Simulações CFD bidimensional de aerofólio em movimento de pitching utilizando referencial não inercial

O estol dinâmico é um fenômeno aerodinâmico que ocorre em aplicações como turbinas eólicas e rotores de helicópteros, submetidos à variação temporal do ângulo de ataque, podendo provocar elevados carregamentos aerodinâmicos que levam a falha estrutural. Este trabalho tem como objetivo implementar um modelo de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) bidimensional, implementado em referencial não inercial no software OpenFOAM, para simular o estol dinâmico de um aerofólio NACA 0012 submetido a movimentos de pitching do tipo rampa. Os resultados obtidos foram comparados com as previsões do modelo semiempírico de Beddoes-Leishman, implementado em MATLAB, com o objetivo de verificar a capacidade da abordagem numérica em reproduzir os principais mecanismos físicos associados ao fenômeno. Os resultados mostraram que o modelo CFD foi capaz de reproduzir adequadamente a evolução do processo de estol, uma vez que a evolução da curva do coeficiente de força normal em função do ângulo de ataque seguiu, de forma geral, as tendências previstas pelo modelo semiempírico de Beddoes-Leishman. A introdução gradual do movimento de arfagem proporcionou soluções mais estáveis e previsões mais próximas da referência, enquanto a aplicação brusca da velocidade angular desde o início da simulação promoveu a desestabilização do escoamento. Demonstrou-se que a condição de contorno adotada foi eficaz para mitigar os efeitos de instabilidades numéricas na maior parte dos casos analisados, permitindo a obtenção de previsões coerentes com o comportamento esperado do fenômeno. Entretanto, para taxas mais elevadas de variação do ângulo de ataque, ela não foi suficiente, resultando no aumento das perturbações observadas no escoamento. Portanto, o modelo em CFD foi capaz de reproduzir adequadamente os principais fenômenos associados ao estol dinâmico, exceto o comportamento oscilatório dos coeficientes aerodinâmicos, que aparenta estar relacionado a erros da solução utilizada como condição inicial da simulação.

Resumo (inglês)

Dynamic stall is an unsteady aerodynamic phenomenon that occurs in applications such as wind turbines and helicopter rotors subjected to time-varying angles of attack, potentially generating high aerodynamic loads that may lead to structural failure. This work aims to implement a two-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) model in a non-inertial reference frame using the OpenFOAM software to simulate the dynamic stall of a NACA 0012 airfoil undergoing ramp-type pitching motions. The obtained results were compared with the predictions of the semiempirical Beddoes-Leishman model implemented in MATLAB in order to assess the capability of the numerical approach to reproduce the main physical mechanisms associated with the phenomenon. The results showed that the CFD model was able to adequately reproduce the evolution of the stall process, since the evolution of the normal force coefficient as a function of the angle of attack generally followed the trends predicted by the semiempirical Beddoes-Leishman model. The gradual introduction of the pitching motion provided more stable solutions and predictions that were closer to the reference model, whereas the abrupt application of angular velocity from the beginning of the simulation promoted flow destabilization. It was demonstrated that the adopted boundary condition was effective in mitigating the effects of numerical instabilities in most of the analyzed cases, allowing predictions consistent with the expected behavior of the phenomenon to be obtained. However, for higher rates of angle-of-attack variation, it proved insufficient, resulting in increased flow disturbances. Therefore, the CFD model was capable of adequately reproducing the main phenomena associated with dynamic stall, except for the oscillatory behavior of the aerodynamic coefficients, which appears to be related to errors in the solution adopted as the initial condition for the simulation.

Palavras-chave

Aerodinâmica , Fluidodinâmica computacional , MATLAB (Programa de computador) , Navier-Stokes, Equações de

Idioma

Português

Citação

DOTTA, Leticia de Souza. Simulações CFD bidimensional de aerofólio em movimento de pitching utilizando referencial não inercial. 2026. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Aeronáutica) – Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho", São João da Boa Vista, 2026.