Investigação numérica de aerofólios bio-Inspirados nas nadadeiras peitorais da Baleia Jubarte via dinâmica dos fluidos computacional

Abstract

Os conceitos relacionados ao escoamento de fluidos se fazem presentes nas mais diversas áreas do conhecimento, como na produção de energia e nas engenharias aeronáutica e espacial. Todavia, não existem soluções analíticas para os enunciados matemáticos que descrevem a física desses problemas. É fundamental, portanto, promover o estudo de técnicas computacionais de modo a colaborar com o desenvolvimento de novas tecnologias nesse ramo da ciência. Nesse cenário, o presente trabalho buscou avaliar o desempenho de aerofólios mimeticamente modificados a partir da implementação de métodos de dinâmica dos fluidos computacional, através do software livre OpenFOAM. Assim, se avaliaram cinco aerofólios do ponto de vista da sustentação aerodinâmica, sendo quatro deles bio-inspirados nas nadadeiras peitorais da Baleia Jubarte. Foram simuladas três condições de escoamento também estudadas em trabalhos experimentais anteriores, isto é,8º de ângulo de ataque para os números de Reynolds iguais a 1400 e 1900, e 2º de ângulo de ataque para 1900Reynolds. A malha empregada foi submetida à nálise de sensibilidade e, também, atendeu aos critérios de y+ do modelo de turbulência k-ω SST. Nas condições simuladas, não foram obtidas evidências numéricas favoráveis à utilização dos aerofólios 4M, 8S e 8M. Entretanto, para 1900 Reynolds e 2º de inclinação a geometria 4S apresentou coeficiente de sustentação 15,6% maior que o perfil baseline. A metodologia computacional foi validada por comparações numérico-experimentais, atribuindo bom grau de confiabilidade aos resultados obtidos.

The concepts related to fluid flow are present in the most diverse areas of knowledge, such as energy production and aeronautical and space engineering. However, there are no analytical solutions for the mathematical statements that describe the physics of these problems. Therefore, it is important to study computational techniques in order to collaborate with the development of new technologies in this field of science. In this scenario, the present work aimed to evaluate the performance of mimetically modified airfoils from the implementation of computational fluid dynamics methods, through the open source software OpenFOAM. Thus, four airfoils bio-inspired on the Humpback Whale fins were evaluated from the aerodynamic lift point of view. Three flow conditions were simulated: 8º of attack angle for Reynolds number equal to 1400 and 1900, and 2º of attack angle for 1900 Reynolds. The generated mesh met the sensitivity analysis and the k-ω SST turbulence model criteria. No numerical evidence were obtained in favor of the 4M, 8S and 8M airfoils. However, for 1900 Reynolds and 2º of inclination, the 4S geometry presented a lift coefficient 15.6% higher than the baseline profile. The computational methodology was validated by numerical and experimental comparisons, giving good and reliable results.