Este estudo apresenta uma análise sobre o estudo de calibração da balança aerodinâmica do Túnel Aerodinâmico número 2, pertencente à Divisão de Aerodinâmica do Instituto de Aeronáutica e Espaço, IAE/ALA/TA-2. Trata-se de uma balança externa com seis componentes que permite instalação de diferentes conjuntos de transdutores de força, de acordo com os requisitos do ensaio. Balanças multi-componentes são utilizadas em túneis de vento para medição de esforços aerodinâmicos dos modelos ensaiados. A balança é calibrada anteriormente a uma campanha de ensaios e como resultado é fornecida uma matriz de calibração. O processo de calibração consiste na aplicação de cargas conhecidas na balança e na leitura dos sinais fornecidos por transdutores de força instalados na base da balança. As cargas são aplicadas no local onde o modelo a ser ensaiado será fixado. A modelagem matemática da calibração é multicomponente e relaciona as grandezas de saída (os mensurandos), que são forças e momentos aerodinâmicos, às grandezas de entrada, que são as leituras dos transdutores. Ajuste de curva utilizando o método de mínimos quadrados é aplicado aos dados experimentais considerando a modelagem matemática adotada. Diferentes valores de incerteza foram atribuídos aos mensurandos: incerteza igual a 1, desvio padrão do ajuste, desvio padrão experimental e desvio padrão da média. A redução de dados fornece, além da matriz de calibração, a incerteza dos valores estimados e a qualidade do ajuste de curva. A avaliação de incerteza segue a padronização internacional adotada pelos países da Convenção do Metro, da qual o Brasil é um Estado-Membro. Um conjunto de dados de um histórico com oito calibrações da balança provenientes de diferentes campanhas realizadas entre 2005 e 2010 foi selecionado para ser estatisticamente analisado. O objetivo específico desta análise é caracterizar o comportamento metrológico da balança no tempo. O modelo matemático adotado para representar o comportamento da balança foi a média ponderada. Para comparar os dados experimentais originados nas oito diferentes calibrações, foi utilizada uma versão adimensionalizada da matriz de calibração. A adimensionalização da balança é obtida a partir da conversão dos valores dos sinais elétricos dos transdutores em valores de força utilizando informações declaradas nos certificados de calibração dos transdutores. Um código computacional foi elaborado para tornar possível o armazenamento sistematizado de dados de calibração e a redução de dados. Com a inclusão de informação de novas calibrações na base de dados, espera-se que no futuro seja obtida a deriva do instrumento no tempo. Como resultado, são apresentados os parâmetros e incertezas associadas que representam o comportamento da balança no tempo e verificou-se que o desvio padrão experimental resultou em melhor qualidade de ajuste.

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.

Esta dissertação aborda o desenvolvimento de um método numérico para a análise de forças e momentos aerodinâmicos em turbinas eólicas fixas e flutuantes no domínio do tempo, utilizando a teoria da quantidade de movimento do elemento de pá (Blade Element Momentum Theory, BEMT) em C++. As pás são divididas em segmentos menores, onde a influência da turbina no fluxo é realizada através do cálculo de fatores de indução. Cada segmento é considerado como um aerofólio bidimensional, sendo possível estimar forças e momentos através de coeficientes para asas infinitas. A teoria da quantidade de movimento do elemento de pá, embora conceitualmente simples, é usualmente empregada com algumas correções em suas equações para se ajustar aos resultados experimentais. A inclusão de turbinas flutuantes é realizada através do movimento de corpo rígido da plataforma, que tem um impacto direto no cálculo aerodinâmico. Por não ser o objetivo deste trabalho, as equações de movimento são calculadas através de uma fonte externa e posteriormente colocadas como dado de entrada do código, simplificando assim a análise e excluindo uma fonte potencial de erro na verificação. O caso de estudo é a turbina do projeto Offshore Code Comparison Collaboration Continuation (OC4), a qual é analisada como uma turbina fixa e flutuante, utilizando uma plataforma semi-submersível. Os resultados das forças e momentos aerodinâmicos do software FAST do Laboratório Nacional de Energias Renováveis (National Renewable Energy Laboratory, NREL) são comparados ao código desenvolvido, mostrando excelente concordância para todos os casos analisados. / This dissertation addresses the development of a numerical method for the analysis of aerodynamic forces and moments of fixed and floating wind turbines in time domain, using the Blade Element Moment Theory (BEMT) written in C++. The blades are divided into smaller segments, where the influence of the turbine in the flow is performed through the calculation of induction factors. Each segment is considered as a two-dimensional airfoil, and it is possible to estimate forces and moments through coefficients for infinite wings. The Blade Element Moment Theory, though conceptually simple, is usually employed with some corrections in its equations to fit experimental results. The inclusion of floating turbines is performed through the rigid body motion of the platform, which has a direct impact on the aerodynamic calculation. Since it is not the objective of this work, the equations of movement are calculated through an external source and then placed as input data of the code, thus simplifying analysis and excluding a potential source of error in verification. The case of study is the turbine of the Offshore Code Comparison Collaboration Continuation (OC4) project, which is analyzed either as a fixed or a floating turbine, using a semi-submersible platform. The results of aerodynamic forces and moments from FAST software of the National Renewable Energy Laboratory (NREL) are compared to the developed code, showing excellent agreement for all cases analyzed.

Desenvolvem-se no Laboratório de Aerotermodinâmica e Hipersônica, Prof. Henry T. Nagamatsu, do Instituto de Estudos Avançados (IEAv) experimentos que envolvem a aplicação do conceito de compressão supersônica aplicável à máquinas de fluxo. Esta máquina, denominada compressor supersônico, é formada por um disco rotor envolvido por um invólucro fixo que gira em velocidades supersônicas relativas ao fluido de trabalho e possui em suas extremidades rampas de compressão que funcionam como difusores. O processo de compressão assemelha-se ao conhecido em um estato-reator. Sua configuração simples e rendimento elevado são características marcantes que fazem com que esta seja uma tecnologia de compressão mais eficiente do que as existentes atualmente. Para verificar a possibilidade de utilização desta nova tecnologia, este trabalho faz uma investigação experimental a respeito do campo de pressão que envolve um modelo de teste semelhante à rampa de compressão do compressor supersônico. Um túnel de choque hipersônico é a principal ferramenta laboratorial utilizada para a análise deste trabalho.

This dissertation presents a detailed analysis of a typical section model with three degrees of freedom. This is a classic model used for the study of basic aerodynamic and aeroelastic phenomena. The equations of motion are derived and discussed. The equations for the aerodynamic loads induced by arbitrary motion of the typical section and by arbitrary shaped wind gusts are derived. These equations are converted into a state-space formulation by replacing the nonlinear Wagner and Küssner functions by rational function approximations, that are Laplace transformable. The equations of motion, the aerodynamic loads and the gust loads equations and the Dryden model for stochastic wind gusts, all of these in the state-space form, are joined in a unified state-space model. This model is then used to perform simulations to evaluate the dynamic response and stability of the typical section. A control structure is presented, along with procedures for calculating the gains for this control structure by minimizing three different performance indices: linear quadratic, time weighted linear quadratic and H-infinity-norm. An angle of attack tracker is designed using these performance indices and its response to control input and gust disturbances is presented and discussed.

Este trabalho apresenta um sistema para a geração, captura e processamento de imagens de escoamentos hidrodinâmicos ao redor de corpos rígidos, visando a determinação quantitativa e qualitativa de suas propriedades. Para a geração das imagens, construiu-se um túnel hidrodinâmico vertical de baixa turbulência, operado pela ação da gravidade, no interior do qual escoamentos ao redor de diferentes modelos podem ser obtidos. Para a visualização dos escoamentos, optou-se pelo emprego da técnica de injeção de corantes líquidos, através de longas agulhas hipodérmicas instaladas a montante do modelo ensaiado. As imagens assim geradas foram capturadas em película química fotossensível ou em fita magnética, conforme o tipo de ensaio realizado. Informações qualitativas sobre diferentes tipos de escoamentos externos foram obtidas mediante a análise de imagens estáticas, permitindo identificar a estrutura do escoamento em função do número de Reynolds. Medidas do comprimento da região de recirculação e das distâncias entre vórtices em uma esteira turbilhonária a jusante de um cilindro circular foram, também, realizadas, por meio da interpretação de imagens estáticas processadas digitalmente. Dados quantitativos dos escoamentos estudados foram obtidos por contagem de fotogramas, cuja identificação é obtida por meio de uma nova técnica de geração do código de tempo por superposição de imagens - denominada SITC (Superimposed Image Time Coding) - desenvolvida no âmbito deste trabalho. Mais especificamente, este método foi utilizado na análise do escoamento ao redor de quatro diferentes geometrias - perfil cilíndrico (Re<590), quadrado (Re<1200), elíptico de razão de raios de 0,6 (Re<4000) e retangular de razão de aspecto de 1/16 (Re<1500), para os quais foram determinados os número de Strouhal em função do número de Reynolds. Este método foi empregado, ainda, na obtenção da velocidade de propagação de vórtices na esteira de von Kármán produzida por um cilindro circular. Sempre que possível, os resultados obtidos foram confrontados com dados de outros autores - obtidos numericamente ou por diferentes métodos experimentais - revelando boa concordância. Esta constatação, além de assegurar a validade dos resultados apresentados no contexto deste trabalho, comprova o valor da visualização como ferramenta de análise qualitativa e quantitativa de escoamentos.

Este trabalho consiste na simulação de escoamentos aerodinâmicos sobre configurações tipo foguete, para os casos de um corpo isolado e de uma geometria multicorpo, utilizando as equações de Navier-Stokes com média de Reynolds, com aproximação de camada fina. Estas equações são implementadas em diferenças finitas, utilizando o algoritmo implícito de fatorização aproximada de Beam e Warming. O fenômeno de turbulência é modelado com o modelo algébrico de viscosidade de vórtice, de duas camadas, de Baldwin e Lomax. Os resultados obtidos são comparados com dados experimentais e a concordância é muito boa. Contornos de pressão e densidade são também apresentados para se comprovar a validade física da simulação. Finalmente, apresentam-se conclusões e idéias para trabalhos futuros.

Uma teoria aeroacústica é estudada e aplicada em aerodinâmica. O objetivo é experimentá-la na determinação do efeito de proximidade de paredes de túneis de vento na distribuição de pressão sobre modelos ensaiados. O método consiste em resolver as equações de conservação da massa e da qualidade de movimento para escoamento incompressível reescritas com o uso da técnica de funções generalizadas. Estas equações são combinadas e assumem a forma da versão incompressível da equação de Ffowes Williams & Hawkings. Os termos componentes desta equação básica da teoria aeroacústica são estudados, e a equação diferencial é transformada numa forma integral com o uso da técnica da função de Green. Os integrandos resultantes são simplificados dentro do contexto de escoamento invíscido, bidimensional, regime permanente, pequenas perturbações e condições não-sustentadoras. São usadas Técnicas de integração eficientes para interpretar e calcular as integrais singulares resultantes. Os resultados obtidos indicam que a abordagem aeroacústica apresenta-se como uma opção eficiente para cálculo do campo de pressões de um escoamento interno simples. A aplicação deste método a problemas mais complexos deverá incluir termos de campo desprezados nesta pesquisa.

O principal objetivo desta tese é desenvolver métodos analíticos e computacionais para obter os parâmetro de estado do ar em equilíbrio num estado energético elevado. São utilzados os procedimentos da mecânica estatística e as constantes espectroscópicas dos átomos e moléculas envolvidos. Os resultados são aplicados em escoamentos quimicamente reagentes no ar em equilíbrio, considerando efeitos de altas temperaturas, através de ondas de choque normais e oblíquas e bocais quasi-unidimensionais. As técnicas desenvolvidas são de grande importância para a aerodinâmica hipersônica e permitem estudos de outros gases, abrindo-se um campo maior de aplicações onde sejam primordiais o conhecimento das propriedades termodinâmicas e da composição química no equilíbrio a temperaturas elevadas (caso da combustão e da propulsão aeroespacial)

Neste trabalho investiga-se a trajetória ascendente de veículos lançadores de satélites até uma órbita alvo pré-fixada. Esta trajetória consiste de fases tracionadas e balísticas. Os controles são determinados de maneira que a massa satelizável seja máxima. O modelo tridimensional inclui a rotação da atmosfera com a Terra, o arrasto do veículo, a limitação da sustentação e a variação da propulsão com a altitude. Este problema de otimização é formulado como um problema de valor de contorno em dois pontos (Two Point Boundary Value Problem - &quot;TPBVP&quot;), que surge da aplicação da teoria de controle ótimo. O problema foi resolvido pelo método indireto dos múltiplos tiros, utilizando-se o algoritmo numérico BNDSCO. Os resultados obtidos utilizando-se uma trajetória bidimensional foram comparados com dados obtidos na literatura através de métodos subótimos de busca direta. As massas satelizáveis alcançadas para várias altitudes foram sempre superiores às encontras na literaturta.