Análise de escoamento em aerofólio sob condições próximas ao estol: uma metodologia prática para identificação e caracterização da bolha de separação laminar

Abstract

Esta dissertação foca no estudo de bolhas de separação laminar (LSB) e seu impacto no desempenho aerodinâmico, especialmente em baixos números de Reynolds, utilizando como caso de estudo o escoamento ao redor do aerofólio Eppler 387. As LSB são fenômenos críticos que ocorrem em aerofólios, turbinas e superfícies sustentadoras, limitando a eficiência aerodinâmica e afetando a controlabilidade de veículos aéreos sob condições próximas ao estol. Fenômenos como a separação da camada limite, transição laminar-turbulenta e desprendimento de vórtices estão intrinsecamente ligados ao estudo das LSB. Neste trabalho, foram realizadas simulações numéricas no OpenFOAM, complementadas pelo modelo Spalart-Allmaras e pelo uso do software XFLR5, no intuito de caracterizar as LSB sob diferentes condições de escoamento. A pesquisa se concentrou na visualização e análise de bolhas de separação curtas e longas em diferentes números de Reynolds, visando entender seu comportamento e implicações na estabilidade e controlabilidade aeronáutica. Especificamente, foi investigada a formação de uma LSB curta (Re = 6 × 104), com separação em 0, 0788c e reconexão em 0, 208c, e de uma bolha longa (Re = 4, 5 × 104), com separação em 0, 1293c e reconexão em 0, 634c (em termos da corda do aerofólio, c). Ademais, foram comparadas as distribuições de pressão ao longo da superfície do aerofólio em regime permanente, tanto para escoamento laminar quanto turbulento. Os resultados incluem o cálculo da streamline de separação e da linha que une pontos de inflexão, revelando que o cruzamento destas implica em instabilidade global e o fenômeno de bursting da bolha. Esta descoberta é fundamental para entender a transição de uma bolha de separação laminar curta para uma mais longa, um aspecto crucial na predição e controle do estol. A pesquisa contribui significativamente para a compreensão prática e concisa das características das LSB, permitindo a otimização de metodologias para prevenir perdas abruptas de sustentação de modo a minimizar potenciais riscos de acidentes aéreos. Destarte, este estudo oferece novos insights e estratégias para melhorar a eficiência aerodinâmica e a segurança na aviação.

This dissertation focuses on the study of Laminar Separation Bubbles (LSB) and their impact on aerodynamic performance, especially at low Reynolds numbers, using the flow around the Eppler 387 airfoil as a case study. LSBs are critical phenomena that occur in airfoils, turbines, and lifting surfaces, limiting aerodynamic efficiency and affecting the controllability of aircraft under nearstall conditions. Phenomena such as boundary layer separation, laminar-turbulent transition, and vortex shedding are intricately linked to the study of LSBs. In this work, numerical simulations were conducted using OpenFOAM, complemented by the Spalart-Allmaras model and the use of XFLR5 software, aiming to characterize LSBs under different flow conditions. The research focused on visualizing and analyzing both short and long separation bubbles at various Reynolds numbers, aiming to understand their behavior and implications for aircraft stability and controllability. Specifically, the formation of a short LSB (Re = 6× 104), with separation at 0.078c and reattachment at 0.208c, and a long bubble (Re = 4.5×104), with separation at 0.1293c and reattachment at 0.634c (in terms of the airfoil chord, c), was investigated. Furthermore, pressure distributions along the airfoil surface in steady flow were compared for both laminar and turbulent flow conditions. The results include the calculation of the separation streamline and the line connecting inflection points, revealing that their intersection implies global instability and the bursting phenomenon of the bubble. This discovery is pivotal for understanding the transition from a short laminar separation bubble to a longer one, a crucial aspect in stall prediction and control. The research significantly contributes to the practical and concise understanding of LSB characteristics, enabling the optimization of methodologies to prevent abrupt losses of lift and minimize potential risks of aircraft accidents. Consequently, this study offers new insights and strategies for improving aerodynamic efficiency and safety in aviation.