O presente trabalho estabelece uma nova metodologia para correção da interferência das paredes de um túnel de vento sobre modelos tridimensionais, utilizando o método dos painéis. O problema de se corrigir os resultados obtidos em túneis aerodinâmicos tem preocupado os operadores desde o início desta atividade, após o aparecimento dos primeiros túneis de vento. As teorias atuais baseiam-se no método das singularidades e fornecem bons resultados no caso de corpos esbeltos simples (teoria do perfil fino), mas, para o caso de configurações mais complexas, com espessura relativa maior, estes resultados obtidos em túnel aerodinâmico é a interferência causada pelo suporte do modelo (mastro). Para avaliar esta interferência devem ser feitos ensaios adicionais, acrescentando mastros imagem e deslocando a posição dos mastros, o que acarreta em custos mais altos para se obterem as informações necessárias ao desenvolvimento do projeto associado ao modelo que está sendo ensaiado. No presente trabalho foi desenvolvido um código computacional, baseado no método dos painéis, para uma geometria complexa (por exemplo, um avião completo), instalada no interior de um túnel de vento e, ainda, considerando-se a presença de um mastro. A idéia é rodar o código levando-se em conta todos os elementos mencionados acima e, em seguida, rodar novamente o código considerando-se somente a geometria complexa. Com os dois conjuntos de resultados numéricos pode-se avaliar a interferência das paredes do túnel e do mastro. A grande vantagem deste método com relação ao aplicado atualmente é a possibilidade de se promover a correção dos resultados em cada ponto da superfície do modelo.

A linearização da equação do potencial de velocidades é feita com base na hipótese de pequenas perturbações, uma vez que é válida para o caso em que tem-se um perfil ou asa finos oscilando em alta freqüência dentro de um escoamento sônico uniforme. O fluido é considerado perfeito e barotrópico e o escoamento é considerado irrotacional, o que permite utilizar a equação do potencial completo para descrever o campo do escoamento. Após linearizar a equação do potencial completo, utilizam-se transformações apropriadas para transformá-la na equação da difusão. A solução dipolo é empregada na medida em que permite determinar o valor da velocidade induzida por um painel por meio do conceito da parte finita da integral. Os resultados são verificados quanto à sua convergência e coerência com os resultados fornecidos em outros trabalhos.

Nesta pesquisa estuda-se a instabilidade aeroelástica de painéis no regime supersônico com não-linearidade estrutural e aerodinâmica empregando uma das expansões do método de perturbações conhecida como técnica de múltiplas escalas de tempo. O problema é formulado utilizando-se as equações diferenciais de grandes deflexões de uma viga e as de von Kármán, para placas planas. Essas equações são discretizadas com o Método de Elementos Finitos. A Teoria do Pistão não-linear relaciona a pressão externa aerodinâmica com o movimento da placa. Os resultados obtidos no programa são representados graficamente como ciclos limites, sendo discutidos e comparados com a literatura.

O presente trabalho se insere no desenvolvimento de códigos de simulação em CFD utilizados pelo Instituto de Aeronáutica e Espaço (DCTA/IAE) e pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (DCTA/ITA) para o cálculo do desempenho aerodinâmico de configurações aeroespaciais diversas. O trabalho enfoca configurações aeronáuticas em condições de alta sustentação e, usualmente, com dispositivos hiper-sustentadores estendidos. A análise do escoamento nestas condições de altos valores de sustentação é muito complexa devido à não linearidade do escoamento e à iminência da separação do mesmo. Para tanto, será utilizado um código computacional em desenvolvimento no Laboratório de Aerodinâmica Computacional do DCTA/IAE/ALA, que utiliza uma formulação de Navier-Stokes com média de Reynolds juntamente com fechamentos de turbulência apropriados. O trabalho também utiliza códigos comerciais de uso corrente na comunidade aeroespacial. É parte integrante do trabalho contribuir para a validação e calibração do código em desenvolvimento para as aplicações de interesse, assim como para a avaliação dos códigos comerciais nestas mesmas aplicações. Tal esforço inclui a análise de modelos de turbulência mais adequados e estudos detalhados de refinamento e topologia de malhas, bem como permitir recomendações quanto aos requisitos para tratar tais problemas em um ambiente industrial. Os estudos consideram configurações bidimensionais de aerofólios com dispositivos hiper-sustentadores. Além disso, foi implementado um método de pré-condicionamento, que é construído a partir de modificações sobre os esquemas compressíveis usuais. Desta forma, obtém-se métodos numéricos mais robustos para o tratamento dos escoamentos encontrados nas faixas de velocidade relevantes para a análise de dispositivos hiper-sustentadores. Com base em uma análise preliminar e resultados obtidos com o código computacional em uma geometria simplificada, constatou-se que as malhas computacionais necessárias para discretizar uma geometria realística de interesse, como, por exemplo, uma configuração 3-D asa-fuselagem, seria da ordem de alguns milhões de volumes. Portanto, foi necessária a paralelização do código computacional para que o mesmo pudesse ser compilado e executado em máquinas com diversos processadores ou em várias máquinas distintas. Este trabalho de paralelização constituiu-se em uma contribuição adicional do presente esforço.

O presente estudo consistiu em avaliar os parâmetros aerodinâmicos de um modelo de ônibus rodoviário, comparando os resultados obtidos de simulação computacional via CFD (Computational Fluid Dynamics) com aqueles obtidos na experimentação em túnel de vento. O ônibus estudado foi do tipo rodoviário de um fabricante local, modelo Paradiso 1200. O veículo foi modelado em um software CAD (SolidWorks®) em duas escalas: 1/42 e 1/24. Além disso, para obter a comparação com a literatura, foram analisados dois tamanhos diferentes de um modelo do corpo de Ahmed. Posteriormente, foram criadas as malhas com as geometrias 3D e realizados os testes computacionais no software ANSYS FLUENT® para os quatro modelos, com o intuito de identificar alguns parâmetros aerodinâmicos como o coeficiente de arrasto, coeficiente de pressão, entre outros. Para as análises com o corpo de Ahmed foram utilizados os modelos de turbulência Spalart – Allmaras, κ – ε Standard, κ – ε RNG, κ – ω Standard, κ – ω SST e SST. Para os modelos de ônibus foram simulados apenas o modelo κ – ε Standard. Para a realização dos experimentos foi empregado um túnel de vento de circuito aberto, onde foram realizados testes de distribuição de pressão e arrasto aerodinâmico, variando a altura do vão livre entre a mesa automobilística e a superfície inferior dos modelos. Nos ensaios dos modelos onde houve a variação da altura em relação à mesa automobilística, foi identificado um aumento de 4,5% no valor do coeficiente de arrasto (Cd) para o corpo de Ahmed menor e 6,1% para o ônibus em escala 1/42. Comparando-se os resultados obtidos nos ensaios experimentais com aqueles obtidos nas análises numéricas, também ocorreram variações no Cd para todos os modelos. Nos ensaios de pressão o coeficiente de pressão (Cp) foi praticamente o mesmo entre os valores obtidos na análise em CFD e os valores experimentais, para ambos os modelos. Foram também realizados ensaios de visualização usando tufts de lã distribuídos na superfície externa do modelo menor de Ahmed e do modelo maior do ônibus. Esses ensaios indicaram nitidamente as regiões de recirculação de ar nos modelos, o que em parte não foi possível observar na análise computacional. Diante disso, verifica-se que os resultados experimentais obtidos em túnel de vento ainda são os mais confiáveis e utilizados, apesar dos altos custos envolvidos na construção de modelos, na instrumentação de alta tecnologia hoje disponível, nos métodos de visualização e na energia consumida nos testes. / Submitted by Ana Guimarães Pereira (agpereir@ucs.br) on 2016-12-09T18:14:15Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Giovanni Matheus Rech.pdf: 20273449 bytes, checksum: 70c97b02eb18e1d8b69454f3e92fe23d (MD5) / Made available in DSpace on 2016-12-09T18:14:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Giovanni Matheus Rech.pdf: 20273449 bytes, checksum: 70c97b02eb18e1d8b69454f3e92fe23d (MD5) Previous issue date: 2016-12-09 / The present study was to evaluate the aerodynamic parameters of a road bus model by comparing the results of computer simulation via CFD (Computational Fluid Dynamics) with those obtained in experiments in a wind tunnel. The bus studied was a road type from a local manufacturer, Paradiso 1200 model. The vehicle was modeled on a CAD software (SolidWorks®) on two scales: 1/42 and 1/24. Furthermore, for comparison with the literature, we analyzed two different sizes of Ahmed body model. Thereafter, the meshes were created from 3D geometry and the computational tests performed with FLUENT® ANSYS software for the four models in order to identify some aerodynamic parameters such as the drag coefficient, pressure coefficient, among others. For analysis of Ahmed bodies, the turbulence models Spalart - Allmaras, κ - ε Standard, κ - ε RNG, κ - ω Standard, κ - ω SST and SST were used. For bus models, the turbulence model κ - ε Standard was only used. For the experiments we used an open circuit wind tunnel, where tests of pressure distribution and aerodynamic drag were performed, varying the height of the clearance between the automotive table and the bottom surface of the models. In the model tests, in which there were the height variation relative to the automotive table, an increase of 4.5% in the value of the drag coefficient (Cd) for the lower Ahmed body, and 6.1% for the bus 1/42 scale were identified. In pressure tests, the pressure coefficients (Cp) were almost the same between the values obtained from the CFD analysis and experimental values for both models. Visualization tests using wool tufts distributed on the outer surface of the smaller Ahmed model and the higher bus model were also performed. These tests clearly indicated the air recirculation regions in models, which in part was not observed in the computational analysis. Thus, it appears that the experimental results are in wind tunnel still the most reliable and used despite the high costs involved in the building models, in the high-tech instrumentation available today, in the visualization methods and in the energy consumed in the tests.

O presente estudo consistiu em avaliar os parâmetros aerodinâmicos de um modelo de ônibus rodoviário, comparando os resultados obtidos de simulação computacional via CFD (Computational Fluid Dynamics) com aqueles obtidos na experimentação em túnel de vento. O ônibus estudado foi do tipo rodoviário de um fabricante local, modelo Paradiso 1200. O veículo foi modelado em um software CAD (SolidWorks®) em duas escalas: 1/42 e 1/24. Além disso, para obter a comparação com a literatura, foram analisados dois tamanhos diferentes de um modelo do corpo de Ahmed. Posteriormente, foram criadas as malhas com as geometrias 3D e realizados os testes computacionais no software ANSYS FLUENT® para os quatro modelos, com o intuito de identificar alguns parâmetros aerodinâmicos como o coeficiente de arrasto, coeficiente de pressão, entre outros. Para as análises com o corpo de Ahmed foram utilizados os modelos de turbulência Spalart – Allmaras, κ – ε Standard, κ – ε RNG, κ – ω Standard, κ – ω SST e SST. Para os modelos de ônibus foram simulados apenas o modelo κ – ε Standard. Para a realização dos experimentos foi empregado um túnel de vento de circuito aberto, onde foram realizados testes de distribuição de pressão e arrasto aerodinâmico, variando a altura do vão livre entre a mesa automobilística e a superfície inferior dos modelos. Nos ensaios dos modelos onde houve a variação da altura em relação à mesa automobilística, foi identificado um aumento de 4,5% no valor do coeficiente de arrasto (Cd) para o corpo de Ahmed menor e 6,1% para o ônibus em escala 1/42. Comparando-se os resultados obtidos nos ensaios experimentais com aqueles obtidos nas análises numéricas, também ocorreram variações no Cd para todos os modelos. Nos ensaios de pressão o coeficiente de pressão (Cp) foi praticamente o mesmo entre os valores obtidos na análise em CFD e os valores experimentais, para ambos os modelos. Foram também realizados ensaios de visualização usando tufts de lã distribuídos na superfície externa do modelo menor de Ahmed e do modelo maior do ônibus. Esses ensaios indicaram nitidamente as regiões de recirculação de ar nos modelos, o que em parte não foi possível observar na análise computacional. Diante disso, verifica-se que os resultados experimentais obtidos em túnel de vento ainda são os mais confiáveis e utilizados, apesar dos altos custos envolvidos na construção de modelos, na instrumentação de alta tecnologia hoje disponível, nos métodos de visualização e na energia consumida nos testes. / The present study was to evaluate the aerodynamic parameters of a road bus model by comparing the results of computer simulation via CFD (Computational Fluid Dynamics) with those obtained in experiments in a wind tunnel. The bus studied was a road type from a local manufacturer, Paradiso 1200 model. The vehicle was modeled on a CAD software (SolidWorks®) on two scales: 1/42 and 1/24. Furthermore, for comparison with the literature, we analyzed two different sizes of Ahmed body model. Thereafter, the meshes were created from 3D geometry and the computational tests performed with FLUENT® ANSYS software for the four models in order to identify some aerodynamic parameters such as the drag coefficient, pressure coefficient, among others. For analysis of Ahmed bodies, the turbulence models Spalart - Allmaras, κ - ε Standard, κ - ε RNG, κ - ω Standard, κ - ω SST and SST were used. For bus models, the turbulence model κ - ε Standard was only used. For the experiments we used an open circuit wind tunnel, where tests of pressure distribution and aerodynamic drag were performed, varying the height of the clearance between the automotive table and the bottom surface of the models. In the model tests, in which there were the height variation relative to the automotive table, an increase of 4.5% in the value of the drag coefficient (Cd) for the lower Ahmed body, and 6.1% for the bus 1/42 scale were identified. In pressure tests, the pressure coefficients (Cp) were almost the same between the values obtained from the CFD analysis and experimental values for both models. Visualization tests using wool tufts distributed on the outer surface of the smaller Ahmed model and the higher bus model were also performed. These tests clearly indicated the air recirculation regions in models, which in part was not observed in the computational analysis. Thus, it appears that the experimental results are in wind tunnel still the most reliable and used despite the high costs involved in the building models, in the high-tech instrumentation available today, in the visualization methods and in the energy consumed in the tests.

Esse estudo procura integrar as áreas de termodinâmica, transferência de calor e aerodinâmica no desenvolvimento de veículos de alto desempenho. É proposta uma ferramenta computacional que auxilie a análise de alternativas de trocadores de calor compactos, parte integrante do sistema de arrefecimento veicular. O aplicativo desenvolvido, denominado TROCALC, tem dois modos de uso: para colaborar no projeto de um trocador de calor ou para avaliar o desempenho de um trocador existente. Estruturado por um conjunto de equações e parâmetros com base na metodologia de Kays e London (1984), no primeiro modo esse aplicativo fornece alternativas de trocadores a partir dos dados de rejeição de calor por parte do motor e dos valores de vazão e temperatura dos fluidos envolvidos. Para o modo de avaliação de desempenho, além dos dados de entrada já mencionados, é necessário o detalhamento da geometria de superfície do trocador para calcular a quantidade de calor que o radiador é capaz de remover do sistema e comparar com o valor de fluxo de calor rejeitado pelo motor. É adotado um estudo de caso que considerou um veículo de competição da Fórmula SAE para investigar a eficácia do aplicativo TROCALC na análise de desempenho e na definição de novas alternativas para o trocador de calor dedicado àquele automóvel. Foram realizados ensaios em laboratório com a medição de valores para a rejeição de calor, vazão em massa de ar e perda de pressão no trocador existente. Os resultados validaram a ferramenta computacional e oferecem uma redução de 37% nas dimensões do trocador. Por fim é feita uma análise aerodinâmica para o conjunto duto-trocador de calor, que é uma solução típica utilizada em veículos de competição, integrando este conjunto à geometria da carenagem do veículo. Quatro alternativas, incluindo nova geometria para a carenagem do duto-trocador são investigadas do ponto de vista aerodinâmico com o auxílio de programa de dinâmica dos fluidos computacional (CFD). Nesta investigação, o objetivo é melhorar o comportamento de parâmetros relacionados ao escoamento de ar junto do sistema duto-trocador de calor, mantendo um bom comportamento para o arrasto total do veículo. / This study looks for the integration of thermodynamics, heat transfer and aerodynamics in the high-performance vehicles development. A computational tool that facilitates the compact heat exchanges analysis, part of the vehicle cooling system, is proposed. The application denominated TROCALC has two different modes of use: one for compact heat exchanger design and another one to evaluate existent heat exchangers performance. This program, which is structured by a set of equations and parameters based on the Kays and London (1984) methodology, provides heat exchangers alternatives through the input of the engine heat rejection, fluids temperature and mass flow (air and coolant). The tool is also capable of providing a performance analysis of an existent compact heat exchanger. In this case, besides of the inputs already mentioned, it is necessary to inform the surface geometry data of the actual heat exchanger to calculate the heat rejection capacity and compare to the established value of the engine. The case study of the Formula SAE is proposed in order to investigate the efficiency of TROCALC in performance analysis and definition of new alternatives for the Formula SAEs dedicated heat exchanger. Laboratory tests were performed in order to achieve experimentally the heat rejection, mass flow (air side) and pressure drop values in the current heat exchanger. The results validated the computational tool and offered a reduction of 37% in the heat exchangers dimensions. At last, aerodynamic analyses are performed for the duct-compact heat exchanger system, a typical solution adopted in race cars that is the integration of this set to the vehicles bodywork. Four alternatives are researched from the aerodynamic perspective with the computational fluid dynamics program support (CFD), including a new geometry for the duct. In this research, the aim is the improvement of parameters behavior related to the air flow around the duct-compact heat exchanger system, keeping a good behavior to the total drag of the vehicle.

O modelo de avaliação da camada limite dinâmica e térmica foi implementado, no presente trabalho, em um código numérico para o cálculo do coeficiente de transferência de calor convectivo sobre aerofólios de uso aeronáutico com formação de gelo. Foram considerados, no modelo da camada limite turbulenta, os efeitos da rugosidade equivalente do grão de areia ks, e transição entre o regime laminar e turbulento foi avaliada por dois modelos, um abrupto e um suave. Para a transição suave foi utilizada uma função intermitência proposta por (ABU-GHANNAM; SHAW, 1980). O código desenvolvido neste trabalho foi acoplado aos módulos do código ONERA com o objetivo de simular as formas de gelo em aerofólios para diversas condições de escoamento do ar com conteúdo de água. As formas de gelo obtidas foram comparadas com dados experimentais de Shine Bond (1994) e com resultados de simulações dos códigos LEWICE, TRAJICE e ONERA (KIND, 2001). Os resultados das simulações do presente trabalho apresentaram boa semelhança com os resultados dos outros códigos. A simulação da previsão de formas de gelo do tipo Glaze, do presente trabalho e dos outros códigos, resultou em formas de gelo de espessura e volume menores que as formas experimentais. Foi verificado que uma previsão adequada do coeficiente de transferência de calor convectivo afeta a simulação das formas deste tipo de gelo. Um caso de Kind (2001) foi utilizado para avaliar os efeitos dos parâmetros da camada limite dinâmica e térmica na formação de gelo em aerofólios. Verificou-se que a posição do início da transição do regime laminar para o turbulento, o comprimento d a transição e o valor da rugosidade afetam a forma, a espessura e o volume do gelo, e que estes parâmetros podem ser utilizados para ajustes dos modelos de camada limite para melhores previsões de formas de gelo do tipo Glaze. / The model to evaluate the momentum and thermal boundary layer was implemented, in the present work, in a numerical module to calculate the convective heat transfer coecient over aeronautical airfoils with ice accretion. It was considered, in the turbulent boundary layer model, the eects of the equivalent sand grain roughness ks , and the laminar to turbulent transition was evaluated with two models, the abrupt and the smooth one. The smooth transition model used an intermittency function proposed by (ABU-GHANNAM; SHAW, 1980). The module developed in this work was integrated with the modules of the code ONERA in order to simulate the airfoil icing shapes for several air stream with water droplets condition. The ice shapes obtained was compared with experimental data of Shin e Bond (1994) and with simulation results for the codes LEWICE, TRAJICE e ONERA (KIND, 2001). The results of the simulations for the present work showed a good similarity with the other codes results. The Glaze icing shapes simulation, in the present work and in the other codes, resulted in icing shapes with thickness and volumes lesser than the experimental shapes. It was noted that a reasonable prediction of the convective heat transfer coecient aects the simulation of this type of ice shape. One case of Kind (2001) was used to evaluate the eects of the momentum and thermal boundary layer for the icing accreations in the airfoil. It was noted the onset position, the lenght of the laminar-turbulent transition, and the sand grain roughness value aects the icing shape, thickness and volume and this parameters might be used to adjust the boundary layer models in order to get better predictions of Glaze icing shapes.

A busca por formas mais eficientes quanto ao arrasto aerodinâmico de veículos rodoviários resultou recentemente em uma maior quantidade de pesquisas para compreensão do escoamento sobre o veículo quando este apresenta um ângulo de escorregamento aerodinâmico diferente de zero. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia para análise linear de estabilidade do modelo dinâmico do veículo sob manobras de baixa severidade e considerando carregamentos aerodinâmicos. Um modelo dinâmico não-linear simplificado foi também desenvolvido utilizando dados de um veículo típico visando à comparação entre as metodologias. Ensaios experimentais em túnel de vento e simulações de fluidodinâmica computacional foram realizados utilizando-se uma geometria simplificada de um veículo visando à obtenção de valores dos carregamentos aerodinâmicos de força lateral e momento de guinada e à compreensão dos mecanismos de formação dos carregamentos aerodinâmicos. Os resultados obtidos mostram uma boa correlação entre os modelos linear e não-linear e relevante influência dos carregamentos aerodinâmicos de força lateral e momento de guinada na estabilidade estática do sistema. / The research for more efficient shapes regarding road vehicles aerodynamic drag resulted recently in an improved number of researches aiming at the understanding of the flow field over the vehicle when it has an aerodynamic slip angle different of zero. This work presents the development of a methodology for linear stability analysis of a vehicle dynamic model under low severity maneuvers and considering aerodynamic loads. A non-linear dynamic model has also been developed with information from a typical vehicle for comparison between the methodologies. Wind tunnel testing and computational fluid dynamics simulation have been carried out with simplified vehicle geometry in order to measure the aerodynamic side force and yawing moment and provide information for the understanding of the mechanisms generating the aerodynamic loads. The results show a good correlation between the linear and non-linear models and a relevant influence of the aerodynamic side force and yawing moment on the static stability of the system.

Um modelo numérico para simulação da resposta aeroelástica de asas fixas é proposto. A estratégia adotada no trabalho é a de tratar a aerodinâmica e a dinâmica estrutural separadamente e então acoplá-las na equação de movimento. A caracterização dinâmica de uma asa protótipo é feita pelo método dos elementos finitos e a equação de movimento é escrita em função das coordenadas modais. O carregamento aerodinâmico não-estacionário é determinado pelo método de malha de vórtices. A troca de informações entre as malhas estrutural e aerodinâmica é feita através do método de interpolação por splines de superfície e a equação de movimento é resolvida iterativamente no domínio do tempo, utilizando-se um método preditor-corretor. As teorias de aerodinâmica, dinâmica estrutural e do acoplamento entre elas são apresentadas separadamente, juntamente com os respectivos resultados obtidos. A resposta aeroelástica da asa protótipo é representada por curvas de deslocamentos modais em função do tempo para várias velocidades de vôo e a ocorrência de flutter é verificada quando estas curvas divergem (i.e. as amplitudes aumentam progressivamente). Transformadas de Fourier destas curvas mostram o acoplamento de freqüências característico do fenômeno de flutter. / A numerical model for the simulation of the aeroelastic response of fixed wings is proposed. The methodology used in the work is to treat the aerodynamic and the structural dynamics separately and then couple them in the equation of motion. The dynamic characterization of a prototype wing is done by the finite element method and the equation of motion is written in modal coordinates. The unsteady aerodynamic loads are predicted using the vortex lattice method. The exchange of information between the aerodynamic and structural meshes is done by the surface splines interpolation scheme, and the equation of motion is solved interactively in the time domain, employing a predictor-corrector method. The aerodynamic and structural dynamics theories, and the methodology to couple them, are described separately, together with the corresponding obtained results. The aeroelastic response of the prototype wing is represented by time histories of the modal coordinates for different airspeeds, and the flutter occurrence is verified when the time histories diverge (i.e. the amplitudes keep growing). Fast Fourier Transforms of these time histories show the coupling of frequencies, typical of the flutter phenomenon.