Aeroportos no centro de cidades, em regiões montanhosas ou com obstáculos próximos à pista exigem ângulos de trajetória de aproximação mais íngremes que o usual. Os motivos para essa adequação são a necessidade de cumprimento das restrições quanto à emissão de ruídos ou até mesmo as limitações físicas impostas pelo relevo ou pelos obstáculos que rodeiam os aeroportos. A proposta deste trabalho é projetar um piloto automático de aproximação para uma aeronave executiva a jato em condição de steep approach (descida íngreme). Ao longo do texto, os fundamentos teóricos são apresentados e a estrutura do controlador é definida. Um modelo linearizado da aeronave em configuração de pouso é utilizado e o cálculo dos ganhos é realizado através da metodologia LQ (Linear Quadrática), ponderando-se os estados e o erro de estado estacionário. O desvio em relação ao estado estacionário é ponderado no tempo de forma a penalizar desvios grandes nos últimos instantes. Consideram-se ainda os valores de amortecimento dos pólos do sistema em malha fechada no cálculo do índice de desempenho. O sistema com o controlador projetado é avaliado em condições de distúrbios atmosféricos e quanto à qualidade de voo e estabilidade segundo critérios presentes na literatura. São incluídos os atrasos e saturações dos atuadores tanto no cálculo dos ganhos do sistema quanto nas simulações.

Neste trabalho foi realizado o cálculo das cargas aerodinâmicas e o pré-projeto estrutural de asa de uma aeronave de 50 passageiros durante o Mestrado Profissionalizante em Engenharia Aeronáutica e Mecânica, ministrado pelo ITA em parceria com a EMBRAER, através do seu Programa de Especialização em Engenharia. Primeiramente, o modelo estrutural foi desenvolvido baseando-se nas características aerodinâmicas iniciais da aeronave, possibilitando que o programa de análise aerodinâmica BLWF fosse utilizado para a geração numérica das distribuições de pressão na asa. Estas foram transferidas para o modelo estrutural através do método de interpolação linear bidimensional. Comparativamente, a diferença entre os totais de cisalhamento e de momento fletor obtidos pelo BLWF e pelo NASTRAN apresentou-se menor que 10%. Após isto, foi realizada uma análise estrutural estática de dois casos de carregamento da pressão aerodinâmica em um modelo de elementos finitos construído no MSC.Nastran a partir da geometria do programa CATIA. Através da comparação com aeronave da EMBRAER de porte semelhante, os resultados obtidos nas análises aerodinâmica e estrutural mostraram-se coerentes, necessitando de mais iterações do projeto para a otimização do modelo. A validação da primeira foi realizada através de gráficos de distribuição de sustentação, de esforço cortante, momento fletor e momento torçor. E a segunda através da análise dos valores de tensão obtidos.

Ameaças comuns a aeronaves de qualquer perfil de missão são as fases de decolagem e pouso. Embora grande atenção seja dada nessas fases terminais ao desempenho da aeronave, qualidade de vôo e limitações associadas a ventos cruzados, as características dinâmicas da corrida de pouso normalmente são ignoradas. Diversos parâmetros interferem na dinâmica de solo da aeronave, tais como peso, posição do CG, pressão dos pneus, configuração aerodinâmica, coeficiente de amortecimento dos amortecedores, rigidez dos trens de pouso, efeito solo, inclinação da pista e coeficiente de atrito. Além de todas essas variáveis, o acoplamento dinâmico entre os amortecedores e compressão dos pneus e as mudanças nas forças aerodinâmicas causadas pela alteração da atitude da aeronave podem resultar em um comportamento inesperado da dinâmica de solo da aeronave. O desenvolvimento de um modelo de 6 graus de liberdade de uma aeronave regional no solo com trem de pouso do tipo triciclo com comando direcional no trem de pouso de nariz é apresentando. O modelo proposto apresenta acoplamento entre o modelo aerodinâmico da aeronave e dos trens de pouso, os quais são modelados como um sistema de 2 ordem (massa, mola e amortecedor) de 1 grau de liberdade. Simulações em malha aberta são executadas de forma a se verificar de forma qualitativa o comportamento e acoplamento dinâmico do modelo sob diversas condições de velocidade e manobras no solo. Posteriormente, uma lei de controle é criada e testada sob condições adversas, como rajadas de vento e despressurização de um pneu.

No projeto de aeronaves é incessante a busca pelo mínimo custo de operação, composto em grande parte pelo consumo de combustível. O peso estrutural da aeronave está diretamente ligado a este consumo. Para projeto de uma estrutura mais leve, é necessário a representação fidedigna das cargas atuantes na aeronave. Para o correto cálculo dessas cargas é muito importante a elaboração de um modelo aerodinâmico representativo das forças atuantes na aeronave. Neste trabalho é feita a comparação entre envelopes de cargas atuantes em uma asa calculados com modelos aerodinâmicos obtidos por diferentes formulações aerodinâmicas teóricas, sendo elas: potencial linearizado, potencial completo com correção de camada limite, Euler e RANS. De posse das distribuições de pressão representativas das que ocorrem na aeronave em todo seu envelope de vôo, é feita uma calibração para que se atinja coeficientes integrados de força normal correspondentes aos valores obtidos em ensaios de túnel de vento. Os envelopes de esforço cortante e momento fletor da asa em condições de vôo simétricas foram equivalentes em todas as metodologias empregadas, porém limitações dos métodos de obtenção de distribuição de pressão assim como do processo de calibração fizeram com que o envelope de momento torsor obtido não fosse representativo da física do problema. Em condições assimétricas, apenas nos envelopes de esforço cortante e momento fletor gerados pelos modelos obtidos com votex-lattice, os resultados foram aceitáveis.

O trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma lei de controle longitudinal de proteção de envelope de voo, limitando o ângulo de ataque a fim de evitar o estol. A arquitetura básica do controle de ângulo de ataque consiste de uma malha interna responsável pelo aumento de estabilidade do sistema (SAS), e da malha externa cuja função é e garantir o seguimento do ângulo alfa. O ajuste do controlador utilizado foi feito por otimização através de simulações e utilizando o método de integração do erro absoluto no tempo (ITAE). Para validação do projeto são apresentadas diversas simulações do modelo linear e não linear no domínio do tempo e da frequência, considerando os atrasos relativos ao controlador digital e dos sensores inerciais e aerodinâmicos, demonstrado a robustez e estabilidade do sistema.

Com a finalidade de minimizar o risco de desenvolvimento, tempo e custo de um sistema de proteção contra gelo, modelos numéricos são utilizados para avaliar o desempenho dos sistemas de proteção sobre uma gama de condições de voo da aeronave e configurações dos sistemas. Além disso, o propósito destes modelos é prever a quantidade, forma e localização do gelo acumulado sobre regiões protegidas e não protegidas, que podem influenciar as características aerodinâmicas da aeronave. No presente estudo, uma metodologia baseada apenas na eficiência de coleta, pseudo-rime, para previsão da taxa de acúmulo da massa de gelo foi aplicada a perfis aerodinâmicos bidimensionais; asa finita enflechada; e em uma antena de reconhecimento. Os resultados obtidos indicam que a utilização da aproximação pseudo-rime resulta em uma variação percentual de 12\% em relação à taxa de acúmulo observada experimentalmente, comprovando que uma metodologia simplificadora é suficiente para assistir a fase inicial do projeto de uma aeronave.

A crescente preocupação com a qualidade de vida nos centros urbanos aliada ao aumento da densidade demográfica nas regiões próximas de aeroportos tem chamado a atenção das autoridades de aviação civil para a poluição sonora provocada por aeronaves. Nesse contexto, os limites de ruído externo para homologação de aeronaves tornaram-se muito restritivos nos últimos anos, com o claro objetivo de confinar o ruído no interior dos aeroportos. Com a evolução tecnológica dos motores aeronáuticos, diminuir o ruído aerodinâmico gerado por trens de pouso e hipersustentadores tornou-se uma competência fundamental para manter a competitividade da aeronave no requisito ruído. Esse trabalho estuda o mecanismo de geração de ruído aerodinâmico pelo \"slat\" através de simulações numéricas nas seguintes condições de túnel de vento: número de Mach 0,1, número de Reynolds \'Aproximadamente\' 10\'POT.6\' e ângulos de ataque 4°, 6° e 8°. As estimativas de ruído foram comparadas com medições experimentais baseadas da técnica de beamforming, tendo sido observada diferença máxima de 2:5 dB no nível global de ruído. A variação de ruído com o ângulo de ataque foi superestimada em 0:8 dB pelas simulações. O recolamento da camada cisalhante foi identificado através dos contornos de flutuação de pressão na superfície do \"slat\" como a principal fonte de ruído do \"slat\". Para explicar a diminuição do ruído com o aumento do ângulo de ataque foi proposto que as flutuações na camada cisalhante seriam intensificadas através de realimentação de energia dos vórtices capturados pela zona de recirculação na cova. A existência desse mecanismo foi testada comparando os perfis de vorticidade na cúspide e bordo de fuga do \"slat\" e espectros ao longo da trajetória da camada cisalhante para os ângulos de ataque 4° e 8°. Embora o perfil inicial da camada cisalhante seja o mesmo nas duas condições, a esteira no bordo de fuga indica que maior parcela dos vórtices é capturada na condição 4°. Como consequência, as flutuações da camada cisalhante nas proximidades do recolamento são maiores nessa condição, consistente com os maiores níveis de ruído. / The growing concern about the life quality in urban centers coupled with increasing population density in near airports areas has drawn the attention of civil aviation authorities for aircraft noise pollution. In this context, external noise limits for approval of aircraft have become very restrictive in recent years, with the clear objective to confine aircraft noise inside airports. With the technological evolution of aircraft engines, reducing noise generated by aerodynamic landing gear and highlift devices have become a core competency to keep the aircraft competitive regarding noise requirements. This work studies the generation mechanism of aerodynamic noise by slats through numerical simulations in the following wind tunnel conditions: Mach number 0.1, Reynolds number \'Approximately\' 10\'POT.6\' and angles of attack 4°, 6° and 8°. The noise estimates were compared with experimental measurements based on beamforming technique, and it was observed the maximum difference of 2:5 dB in the overall noise level. The noise variation with angle of attack was over-estimated at 0.8 dB by the simulations. The reattachment of the shear layer was identified by the contours of pressure fluctuation on the surface of the slat as the key noise generation mechanism. To explain the noise reduction when the angle of attack is increased it has been proposed that fluctuations in the shear layer would be enhanced through feedback of energy captured by the vortex recirculation zone in the slat cove. The existence of this mechanism was tested by comparing the vorticity profiles at both the cusp and trailing edge, as well as velocity fluctuation spectra along the trajectory of the shear layer for angles of attack 4° and 8 degree. Although the initial profile of the shear layer is the same in both conditions, the wake at the trailing edge indicates that a higher percentage of the vortices is trapped in the recirculation for the condition 4°. Consequently, fluctuations in the shear layer near the reattachment are greater in this condition, which is consistent with the higher noise levels.

O presente trabalho busca através do uso de túnel de vento e de análises computacionais via CFD (Computacional Fluid Dynamics) avaliar o comportamento aerodinâmico que determinadas modificações nas arestas vivas de uma edificação retangular propiciam. No que tange a avaliação em túnel de vento, confeccionou-se modelos rígidos com diversas tomadas de pressão distribuídas nas fachadas dos modelos com o propósito de determinar a distribuição das isolinhas médias de pressão e os coeficientes aerodinâmicos. As simulações computacionais foram feitas a partir do uso do método de Taylor-Galerkin de 2 passos em sua forma explícita. Os modelos numéricos foram discretizados segundo o Método dos Elementos Finitos (MEF) utilizando a técnica de integração reduzida e controle de modos espúrios. A turbulência foi tratada utilizando o modelo de turbulência LES (Large Eddy Simulation), um simulador sintético de turbulência e a viscosidade turbulenta segundo a forma dinâmica. Ao final, concluiu-se que as modificações nas arestas vivas de um edifício alto, inicialmente retangular, são capazes de propiciar reduções significativas nas cargas de arrasto e laterais às quais a edificação estaria sujeita sem as modificações propostas. As isolinhas de pressão determinadas mostraram que há uma grande diferença na distribuição de pressões, sendo as modificações nas arestas capazes de diminuir os coeficientes de pressão experimentados pela estrutura. E que o uso integrado de ferramentas experimentais e numéricas pode propiciar um maior conhecimento e confiabilidade nos resultados obtidos na investigação da resposta aerodinâmica de uma estrutura. Além disso, através da comparação entre resultados experimentais e numéricos, viu-se que ambos apresentaram resultados próximos, demonstrando assim, a evolução dos métodos numéricos em avaliações de problemas de interesse da Engenharia do Vento. / The present work aims to evaluate the aerodynamics behavior that certain types of corner modifications in a rectangular building produce by using wind tunnel and computational analysis by CFD. Regarding the wind tunnel tests, rigid models were built using several pressure taps on their facades in order to determine the average pressure isolines distribution and the aerodynamic coefficients of the reduced models. Computational simulations were made using the two-step Taylor-Galerkin method in its explicit form. The numerical models were discretized according to the Finite Element Method (FEM) using the reduced integration technique and hourglassing control. The turbulence was treated using the Large Eddy Simulation (LES) methodology, a synthetic turbulence simulator and the turbulent viscosity according to the dynamic approach. At the end, it was concluded that the corner modifications in a tall building, initially rectangular, are able to produce significant reductions in drag and lift loads to which the building would be subject without the proposed modifications. The determined pressure isolines showed there is a great difference in the pressure distribution, being the corner modifications able to reduce the pressure coefficients experienced by the structure. And that the integrated use of numerical and experimental tools can provide greater knowledge and reliability in the results obtained in the investigation of the aerodynamic response of a structure. In addition, through the comparison between experimental and numerical results, it was observed that both presented close results, thus demonstrating the evolution of numerical methods in evaluations of problems of Wind Engineering interest.

Ao longo da última década o método adjunto tem sido consolidado como uma das mais versáteis e bem sucedidas ferramentas de otimização aerodinâmica e projeto inverso na Dinâmica dos Fluidos Computacional. Ele se tornou uma área de pesquisa por si só, criando uma grande variedade de aplicações e uma literatura prolífica. Entretanto, alguns aspectos relevantes do método permanecem ainda relativamente pouco explorados na literatura. Como é o caso das condições de contorno adjuntas e, mais especificamente, com respeito a fronteiras permeáveis. Esta dissertação discute detalhadamente uma nova forma de tratar o problema de contorno, que tem como objetivo assegurar que as equações adjuntas sejam bem-postas. O principal objetivo da otimização aerodinâmica consiste na tentativa de minimizar (ou maximizar) uma determinada medida de mérito. As aplicações de projeto inverso são desenvolvidas para escoamentos Euler 2-D ao redor de aerofólios, representados com a parametrização CST (Class-Shape function Transformation) proposta por Kulfan e Bussoletti (2006), em regime de vôo transônico e com domínio discretizado por malhas não-estruturadas de triângulos através de um ciclo de projeto, que utiliza o método steepest descent como algoritmo de busca da direção que minimiza (ou maximiza) a função de mérito. As equações adjuntas são derivadas na sua formulação contínua e suas condições de contorno são determinadas por equações diferenciais características adjuntas e relações de compatibilidade compatíveis com as variações realizáveis da física do escoamento. As variáveis adjuntas são, então, vistas como forças de vínculo generalizadas, que asseguram a realizabilidade de variações do escoamento. / Over the last decade the adjoint method has been consolidated as one of the most versatile and successful tools of aerodynamic optimization and inverse design in Computational Fluid Dynamics. It has become a research area of its own, spawning a large variety of applications and a prolific literature. Yet, some relevant aspects of the method remain relatively less explored in the literature. Such is the case with the adjoint boundary conditions and, more specifically, with regard to permeable boundaries. This dissertation discusses at length a novel approach to the boundary problem, which aims at ensuring the well-posedness of the adjoint equations. The main goal of aerodynamic optimization consists in attempting to minimize (or maximize) a certain mesure of merit. The inverse design applications are developed for 2-D Euler flows around airfoils, represented with the CST (Class-Shape function Transformation) parameterization proposed by Kulfan and Bussoletti (2006), in the transonic flight regime and domain discretized by triangle unstructured meshes in a design loop which makes use of the steepest descent method as search direction that minimizes (or maximizes) the mesure of merit. Adjoint equations are derived in the continuous formulation and their boundary conditions are determined by adjoint characteristic differential equations and compatibility relations. The latter are derived so as to be compatible with the realizable variations of physical quantities. The adjoint variables are seen as generalized constraint forces, which ensure the realizability of flow variations.

Muitos componentes de máquinas, equipamentos e meios de transporte podem ser representados na forma de corpos rombudos cujos deslocamentos em meio fluido podem gerar ruído. Nesse contexto, a tese tem como proposta o estudo da previsão numérica do ruído gerado oriundo do escoamento em torno de corpos rombudos. Como exemplo representativo de um corpo rombudo, o som gerado do escoamento ao redor de um cilindro é estudado. O escoamento em torno de um cilindro é considerado com esteira tridimensional e turbulenta na condição do regime subcrítico, que é caracterizado pela separação da camada limite no regime laminar. O escoamento em torno de um cilindro é obtido através da simulação numérica não-estacionária considerando domínio computacional tridimensional. Para lidar com a turbulência e a tridimensionalidade, o escoamento é resolvido utilizando a metodologia de simulação de grandes escalas (LES). O domínio computacional é discretizado pelo método de volumes finitos. O ruído é calculado separadamente utilizando a analogia de Ffwocs Williams & Hawkings (FW-H), cuja equação de onda tem como termo fonte a solução do escoamento fornecida pela simulação numérica. Na analogia de FW-H, a flutuação de pressão acústica é obtida no campo afastado assumindo um meio quiescente entre a região das fontes sonoras (campo próximo) e o local considerado para o cálculo do ruído. Devido ao alto custo computacional da simulação tridimensional (3D), as simulações numéricas foram realizadas com comprimento de envergadura do cilindro limitado, possibilitando considerar parte dos efeitos tridimensionais da esteira. No cálculo final do ruído, os métodos de correção acústica de Kato et al. (1993) e Seo & Moon (2007) são empregados de forma a equiparar a geração sonora obtida com cilindro de menor comprimento de envergadura ao respectivo ruído obtido experimentalmente com cilindro de maior comprimento. Esta tese contribuiu com uma investigação numérica da metodologia de cálculo de ruído utilizando a analogia de Ffwocs Williams & Hawkings para um escoamento tridimensional em torno de um cilindro considerando número de Reynolds elevado de Re = 90.000 e Re = 22.000. Os resultados mostram que a metodologia é capaz de prever o som no campo afastado nos casos simulados, visto que os espectros sonoros obtidos concordam com os respectivos dados experimentais. Além disso, os métodos de correção acústica de Kato et al. (1993) e Seo & Moon (2007) mostraram ser adequados para o cálculo do ruído adicional, que considera um cilindro de comprimento maior, porém são dependentes da correta estimativa do comprimento de coerência do escoamento ao longo da envergadura do cilindro. Por fim, o espectro sonoro obtido no campo afastado é função do resultado fornecido pela simulação numérica do escoamento, principalmente quanto à coerência entre as flutuações de pressão ao longo do comprimento de envergadura do cilindro e à amplitude de flutuação de força na direção da sustentação exercida na parede do cilindro. / Many components of machines, equipments and means of transport can be represented as a bluff body whose motion through a fluid can generate noise. In this context, this thesis is focused on the study of numerical prediction of noise generated by the flow around bluff bodies. As an example of bluff body, the sound generated from flow around a circular cylinder is studied. The flow over a circular cylinder is investigated by considering the wake as tridimensional and turbulent in the subcritical regime, which is characterized by a laminar boundary layer separation. The flow over a circular cylinder is obtained by time-dependent numerical simulation considering three-dimensional computational domain. In order to cope with turbulence and three-dimensionality, the flow is solved using the Large Eddy Simulation (LES) methodology. The computational domain is discretized by the finite volume method. The noise is calculated separately using the Ffwocs Williams & Hawkings (FW-H) analogy, whose wave equation has as a source term the flow solution provided by the numerical simulation. With regard to the FW-H analogy, the acoustic pressure fluctuation is obtained in the far-field by assuming a quiescent medium between the sound sources region (near-field) and the location considered for acoustic computation. Due to the high computational cost of three-dimensional (3D) simulation, the numerical simulations were conducted with a cylinder span length limited in size, which allows taking into account part of the wake three-dimensionality. Regarding the final acoustic computation, the acoustic correction methods of Kato et al. (1993) and Seo & Moon (2007) are used in order to match the sound obtained by the short cylinder span to the correspondent sound obtained experimentally for a long cylinder span. This thesis contributed to investigate numerically the computational method of applying the Ffwocs Williams & Hawkings analogy for solving the noise generated from a threedimensional flow over a circular cylinder with high Reynolds number, particularly, at Re = 90,000 and Re = 22,000. The results show that this computational method is able to predict the far-field sound for the simulated cases, since the noise spectra obtained are found to be in agreement with the corresponding experimental data. In addition, the acoustic correction method of Kato et al. (1993) and Seo & Moon (2007) provided good predictions with regard to the adding noise computation, however, its results are dependent on accurate estimation of the spanwise coherence length of the flow. Finally, the sound spectrum obtained in the far-field is tied to the flow behavior provided by the numerical simulation, especially regarding the coherence between the pressure fluctuations over the spanwise length of the cylinder and the lift force fluctuation amplitude exerted on the cylinder wall.