependence of the equation of motion on the wind velocity motivated the application of a constant and a variable-gain feedback concept to the problem of flutter suppressing, which are presented separatelly. The output variable-gain approach is formulated in terms of minimizing a performance index dimensionally proportional to the sum of the work done by the rotating control surfaces and the kinetic energy of the heaving velocity. A sistematic method to determine the matrix of variable control gains is shown in detail, as applied to the hypothethical case of Gibraltar bridge. Application of the variablegain feedback concept was found to be very effective in suppressing flutter of the bridge deck. Different geometric and dynamic characteristics can be introduced in the MATLAB programs included in this work, in order to obtain the critical velocities of a bridge deck alone, a bridge deck with stationary wings and a bridge with moving wings activelly controled.