O estudo das equações de Navier-Stokes desperta interesse dos estudiosos da área da análise numérica, visto que a partir destas pode-se determinar os campos de velocidade e pressão de um escoamento. Com estas equações também pode-se aproximar coeficientes aerodinâmicos, fato de grande interesse nas indústria automobilística e aeronáutica. Por isso, propõe-se estudar a aproximação das equações de Navier Stokes via o método de elementos finitos, que tem se mostrado um bom método de resolução de problemas envolvendo fiuidos. Estudam-se métodos de linearização do termo convectivo. Apresentam-se três propostas de métodos de discretização temporal para as equações dadas. Através da análise de erro e taxas de convergência para problemas com solução exata conhecida, comparam-se diferentes espaços de discretização espacial e diferentes métodos de discretização temporal. Introduz-se um modelo de regularização e através do cálculo dos coeficientes de arrasto e sustentação comprova-se a sua efetividade (no sentido de que ele permite trabalhar com malhas mais grossas, mas ainda obter soluções comparáveis àquelas obtidas por DNS). / The study of the Navier-Stokes equations arouses interest of researchers in the area of numerical analysis, since from these one can determine the velocity and pressure fields of a fiow. These equations approach aerodynamic coefficients, a fact of great interest in the aeronautical and automotive industries. Therefore, we propose to study an approximation of the Navier Stokes equations through the finite element method, which has shown to be a good method for solving problems involving fiuids. Ve study methods of linearizing the convective term, and present three methods for time discretization. Through error analysis and convergence rates for problems with known exact solution, we compare different spatial and time discretization methods. By calculating the drag and lift coefficients around a cilinder we confirm the effectiveness of the Leray-deconvolution model in comparison to direct simulation (DNS) for solving problems with coarser meshes.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2007. / Submitted by Priscilla Brito Oliveira (priscilla.b.oliveira@gmail.com) on 2009-12-03T22:10:37Z No. of bitstreams: 1 2007_EvandrodeCarvalhoRibeiro.pdf: 4763829 bytes, checksum: 3019e3aa6aa82d93beae24e355ec4c19 (MD5) / Approved for entry into archive by Joanita Pereira(joanita) on 2009-12-04T20:54:32Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2007_EvandrodeCarvalhoRibeiro.pdf: 4763829 bytes, checksum: 3019e3aa6aa82d93beae24e355ec4c19 (MD5) / Made available in DSpace on 2009-12-04T20:54:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2007_EvandrodeCarvalhoRibeiro.pdf: 4763829 bytes, checksum: 3019e3aa6aa82d93beae24e355ec4c19 (MD5) Previous issue date: 2007 / Este trabalho faz parte de uma pesquisa onde o objetivo é o desenvolvimento de um estudo numérico envolvendo estruturas de torres metálicas estaiadas de seção transversal quadrada, utilizadas para sistemas de telecomunicações, submetidas às ações estática e dinâmica do vento. Os procedimentos adotados para a determinação das forças estáticas do vento seguem a metodologia apresentada na norma NBR6123. Para o desenvolvimento da análise dinâmica ao longo do vento, o procedimento é baseado na formulação de Monte Carlo que permite a simulação da parcela flutuante do vento. Para o estudo numérico, as torres estaiadas foram modeladas utilizando formulações matemáticas lineares e não-lineares que permitem a introdução de forças de pré-tensionamento nos elementos de cabo das torres como também os efeitos da variação da temperatura. Estes modelos foram introduzidos em quatro programas computacionais desenvolvidos por Menin (2002), cujos resultados obtidos foram comparados aos do programa comercial SAP2000. Para ilustrar a versatilidade dos programas computacionais empregados neste trabalho, uma ênfase particular é dada à análise considerando os efeitos da ruptura súbita de um elemento de cabo das torres estaiadas sob nenhuma pressão do vento. Os resultados obtidos através das análises realizadas para torres estaiadas revelaram à importância de se considerar as ações estática e dinâmica do vento para a determinação dos esforços axiais máximos nos elementos estruturais de cabos e perfis metálicos. ____________________________________________________________________________________ ABSTRACT / This work is part of a research where the objective is the development of a numeric study involving structures of guyed metallic towers of square transverse section, used for systems of telecommunications, submitted to the actions static and dynamic of the wind. The procedures adopted for the determination of the static forces of the wind follow the methodology described in Brazilian Code – NBR6123. For the development of the dynamic analysis along the wind, the procedure is based on Monte Carlo's formulation that allows the simulation of the fluctuating portion of the wind. For the numeric study, the guyed towers were modeled using linear and nonlinear mathematical formulations that allow the introduction of prestressing forces in the elements of cable of the towers as well as the effects of the variation of the temperature. These models were introduced in four programs developed by Menin (2002), whose results obtained were compared to the of the commercial program SAP2000. In way to illustrate the versatility of the programs used in this work, particular emphasis it is given to the analysis considering the effects of the sudden rupture of an element of cable of the guyed towers under no wind pressure. The results obtained through the analyses accomplished for guyed towers revealed the importance of considering to the actions static and dynamic of the wind for the determination of the maximum axial forces in the structural elements of cables and metallic bars.

O estudo das equações de Navier-Stokes desperta interesse dos estudiosos da área da análise numérica, visto que a partir destas pode-se determinar os campos de velocidade e pressão de um escoamento. Com estas equações também pode-se aproximar coeficientes aerodinâmicos, fato de grande interesse nas indústria automobilística e aeronáutica. Por isso, propõe-se estudar a aproximação das equações de Navier Stokes via o método de elementos finitos, que tem se mostrado um bom método de resolução de problemas envolvendo fiuidos. Estudam-se métodos de linearização do termo convectivo. Apresentam-se três propostas de métodos de discretização temporal para as equações dadas. Através da análise de erro e taxas de convergência para problemas com solução exata conhecida, comparam-se diferentes espaços de discretização espacial e diferentes métodos de discretização temporal. Introduz-se um modelo de regularização e através do cálculo dos coeficientes de arrasto e sustentação comprova-se a sua efetividade (no sentido de que ele permite trabalhar com malhas mais grossas, mas ainda obter soluções comparáveis àquelas obtidas por DNS). / The study of the Navier-Stokes equations arouses interest of researchers in the area of numerical analysis, since from these one can determine the velocity and pressure fields of a fiow. These equations approach aerodynamic coefficients, a fact of great interest in the aeronautical and automotive industries. Therefore, we propose to study an approximation of the Navier Stokes equations through the finite element method, which has shown to be a good method for solving problems involving fiuids. Ve study methods of linearizing the convective term, and present three methods for time discretization. Through error analysis and convergence rates for problems with known exact solution, we compare different spatial and time discretization methods. By calculating the drag and lift coefficients around a cilinder we confirm the effectiveness of the Leray-deconvolution model in comparison to direct simulation (DNS) for solving problems with coarser meshes.

Dentre as competições nas quais estudantes são desafiados a construir protótipos com finalidades específicas, está a de fazer um veículo que transporte uma pessoa e percorrera a maior distância com um litro de combustível. Um dos fatores que contribuem para o consumo é a resistência aerodinâmica, assim prever seus efeitos é essencial para um bom projeto. Nesse contexto o presente trabalho teve por objetivo avaliar de forma numérica e experimental o escoamento ao redor de um veículo de milhagem e calcular os coeficientes aerodinâmicos de arrasto e sustentação dessas duas formas. Também foi estudada a sensibilidade desses coeficientes ao número de Reynolds e, no caso do teste virtual, aos modelos de turbulência. Através dos resultados de simulações verificou-se que a porção frontal do veículo é a maior responsável pelo arrasto e pela sustentação negativa. Os coeficientes de arrasto caíram com o aumento do número de Reynolds tanto nos ensaios virtuais quanto nos experimentais. Na comparação entre os modelos de turbulência, k-E e k-w em suas formas padrão foram os que mais destoaram em relação aos outros apresentando valores de CD maiores. Os resultados experimentais apresentaram a mesma tendência dos numéricos, e ficaram mais próximos do k- padrão, mas acredita-se que um ângulo de ataque negativo do modelo devido à montagem tenha provocado um aumento no CD obtido experimentalmente. Os valores dos coeficientes de sustentação baixaram com o número de Reynolds nos testes numéricos e aumentaram nos ensaios experimentais. Nas simulações observou-se que a alta velocidade entre as rodas dianteiras devido à pequena distância entre o veículo e o piso era responsável por boa parte da sustentação negativa. Por questões de montagem não foi possível repetir esse efeito solo de forma similar nos experimentos. Os resultados numéricos de visualização do escoamento apresentaram boa concordância com os experimentais. / Among the many competitions in which students are challenged to build up prototypes with specific purposes there, is one in which the goal is to design a car to carry one person and make it go as long as it can with one liter of fuel. One of the factors that contribute for fuel consumption is the aerodynamic resistance, so to predict its effects is essential for a good design. In this context, the present work had as goals the numerical and experimental evaluation of flow around a Supermileage vehicle and to calculate its drag and lift coefficients in these both ways. It was also studied the sensitivity of these forces to Reynolds number and, in the virtual case, to turbulence models. Thanks to simulation results it was verified that the front part of the model is responsible for great part of drag and negative lift. The drag coefficients fell with the increase of Reynolds number in both numerical and experimental tests. In a comparison of turbulence models comparison, k-E and k-w in their standard forms presented higher CD values than the other models. Experimental CD results showed the same tendency of numerical ones, and were closer to standard k-, although it was believed that a negative angle of attack due to experimental assembly issues has made for a higher experimental CD. Lift coefficients values fell with the increase of Reynolds number in virtual analysis and grew in experimental tests. In the simulations it was observed that the high velocity between the two front wheels, due to the short distance between the vehicle and the ground, is responsible for a large portion of the negative lift. Owing to assembly issues it was not possible to reproduce this ground effect on experimental tests. Flow visualization results presented good agreement between experimental and numerical testing.

O whirl flutter, em se tratando de uma instabilidade que pode ocorrer durante o vôo de uma aeronave e levar a uma condição de falha estrutural, deve ser devidamente estudado durante o projeto de uma aeronave moderna de modo a manter manter um nível de segurança adequada, mesmo porque o processo de homologação final inclui requesitos sobre a ocorrência do fenômeno. Assim, para uma empresa aeronáutica é essencial que exista um programa numérico acessível que permita este tipo de análise para o caso de configurações as mais gerais possíveis. Este estudo visou exatamente a implementação de um programa assim, tendo sido utilizado um modelo em que o motor é considerado um corpo rígido apoiado elasticamente em uma estrutura de suporte, a qual não necessariamente é rígida. A extensão para mais de um corpo é imediata, considerando-se, então, que os corpos estão ligados elasticamente entre si. Todos os seis graus de liberdade dos centros de gravidade de cada corpo são mantidos. Com relação aos esforços aerodinâmicos, são utilizados resultados convencionais para hélices de pás rígidas, mas procurou-se mostrar um caminho através do qual fosse possível a utilização de uma teoria de superfície de sustentação para o cálculo aerodinâmico. Finalizando, foram feitas comparações com resultados anteriores, além de se procurar verificar as diferenças de comportamento das fronteiras de estabilidade entre os modelos com graus de complexidade distintos, especialmente entre modelos de dois e seis graus de liberdade.

O presente trabalho tem como objetivo analisar a resposta aeroelastica do rotor principal do helicóptero experimental de dois lugares Alpha One, em desenvolvimento pela Brascopter e que e equipado com um rotor do tipo bearingless. A analise foi realizada considerando o regime de voo pairado e que o rotor esta sujeito a uma perturbação, como por exemplo, uma rajada. Para tal, foi utilizado o software de elementos finitos para modelagem de sistemas multicorpos não-lineares DYMORE. O software permite a modelagem de sistemas complexos utilizando elementos deformaveis e rigidos. Apenas a flexbeam e a pá foram modeladas com elementos de viga (deformavel), os demais componentes do sistema do rotor, inclusive o sistema de comando, foram modelados com elementos rígidos e juntas cinemáticas. Para os elementos deformáveis e necessário o fornecimento da matriz com as constantes elásticas da seção transversal para o DYMORE. Para isso, um código em MatlabOR foi escrito para gerar a malha de elementos finitos da seção transversal, cujo único elemento estrutural considerado foi a longarina da pá. As constantes elásticas da seção foram calculadas através do software VABS. Duas configurações de seção foram consideradas, seção com célula simples e seção com célula dupla. Diferentes laminados foram analisados para cada configuração de seção. O MatlabOR também foi utilizado como ferramenta de integração, realizando a interface com o DYMORE e o VABS, além de ter sido utilizado para a realização do pós processamento dos dados dos sensores distribuídos ao longo dos componentes flexíveis e para a realização da analise de estabilidade aeroelastica, em que o método da exponencial complexa foi empregado. Os resultados mostraram que a configuração de seção com célula dupla não e capaz de produzir acoplamento pitch-flap suficiente para influenciar na resposta do rotor.

The objective of this work is to present a methodology to predict the maximum lift of clean twisted wings. To this end, a methodology that couples aerodynamic input data from airfoils with a modified Weissinger method is implemented in a computational tool package. The model considers wings with break, sweep, and dihedral, whereas geometric and aerodynamic twists are properly considered by means of an interpolation technique. The analysis and validation procedure of the methodology is presented. A comparison with available data confirms both robustness and accuracy of the proposed numerical method.

O objetivo deste trabalho é a apresentação de um método prático para a obtenção das características aerodinâmicas de asas variando diversas propriedades geométricas. O método apresentado visa ser aplicado em tarefas relacionadas ao projeto de aeronaves utilizando métodos de otimização multidisciplinar e em investigações onde o fator consumo computacional versus precisão dos resultados seja fundamental. Para atingir estes objetivos, foi implementada uma metodologia que tem como base de cálculo o modelo da linha sustentadora estendida apresentado por Weissinger. O modelo possibilita o cálculo de asas variando o enflechamento, alongamento, afilamento e torção, entre outros parâmetros. Somado a um conjunto de correções e o uso de outras metodologias aplicadas em sub-rotinas, o método apresenta-se como uma ferramenta rápida e que fornece bons resultados quando comparada com outras metodologias similares utilizados na atualidade. Neste trabalho, são apresentadas a fundamentação teórica, análises de convergência e resultados comparativos com a teoria e testes experimentais, que em conjunto, demostram as capacidades e aplicabilidades do mesmo.

O estudo de modelos matemáticos para o cálculo de desempenho de rotores, que começou no início do século 20 e se desenvolveu até meados daquele século, com Theodorsen, estagnou-se a partir da década de 1950, quando o uso de turboreatores se difundiu na propulsão aeronáutica. Recentemente a necessidade de desenvolvimento de sistemas propulsivos de alta eficiência para aeronaves de asas fixas e rotativas motiva um estudo mais detalhado sobre a aerodinâmica de rotores. As ferramentas utilizadas para projeto e análise de hélices, entretanto, ainda datam de décadas atrás. O presente estudo visa a comparar dois métodos de análise aerodinâmica de rotores. O primeiro é a formulação clássica da teoria do elemento de pá desenvolvida por Theodorsen. O segundo é um código baseado num método de singularidades tridimensional, segundo a formulação de Morino. Neste trabalho é desenvolvido um código de painéis tridimensional não estacionário de baixa-ordem, com distribuições constantes de dipolo e fonte sobre painéis quadrilaterais ou triangulares. O código é não-estacionário, e possui um algoritmo de relaxação da esteira livre no tempo, e dispõe de um método integral para cálculo de camada-limite e forças viscosas sobre a superfície dos painéis. O código também utiliza o recurso de processamento paralelo para acelerar a montagem das matrizes de coeficientes de influência e os cálculos de relaxação da esteira. Dois estudos de caso são feitos, simulando experimentos com rotores através dos dois métodos supracitados, e os resultados são comparados com dados experimentais encontrados na literatura. Dois outros estudos de caso são realizados para explorar a capacidade do método de painéis em modelar interferência entre o rotor e outras superfícies e condições de operação impossíveis de simular pela teoria clássica. Os resultados são analisados detalhadamente, e as vantagens e limitações de cada formulação são destacadas.

Em 2004, a Federação Aeronáutica Internacional (FAI) tornou oficial a classe Microlift, abrindo uma nova fronteira para o voo a vela. Esta classe, composta por planadores ultraleves com limitação superior de carga alar, tem o intuito de incentivar a exploração de fontes fracas de sustentação a baixa altura. Inspirada pela evolução do voo livre, em especial das asas delta de competição, esta classe de planadores ainda possui poucos praticantes e poucas aeronaves disponíveis. Entre os principais entraves ao seu progresso estão a falta de técnicas de pilotagem para a extração de energia destes fenômenos atmosféricos e a falta de conhecimento da estrutura de velocidades dos mesmos. Com o avanço das tecnologias de controle, os veículos aéreos não tripulados (VANTs), vem ganhando espaço, tanto em aplicações comerciais quanto no meio acadêmico. O uso destas aeronaves em pesquisa meteorológica também cresceu, mas, devido a certas limitações, especialmente legais, seu uso neste campo ainda é tímido. Entretanto, com a redução do custo e do peso de sensores e componentes eletrônicos, atualmente é possível construir sistemas de aquisição de dados relativamente pequenos, leves e com baixo consumo de energia, o que torna viável a instrumentação de pequenos VANTs elétricos lançados a mão. Estas aeronaves, muito mais acessíveis do ponto de vista econômico, poderiam ser empregadas mais facilmente para investigações meteorológicas de curto alcance, dentre as quais, a pesquisa das estruturas microlift. Este trabalho almeja ser uma introdução, no âmbito brasileiro, à utilização de aeronaves, especialmente as não tripuladas, para a pesquisa meteorológica voltada à aviação desportiva. Uma metodologia para se estimar a velocidade do vento ao longo da trajetória de uma aeronave é proposta. Usando-se os dados da instrumentação interna de uma aeronave, é possível estimar os ângulos aerodinâmicos e partir destes o vetor velocidade do vento. Uma análise do método é feita, além de um estudo da influência dos ruídos de medição na variância da estimação. O método é então testado por meio de simulações e os resultados, discutidos. Uma breve história da classe Microlift também é incluída, a fim de se contextualizar o leitor.