The present work is concerned with studying fluid-structure interaction problems using a high-fidelity representation for the fluid. In particular, the research aims to analyze the aeroelastic behavior of rigid airfoils and cylinders with elastic constraints, with emphasis in the effects of the inclusion of viscous terms in the aerodynamic formulation. The aerodynamic operator is constructed from the results of flow simulations using a computational fluid dynamics (CFD) tool which solves the 2-D Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations with appropriate turbulence closures. Both low and high Reynolds number flow conditions are addressed in the present investigation. An in-house developed CFD solver is used for the simulations. Studies of low Reynolds number flows are directed towards addressing the physical phenomena present in the wake of cylinders, as well as their effects on the bodies present in the flow. The typical applications of interest in such cases are vortex-induced vibration problems which can arise in many practical scenarios, ranging from satellite launch vehicles at the launch platform to underwater risers in the petroleum industry. The study of such low Reynolds number flows has also been used as a building block in the process of developing the computational tools for addressing the fluid-structure interaction problems of interest here, since the computational requirements in such cases are much less stringent. Studies performed at high Reynolds number flows are directed towards typical aeroelastic stability analyses of lifting surfaces at transonic conditions. The aeroelastic system of interest is represented by a rigid NACA 0012 airfoil-based typical section with both plunge and pitch elastic degrees of freedom. Root locus stability analyses of the aeroelastic system are performed in order to predict the flutter onset point for a given flight condition. Results obtained in the present work indicate that the simulation capability implemented is adequate for handling the fluid-structure interaction problems of interest. However, as expected, computational requirements become very severe for the high Reynolds number flows and several numerical techniques have to be brought to bear in order to allow treatment of such aeroelastic problems in a sufficiently efficient manner.

Multi-disciplinary Design Optimization highly demands computational resources, therefore it is important to develop design tools with low computational cost without compromising the fidelity of the model. The main goal of this work was to establish a methodology of training artificial neural networks for specific purposes of aircraft aerodynamic design, in order to substitute a computational fluid dynamics software in an optimization framework. This neural network would predict the lift and drag coefficients for an airliner';s wing-fuselage configuration based on its planform, airfoil, and flight condition parameters. This work also aimed to find the structure and the size of the network that best suits this problem, setting up references for future works. The aerodynamic database required for the neural network training was generated with a full-potential multiblock code. The training used the back propagation algorithm, the scaled conjugate gradient algorithm, and the Nguyen-Widrow weight initialization. Networks with different numbers of neurons were evaluated in order to minimize the regression error. The optimum networks reduced the computation time for the calculations of the aerodynamic coefficients in 4000 times when compared with the full-potential code. The average absolute errors obtained were of 0.004 and 0.0005 for lift and drag coefficients, respectively. We also propose an adapted version of the back propagation algorithm that allows the computation of gradients for optimization tasks using the artificial neural networks.

Airplane design consists of putting together several thousand parts to ultimately fulfill a set of requirements defined principally by airlines, manufacturers, and certification authorities. From the traditional perspective of an airline, an interesting airplane is one that is capable of generating the highest revenue with minimum operating cost - a maximum profit airplane. However, the airline industry is constantly broadening its consideration of what constitutes a nice-to-buy airplane. In recent times, not only economics, but also environmental considerations, are taking part in fleet-planning considerations. Following this trend induced by environmentally-aware passengers, and noise and pollution-related charges, airplane conceptual design methodologies are being expanded to incorporate methodologies for preliminary assessment of airplane noise and emissions. During the development of this dissertation, a group of airplane design methodologies was compiled and integrated into a design framework. This design framework was then expanded to incorporate noise and emissions estimation routines. This expanded group is then made into design functions and put through an automated design optimization process. In order to test both the design methodologies and the optimization techniques, two test cases are run: a long range, transcontinental jet and a mid-size regional jet. These test designs are initially single-objectively optimized for direct operating costs, noise and emissions. Then, the airplanes are optimized for pairs of these design objectives. Finally, they are optimized for the three objectives simultaneously. Results and suggestions for future works are presented.

Simulações de grandes escalas (LES) atualmente têm desempenhado um papel importante no estudo de turbulência, aeroacústica e combustão. Em LES, as maiores escalas são resolvidas e as escalas menores são modeladas por um modelo de submalha. A grande vantagem deste tipo de simulação para o estudo de turbulência está no fato de que a produção de turbulência acontece primordialmente nas grandes escalas. Além disso, o comportamento das grandes escalas é extremamente afetado pela topologia do escoamento analisado. Neste contexto, o objetivo primordial deste trabalho é estudar escoamentos próximos a paredes, em regiões com curvatura, para avaliar o efeito de gradientes de pressão adversos nas estatísticas do escoamento, analisando as consequências destes gradientes de pressão na produção, transporte e dissipação de energia turbulenta. A formulação empregada nas simulações é uma formulação LES, e estão sendo analisados números de Reynolds moderados, para os quais, em geral, não se têm dados de simulações diretas na literatura. Desta forma, pretende-se entender um pouco mais sobre as estruturas turbulentas geradas nas regiões de gradiente de pressão adverso e os mecanismos de produção de turbulência em tais regiões.

O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma lei de controle longitudinal e látero-direcional para uma aeronave militar em procedimento de pouso, na etapa de aproximação. Primeiramente foi feita uma revisão dos principais fundamentos teóricos envolvidos, tais como a dinâmica do movimento da aeronave, o conceito de sistemas de comando de voo e controle de voo, as técnicas utilizadas no projeto dos controladores, e por fim as etapas de um pouso e os sistemas de navegação que auxiliam o mesmo. Um modelo não-linear da aeronave militar F-16 é utilizado. Para o projeto dos controladores é feita uma linearização em torno de uma condição típica de aproximação. É também verificada a posição dos pólos das duas dinâmicas (longitudinal e látero-direcional) para diferentes ângulos de aproximação, a fim de verificar se o controlador projetado pode ser aplicado para outras situações de pouso. Na etapa do projeto dos controladores primeiramente é exibida a estrutura dos sistemas de controle utilizados, um Sistema de Aumento de Estabilidade longitudinal, um Sistema de Aumento de Estabilidade látero-direcional, um Piloto Automático de aproximação longitudinal e um Piloto Automático de aproximação lateral. Em seguida são expostos os requisitos de projeto para cada um deles e só então são calculados os ganhos. O cálculo dos ganhos foi realizado por diferentes métodos algorítmicos com e sem restrições. Buscou-se através deles minimizar diferentes índices de desempenho. Na validação do projeto foi verificado se os controladores projetados atendem aos requisitos de qualidade de voo, margem de estabilidade e desempenho robusto através de técnicas como o lugar das raízes, diagramas de Nichols e análise dos valores singulares. Por último, foram feitas simulações no tempo com o modelo não-linear para uma atmosfera tranqüila e com a presença de distúrbios, a fim de comprovar o desempenho satisfatório também nestas condições.

Atualmente durante a certificação de ruído de decolagem Part36 não é permitido se alterar a configuração aerodinâmica da aeronave, ou seja, com exceção do trem de pouso que deve ser recolhido, a posição dos dispositivos hipersustentadores deve permanecer constante durante toda a decolagem. Com isso, o desempenho da aeronave fica prejudicado, de forma que tanto a altitude final da aeronave quanto a redução de tração poderiam ser maiores caso ocorresse recolhimento de dispositivos hipersustentadores durante a subida, melhorando a eficiência aerodinâmica. O objetivo deste trabalho é estudar as possíveis melhorias em ruído aeronáutico de sobrevôo que possam advir do recolhimento de dispositivos hipersustentadores durante o procedimento de certificação de ruído. O estudo é feito através de otimização de trajetória e os resultados são comparados a uma trajetória de referência para quantificar a diminuição de ruído obtida. Os resultados indicam que um ganho significativo do ponto de vista de ruído pode ser obtido somente com esta mudança de procedimento, sem precisar alterar a aeronave propriamente dita.

A modelagem matemática do escoamento sobre asas através da Teoria da Linha Sustentadora possibilita a compreensão do fenômeno físico e serve como estimativa preliminar dos coeficientes aerodinâmicos da asa. O modelo clássico de Prandtl da linha sustentadora ainda é empregado atualmente devido à relativa simplicidade e por apresentar bons resultados para asas retas, perfis variados e de área em planta generalizada. Entretanto, para asas com enflechamento o modelo de Prandtl não possibilita a predição correta da distribuição de circulação, resultando em erros nos coeficientes aerodinâmicos cada vez maiores na medida em que o enflechamento aumenta. Neste trabalho, realiza-se uma revisão acerca dos modelos baseados na Teoria da Linha Sustentadora presentes na literatura e implementam-se adaptações do modelo clássico a fim de predizer a distribuição de circulação de uma asa enflechada. Foram propostos três modelos: duas formulações lineares com diferentes condições de contorno e um modelo não linear. Através dos modelos foi possível observar a distribuição de circulação ao longo da envergadura da asa. Utilizando o modelo fundamentado na Linha Sustentadora de Prandtl, foi possível obter resultados condizentes com a literatura para enflechamentos pequenos e/ou com elevados valores de alongamento. O modelo linear da Linha Sustentadora Estendida de Weissinger possibilitou a obtenção de resultados mais coerentes para asas com enflechamentos e/ou alongamentos pequenos. O modelo não linear para a Linha Sustentadora de Prandtl mostrou resultados coerentes com a literatura para casos específicos, porém requereu maior esforço para calibração dos parâmetros numéricos de simulação.

O projeto aerodinâmico de uma asa segue determinados processos bem definidos: a otimização da forma em planta para a missão desejada, a otimização da perfilagem para a forma em planta otimizada, e a otimização dos dispositivos hiper-sustentadores para a asa de cruzeiro. Todas estas etapas são cumpridas em série de forma que resultados altamente interdependentes são otimizados separadamente. Neste trabalho é proposto o acoplamento das duas primeiras etapas do projeto aerodinâmico de uma asa de cruzeiro. A perfilagem e a forma em planta de uma asa são simultaneamente otimizadas com o objetivo de maximizar a razão L/D e o máximo coeficiente de sustentação. Para tanto, é adotada uma nova forma de parametrização geométrica proposta por (KULFAN & BUSSOLETTI, 2006), pela qual é possível a representação geométrica de uma asa completa por meio de uma quantidade extremamente reduzida de parâmetros, aumentando assim a eficiência e a velocidade da otimização. Também são propostas modificações para a parametrização de forma a torná-la ainda mais robusta e diminuir ainda mais a quantidade de parâmetros necessários. As análises aerodinâmicas são realizadas por meio do código Boundary Layer Wing-Fuselage, BLWF, e os processos são integrados utilizando o ambiente de otimização modeFrontier. Foram testados algoritmos de otimização baseados no método SIMPLEX e em Algoritmos Genéticos em otimizações mono-objetivo e multi-objetivo. Os resultados mostram que, para objetivos concorrentes, otimizadores baseados em algoritmos genéticos são mais eficientes na localização do máximo global, conseguindo aumentar consideravelmente a razão L/D de uma configuração. Pode-se observar que nas otimizações multi-objetivos, a geometria das asas ótimas obtidas são bastante semelhantes à geometria de asa de aeronaves regionais. Também foi possível observar que o acoplamento da forma em planta com a perfilagem durante a otimização causou um ajuste do máximo coeficientes de sustentação bi-dimensional e dos coeficientes de sustentação locais da asa com o objetivo de redução de arrasto.

O desempenho em pista de aeronaves é de extrema importância para o sucesso do projeto, pois ele pode limitar a operação da aeronave, dependendo do comprimento da pista dos aeroportos. Para aeronaves da aviação executiva, o sucesso de vendas guarda uma relação direta com esses parâmetros, já que as mesmas podem atender um número maior de aeroportos e/ou operar com maior variedade de combinações de carga paga e combustível carregados, tornando a aeronave muito mais versátil. Com essa premissa em mente, se torna importante a obtenção da estimativa do comprimento de pista para decolagem e pouso nas fases iniciais do projeto aeronáutico, possibilitando tempo, à baixo custo, para que se possa corrigir qualquer problema que possa comprometer o desempenho da aeronave. As manobras que determinam a velocidades mínimas de decolagem e velocidades mínimas de controle em solo são as escolhidas para serem estudadas, dada a importância que possuem no dimensionamento da empenagem da aeronave. As principais dificuldades na estimativa dessas velocidades são a obtenção dos dados aerodinâmicos sob efeito solo e das características dinâmicas do trem de pouso. Portanto decidiu-se concentrar o estudo na sensibilidade de alguns parâmetros aerodinâmicos a fim de melhor direcionar os trabalhos de modelagem.

O presente trabalho visa determinar, via análises de dados de túnel de vento, o impacto aerodinâmico em arrasto da instalação de dispositivos de ponta de asa em uma aeronave transônica de transporte moderna, para averiguar o ganho atingido com os atuais métodos de projeto de winglets. São comparados 3 dispositivos de ponta de asa, em uma campanha de ensaios em túnel. Os ensaios foram realizados à pressão total constante, fazendo o uso dos mesmos suportes, e realizando as mesmas variações no escoamento. Os dados colhidos em diversas rodadas de túnel foram então analisados procurando estabelecer qual a influência de cada dispositivo sob o arrasto da aeronave, em regimes subsônicos e transônicos. As comparações puderam estabelecer que o atual estado da arte oferece reduções significativas de arrasto em cruzeiro, proporcionando melhorias no alcance e outras características de desempenho da aeronave, vindo a comprovar a teoria e os dados históricos de desempenho destes dispositivos.