Numerical solution of the Euler equations for representation of transonic flows over airfoils

O estudo de métodos de modelagem de escoamentos aerodinâmicos em regime transônico é de grande importância para a engenharia aeronáutica. O maior desafio no tratamento desses escoamentos está na sua característica não linear devido aos efeitos de compressibilidade e formação de ondas de choque. Tais efeitos não lineares influenciam no desempenho de superfícies aerodinâmicas em geral, bem como são responsáveis pelo aparecimento de fenômenos danosos para a resposta aeroelástica de aeronaves. O equacionamento para esses tipos de escoamentos pode ser obtido via as equações básicas da mecânica dos fluidos. No entanto, apenas soluções numéricas de tais equações são possíveis de ser obtidas de forma prática no presente momento. Para o caso específico do tratamento de problemas transônicos, as equações de Euler formam um conjunto de equações diferenciais a derivadas parciais capazes de capturar os efeitos não lineares de escoamentos compressíveis, porém os efeitos da viscosidade não são levados em consideração. O objetivo desse trabalho é implementar uma rotina computacional capaz de resolver numericamente escoamentos em regime transônico em torno de aerofólios. Para isso as equações de Euler não lineares são utilizadas e o campo de fluido ao redor de um perfil aerodinâmico é discretizado pelo método das diferenças finitas. Uma malha estruturada do tipo C discretizando o fluido ao redor de um aerofólio NACA0012 é considerada. A metodologia para solução numérica é baseada no método explícito de MacCormack de segunda ordem de precisão no tempo e espaço. Baseados na aproximação upwind, termos de dissipação artificial com coeficientes não lineares também são adicionados ao método. A solução do escoamento transônico estacionário ao redor do aerofólio NACA0012 é obtida e as principais propriedades do escoamento são apresentadas. Observa-se a formação de ondas de choque através de contornos de número de Mach ao redor do aerofólio. Gráficos das distribuições de pressão no intra e extradorso do aerofólio são mostrados, onde se identificam aos efeitos da brusca variação de pressão devido as ondas de choque. Os resultados são validados com valores de distribuição de pressão para o mesmo aerofólio encontradas na literatura técnica. Os resultados obtidos combinam bem com os fornecidos em códigos computacionais para solução do mesmo problema aerodinâmicoThe study of aerodynamic modeling methods for the transonic flow regime is of great importance in aeronautical engineering. Major challenge on the treatment of those flows is on their nonlinear features due to compressibility effects and shock waves (appearance). Such nonlinear effects present a strong influence on aerodynamic performance, as well as they are responsible for harmful aeroelastic response phenomena in aircraft. Equations for transonic flows can be obtained from the basic fluid mechanic equations. However, only numerical methods are able to attain practical solutions for those set of differential equations at the present moment. For the specific case of treating transonic flow problems, the nonlinear Euler equations provide a set of partial differential equations with features to capture nonlinear effects of typical compressible flows, despite of not accounting for viscous flows effects. The aim of this work is to implement a computational routine for the numerical solution of transonic flows around airfoils. The Euler equations are used and the flow field around a aerodynamic profile is discretized by finite difference method. A C-type structured mesh is used to discretize the flow around a NACA0012 airfoil. The methodology for numerical solution is based on the explicit MacCormack method which has second order accuracy in time and space. Based on the upwind approximation, artificial dissipation with nonlinear coefficients is incorporated to the method. The steady transonic flow around the NACA0012 airfoil numerical solution is assessed and the main flow properties are presented. Shock wave structure can also be observed by means of the Mach number contours around the airfoil. Pressure distributions on upper and lower surfaces for different flow conditions are also shown, thereby allowing the observation of the effects of the abrupt pressure change due to shock waves. The results are validated using data presented in the technical literature. The present code solutions agree well with the solution obtained in other computational codes used for the same proble