O objetivo deste trabalho é o estudo da esteira formada atrás de um modelo de ônibus, devido à variação da superfície frontal do modelo. Desta maneira, deseja-se verificar as influências que esta provoca no veículo, principalmente na região do escoamento na traseira do mesmo. A primeira parte deste trabalho teve como objetivo a determinação experimental dos coeficientes de arrasto, força lateral e momento de guinada de um modelo de ônibus cuja, parte frontal podia ser modificada. Os ensaios foram realizados para ângulos de guinada no intervalo de -15 e 12 utilizando para estes ensaios de uma balança de 3 componentes especialmente projetada para obter os esforços aerodinâmicos. Foram testadas cinco diferentes configurações de maneira a se determinar a influência das inclinações das superfícies lateral e superior. Os resultados são apresentados na forma de coeficientes aerodinâmicos em função do ângulo de guinada. Observou-se uma variação acentuada do CD com as alterações na parte frontal do veículo, porém os coeficientes de momento de guinada e de força lateral tiveram apenas pequenas modificações. Na segunda parte foram realizados os mapeamentos dos campos de velocidade média e de flutuação (valor RMS), utilizando-se um anemômetro de fio quente conectado a um sistema de posicionamento de 3 eixos. Este mapeamento foi realizado para diferentes valores do ângulo de guinada, de maneira a se obter as variações que ocorrem na esteira. Por fim, foi realizado um estudo do impacto causado pela instalação de elementos de interferência na base do modelo. Medidas de pressão na base também foram realizadas com o objetivo de se correlacionar as mudanças na esteira com alteração na distribuição de pressão na base do modelo quando fixadas as placas divisórias.

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.

A presente dissertação trata da questão importante sobre dispersão no cálculo do coeficiente de arrasto associado a malhas computacionais em aplicações aeroespaciais. Este tema tem sido amplamente discutido na comunidade de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) na última década. Determinar com precisão o valor do coeficiente de arrasto de uma configuração sempre foi um dos maiores problemas em CFD na indústria aeroespacial. Tão importante quanto conhecer a grandeza que se deseja calcular é também conhecer quão preciso somos em determinar essa quantidade. Na indústria aeroespacial, programas computacionais baseados nas equações de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS) e malhas computacionais não estruturadas do tipo hexaédricas e do tipo tetraédricas com camadas de prisma para a camada limite aparecem como uma abordagem eficiente. Neste contexto, o presente trabalho conduz estudos de maneira a identificar e a entender as dispersões no cálculo do coeficiente de arrasto causadas por modificações na topologia da malha computacional, utilizando um único código de CFD. A fim de atingir tal objetivo, a asa ONERA-M6 foi escolhida como caso teste deste estudo por representar uma geometria simples e, assim, tornando mais clara a identificação do problema em questão. Com o objetivo de simplificar ainda mais o problema, as simulações não possuem arrasto induzido, que neste caso significa que o ângulo de ataque é zero para todos os casos. Dois números de Mach foram escolhidos para serem investigados neste estudo, Mach 0,3 e 0,8, por representarem regimes subsônico e transônico, respectivamente. Os estudos consideram um número de Reynolds igual a 3 milhões, que é tipicamente usado na indústria aeroespacial durante os estudos experimentais em túnel de vento. As dispersões no cálculo de arrasto encontradas neste estudo foram discutidas e investigadas com o objetivo de identificar as regiões da asa de maior contribuição da dispersão total e, também, apontar as diferenças na malha superficial e volumétrica que poderiam contribuir para tais dispersões. Baseado nos resultados obtidos neste trabalho, foi possível identificar a precisão no cálculo do coeficiente de arrasto de uma configuração simplificada, devido às modificações na topologia da malha que podem ser associadas a variações geométricas em um estudo de otimização aerodinâmica.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Departamento de Engenharia Mecânica, 2011. / Submitted by Shayane Marques Zica (marquacizh@uol.com.br) on 2011-09-13T19:13:31Z No. of bitstreams: 1 2011_ThiagoFernandesOliveira.pdf: 4245386 bytes, checksum: 1a6804b340c8e4f82fe6c1591dffe1e9 (MD5) / Approved for entry into archive by LUCIANA SETUBAL MARQUES DA SILVA(lucianasetubal@bce.unb.br) on 2011-10-04T16:16:42Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2011_ThiagoFernandesOliveira.pdf: 4245386 bytes, checksum: 1a6804b340c8e4f82fe6c1591dffe1e9 (MD5) / Made available in DSpace on 2011-10-04T16:16:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2011_ThiagoFernandesOliveira.pdf: 4245386 bytes, checksum: 1a6804b340c8e4f82fe6c1591dffe1e9 (MD5) / O objetivo deste trabalho é o estudo experimental de um perfil aerodinâmico NACA 0018 em movimento angular em túnel de água. Os coeficientes de sustentação, arrasto e momento de arfagem foram medidos estaticamente e dinamicamente (durante a movimentação angular do perfil) através de uma célula de carga desenvolvida especificamente para este estudo. O software LabView foi utilizado para a aquisição de dados e controle do experimento. Os ensaios foram realizados para os números de Reynolds iguais a 97.000, 124.000 e 150.000 para os casos estáticos e 124.000 e 150.000 para os casos dinâmicos com velocidades angulares do perfil iguais a 0,06, 0,13 e 0,19 rad/s. Os resultados dos ensaios estáticos foram comparados com a literatura apresentando boa concordância. Os ensaios dinâmicos foram realizados para a verificação do fenômeno de estol dinâmico. Os resultados foram comparados entre os diferentes números de Reynolds. A influência das diferentes velocidades angulares nos casos dinâmicos também foi evidenciada comparando-se inclusive com o caso estático. A visualização do escoamento também foi realizada para complementar a análise. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT / The objective of this work is the experimental study of a NACA 0018 airfoil in angular movement in a water tunnel. The lift, drag and pitching moment coefficients were measured statically and dynamically (along the airfoil's angular movement) through a load cell specifically designed for this study. The LabView software was used for the data acquisition and control of the experiment. The tests were performed for Reynolds numbers equal to 97,000, 124,000 and 150,000 for the statics cases and 124,000 and 150,000 for the dynamics cases with angular velocities of the airfoil equal to 0.06, 0.13 e 0.19 rad/s. The results of the statics tests were compared with the literature with good agreement. The dynamic tests were performed to verify the phenomenon of dynamic stall. The results were compared between the different Reynolds numbers. The influence of the angular velocities in the dynamics cases was also evidenced comparing including with the static case. The flow visualization was also performed to complement the analysis.

Os silos metálicos cilíndricos de chapa corrugada e cobertura cônica são as unidades mais utilizadas no Brasil para o armazenamento de produtos granulares. As principais ações variáveis que atuam sobre os silos são as pressões devidas aos produtos armazenados e ao vento, sendo esta ação crítica quando o silo se encontra vazio. Devido à grande eficiência estrutural da forma cilíndrica e à resistência elevada do aço, estas estruturas são leves e delgadas e, portanto, suscetíveis a perdas de estabilidade local e global e arrancamento. Com a finalidade de avaliar estes efeitos foram realizados estudos teóricos e experimentais sobre as ações do vento em silos. O trabalho foi desenvolvido com ensaios de modelos aerodinâmicos e aeroelásticos em um túnel de vento na Universidade de Cranfield, Inglaterra, com o objetivo de determinar os coeficientes aerodinâmicos no costado e na cobertura. Os resultados mostram que os valores dos coeficientes recomendados pela Norma Brasileira de vento, NBR 6123 (1990), são adequados para o costado. Para a cobertura cônica, como não são especificados pela NBR, são recomendados valores dos coeficientes aerodinâmicos determinados nos ensaios. Conclui-se também que a colocação externa das colunas é a favor da segurança e que o uso de anéis enrijecedores no costado é indicado e muito importante para a estabilidade local e global da estrutura do silo. / The steel cylindrical silos made of corrugated sheets with conical roofs are the most used units to the storage of granular materials. The main silo loads are the pressures due to the stored material and to the wind, being this action the critical one when the silo is empty. Due to the high efficiency of the cylindrical form and to the high strength of the steel, these structures are thin and light-weight and, as a consequence, susceptible to the loss of local and global stability and to the pull out of the structure. With the aim to assess these effects related to the wind loading in silos, some theoretical and experimental studies were conducted. The work was carried out with aerodynamic and aeroelastic models tested in a boundary layer wind tunnel in the University of Cranfield, England, with the objective to determine the aerodynamic coefficients of the cylinder and the conical roof. The results show that the coefficients of the Brazilian Code of wind loads, NBR 6123 (1990), are adequate to the cylinder. The coefficients to the conical roof are suggested based on our tests, considering that there are no values specified by the NBR. As well it is concluded that the outside columns is on the side of safety and it is indicated the use of wind rings attached to the cylinder, which are very important to the local and global stability of the silo structure.

O estudo se inicia com a definição dos conceitos da decolagem na qual se descrevem as fases da decolagem e as várias velocidades de referência regulamentadas pelo FAR 25. Segue-se o estudo com o modelamento matemático da decolagem através das equações que descrevem o movimento longitudinal da aeronave. Fazem-se, em seguida, simplificações do modelo longitudinal e, finalmente, comparações entre os resultados dos modelos. Os resultados obtidos desse modelo são as distâncias de decolagem e de aceleração e parada nas condições monomotora e bimotora. No modelo longitudinal são levados em consideração os coeficientes de estabilidade longitudinal do avião, enquanto que no modelo simplificado esses valores não são necessários. Porém, neste último, são necessários dados de ensaio em vôo do avião para que seja possível o cálculo da distância na fase de transição da decolagem. O principal objetivo é a comparação entre os resultados do modelo longitudinal que descreve a dinâmica do avião e os resultados do modelo simplificado, durante a decolagem. O modelo simplificado apresentou resultados satisfatórios, pois as distâncias de decolagem foram calculadas com dados de ensaios em vôo, ou seja, são resultados que refletem diretamente o desempenho real da aeronave. No modelo longitudinal observou-se, pelas variáveis ângulos de ataque, de arfagem e de trajetória, que a técnica de pilotagem é um parâmetro que afeta bastante a estabilidade da aeronave durante a decolagem. Foi necessário implementar um controlador PID para simular a técnica de pilotagem e garantir a convergência em termos de estabilidade do avião. Na comparação dos resultados observou-se que os dois modelos apresentam diferenças nas distâncias dos subtrechos do processo de decolagem, tanto no caso monomotor e bimotor. Essas diferenças podem ser atribuídas principalmente por não se considerar o efeito solo no modelo longitudinal. Além disso, no caso monomotor, não se considerou a assimetria de tração, que é um fator importante na dinâmica látero direcional do avião. Os estudos podem ser aprimorados em trabalhos futuros com a implementação do efeito solo e da modelagem da dinâmica látero direcional do avião.

The present work discusses the application of neural networks for the accurate prediction of aerodynamic coefficients of airfoil and wing-body configurations. Meta-models based on neural-network are able to handle non-linear problems with a large amount of variables. In this highlight, an efficient methodology employing neural networks for predicting aerodynamic coefficients of generic aircraft was developed. Basic aerodynamic coefficients are modeled depending on angle of attack, number of Mach, Reynolds number, and the lift coefficient of the configuration. A database is provided for the neural network, which is initially trained to learn an overall non-linear model dependent on a large number of variables. A new set of data, which can be relatively sparse, is then supplied to the network to produce a new model consistent with the previous model and the new data. The new model is able to accurately estimate in the sparse test data points and thus the obtaining of a result for a generic configuration is relatively an easy and quick task. Because of this, the methodology is highly suited to be incorporated into a multi-disciplinary design and optimization framework, which make extensively use of aerodynamic calculation for using in other applications, to evaluate performance and loads, besides other core tasks. A Multilayer Perceptrons (MLP) network was designed and employed for predicting drag polar curves of generic airfoils for a given Mach and Reynolds number variation. Airfoil geometry is modeled by polynomial functions described by twelve variables.

Este trabalho desenvolve um método adaptativo estocástico aplicado ao treinamento de uma arquitetura neural conhecida como Functional Link Network - FLN para a determinação dos coeficientes aerodinâmicos e de controle de uma aeronave de alto desempenho. Esta arquitetura neural possui dois aspectos importantes: permite o uso de uma infinidade de alternativas de tipos de funções (exponenciais, polinomiais, etc) como funções de base e o uso de regras de treinamento lineares. Quando o treinamento é feito usando um algoritmo de estimação linear ótimo, ou seja, um algoritmo como o filtro de Kalman, tem-se um comportamento numérico ruim, causando assim problemas de divergência quando conjuntos grandes de dados de treinamento são processados. Este problema ocorre devido ao fato de que o algoritmo perde a capacidade de treinamento quando novos conjuntos de dados são processados. Para evitar este mau comportamento e tentar manter uma capacidade de aprendizado distribuída e uniforme, se propõe o uso de um procedimento adaptativo baseado em um critério de consistência estatística, para contrabalançar a prioridade das informações a priori com as novas informações de treinamento. A arquitetura neural Functional Link Network - FLN e o procedimento adaptativo formam a Adaptive Functional Link Network - AFLN que permite a identificação dos parâmetros aerodinâmicos e de controle, mesmo quando os valores iniciais dos parâmetros estiverem distantes dos valores reais. Para se obter uma arquitetura que tenha boa capacidade de modelagem e de generalização, utiliza-se também uma heurística de poda (Optimal Brain Surgeon - OBS), para eliminar os parâmetros (funções) menos significativos. Para testar e validar o método desenvolvido, utilizam-se dados fornecidos por um simulador em FORTRAN da aeronave F16 e se compara com os dados obtidos via a aplicação da AFLN, tanto para os coeficientes do movimento longitudinal quanto para os do movimento látero-direcional. Os resultados são promissores e indicam a possibilidade do uso da ferramenta na identificação, em tempo quase real, dos coeficientes dentro do envelope de vôo da aeronave.

O objetivo deste trabalho ée criar um fluxo de processos referentes às disciplinas aeronáuticas utilizadas no projeto preliminar de aeronaves e utilizar esse fluxo para análises e otimizações multidisciplinares. Foram consideradas as disciplinas de Peso e Centragem, Aerodinâmica, Estabilidade e Controle e Desempenho. Na disciplina de peso e centragem foram utilizados modelos semi-empíricos para a estimativa de peso de componentes, no cálculo aerodinâmico foi utilizado um código de potencial completo com correção de camada limite para análise de configurações asa-fuselagem, em desempenho foram utilizados modelos semi-empíricos para cálculo de consumo de combustível e distância de decolagem e, finalmente, em estabilidade e controle foram utilizadas simplificações consagradas na literatura para realizar uma análise simplificada da qualidade de vôo da aeronave. Também foi considerado nesta disciplina o efeito proporcionado por um sistema de aumento de estabilidade de simples arquitetura. Foram realizados diferentes estudos de caso nos quais as variáveis de projeto e os métodos e critérios de otimização eram modificados a fim de observar a resposta do modelo. Reduções de atée 6% no consumo de bloco foram obtidas, resultado que pode ser considerado bastante expressivo. Entretanto, alguns resultados mostram-se relativamente irreais quando comparado à aeronaves de mesma categoria e alguns estudos adicionais foram propostos a fim de validar esse procedimento para aplicações industriais.

Alguns setores da indústria aeronáutica encontram-se em fase de estudo para uma nova e muito exclusiva categoria de aviação executiva, designada por Ultra Rápida de Longo Alcance. Tais aviões seriam capazes de cruzar distâncias da ordem de 4.500 milhas náuticas em velocidades supersônicas, levando não mais do que 12 passageiros. Esta tendência, contudo, é ameaçada por um antigo problema que assola essa indústria desde sua infância: o ruído gerado durante as operações aeroportuárias. Neste caso agravado pelo sistema propulsivo adotado em aeronaves supersônicas. Este trabalho visa otimizar a trajetória de decolagem de um jato supersônico executivo hipotético, tendo como objetivo a minimização do Nível Efetivo de Ruído Percebido por um observador situado imediatamente abaixo à trajetória do avião, de acordo com os requisitos de homologação aeronáutica. As entradas de controle estudadas são somente de natureza aerodinâmica, o que é modelado pela variação do coeficiente global de sustentação (CL), segundo leis matemáticas de parametrização. O modelo adotado para o ruído total da aeronave assume o jato de exaustão dos motores como a fonte acústica dominante.