Aerodinâmica de Aeronaves, Automóveis, Navios, Trens e Helicópteros

CFD++ Aplicado a Aerodinâmica Combinado com Engenharia Tradicional

A análise aerodinâmica é feita pela solução do escoamento do ar em torno de corpos sólidos ou dentro de volumes, como no caso de câmaras de combustão. É um tipo de estudo muito aplicado tanto na indústria da mobilidade quanto de construção, como exemplo: trens, automóveis, helicópteros, aeronaves, plataformas de petróleo, edificações, pontes, carros de corrida (MotorSport, StockCar, F1, Nascar, F-Indy) e sobre navios.

Aerodinâmica de Veículos com CFD++

Com a resolução do escoamento, equações de Navier-Stokes e continuidade, pode-se estimar as forças distribuídas no modelo, assim como extrair forças concentradas em superfícies ou no veículo completo como sustentação, downforce, arrasto, forças laterais e momentos nos eixos lateral e longitudinal.

Efeitos da Compressibilidade

Uma variável importante para caracterização de um escoamento é o número de Mach, que indica a relação entre a velocidade do escoamento e a velocidade do som no fluido em análise. Um número de Mach inferior a 1 significa escoamento com velocidade abaixo da velocidade do som, enquanto um número de Mach superior a 1 significa que o escoamento é super sônico.

De acordo com o regime de velocidade do escoamento, a modelagem do fluido deve ser ajustada em função dos fenômenos físicos envolvidos.

Portando, divide-se o regime de velocidade do escoamento em:

● subsônico incompressível (M<0.3)
● subsônico compressível (0.3 < M < 0.7)
● transônico (0.7 < M < 1.3)
● sônico (M = 1)
● supersônico (1 < M < 5)

● hipersônico (5 < M < 20)

Efeitos da Viscosidade

A viscosidade é uma propriedade física presente em fluidos e está relacionada à resistência em fluir. Alguns óleos e o mel são exemplos clássicos de fluidos com alta viscosidade e, por conseguinte, apresentam resistência em fluir. A água e gases, por outro lado, são fluidos pouco viscosos com grande facilidade em fluir. As propriedades viscosas de um fluido devem ser levadas em conta em sua modelagem e simulação.

No que diz respeito à modelagem do escoamento de fluidos, as forças viscosas são de grande importância e estão relacionadas às forças inerciais por meio do número de Reynolds, sendo este um parâmetro clássico para a classificação de um escoamento, juntamente com o número de Mach.

Computational Fluid Dynamics (CFD)

O método mais usado para simulação numérica em análises aerodinâmicas é o de média de Reynolds ou RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes, RANS). Cada vez mais comum está sendo a utilização de média de Reynols transitória (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes, URANS) e de simulação de grandes vórtices (Large Eddy Simulation, LES). Esses dois últimos métodos são importantes quando os efeitos transitórios ou de vórtices são determinantes para a descrição do escoamento.

Historicamente, desde os anos 70, já foram usadas ferramentas computacionais que resolviam as equações de Navier-Stokes com hipóteses mais simplificadas como potencial (irrotacional, incompressível), potencial completo (irrotacional e compressível) e Euler (rotacional, adiabático e invíscido). Essas equações frequentemente eram resolvidas de forma acoplada com um solucionador de equações de camada limite, podendo ser integral ou diferencial.

O problema clássico da solução por média de Reynolds é o de fechamento da turbulência (turbulence closure problem), que nada mais é que o aparecimento das tensões de Reynolds (seis variáveis) pela aplicação da média de Reynolds nas equações de Navier-Stokes. Mais variáveis do que equações ocorrem e o sistema não pode ser resolvido. Para solucionar isso, um modelo de turbulência é implementado para descrever as tensões de Reynolds. Como esses modelos de turbulência não são genéricos o suficiente para abranger todos os tipos de casos, há toda uma variedade de modelos, cada um apropriado para um tipo de geometria, para tipo de regime de Mach ou, então, para regimes laminar, turbulento ou de transição.

Solução do Escoamento pelo CFD++

Um solver de escoamento como o CFD++ traz várias vantagens para análise de aerodinâmica como esquemas de interpolação precisos e robustos, baixa dissipação numérica, resultados validados pelas maiores empresas aeroespaciais e possibilidade de obter resultados mais precisos com malhas mais grossas. O CFD++ foi validado por eventos aeronáuticos como AIAA Drag Prediction Workshop (DPW), AIAA High Lift Prediction Workshop (HLPW), AIAA Ice Prediction Workshop (IPW) e por eventos automotivos como o Oxford University Automotive CFD Prediction Workshop.

Grandezas Integrais da Aerodinâmica

A importância da análise de aerodinâmica cresce com o aumento da velocidade pois os coeficientes aerodinâmicos de força e de momento são proporcionais ao quadrado da velocidade relativa ao vento. Os coeficientes são uma assinatura da geometria do corpo em relação ao vento e mudam conforme o ângulo entre o eixo principal do veículo e o vetor velocidade, denominados ângulo de incidência.

Coeficiente de Sustentação:

Coeficiente de Arrasto:

Coeficientes de Momento:

Experiência e qualidade ATS

A ATS já trabalhou em projeto aerodinâmico e simulação CFD para a Akaer, Marinha do Brasil (pouso de helicópteros em navios), Vale (trens de carga com ou sem cobertura e a economia de combustível), Vogel e CIMED Stock Car (downforce e arrasto variando a distância ao solo e a asa), Brascopter AlphaOne (momentos, arrasto e sustentação), Mectron (entradas de ar de motor e asas em caças turboprop ou a jato), Desaer (desempenho aerodinâmico de aeronave turbo prop) e ITT (entrada de ar da APU do Mitsubishi Jet).

O que há além da simulação CFD?

Complementando a análise aerodinâmica de escoamento com o CFD++, a ATS utiliza o software DATCOM+ Pro para análise aerodinâmica e o software JSBSim de dinâmica de voo para cálculos estáticos e de controle de voo.

Para testes em túneis de vento, a ATS tem experiência em túneis ao redor do mundo, sendo os mais importantes no Brasil o do IAE (Institude de Aeronautica e Espaço), IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas) e da Universidade de São Paulo (EESC-USP).

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