Este trabalho tem como proposta desenvolver um difusor aerodinâmico compacto para uma turbina eólica de pequena escala, objetivando alcançar um melhor start rotacional (menor torque de partida para rotacionar) em baixas velocidades de vento. Um difusor é uma estrutura em forma de aro envolta ao rotor da turbina eólica, sua função é amplificar a captação e aceleração do vento, explorando os efeitos aerodinâmicos das zonas de vórtices de baixa pressão na saída do difusor. O estudo concentrar-se-á na manipulação da geometria dos difusores, analisando como seu design impacta no seu comportamento aerodinâmico impacta na capacidade do difusor equacionar as zonas de alta e baixa pressão ao longo de sua estrutura, essa relação é determinante para o efeito aerodinâmico que acelera o escoamento de ar, resultando em um start rotacional em baixas velocidade de vento. O ponto de partida para este trabalho são os estudos desenvolvidos por Ohya et al. (2010) sobre difusores compactos-flangeados (compact-type brimmed diffuser) para turbinas eólicas, denominado Wind-lens Technology. Para alcançar os objetivos, esta pesquisa vai utilizar simulações por CFD com software de túnel de vento virtual e ensaios experimentais em túnel de vento físico para avaliar o comportamento dinâmico (turbina + difusor). Foram desenvolvidas dezenove geometrias a partir de uma área construtiva padronizada para o design de difusores. Desenvolveu-se também, a partir dos resultados encontrados, um MFI (microseparador de fluxo interno), que consiste em uma estrutura adicional com função de potencializar as zonas de vórtices (baixa pressão) no plano de saída do escoamento de ar dos difusores. Os resultados mostraram que a manipulação da geometria do difusor produziu resultados promissores em comparação com o modelo de referência, alcançando em algumas geometrias de difusores um melhor start rotacional. O MFI mostrou-se eficaz para potencializar as zonas de baixa pressão e melhorou o start rotacional. Ao final, definiu-se dois modelos de difusores e suas respectivas versões com MFI como as melhores opções para o start rotacional. / This work aims to develop a compact wind turbine for a turbine and a small scale, aiming at a better rotational start at low wind speeds (lower starting torque to rotate). A diffuser is a rim-shaped structure wrapped around the wind turbine rotor, its function is to amplify the wind uptake and acceleration, exploiting the aerodynamic effects of the low-pressure vortex zones at the diffuser outlet. The study will focus on the manipulation of the diffuser geometry, analyzing how its design impacts on its aerodynamic behavior, especially on the diffuser's ability to equate the high and low pressure zones along its structure, this relation is decisive for the aerodynamic effect that accelerates the air flow, resulting in a rotational start at low wind speeds. The basis for this work are studies developed by Ohya et al. (2010) on compact-flanged diffusers for wind turbines, called Wind-lens Technology. To achieve the objectives, this research will use CFD simulations with virtual wind tunnel software and experimental tests in physical wind tunnel to evaluate the dynamic behavior (turbine + diffuser). Nineteen geometries were developed from a standardized design area for the design of diffusers. An MFI (internal flow microseparator) has also been developed, which is an additional structure whose function is to potentiate the low pressure zones of the diffusers. The results showed that the manipulation of the diffuser geometry produced promising results in comparison to the reference model, reaching in some conditions superior results in RPM and initial start. The MFI proved to be effective in boosting the low pressure zones and improved the initial start. At the end, two models of diffusers and their respective versions with MFI were defined as the best options for the initial start.

La maîtrise du comportement en vol d’un projectile est, en partie, conditionnée par la connaissance des coefficients associés à chaque effort aérodynamique. Différents outils sont utilisés dans l’industrie, tels que les codes numériques aérodynamiques ou les essais en soufflerie, afin d’obtenir une première estimation des coefficients en phase d’avant-projet. Il est ensuite nécessaire de vérifier la valeur des coefficients et de valider le comportement du projectile en vol au moyen de tirs instrumentés. Un outil automatisé est donc proposé afin d’identifier les coefficients aérodynamiques d’un projectile à partir des mesures issues d’un vol. La technique d’identification est pensée pour être applicable à une gamme la plus large de projectiles. Elle introduit un problème d’optimisation non linéaire en dimension finie. La fonctionnelle du problème contient deux termes : un terme d’écart entre les paramètres d’état et les mesures, de sorte à s’approcher au mieux des mesures et à les relaxer, et un terme de pénalisation prenant en compte les équations de la mécanique du vol. L’outil proposé est testé, pour un projectile de type flèche, avec des données simulées ou avec des données issues de tirs. Il permet l’identification des coefficients aérodynamiques recherchés. L’algorithme est robuste face au bruit et permet également la reconstruction d’une trajectoire débruitée. / The control of the flight behaviour of a projectile partly depends on the knowledge of the coefficients associated with each aerodynamic loading. Different tools are used in the industry, such as numerical aerodynamic codes or wind tests in order to obtain a first estimate of the coefficients during the stage of pilot study. It is then necessary to verify the value of the coefficients and to validate the behaviour of the projectile thanks to scored fires. An automated tool is consequently proposed in order to identify the aerodynamic coefficients of a projectile from flight data. The identification technique is designed so as to be applicable to the widest range of projectiles. It presents a nonlinear optimization problem in finite dimension. The functional of the problem contains two terms : the first one is a gap between the state parameters and the measurements, in order to approach the measurements at best and to relax them, and the second one is a penalization term which takes the flight mechanics equations into account. The proposed tool is tested, for a Kinectic Energy projectile, with simulated data or real flight data. It enables the identification of the searched out aerodynamic coefficients. The algorithm is robust in a noisy environment and also enables the reconstruction of a denoised trajectory.

Geometrical parameterisation has an important role in the aircraft design process due to its impact on the computational efficiency and accuracy in evaluating different configurations. In the early design stages, an aircraft geometrical model is normally described parametrically with a small number of design parameters which allows fast computation. However, this provides only a course approximation which is generally limited to conventional configurations, where the models have already been validated. An efficient parameterisation method is therefore required to allow rapid synthesis and analysis of novel configurations. Within this context, the main objectives of this research are: 1) Develop an economical geometrical parameterisation method which captures sufficient detail suitable for aerodynamic analysis and optimisation in early design stage, and2) Close the gap between conceptual and preliminary design stages by bringing more detailed information earlier in the design process. Research efforts were initially focused on the parameterisation of two-dimensional curves by evaluating five widely-cited methods for airfoil against five desirable properties. Several metrics have been proposed to measure these properties, based on airfoil fitting tests. The comparison suggested that the Class-Shape Functions Transformation (CST) method is most suitable and therefore was chosen as the two-dimensional curve generation method. A set of blending functions have been introduced and combined with the two-dimensional curves to generate a three-dimensional surface. These surfaces form wing or body sections which are assembled together through a proposed joining algorithm. An object-oriented structure for aircraft components has also been proposed. This allows modelling of the main aircraft surfaces which contain sufficient level of accuracy while utilising a parsimonious number of intuitive design parameters.

Le tremblement est un phénomène qui touche diverses parties de l'avion, pouvant créer des problèmes de fatigue structurelle ou de confort et limiter l'enveloppe de vol. Il est par conséquent important de comprendre ce phénomène afin de mieux le prévoir. Quatre types de tremblement sont étudiés dans cette thèse, le tremblement de l'empennage horizontal, le tremblement intrados voilure, le tremblement de l'APF et le tremblement de l'extrados voilure. La première partie du mémoire détaille la physique de ces phénomènes à partir d'informations recueillies dans la littérature et de l'analyse de différentes campagnes d'essais en soufflerie. Cette partie met ainsi en évidence les caractéristiques instationnaires propres à chaque type de tremblement. La deuxième partie présente l'état de l'art sur la prévision du tremblement, permettant de montrer non seulement les défauts associés aux méthodes antérieures de modélisation mais également les avantages de l'utilisation de certains outils comme l'approche numérique pour mieux comprendre ces phénomènes. Finalement, la troisième partie présente le nouveau modèle semi-empirique basé sur les fonctions de cohérence et développé pour mieux représenter les phénomènes de tremblement étudiés. Une validation de ce modèle a été effectuée sur les différentes campagnes d'essais en soufflerie, donnant des résultats probants pour la plupart des phénomènes étudiés. / The buffeting is a phenomenon that can affect various parts of the aircraft creating problems of structural fatigue or comfort as well as limiting the flight envelope. It is hence important to understand this phenomenon in order to be able to better predict it. Four types of buffeting are studied in this thesis, the horizontal tail plane buffeting, the wing lower surface buffeting, the APF buffeting and the wing upper surface buffeting. The first part of the thesis describes the physics of these phenomena based on the information collected in the literature and analysis of different wind tunnel test campaign data. This section highlights the unsteady characteristics of each buffeting phenomenon. The second part presents the state of the art of the buffeting prediction, showing not only the difficulties associated with previous modelling methods but also the benefits of the use of certain tools such as CFD to better understand these phenomena. Finally, the third part presents the new semi-empirical model based on coherence functions and developed to better predict the different types of buffeting. A validation of this model was performed on various wind tunnel tests campaigns giving very good results for most of the analysed phenomena.

Este trabalho tem como proposta desenvolver um difusor aerodinâmico compacto para uma turbina eólica de pequena escala, objetivando alcançar um melhor start rotacional (menor torque de partida para rotacionar) em baixas velocidades de vento. Um difusor é uma estrutura em forma de aro envolta ao rotor da turbina eólica, sua função é amplificar a captação e aceleração do vento, explorando os efeitos aerodinâmicos das zonas de vórtices de baixa pressão na saída do difusor. O estudo concentrar-se-á na manipulação da geometria dos difusores, analisando como seu design impacta no seu comportamento aerodinâmico impacta na capacidade do difusor equacionar as zonas de alta e baixa pressão ao longo de sua estrutura, essa relação é determinante para o efeito aerodinâmico que acelera o escoamento de ar, resultando em um start rotacional em baixas velocidade de vento. O ponto de partida para este trabalho são os estudos desenvolvidos por Ohya et al. (2010) sobre difusores compactos-flangeados (compact-type brimmed diffuser) para turbinas eólicas, denominado Wind-lens Technology. Para alcançar os objetivos, esta pesquisa vai utilizar simulações por CFD com software de túnel de vento virtual e ensaios experimentais em túnel de vento físico para avaliar o comportamento dinâmico (turbina + difusor). Foram desenvolvidas dezenove geometrias a partir de uma área construtiva padronizada para o design de difusores. Desenvolveu-se também, a partir dos resultados encontrados, um MFI (microseparador de fluxo interno), que consiste em uma estrutura adicional com função de potencializar as zonas de vórtices (baixa pressão) no plano de saída do escoamento de ar dos difusores. Os resultados mostraram que a manipulação da geometria do difusor produziu resultados promissores em comparação com o modelo de referência, alcançando em algumas geometrias de difusores um melhor start rotacional. O MFI mostrou-se eficaz para potencializar as zonas de baixa pressão e melhorou o start rotacional. Ao final, definiu-se dois modelos de difusores e suas respectivas versões com MFI como as melhores opções para o start rotacional. / This work aims to develop a compact wind turbine for a turbine and a small scale, aiming at a better rotational start at low wind speeds (lower starting torque to rotate). A diffuser is a rim-shaped structure wrapped around the wind turbine rotor, its function is to amplify the wind uptake and acceleration, exploiting the aerodynamic effects of the low-pressure vortex zones at the diffuser outlet. The study will focus on the manipulation of the diffuser geometry, analyzing how its design impacts on its aerodynamic behavior, especially on the diffuser's ability to equate the high and low pressure zones along its structure, this relation is decisive for the aerodynamic effect that accelerates the air flow, resulting in a rotational start at low wind speeds. The basis for this work are studies developed by Ohya et al. (2010) on compact-flanged diffusers for wind turbines, called Wind-lens Technology. To achieve the objectives, this research will use CFD simulations with virtual wind tunnel software and experimental tests in physical wind tunnel to evaluate the dynamic behavior (turbine + diffuser). Nineteen geometries were developed from a standardized design area for the design of diffusers. An MFI (internal flow microseparator) has also been developed, which is an additional structure whose function is to potentiate the low pressure zones of the diffusers. The results showed that the manipulation of the diffuser geometry produced promising results in comparison to the reference model, reaching in some conditions superior results in RPM and initial start. The MFI proved to be effective in boosting the low pressure zones and improved the initial start. At the end, two models of diffusers and their respective versions with MFI were defined as the best options for the initial start.

Este trabalho tem como eixo principal a avaliação experimental de texturas para superfícies de pás com intuito de aumentar a eficiência de ventoinhas de pequeno porte em relação às ventoinhas padrão (com pás lisas), através das variáveis também investigar de forma qualitativa o potencial de diferentes topologias no efeito estético. A ênfase está na modelagem de texturas para a superfície das pás de cada ventoinha, que foram trabalhadas a fim de diminuir a quantidade de escoamento de ar necessária para o funcionamento da mesma. Para os testes feitos, foi escolhida como base a ventoinha de um Cooler, utilizada geralmente para arrefecimento do processador de computadores, que devido à pequena escala proporciona facilidade de manuseio. A análise aconteceu através dos resultados que cada superfície projetada apresentou no túnel aerodinâmico, assim permitindo avaliar a eficiência em relação à superfície lisa. Os parâmetros como a velocidade do escoamento de ar, velocidade do corpo de prova e as relações entre essas velocidades foram definidas por um método específico para este trabalho. Espera-se como resultado que o uso das texturas com a distribuição de massa adequada consiga reduzira necessidade de escoamento de ar para o funcionamento do produto, tornando o processo de rotação mais eficiente e estético. / This work has as main shaft creating textures for surfaces of blades in order to increase the efficiency of small fans over its variables. The emphasis is on modeling the surface texture of the blades of each fan to be worked in order to reduce the need to wind to start the start of movement thereof. For testing efficiency it was chosen as the basis of a cooler fan, commonly used for cooling computers, which due to the small scale provides an ease of handling. The analysis of the results that happen through each projected surface present in the wind tunnel, thus allowing to evaluate the efficiency of using these fans in different scales and in different types of blades. The parameters such as wind speed, speed of the specimen, the relationship between these speeds and loads applied to the structure of the fan were used to set a specific method for this work. It is expected a result of the use of textures to achieve proper mass distribution annular wasting energy, making the process more efficient and aesthetic rotation.

abstract: The focus of this investigation is on the development of a surrogate model of hypersonic aerodynamic forces on structures to reduce the computational effort involved in the determination of the structural response. The application is more precisely focused on uncertain structures. Then, following an uncertainty management strategy, the surrogate may exhibit an error with respect to Computational Fluid Dynamics (CFD) reference data as long as that error does not significantly affect the uncertainty band of the structural response. Moreover, this error will be treated as an epistemic uncertainty introduced in the model thereby generating an uncertain surrogate. Given this second step, the aerodynamic surrogate is limited to those exhibiting simple analytic forms with parameters that can be identified from CFD data. The first phase of the investigation focuses on the selection of an appropriate form for the surrogate for the 1-dimensional flow over a flat clamped-clamped. Following piston theory, the model search started with purely local models, linear and nonlinear of the local slope. A second set of models was considered that involve also the local displacement, curvature, and integral of displacement and an improvement was observed that can be attributed to a global effect of the pressure distribution. Various ways to involve such a global effect were next investigated eventually leading to a two-level composite model based on the sum of a local component represented as a cubic polynomial of the downwash and a global component represented by an auto-regressive moving average (ARMA) model driven nonlinearly by the local downwash. This composite model is applicable to both steady pressure distributions with the downwash equal to the slope and to unsteady cases with the downwash as partial derivative with time in addition to steady. The second part of the investigation focused on the introduction of the epistemic uncertainty in the aerodynamic surrogate and it was recognized that it could be achieved by randomizing the coefficients of the local and/or the auto-regressive components of the model. In fact, the combination of the two effects provided an applicable strategy. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Mechanical Engineering 2017

Thesis (MTech (Mechanical Engineering))--Cape Peninsula University of Technology, 2016. / This work presents the computational uid dynamics (CFD) analysis of a light road vehicle. Simulations are conducted using the lattice Boltzmann method (LBM) with the wall adapting local eddy (WALE) turbulence model. Simulations include and compare the use of a rolling road, rotating wheels, adaptive re nement as well as showing comparison with a Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) solver and the Spalart- Allmaras (SA) turbulence model. The lift coe cient of the vehicle for the most part was seen to show a much greater di erence and inconsistencies when compared to drag from the comparisons of solvers, turbulence models, re nement and the e ect of rolling road. Determining the drag of a road vehicle can be easily achieved and veri ed using multiple solvers and methods, however, the lift coe cient and its validation require a greater understanding of the vehicle ow eld as well as the solvers, turbulence models and re nement levels capable of correctly simulating the turbulent regions around a vehicle. Using the presented method, it was found that the optimisation of vehicle aerodynamics can easily be done alongside the design evolution from initial low-drag shapes to the nal detail design, ensuring aerodynamic characteristics are controlled with aesthetic change.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O controle do Ãngulo pitch à uma tÃcnica amplamente usada para controlar a resposta aerodinÃmica de um aerogerador de eixo horizontal (HAWT). Embora o controle do pitch seja encontrado quase que exclusivamente em grandes HAWTs, sua utilizaÃÃo para as pequenas nÃo pode ser desconsiderada, apesar do fato de que os meios eletrÃnicos para essa funÃÃo tendem a aumentar o custo do aerogerador. Este tipo de controle à de grande importÃncia para evitar problemas estruturais ao aerogerador, causado pelas altas velocidades do vento, ou para configurar a taxa de velocidade de ponta da turbina para seu valor de projeto. Este trabalho tem o objetivo de promover um estudo comparativo da influÃncia da variaÃÃo do Ãngulo de pitch no desempenho de um aerogerador de pequeno porte, atravÃs de uma anÃlise comparativa de dados experimentais. Uma pà de raio 1,5m com perfil aerodinÃmico NREL S809 foi projetada a partir dos conceitos baseados na teoria do momento do elemento de pà (BEM), seguindo as premissas de operaÃÃo em velocidade variÃvel, e velocidade especÃfica de projeto igual a 7. Os parÃmetros geomÃtricos de afilamento e torÃÃo foram definidos para construÃÃo da pà que foi usada na montagem de um protÃtipo experimental. O protÃtipo, juntamente com um sistema de aquisiÃÃo de dados, foram utilizados em testes de campo com o intuito de se obter dados experimentais de operaÃÃo em diferentes Ãngulos de pitch. Esses dados foram usados em uma anÃlise estatÃstica comparativa, baseada na anÃlise de variÃncia e no teste de mÃdias, para avaliaÃÃo do desempenho do aerogerador. Resultaram desta anÃlise que: em intervalos de velocidade especÃfica baixos nÃo foram observadas diferenÃas no desempenho do aerogerador; enquanto que nos intervalos de velocidade especÃfica mais prÃximos ao de projeto houve uma diferenÃa estatisticamente significativa entre mÃdias, o que significa do ponto de vista fÃsico, que a variaÃÃo no Ãngulo de pitch afeta o desempenho do aerogerador. Observou-se ainda que o coeficiente de potÃncia para operaÃÃo em Ãngulo de pitch de 30,1Â, mostrou-se maior a baixos valores de velocidade especÃfica, o que demonstra a necessidade de um mecanismo de controle de pitch para operaÃÃo a velocidades de vento e de rotaÃÃes mais baixas.

Este trabalho tem como eixo principal a avaliação experimental de texturas para superfícies de pás com intuito de aumentar a eficiência de ventoinhas de pequeno porte em relação às ventoinhas padrão (com pás lisas), através das variáveis também investigar de forma qualitativa o potencial de diferentes topologias no efeito estético. A ênfase está na modelagem de texturas para a superfície das pás de cada ventoinha, que foram trabalhadas a fim de diminuir a quantidade de escoamento de ar necessária para o funcionamento da mesma. Para os testes feitos, foi escolhida como base a ventoinha de um Cooler, utilizada geralmente para arrefecimento do processador de computadores, que devido à pequena escala proporciona facilidade de manuseio. A análise aconteceu através dos resultados que cada superfície projetada apresentou no túnel aerodinâmico, assim permitindo avaliar a eficiência em relação à superfície lisa. Os parâmetros como a velocidade do escoamento de ar, velocidade do corpo de prova e as relações entre essas velocidades foram definidas por um método específico para este trabalho. Espera-se como resultado que o uso das texturas com a distribuição de massa adequada consiga reduzira necessidade de escoamento de ar para o funcionamento do produto, tornando o processo de rotação mais eficiente e estético. / This work has as main shaft creating textures for surfaces of blades in order to increase the efficiency of small fans over its variables. The emphasis is on modeling the surface texture of the blades of each fan to be worked in order to reduce the need to wind to start the start of movement thereof. For testing efficiency it was chosen as the basis of a cooler fan, commonly used for cooling computers, which due to the small scale provides an ease of handling. The analysis of the results that happen through each projected surface present in the wind tunnel, thus allowing to evaluate the efficiency of using these fans in different scales and in different types of blades. The parameters such as wind speed, speed of the specimen, the relationship between these speeds and loads applied to the structure of the fan were used to set a specific method for this work. It is expected a result of the use of textures to achieve proper mass distribution annular wasting energy, making the process more efficient and aesthetic rotation.