The cowpea (Vigna unguiculata (L.) Walp.) Is one of the main legumes grown in Brazil, however, the crop has a low average productivity, mainly due to the climatic conditions that represent one of the main limiting factors of the productivity of this culture. Although cowpea is a relatively drought tolerant species, water deficit can cause a considerable reduction in productivity, characterizing it as one of the major barriers to crop consolidation in Brazil. The exchange of water vapor between the crop and the atmosphere is controlled by the climatic conditions and surface characteristics. Therefore, the objective of this study was to analyze the variations of the decoupling factor of the atmosphere for the irrigated cowpea during the reproductive phenological stages of the crop in northeast of Para. The study was conducted in the municipality of Castanhal, Northeast of the state of Pará, in cowpea cv. BR3-Tracuate, in the years 2013, 2014 and 2015 submitted to four treatments of irrigation slides (T100 - replacement of 100% of crop evapotranspiration (ETc); T50 - 50% replacement of ETc; T25 - 25% of ETc and T0 - 0% replacement of ETc). The meteorological data were collected by sensors installed in a micrometeorological tower located in the center of the experimental area. The following meteorological variables were monitored: air temperature and humidity, incident solar radiation, atmospheric pressure, wind speed, precipitation and soil moisture. The biosphere-atmosphere interaction in the processes of vegetal evapotranspiration that allows to distinguish the factors that influence the exchange of water vapor with the atmosphere was estimated by the decoupling factor (Ω). The values of Ω were always higher than 0.5 for all the treatments tested and in the three years of study, evidencing a moderate to high decoupling between the culture and the atmosphere, so that the water vapor exchange process was controlled by the energy supply, rather than stomatal control. However, for the treatment without irrigation this control was less expressive. / O feijão-caupi (Vigna unguiculata (L.) Walp.) é uma das principais leguminosas cultivadas no Brasil, contudo, a cultura apresenta uma produtividade média baixa, sobretudo devido as condições relacionadas ao clima que representam um dos principais fatores limitantes a produtividade desta cultura. Apesar do feijão-caupi ser uma espécie relativamente tolerante à seca, o déficit hídrico pode ocasionar considerável redução na produtividade, caracterizando-se como uma das maiores barreiras para a consolidação da cultura no País. A troca de vapor d’água entre a cultura e a atmosfera é controlada pelas condições climáticas e as características da superfície. Por isso, objetivou-se através do presente estudo, analisar as variações do fator desacoplamento da atmosfera para o feijão-caupi irrigado durante os estádios fenológicos reprodutivos da cultura no nordeste paraense. O estudo foi conduzido no município de Castanhal, Nordeste do estado do Pará, em cultivo de feijão-caupi cv. BR3-Tracuateua, nos anos de 2013, 2014 e 2015 submetidos à quatro tratamentos de lâminas de irrigação (T100 – reposição de 100% da evapotranspiração de cultura (ETc); T50 – reposição de 50% da ETc; T25 – reposição de 25% da ETc e T0 – reposição de 0% da ETc). Os dados meteorológicos foram coletados por sensores instalados em uma torre micrometeorológica alocada no centro da área experimental. Foram monitoradas as seguintes variáveis meteorológicas: temperatura e umidade do ar, radiação solar incidente, pressão atmosférica, velocidade do vento, precipitação e umidade do solo. A interação biosfera-atmosfera nos processos de evapotranspiração vegetal que permite distinguir os fatores que influenciam a troca de vapor d’água com a atmosfera foi estimada por meio do fator de desacoplamento (Ω). Os valores de Ω foram sempre maiores que 0,5 para todos os tratamentos testados e nos três anos de estudo, evidenciando um desacoplamento de moderado a alto entre a cultura e a atmosfera, de modo que o processo de troca de vapor d’água foi controlado pelo suprimento de energia, ao invés do controle estomático. Porém, para o tratamento sem irrigação esse controle foi menos expressivo.

Neste trabalho é desenvolvido um sistema de controle ativo para supressão de flutter de uma asa utilizando-se sensores de pressão em pontos estratégicos de sua superfície. O flutter é um fenômeno aeroelástico que caracteriza um acoplamento instável entre estrutura flexível e escoamento aerodinâmico não estacionário. Quando a modificação da estrutura ou da aerodinâmica da asa não é viável, o uso de sistemas de controle passa a ser uma boa opção. Para o desenvolvimento do sistema de controle proposto, é primeiramente desenvolvido um modelo numérico de asa flexível. Com esse modelo numérico e a pressão na superfície da asa medida em certos pontos e realimentada ao sistema controlador, são determinadas correções no ângulo de uma superfície de controle no bordo de fuga. A tentativa de se utilizar um sistema de controle bem simples, com o uso de um único sensor de pressão, mostra a viabilidade de se implementar um sistema deste tipo em aeronaves reais. Esse sistema pode tornar-se uma alternativa aos desenvolvidos até então com o uso de acelerômetros, além de ser útil em sistemas onde se procura prever o estol e observar o comportamento da distribuição de pressão sobre a asa em vôo. / In this work, a wing flutter suppression active control system using pressure sensors in strategic points is developed. Flutter is an aeroelastic phenomenon characterized by an unstable coupling of a flexible structure and a non-stationary aerodynamic flow. When changes of the wing structure or of the aerodynamics are not viable, the use of automatic control systems becomes a good option. For the developing of the suggested control system, a numeric model of a finite flexible wing is firstly done. With this model and the pressure over the wing surface read in certain points and fedback to the control system, changes of the control surface angle on the trailing edge are determined. The attempt to use a simple control system, with a unique pressure sensor shows the viability of implanting this kind of system in real aircrafts. This system may become an alternative to those developed until now, using accelerometers. Yet, it could be useful, in systems where it is necessary to predict stall and observe the pressure load behavior over the wing in flight.

The study of turbofan aeroacoustics has become important in academia and industry as noise from other aircraft sources, as jet noise, have been reduced. The EESC-USP Fan Rig is a long-duct low-speed fan experimental setup recently built at the Department of Aeronautical Engineering of the University of São Paulo. The objective is to provide a facility for studying fan aeroacoustics with a flexible configuration that allows changes in operational conditions and geometry of the rig so that each of the noise sources can be treated separately. In this work, three experimental campaign were taken aiming to extend the knowledge of this workbench capabilities and to observe the effect that some parameters can have on noise generation. A performance campaign was carried out to characterise the effects of controllable parameters on the aerodynamic characteristics of the flow. Starting from unrestricted flow to 70% area constraint, and a range of fan speeds, several flow measurements that could be translated into performance quantities were taken: volume flow rate, fan total and static pressures, compression ratio, total and net power, and efficiency. The measured compression ratio ranged from 1.00 to 1.02, with maximum axial Mach of 0.13 and maximum total efficiency of 65%. The surge effect, an unstable configuration characterised by rotor blades stall was also observed. Significant differences in fan performance due to the installation of an Inlet Control Device (ICD) and the rotor-stator spacing were not found, except under surge conditions. A parametric campaign was carried out exploring the effects of fan rotational speed, fan loading and rotor-stator spacing. Acoustic measurements were taken using an array of 77 wall-mounted microphones to provide a baseline data set for future comparisons. Hereby, data was processed to obtain the modal decomposition and power spectrum for each configuration. The last proved useful to compare tonal and broadband noise for each configuration. Experimental results indicate that changes in fan rotational speed scale noise generation mechanisms proportionally, do not affect noise spectral shape, and in consequence, are not useful to distinguish noise mechanisms. Although throttling does not seem to exhibit a clear effect on fan noise, it turns out that it is a good approach for cross-comparisons of other parameters\' effect on fan noise, because of its direct modification on the flow structure within the duct. Results also showed that increasing rotor-stator spacing reduces both blade passing frequencies tone levels and the acoustic power of the interaction modes, which are in agreement with results obtained by similar test facilities. In this work a instrumented stator vane was designed using recently available technologies, as 3D printing and the use of MEMS microphones, to measure this pressure fluctuations. Phase-averaging and the signal from a hall sensor were used to separate broadband content in time series. Broadband level distribution were analysed for two span lines of the instrumented stator vane and for a reference microphone located in the inlet antenna. Broadband levels increased with the increase in fan speed and its distribution over these span lines maintained its shape for different speeds. Cross-correlation of the microphones were calculated and showed decay of zero-delay cross-correlation with increase in distance between microphones over the vane. And, finally, the integral length scale, obtained by the integration of zero-delay cross-correlation curve, showed decay with increase in fan speed. The data generated by this work showed good agreements with what was expected from the literature and will help as input data to the semi-analytical and semi-empirical models that are being developed in parallel by the research group. / O estudo da aeroacústica de fan tornou-se importante na academia e na indústria à medida que o ruído de outras fontes nas aeronaves, como o ruído de jato, foram reduzidas. O EESCUSP Fan Rig é um túnel de vento aeroacústico voltado para fans de baixa velocidade, que foi construído recentemente no Departamento de Engenharia Aeronáutica da Universidade de São Paulo. Seu objetivo é prover uma bancada experimental para o estudo dos mecanismos de geração de ruído de fan com uma configuração flexível que permita mudanças nas condições operacionais e geométricas de forma a isolar tanto quanto possível cada uma das fontes. Neste trabalho foram realizadas três campanhas experimentais visando aprofundar os conhecimentos sobre as capacidades da bancada e observar os efeitos no ruído que algumas variações paramétricas podem gerar. Uma campanha de performance de fan foi realizada para quantificar os efeitos dos parâmetros controláveis sobre o as características aerodinâmicas do escoamento. Partindo de escoamento sem restrição até restrição de área de 70%, e para diversas velocidades de rotação do fan, diversas medidas do escoamento foram feitas para que se pudesse calcular as métricas de performance: vazão volumétrica, pressão total e estática do fan, taxa de compressão, potência útil, potência elétrica de entrada e eficiência. Os resultados apontaram para uma taxa de compressão entre 1.0 e 1.02, com Mach axial máximo de 0.13 e eficiência máxima de 65%. Os efeitos de \"surge\", uma configuração instável caracterizada pelo estol das pás do rotor também foi observado. Diferenças significativas na performance do fan devido à instalação de uma Inlet Control Device (ICD) e pelo espaçamento entre rotor e estator não foram encontradas, com exceção em condições de \"surge\". Uma campanha paramétrica para estudo de ruído foi realizada explorando os efeitos da velocidade de rotação e carregamento no fan, espaçamento entre rotor-estator e condição de entrada do escoamento no duto. Os resultados mostraram que o aumento do espaçamento do rotor-estator reduz os níveis tonais nas frequências de passagem das pás (BPFs) a uma taxa de aproximadamente 4dB quanto o espaçamento é duplicado. Os resultados experimentais indicam que as mudanças nos mecanismos de geração de ruído com a velocidade rotacional do fan escalam-se proporcionalmente, não afetam a forma espectral do ruído e, por consequência, não são úteis para distinguir os mecanismos de ruído. Embora a variação no carregamento não pareça exibir um efeito claro no ruído do fan, verifica-se que é uma boa abordagem para comparações cruzadas, em conjunto com a velocidade de rotação, do efeito de outros parâmetros no ruído do fan, já que, desta forma, é possível fazer uma modificação direta na estrutura do escoamento dentro do duto. Os modos Tyler-Sofrin, esperados pela contagem de pás e aletas usadas no conjunto rotor-estator, foram identificados e a potência acústica desses modos de interação acompanham a potências dos respectivos tons no espectro, levando à conclusão que a maior contribuição para o ruído tonal é, de fato, a interação rotor-estator. Também neste trabalho, também foi projetada uma aleta de estator instrumentada, usando tecnologias recentemente disponíveis, como a impressão 3D e o uso de microfones MEMS, para realizar medições de flutuação de pressão na superfície superior da aleta. Um método de processamento de sinal foi desenvolvido, usando a técnica de \"phase averaging\" combinada com o sinal de um sensor Hall para separar o conteúdo de banda larga em séries temporais. A distribuição do nível de ruido banda larga foi analisado para duas linhas na envergadura da aleta instrumentada e em um microfone de referência localizado na antena de microfones. Os níveis de banda larga aumentaram com o aumento da velocidade do fan e a sua distribuição ao longo destas linhas de alcance manteve a sua forma para diferentes velocidades. As correlações cruzadas dos microfones foram calculadas e mostraram o decaimento da correlação cruzada de zero-atraso com o aumento da distância entre os microfones sobre a aleta. Finalmente, a integral do comprimento de escala, obtida pela integração da curva de correlação cruzada de zero-atraso, apresentou decaimento com aumento na velocidade do fan. Os dados gerados por esse trabalho se mostraram de acordo com o esperado na literatura da área e servem de dados de entrada para modelos semi-empíricos e semi-analíticos que vem sendo desenvolvidos paralelamente pelo grupo de pesquisa.

The first bypass turbofan engines came into operation in the early 1970s. The need for reductions in the fuel consumption affected aircraft noise positively through reductions in the jet noise. Over the past decades, the bypass ratio of turbofan engines has continuously increased and, as a result, aircraft engine noise has decreased to a level comparable to the noise originated from the turbulent flow around the airframe for take-off and landing conditions. Although aircraft have become quieter, the number of individuals affected by the aviation growth is likely to increase. Airframe noise has been currently identified as the ultimate aircraft noise barrier and many efforts devoted to its reductions have focused specifically on landing gears and high-lift devices, which are the most relevant noise contributors. Some devices have been designed to reduce flap noise, however, not all of them have been successfully tested in a detailed large-scale flap model due to their difficult implementation in real flap side-edges. This research investigates the relationship between the parameters of a large-scale flap model at 1.50×106 Reynolds number and the physics responsible for flap side-edge noise generation, one of the most dominant sources of the airframe noise. Experimental tests were conducted in a wind-tunnel and flow-field measurements were taken by a multi-hole pitot probe and an aerodynamic balance and complemented by phased microphone array techniques towards a deeper understanding of flap side-edge noise sources and their correlations to unsteady vorticity fluctuations. Conventional beamforming and CLEAN-SC and DAMAS deconvolution methodologies provided far-field acoustic spectra estimations and noise source mapping. The model used for the tests consists of an unswept isolated flap element with representative tip details present in conventional medium-range transport aircraft. The instrumentation includes 106 steady pressure taps distributed chord-wise and span-wise and a sand trip tape to transition the laminar boundary layer. Different side-edge devices were assessed towards airframe noise reductions. A perforated side-edge treatment was also applied to the flap side-edge. Results of aerodynamic and aeroacoustic tests conducted in the LAE-1 closed circuit wind tunnel with a closed test section at the São Carlos School of Engineering - University of São Paulo (EESC-USP) at up to 40 m/s flow speeds provided specific information on the aeroacoustic and aerodynamic characterization of the dominant acoustic source mechanisms of the flap model. / Os primeiros motores turbofan com razão de desvio entraram em operação no início dos anos 70. A necessidade de reduções no consumo de combustível afetou positivamente o ruído das aeronaves através de reduções no ruído do jato. Nas últimas décadas, a razão de desvio de motores turbofan aumentou continuamente e, como resultado, o ruído do motor da aeronave diminuiu para um nível comparável ao ruído originado do fluxo turbulento ao redor do airframe para as condições de decolagem e pouso. Embora as aeronaves tenham-se tornado mais silenciosas, é provável que o número de indivíduos afetados pelo crescimento da aviação aumente. Atualmente, o ruído de airframe tem sido identificado como a barreira máxima de ruído para aeronaves e muitos esforços dedicados à sua redução se concentraram especificamente no trem de pouso e dispositivos de alta sustentação, que são os contribuidores de ruído mais relevantes. Alguns dispositivos foram projetados para reduzir o ruído do flap, no entanto, nem todos deles foram testados com sucesso em um modelo detalhado de flap de grande escala, devido a sua difícil implementação nas bordas laterais do flap real. Esta pesquisa investiga a relação entre os parâmetros de um modelo de flap de grande escala com número de Reynolds de 1.50 × 106 e a física responsável pela geração de ruído na borda lateral do flap, uma das fontes mais dominantes do ruido de airframe. Testes experimentais foram realizados em um túnel de vento e as medidas do escoamento foram tomadas por uma sonda pitot de múltiplos furos e uma balança aerodinâmica e complementadas por técnicas de antenas de microfones para um entendimento mais profundo das fontes de ruído da ponta do flap e suas correlações com flutuações instáveis de vorticidade. O beamforming convencional e as metodologias de deconvolução CLEAN-SC e DAMAS forneceram estimativas de espectros acústicos de campo distante e mapeamento de fontes de ruído. O modelo usado para os testes consiste em um elemento de flap isolado, sem enflechamento, com detalhes de ponta representativos presentes em aeronaves convencionais de transporte de médio alcance. A instrumentação inclui 106 tomadas de pressão estacionárias distribuídas na corda e na envergadura e um trip de fita de areia para fazer a transição da camada limite laminar. Diferentes dispositivos de borda lateral foram avaliados em relação às reduções de ruído de airframe. Um tratamento perfurado de borda lateral também foi aplicado à borda lateral do flap. Os resultados dos testes aerodinâmicos e aeroacústicos realizados no túnel de vento de circuito fechado LAE-1, com seção de provas fechada na Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo (EESC-USP) com velocidade de fluxo de até 40 m/s forneceram informações específicas sobre a caracterização aeroacústica e aerodinâmica dos mecanismos dominantes de fonte acústica do modelo de flap.

CAPES / A indústria petrolífera utiliza diversos tipos de bombas conforme a natureza da operação ou a fase do processamento considerada. Entretanto, devido às condições nas quais opera esse tipo de indústria, óleo e gás podem ser produzidos simultaneamente, o que constitui uma questão de escoamento bifásico. A presença de gás em canais de bombas centrífugas prejudica significativamente o seu funcionamento, degradando a capacidade de elevação. As pesquisas relacionadas ao escoamento bifásico em bombas centrífugas centram seus estudos na avaliação da influência de condições operacionais, tais como a fração de vazio, rotação do rotor e pressão de entrada, no desempenho global da bomba. Essa influência, entretanto, é condicionada ao padrão de escoamento bifásico no interior do equipamento. Nesse cenário, o presente trabalho tem como objetivo avaliar o escoamento bifásico nos canais de uma bomba centrífuga mediante o comportamento de uma bolha isolada no meio líquido em rotação. Para isso, foi construída uma bancada experimental no laboratório do NUEM. A carcaça da bomba e o rotor do primeiro estágio originais foram substituídos por outros de material transparente a fim de permitir a visualização das bolhas no interior do canal do rotor. Em particular, pretende-se seguir o movimento de bolhas isoladas nos canais do rotor, como forma de identificar seus caminhos preferenciais, para avaliar suas velocidades ponto a ponto. Além disso, foi desenvolvido um estudo numérico como forma de obter as velocidades do líquido e pressão estática ao longo do canal, utilizando as posições das bolhas obtidas experimentalmente. Um modelo algébrico utilizou os dados numéricos e experimentais para calcular o coeficiente de arrasto e a força de arrasto segundo diferentes condições operacionais. / Electrical Submersible Pump (ESP), are quite common in the oil industry. Due to the nature of the oil production operations, multiphase flow of oil, gas and other fluids are present in reservoirs, pipelines and equipment, including ESP’s. Two-phase flows inside pump diffusers and impellers decrease an ESP’s lift and efficiency. Literature presents a large number of studies about the influence of operational parameters such as void fraction, rotor speed and inlet pressure, on an ESP’s global efficiency. Nevertheless, this influence is strictly related to the two-phase flow pattern. The present study evaluates the two-phase flow inside a pump diffuser and impeller by means of a single bubble flowing through the liquid mass. An experimental apparatus was designed and built at the NUEM facilities. The original pump housing and impeller were replaced by transparent pieces so that bubbles flowing inside the pump could be visualized. The path of the bubbles were followed so as to both define preference paths and to calculate bubbles velocities. Additional CFD analyses provided liquid velocities and static pressure through the pump impeller. An algebraic model fed with numerical and experimental data evaluated the drag coefficient and the drag force according to different experimental conditions.

Esse trabalho trata da análise computacional de problemas aeroelásticos. Os casos de interesse envolvem escoamentos compressíveis em torno de estruturas de cascas de materiais compósitos laminados. A solução do problema de interação fluido- estrutura é conduzida por meio do esquema particionado denominado improved serial staggered procedure (ISS), o que permite a utilização de algoritmos independentes para a análise de cada componente do sistema. Um elemento triangular plano com três nós destinado à análise de cascas de materiais compósitos laminados é obtido com base na formulação de dois elementos de alta performance desenvolvidos para a análise de membranas e de placas. A flexibilidade ao corte transversal, a ausência de travamento por razão de aspecto em problemas com flexão no plano da casca são características do elemento. A análise dinâmica não linear é realizada através do procedimento corrotacional de conservação aproximada de energia (AECCP) que foi implementado com base na formulação corrotacional independente de elemento (element independent CR formulation – EICR). Essa abordagem permite que problemas transientes com grandes rotações e forte não linearidade geométrica sejam integrados por longos períodos de tempo, mantendo a estabilidade, a precisão e a eficiência da solução. A simulação do escoamento é realizada através do método explícito de Taylor-Galerkin de dois passos utilizando elementos finitos tetraédricos em malhas não estruturadas para a discretização espacial. As equações governantes do escoamento são dadas segundo a formulação lagrangeana-euleriana arbitrária (ALE), permitindo que malhas móveis sejam empregadas na análise dos problemas aeroelásticos. Um método simples e eficiente é adotado para a movimentação da malha do fluido com base na distância do nó às superfícies de contorno do escoamento. A utilização de malhas não coincidentes na discretização do fluido e da estrutura é possibilitada pelo emprego do esquema de projeção nodal para a transferência de informações entre os meios na região de interface. A apresentação, implementação e verificação de cada componente da ferramenta de análise é realizada independentemente graças à natureza do esquema de solução particionado. Por fim são analisados problemas de interação fluido-estrutura, onde as respostas obtidas são comparadas com resultados experimentais e numéricos de outros autores. Também são propostos e analisados novos problemas envolvendo estruturas de compósitos laminados. / This work deals with computational analysis of aeroelastic problems, specifically those related to compressible flows around laminated composite shell structures. The fluid- structure problem is solved by a partitioned scheme called improved serial staggered procedure (ISS), allowing to use independent algorithms for the analysis of each system component. A 3-node triangular flat element for laminated composite shells is obtained based on the formulation of two high performance plate and membrane elements. Shear flexibility and no aspect ratio locking on in-plane bending problems are some of the element characteristics. The nonlinear dynamic analysis is performed using the approximately energy conserving corotational procedure (AECCP), which is implemented based on the element independent corotational formulation (EICR). This approach enables long time transient problems with strong nonlinearities and large rotations to be efficiently solved while keeping stability and accuracy. The flow simulation is performed by the explicit two step Taylor-Galerkin method employing tetrahedral finite elements in unstructured meshes for the space discrezation. The flow governing equations are given in arbitrary lagrangian-eulerian formulation, enabling aeroelastic simulations with moving meshes. A simple and efficient method is adopted to move the fluid mesh based on the distance of each node to the boundary surfaces. Transference of information between non-matching fluid and structure meshes are performed by the node-projection scheme. Each component of the aeroelastic analysis tool is independently presented, implemented and verified due to the partitioned nature of the scheme adopted for the solution of the coupled system. Some aeroelastic problems are analyzed and results are compared to other experimental and numerical works. New problems of aeroelastic analysis of laminated composite structures are proposed and solved.

O presente trabalho apresenta uma metodologia de simulação numérica de perfis aerodinâmicos bidimensionais com foco na utilização para o projeto e otimização de pás e rotores de pequenas turbinas eólicas de eixo horizontal, bem como o emprego desses métodos em simulações nas quais efeitos de alta solidez do rotor e baixos números de Reynolds são avaliados. Essa metodologia inclui geração de malhas, seleção de métodos numéricos e validação, tendo as escolhas sido guiadas pelas práticas mais bem sucedidas na simulação de perfis aerodinâmicos, e foi aplicada na simulação dos aerofólios NACA 0012, S809 e SD7062. O código comercial ANSYS Fluent foi utilizado em todas as simulações. Na simulação de aerofólios isolados a altos números de Reynolds dos perfis NACA 0012 e S809, o modelo Transition SST (γ-Reθ) apresentou resultados mais próximos a dados experimentais do que aqueles apresentados pelo modelo k-ω SST para CL e CD, além de produzir resultados para CP que mostraram boa precisão quando comparados aos mesmos dados experimentais. Resultados de CL, CD, CF e CP são apresentados para 20 diferentes condições de operação às quais o perfil SD7062 foi submetido, com números de Reynolds variando entre 25.000 e 125.000. As distribuições dos dois últimos coeficientes sobre os dorsos do aerofólio evidenciam com clareza a presença e magnitude da bolha de separação laminar. Os coeficientes de sustentação e arrasto mostram o impacto negativo da presença da bolha nessa faixa de números de Reynolds. Além disso, nos casos simulados, o arrasto aumenta em função da diminuição do Re. Um design de pá produzido com o auxílio do código de otimização SWRDC, baseado em algoritmos genéticos, é apresentado. Três seções ao longo da envergadura dessa pá foram simuladas em uma bateria de 45 simulações, sob diversas condições de operação em função de solidez, ângulo de ataque e razão de velocidade de ponta de pá. Esses resultados mostram que a bolha de separação laminar se move na direção do bordo de ataque com o aumento da solidez, do ângulo de ataque e da TSR. Além disso, distribuições do CP mostram aumento de pressão em ambos os dorsos do perfil quando submetido aos efeitos da solidez, embora esses efeitos tenham sido responsáveis por um aumento na relação CL/CD nos casos estudados. / This thesis presents a methodology of two-dimensional airfoil simulation focusing on its application on the design and optimization of blades and rotors of small horizontal axis wind turbines, and its application in a set of numerical simulations involving high rotor solidity and low-Re effects. This methodology includes grid generation, selection of numerical methods and validation, reflecting the most successful practices in airfoil simulation, and was applied in the simulation of the NACA 0012, S809 and SD7062 airfoils. The ANSYS Fluent commercial code was used in all simulations. Results for the isolated NACA 0012 and S809 airfoils at high Reynolds numbers show that the Transition SST (γ-Reθ) turbulence model produces results closer to experimental data than those yielded by the SST k-ω model for CL and CD, having also produced CP plots that show good agreement to the same experimental data. Plots of CL, CD, CF and CP for the SD7062 airfoil are presented, for simulations at 20 different operating conditions. The CF and CP distributions evidence the negative impact of the laminar separation bubble in the range of Reynolds numbers evaluated. Results show that, for Re between 25,000 and 125,000, drag increases with decreasing Re. A blade design generated using the SWRDC optimization code, based on genetic algorithms, is presented. Three sections of the resulting blade shape were selected and were tested in a set of 45 simulations, under an array of operating conditions defined by solidity, angle of attack and TSR. Results show that the laminar separation bubble moves towards the leading edge with increasing solidity, angle of attack and TSR. Furthermore, CP plots show an increase in pressure on both surfaces when the airfoil is subject to solidity effects, although these effects show an increase in the lift-to-drag ratio at the conditions evaluated.

Nas últimas décadas, tem-se observado uma forte tendência de edificações cada vez mais altas, esbeltas e flexíveis, o que exigiu novas considerações no cálculo estrutural de edifícios, tornando a ação do vento um elemento de grande relevância nos projetos. Além disso, o denso agrupamento de edificações nos centros de grandes cidades adicionou uma variável para um fenômeno que já era complexo: devido à proximidade, um edifício passa a influenciar o campo aerodinâmico de outros, podendo provocar grandes alterações nas pressões, além de fenômenos dinâmicos difíceis de determinar por métodos analíticos. Instruções normativas, em geral, limitam-se a prédios altos com padrões arquitetônicos regulares, afastando-se da realidade dos projetos construídos na prática, que vêm exibindo geometrias cada vez mais complexas e não convencionais. Este cenário justifica a realização de extensos estudos dentro do tema em questão, a fim de que se obtenha uma melhor compreensão dos fenômenos dinâmicos envolvidos e uma orientação mais abrangente na etapa de pré-dimensionamento da estrutura. Neste contexto, a proposta desta pesquisa consiste em dois estudos de caso, de edifícios construídos no Brasil e ensaiados em túnel de vento, que possuem uma geometria similar (em formato de “V”), mas com dimensões e detalhes arquitetônicos distintos. O objetivo é o de promover uma caracterização aerodinâmica, avaliando os carregamentos atuando global e localmente, tanto para o modelo considerado isolado quanto incluindo as condições de vizinhança. Além das ações, estudou-se o espectro do vento que se aproxima, e determinou-se as funções de admitância aerodinâmica correspondentes. Em ambos os edifícios, verificou-se que a incidência do vento aproximadamente perpendicular a uma das abas corresponde a uma direção crítica em termos de efeitos dinâmicos: os espectros dos carregamentos globais se mostraram muito similares, apresentando picos pronunciados que indicam a possibilidade de desprendimento cadenciado de vórtices; as funções de admitância aerodinâmica também evidenciaram um formato muito semelhante. O estudo em questão oferece um meio de validação para estudos futuros que utilizem modelos de ensaio simplificados, além de servir de referência para uma possível revisão da norma brasileira NBR 6123/1988 – Forças devidas ao vento em edificações, contribuindo com os avanços do conhecimento relativo a efeitos dinâmicos do vento em edifícios altos e irregulares. / In the last decades we observed a strong trend in constructing buildings increasingly tall, slender and flexible, which has asked for new consideration in the structural calculus of buildings, making the wind a relevant element in the design procedures. The grouping of buildings downtown in big cities has added another variable to an already complex phenomenon: due to the proximity, a building influences in the aerodynamic field of others, leading to pressure modifications and dynamic effects hard to determine by analytical methods. Instruction codes, in general, are limited to regular tall buildings, in contrast to the reality of projects built in practice, which have been exhibiting architectonic patterns increasingly complex and unconventional. This scenario justifies extensive studies among aerodynamic of irregular tall buildings, with the purpose of acquiring a better comprehension regarding the dynamic phenomena involved and a more accurate direction on the pre-design phase. In this context, the proposal of this research consists of two case studies about buildings constructed in Brazil and tested in wind tunnel, which have a similar geometry (V-shaped) but different dimensions and architectonic details. The objective is to promote a complete aerodynamic characterization, assessing the loads acting as a whole and also locally, with both isolated and interference conditions. Besides the action, the velocity spectrum of the approaching wind and the corresponding aerodynamic admittance were studied. Either case, it was verified that the wind incidence nearly perpendicular to one of the frontal facades is a critical direction from the perspective of dynamic effects: the spectra of global loads were very similar, with a peak emerging on the graphs, which indicate the possibility of vortex shedding; the admittance function also showed a very close format. This study offers an instrument of validation for future researches that use simplified test models, besides to fit as a reference to a possible revision of the Brazilian code NBR 6123/1988 – Wind load on building structures, contributing to the knowledge advances regarding dynamic effects on irregular tall buildings.

Esse trabalho trata da análise computacional de problemas aeroelásticos. Os casos de interesse envolvem escoamentos compressíveis em torno de estruturas de cascas de materiais compósitos laminados. A solução do problema de interação fluido- estrutura é conduzida por meio do esquema particionado denominado improved serial staggered procedure (ISS), o que permite a utilização de algoritmos independentes para a análise de cada componente do sistema. Um elemento triangular plano com três nós destinado à análise de cascas de materiais compósitos laminados é obtido com base na formulação de dois elementos de alta performance desenvolvidos para a análise de membranas e de placas. A flexibilidade ao corte transversal, a ausência de travamento por razão de aspecto em problemas com flexão no plano da casca são características do elemento. A análise dinâmica não linear é realizada através do procedimento corrotacional de conservação aproximada de energia (AECCP) que foi implementado com base na formulação corrotacional independente de elemento (element independent CR formulation – EICR). Essa abordagem permite que problemas transientes com grandes rotações e forte não linearidade geométrica sejam integrados por longos períodos de tempo, mantendo a estabilidade, a precisão e a eficiência da solução. A simulação do escoamento é realizada através do método explícito de Taylor-Galerkin de dois passos utilizando elementos finitos tetraédricos em malhas não estruturadas para a discretização espacial. As equações governantes do escoamento são dadas segundo a formulação lagrangeana-euleriana arbitrária (ALE), permitindo que malhas móveis sejam empregadas na análise dos problemas aeroelásticos. Um método simples e eficiente é adotado para a movimentação da malha do fluido com base na distância do nó às superfícies de contorno do escoamento. A utilização de malhas não coincidentes na discretização do fluido e da estrutura é possibilitada pelo emprego do esquema de projeção nodal para a transferência de informações entre os meios na região de interface. A apresentação, implementação e verificação de cada componente da ferramenta de análise é realizada independentemente graças à natureza do esquema de solução particionado. Por fim são analisados problemas de interação fluido-estrutura, onde as respostas obtidas são comparadas com resultados experimentais e numéricos de outros autores. Também são propostos e analisados novos problemas envolvendo estruturas de compósitos laminados. / This work deals with computational analysis of aeroelastic problems, specifically those related to compressible flows around laminated composite shell structures. The fluid- structure problem is solved by a partitioned scheme called improved serial staggered procedure (ISS), allowing to use independent algorithms for the analysis of each system component. A 3-node triangular flat element for laminated composite shells is obtained based on the formulation of two high performance plate and membrane elements. Shear flexibility and no aspect ratio locking on in-plane bending problems are some of the element characteristics. The nonlinear dynamic analysis is performed using the approximately energy conserving corotational procedure (AECCP), which is implemented based on the element independent corotational formulation (EICR). This approach enables long time transient problems with strong nonlinearities and large rotations to be efficiently solved while keeping stability and accuracy. The flow simulation is performed by the explicit two step Taylor-Galerkin method employing tetrahedral finite elements in unstructured meshes for the space discrezation. The flow governing equations are given in arbitrary lagrangian-eulerian formulation, enabling aeroelastic simulations with moving meshes. A simple and efficient method is adopted to move the fluid mesh based on the distance of each node to the boundary surfaces. Transference of information between non-matching fluid and structure meshes are performed by the node-projection scheme. Each component of the aeroelastic analysis tool is independently presented, implemented and verified due to the partitioned nature of the scheme adopted for the solution of the coupled system. Some aeroelastic problems are analyzed and results are compared to other experimental and numerical works. New problems of aeroelastic analysis of laminated composite structures are proposed and solved.

O presente trabalho apresenta uma metodologia de simulação numérica de perfis aerodinâmicos bidimensionais com foco na utilização para o projeto e otimização de pás e rotores de pequenas turbinas eólicas de eixo horizontal, bem como o emprego desses métodos em simulações nas quais efeitos de alta solidez do rotor e baixos números de Reynolds são avaliados. Essa metodologia inclui geração de malhas, seleção de métodos numéricos e validação, tendo as escolhas sido guiadas pelas práticas mais bem sucedidas na simulação de perfis aerodinâmicos, e foi aplicada na simulação dos aerofólios NACA 0012, S809 e SD7062. O código comercial ANSYS Fluent foi utilizado em todas as simulações. Na simulação de aerofólios isolados a altos números de Reynolds dos perfis NACA 0012 e S809, o modelo Transition SST (γ-Reθ) apresentou resultados mais próximos a dados experimentais do que aqueles apresentados pelo modelo k-ω SST para CL e CD, além de produzir resultados para CP que mostraram boa precisão quando comparados aos mesmos dados experimentais. Resultados de CL, CD, CF e CP são apresentados para 20 diferentes condições de operação às quais o perfil SD7062 foi submetido, com números de Reynolds variando entre 25.000 e 125.000. As distribuições dos dois últimos coeficientes sobre os dorsos do aerofólio evidenciam com clareza a presença e magnitude da bolha de separação laminar. Os coeficientes de sustentação e arrasto mostram o impacto negativo da presença da bolha nessa faixa de números de Reynolds. Além disso, nos casos simulados, o arrasto aumenta em função da diminuição do Re. Um design de pá produzido com o auxílio do código de otimização SWRDC, baseado em algoritmos genéticos, é apresentado. Três seções ao longo da envergadura dessa pá foram simuladas em uma bateria de 45 simulações, sob diversas condições de operação em função de solidez, ângulo de ataque e razão de velocidade de ponta de pá. Esses resultados mostram que a bolha de separação laminar se move na direção do bordo de ataque com o aumento da solidez, do ângulo de ataque e da TSR. Além disso, distribuições do CP mostram aumento de pressão em ambos os dorsos do perfil quando submetido aos efeitos da solidez, embora esses efeitos tenham sido responsáveis por um aumento na relação CL/CD nos casos estudados. / This thesis presents a methodology of two-dimensional airfoil simulation focusing on its application on the design and optimization of blades and rotors of small horizontal axis wind turbines, and its application in a set of numerical simulations involving high rotor solidity and low-Re effects. This methodology includes grid generation, selection of numerical methods and validation, reflecting the most successful practices in airfoil simulation, and was applied in the simulation of the NACA 0012, S809 and SD7062 airfoils. The ANSYS Fluent commercial code was used in all simulations. Results for the isolated NACA 0012 and S809 airfoils at high Reynolds numbers show that the Transition SST (γ-Reθ) turbulence model produces results closer to experimental data than those yielded by the SST k-ω model for CL and CD, having also produced CP plots that show good agreement to the same experimental data. Plots of CL, CD, CF and CP for the SD7062 airfoil are presented, for simulations at 20 different operating conditions. The CF and CP distributions evidence the negative impact of the laminar separation bubble in the range of Reynolds numbers evaluated. Results show that, for Re between 25,000 and 125,000, drag increases with decreasing Re. A blade design generated using the SWRDC optimization code, based on genetic algorithms, is presented. Three sections of the resulting blade shape were selected and were tested in a set of 45 simulations, under an array of operating conditions defined by solidity, angle of attack and TSR. Results show that the laminar separation bubble moves towards the leading edge with increasing solidity, angle of attack and TSR. Furthermore, CP plots show an increase in pressure on both surfaces when the airfoil is subject to solidity effects, although these effects show an increase in the lift-to-drag ratio at the conditions evaluated.