Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2011

Orientador: Vicente Lopes Junior / Resumo: A busca por aeronaves capazes de modificar sua geometria melhorando suas características aerodinâmicas incentivou diversos autores a sugerirem modelos de asas adaptativas. Tais modelos utilizam atuadores leves de modo a substituir os atuadores clássicos convencionais sem, no entanto, comprometer a e ciência de voo da aeronave. Dentre os materiais utilizados para isto se destacam as ligas de memória de forma (Ni-Ti), que são capazes de converter energia térmica em energia mecânica e, uma vez deformadas, podem retornar a sua condição original de forma através de seu aquecimento. Neste contexto, o presente trabalho objetiva controlar a posição angular de um aerofólio utilizando para isto um par de os de liga de memória de forma. No modelo de asa proposto, deseja-se estabelecer uma forma para o per l aerodinâmico a partir da determinação de um ângulo entre duas seções da asa. Este ângulo é atingido pelo efeito de memória de forma da liga através da passagem de uma corrente elétrica. A função da corrente elétrica é alterar a temperatura dos atuadores através do efeito Joule, modificando a forma da liga. Devido à presença de efeitos não-lineares, principalmente no modelo matemático da liga, propõe-se a aplicação de controladores não-lineares do tipo liga-desliga. / Doutor

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

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

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Na prática corrente do projeto de torres de aço treliçadas utilizadas para suportar linhas de transmissão de energia elétrica, a avaliação do comportamento dinâmico das estruturas, de maneira geral, não é considerada. Contudo, o principal carregamento a ser considerado na análise estrutural das torres de transmissão de energia elétrica é produzido pelo vento, que atua de forma dinâmica sobre o sistema estrutural formado pelos cabos e pelas torres. Além disso, muitas estruturas desse tipo apresentam características dinâmicas desfavoráveis, o que as tornam mais vulneráveis a ação do vento.Tendo em vista que muitos acidentes envolvendo torres desse tipo ocorrem ainda que a velocidade de vento utilizada no projeto não tenha sido atingida, é possível que em muitos casos o colapso tenha sido governado pelas ações dinâmicas. Assim sendo, esse estudo tem por objetivo a utilização de uma metodologia de analise estrutural que possibilite uma avaliação mais completa acerca do comportamento das torres de transmissão de energia, considerando, obviamente, as características dinâmicas do sistema. Este trabalho de pesquisa utiliza um modelo de elementos finitos capaz de reproduzir com fidelidade o comportamento acoplado entre os cabos da linha de transmissão e estrutura quando submetidos aos carregamentos dinâmicos e não determinísticos produzidos pelo vento. O modelo tridimensional estudado é constituído por elementos finitos de pórtico e treliça espacial e considera o efeito de não-linearidade geométrica decorrente, principalmente, dos grandes deslocamentos sofridos pelos cabos e isoladores. O carregamento do vento é modelado como um processo aleatório a partir das suas propriedades estatísticas. Os resultados obtidos ao longo desse estudo mostram que a parcela dinâmica da resposta das estruturas pode ser determinante no seu comportamento. Nesse caso, a utilização de uma análise estrutural estática pode resultar no mau dimensionamento das torres e, conseqüentemente, em possíveis acidentes. / In the current design process of steel latticed towers used to support electrical transmission lines, the structures dynamic behaviour is not considered. However, the main loading to be taken into account in the electrical transmission line towers structural analysis is produced by the wind, which acts dynamically over the structural system composed by towers and cables. In addition, its not uncommon for slender towers to present disadvantageous dynamic properties, making them vulnerable to the wind action. Considering that many accidents associated to this kind of structure occur even for wind velocities below that specified in the design process, its possible that most of these accidents have been produced by dynamic actions. Therefore, this study aims to develop a structural analysis method that allows for a more accurate evaluation of the electrical transmission towers behaviour, considering its intrinsic dynamic effects. This study proposed the use of a finite element model that can accurately simulate the coupled behaviour between the transmission line cables and the suspension structures when subjected to the dynamic random loading produced by the wind. The proposed three-dimensional model is composed by beam and truss spatial finite elements and accounts for the geometric non-linearity effects produced by the large displacements associated to the line cables and insulators. The wind loading is modelled as a random process based on its statistical properties. Results obtained throughout this study have indicated that the dynamic response can be very meaningful for the system structural behaviour. In this case, the use of a static structural analysis can lead to a non-trustable design of the towers and, consequently, to potential structural failures.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Na prática corrente do projeto de torres de aço treliçadas utilizadas para suportar linhas de transmissão de energia elétrica, a avaliação do comportamento dinâmico das estruturas, de maneira geral, não é considerada. Contudo, o principal carregamento a ser considerado na análise estrutural das torres de transmissão de energia elétrica é produzido pelo vento, que atua de forma dinâmica sobre o sistema estrutural formado pelos cabos e pelas torres. Além disso, muitas estruturas desse tipo apresentam características dinâmicas desfavoráveis, o que as tornam mais vulneráveis a ação do vento.Tendo em vista que muitos acidentes envolvendo torres desse tipo ocorrem ainda que a velocidade de vento utilizada no projeto não tenha sido atingida, é possível que em muitos casos o colapso tenha sido governado pelas ações dinâmicas. Assim sendo, esse estudo tem por objetivo a utilização de uma metodologia de analise estrutural que possibilite uma avaliação mais completa acerca do comportamento das torres de transmissão de energia, considerando, obviamente, as características dinâmicas do sistema. Este trabalho de pesquisa utiliza um modelo de elementos finitos capaz de reproduzir com fidelidade o comportamento acoplado entre os cabos da linha de transmissão e estrutura quando submetidos aos carregamentos dinâmicos e não determinísticos produzidos pelo vento. O modelo tridimensional estudado é constituído por elementos finitos de pórtico e treliça espacial e considera o efeito de não-linearidade geométrica decorrente, principalmente, dos grandes deslocamentos sofridos pelos cabos e isoladores. O carregamento do vento é modelado como um processo aleatório a partir das suas propriedades estatísticas. Os resultados obtidos ao longo desse estudo mostram que a parcela dinâmica da resposta das estruturas pode ser determinante no seu comportamento. Nesse caso, a utilização de uma análise estrutural estática pode resultar no mau dimensionamento das torres e, conseqüentemente, em possíveis acidentes. / In the current design process of steel latticed towers used to support electrical transmission lines, the structures dynamic behaviour is not considered. However, the main loading to be taken into account in the electrical transmission line towers structural analysis is produced by the wind, which acts dynamically over the structural system composed by towers and cables. In addition, its not uncommon for slender towers to present disadvantageous dynamic properties, making them vulnerable to the wind action. Considering that many accidents associated to this kind of structure occur even for wind velocities below that specified in the design process, its possible that most of these accidents have been produced by dynamic actions. Therefore, this study aims to develop a structural analysis method that allows for a more accurate evaluation of the electrical transmission towers behaviour, considering its intrinsic dynamic effects. This study proposed the use of a finite element model that can accurately simulate the coupled behaviour between the transmission line cables and the suspension structures when subjected to the dynamic random loading produced by the wind. The proposed three-dimensional model is composed by beam and truss spatial finite elements and accounts for the geometric non-linearity effects produced by the large displacements associated to the line cables and insulators. The wind loading is modelled as a random process based on its statistical properties. Results obtained throughout this study have indicated that the dynamic response can be very meaningful for the system structural behaviour. In this case, the use of a static structural analysis can lead to a non-trustable design of the towers and, consequently, to potential structural failures.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-10-16T18:57:36Z No. of bitstreams: 1 HELEN LIRA HENRIQUES TORRES - DISSERTAÇÃO PPGEA 2003..pdf: 11290763 bytes, checksum: 200e011460ce948739e83b910908e71b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-16T18:57:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HELEN LIRA HENRIQUES TORRES - DISSERTAÇÃO PPGEA 2003..pdf: 11290763 bytes, checksum: 200e011460ce948739e83b910908e71b (MD5) Previous issue date: 2003-09-15 / O presente trabalho teve como objetivos: 1) determinar as características físicas (tamanho, forma, volume, massa especifica, porosidade, esfericidade e área projetada) dos grãos de feijão variedade "carioquinha", milho variedade "pé-de-boi" e soja variedade "Foscarini" e 2) determinar os parâmetros aerodinâmicos: velocidade terminal, coeficiente de arraste e efeito de parede dos grãos quando submetidos à queda em coluna vertical de secção cilíndrica com diâmetros de 20, 30, 40, 50 e 60 mm e também de secção quadrada com lados de iguais dimensões. Para determinação das características físicas foram utilizados os métodos descritos por MOHSENIN (1978) e para determinação dos parâmetros aerodinâmicos foi construído um equipamento composto por ventilador de ciclo contínuo, com potência de 1 hp; 3.600 rpm e um terminal para substituição das colunas de queda verticais, todas com lm de altura em que a velocidade terminal era medida com o auxílio de um anemómetro. Diante dos resultados obtidos pode-se concluir que: a) nenhuma das equações citadas na literatura oferece boa aproximação aos dados experimentais da velocidade terminal obtidas para feijão e milho; b) a equação citada por Mohsenin oferece uma boa aproximação dos dados experimentais de velocidade terminal para soja; c) a equação dada por Massarani é a que mais se aproxima dos valores experimentais de feijão e milho, mas reduz muito as diferenças relativas entre as velocidades dos diferentes tipos de grãos e por isto seu uso é inadequado para fins de seleção e demais fases de processamento que solicitem precisão; d) a velocidade terminal em queda livre foi conseguida apenas na coluna de secção quadrada de 60 mm de diâmetro para feijão e soja; e) para os parâmetros estudados não se pode afirmar que tenha se obtido velocidade terminal do milho em queda livre sendo evidenciado o efeito de parede, inclusive para a determinação da velocidade terminal na coluna de secção quadrada de 60 mm; f) entre todas as colunas testadas, para todos o tamanhos e tipos de grãos, obteve-se maior velocidade terminal com a colima de secção quadrada; g) existe uma tendência à estabilização do coeficiente de arraste de todos os produtos a partir da dimensão de 50 mm, principalmente na secção quadrada e mais particularmente para a soja; h) apenas para soja obteve-se coeficiente de arraste (0,42) típico do regime de Newton, muito próximo do Cu para esfera (0,44) nessa região de transporte; i) o grão de milho, quando submetido a fluxo de ar em colunas cuja relação P (Dp /Dc) > 0,3520, muda sua orientação, passando a adotar uma posição cuja menor área projetada permanece perpendicular à direção do fluxo; j) para se obter a velocidade terminal em queda livre de produtos com fator de esfericidade na faixa estudada (0,60 a 0,9) o valor de P deve ser menor do que 0,1173; k) as cartas existentes na literatura para o cálculo do coeficiente de arraste feito com base nas características físicas, atribuem coeficientes de arraste típicos da região transiente com alguns deles na região de Stokes. Porém, tem-se para esses produtos valores de velocidades bem superiores a lm s"; 1) as equações e cartas existentes na literatura para expressar o transporte de partículas não são adequadas ao estudo de transporte e seleção de grãos. / The present work had as objectives: 1) to determine the physical characteristics (size, form, volume, density, porosity, sphericity and projected area) of the grains of bean variety "carioquinha", corn variety "pe-de-boi" and soybean variety "Foscarini" and 2) to determine the aerodynamic parameters: terminal speed, drag coefficient and effect of wall of the grains submitted to the fall in vertical column of cylindrical section with diameter of 20, 30, 40, 50 and 60 mm and also of square section with sides of same dimensions. For determination of the physical characteristics the methods described by MOHSENIN (1978) were used and for determination of the aerodynamic parameters an equipment was built composed by fan of continuous cycle, motor with 1 hp of potency;. 3600 rpm and a terminal for substitution of the vertical fall columns, all with 1m of height, where the terminal speed was measured with an anemometer. According the results obtained it was concluded that: a) none of the equations mentioned in the literature offers good approach to the experimental data of the terminal speed obtained for bean and com; b) the equation mentioned by Mohsenin offers a good approach of the experimental data of terminal speed for soybean; c) the equation given by Massarani is the one that more approaches of the experimental values of bean and corn, but it reduces the relative differences among the speeds of the different types of grains and for this reason to use it is inadequate for selection finality and other processing phases that request precision; d) the terminal speed in free fall was obtained in the column of square section of 60 mm of diameter for bean and soybean; e) for the studied parameters it cannot affirm that the terminal speed of the corn in free fall was reached, being evidenced the wall effect, including for the determination of the terminal speed in the column of square section of 60 mm; f) among all the tested columns, for all the sizes and types of grains, it was obtained larger terminal speed with the column of square section; g) there is a stabilization tendency of the drag coefficient of all the products starting from the dimensions of 50 mm, mainly in the square section and more particularly for the soybean; h) only for soybean it was obtained drag coefficient (0.42) typical of Newton's regime, very close of die Cn for sphere (0.44) in that transport area; i) the corn grain, when submitted to flow of air in columns whose relationship (Dp/Dc) > 0.3520, it changes your orientation, starting to adopt a position whose smaller projected area remains perpendicular to the direction of the flow; j) to obtain the terminal speed in fall free from products with spherecity factor in the studied range (0.60 to 0.90) the (3 value it should be smaller than 0.1173; k) the diagrams in the literature for the calculation of the drag coefficient done base on the physical characteristics, attribute coefficients typical of die transient region, some of them in the Stokes' region. However, for those products there are values very superior to 1 m s"'; 1) the equations and existent diagrams in the literature, to express the transport of particles are not appropriate to the transport and selection of grains studies.