Simulação numérica de um aerofólio com oscilação vertical em regime transônico

Trabalho de Conclusão de Curso (graduação)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018.O estudo e compreensão de fenômenos aerodinâmicos podem ser realizados, por exemplo, através de métodos experimentais ou simulações computacionais. Neste contexto o presente trabalho objetiva a utilização de métodos numéricos, especificamente, o método da fronteia imersa, para simular e compreender os fenômenos aerodinâmicos envolvidos na oscilação forçada de um aerofólio em regime transônico. Será utilizado o código numérico VAT - Virtual Aeroacoustic Tunnel, desenvolvido pelo Laboratório de Aeroacústica Computacional - CAALAb, localizado na Universidade de Brasília. Este código numérico utiliza o método da fronteira imersa (moving imersed boundary) e um processo de marcha temporal utilizando um método explícito de Runge-Kutta de terceira ordem. Este código permite a simulação de escoamentos em regime subsônico, transônico ou supersônico e também, utiliza um método de visualização do campo de temperaturas. A fronteira imersa, aerofólio, tem o deslocamento imposto por uma função periódica senoidal, implementado no VAT. Ainda, foram implementadas rotinas de cálculo dos coeficientes aerodinâmicos de pressão, sustentação, arrasto e momento. A utilização dos resultados para os coeficientes aerodinâmicos aliado a visualização do escoamento constitui uma poderosa e confiável ferramenta de pesquisa. Ainda, foi utilizado um aerofólio NACA 0012 para verificar a implementação da oscilação vertical e para as demais simulações foi utilizado um aerofólio transônico OAT15A. As simulações numéricas realizadas são baseadas nas equações de Euler, ou seja, invíscidas. Foi utilizado um fator de escorregamento que tem por objetivo representar parte dos efeitos viscosos em um escoamento. A calibração deste parâmetro foi realizada pela comparação da curva de Cp gerada pelo VAT e dados experimentais. Foi observado que este parâmetro apresenta uma alta sensibilidade e pequenas modificações em seus valores gerarão resultados distintos. A amplitude de oscilação e frequência foram os principais fatores utilizados como variáveis nas simulações. A campanha de simulação para variação da amplitude de oscilação mostrou que a combinação de baixas amplitude e frequências, geram poucos efeitos associados a oscilação no escoamento. A campanha de simulação para frequências mostrou que a variação deste parâmetro está associada a escoamentos com altos níveis energéticos. Por fim, não foram observadas formações de vórtices no bordo de ataque, bem como presença de estol dinâmico.The study and understanding of aerodynamic phenomena can be performed, for example, through experimental methods or computational simulations. In this context, this work aims to use numerical methods, more especifically the immersed boundary method, to simulate and understand aerodynamic phenomena involved in the forced oscillation on an airfoil in a transonic flow. The numerical code VAT - Virtural Aeroacoustic Tunnel, developed by the Laboratory of Computational Aeroacoustics - CAALAb, in Universidade de Brasília, is used. This numerical code uses the immersed boundary method and a process of temporary gait utilizing an explicit method of Runge-Kutta of third order. This code allows the simulation of flows in subsonic, transonic and supersonic systems and also uses a method for the visualization of temperature fields. The immersed boundary, airfoil, has its displacement imposed by a periodic sinusoidal function, implemented on VAT. Calcullation routines of the pressure, lift, drag and moment aerodynamic coefficients were also implemented. The use of the results of the aerodynamic coefficients combined with the visualization of the flow constitutes a powerful and reliable research tool. A NACA 0012 airfoil was used to verify the plunging implementation and for the other simulations an OAT15A transonic airfoil was used. The numerical simulations undertaken are based on the Euler’s equation, which means they are invulnerable. A slip factor was used to represent part of the viscous effects in a flow. The calibration of this parameter was performed by comparing the Cp curve generated by the VAT and experimental data. It was observed that this parameter presents a high sensitivity and small modifications in its values will generate different results. The amplitude of oscillation and frequency were the main factors used as variables in the simulations. The simulation campaign to vary the oscillation amplitude showed that the combination of low amplitude and frequencies, generate few effects associated with oscillation in the flow. The simulation campaign for frequencies showed that the variation of this parameter is associated with flows with high energy levels. Finally, no vortex formations were observed at the leading edge, as well as presence of dynamic stall