Trabalhos de Conclusão de Curso - Engenharia Aeronáutica - São João da Boa Vista

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https://hdl.handle.net/11449/216750

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Análise do escoamento sobre um aerofólio de turbina eólica com previsão de transição laminar-turbulento
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024-03-28) Alves, Matheus Costa Serafim; Souza, Daniel Sampaio [UNESP]
O presente trabalho de conclusão de curso traz uma investigação sobre a transição do escoamento no aerofólio S809, comumente utilizado em turbinas eólicas, utilizando simulações de fluidodinâmica computacional (CFD, do inglês Computational Fluid Dynamics) para diferentes ângulos de ataque utilizando uma abordagem por média de Reynolds das equações de Navier-Stokes (RANS, do inglês Reynolds-Averaged Navier-Stokes). Para capturar a transição foi utilizado o modelo de turbulência kωSSTLM proposto por Langtry e Menter, que adiciona duas equações a serem resolvidas pelo sistema, da energia cinética turbulenta e da taxa específica de dissipação. Por meio das simulações, foi possível observar a transição do escoamento e sua influencia nos campos de pressão, velocidade e energia cinética turbulenta. Todavia, os resultados mostraram que a causa raiz da transição é uma separação laminar que ocorre no gradiente de pressão desfavorável. O baixo número de Reynolds escolhido para as simulações pode ser um dos responsáveis pela separação da camada limite, entretanto, esse comportamento não é o esperado para ângulos de ataque pequenos. Além disso, por conta do baixo número de Reynolds, não foi possível encontrar dados experimentais que comprovassem a existência da bolha de separação e sua influencia na turbulência do escoamento. Para comparar os resultados dos coeficientes aerodinâmicos, de pressão e de atrito na parede obtidos nas simulações foi utilizado o software de fonte aberta XFLR5.
Aplicação do método dos paineis e algoritmos genéticos para otimizar a aerodinâmica de aviões na competição SAE Aerodesign
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024-01-15) Marrafon, Gustavo Demarchi; Souza, Daniel Sampaio
Este trabalho explora a importância da geometria dos aerofólios no desempenho geral das aeronaves em tamanho reduzido e como eles poderiam ser otimizados utilizando algoritmos genéticos para um contexto da competição SAE Aerodesign. O estudo começa com uma revisão bibliográfica da teoria de algoritmos genéticos, sua evolução, diferentes usos que ele pode ser empregado e como o algoritmo já foi utilizado para a alteração de geometrias de aerofólios. O trabalho faz uso de um teste com um aerofólio simétrico para avaliação de seus critérios e possíveis deficiências. Assim, são utilizados os aerofólios adequados para o aerodesign para passar pela otimização e por fim são comparados, o aerofólio original com o aerofólio desenvolvido neste presente estudo, de acordo com os parâmetros previamente expostos, com o fim de promover o aperfeiçoamento do desempenho em futuras competições.
Plataforma de simulação software-in-the-loop para sistemas de controle de uma aeronave não-tripulada flexível
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024-01-08) Ribeiro, André Florentino; Castillo Zúñiga, David Fernando [UNESP]
A simulação desempenha um papel fundamental no desenvolvimento de novas aeronaves, visto que permite que testes sejam realizados em ambiente controlado e com custo reduzido quando comparado a ensaios em campo. Atualmente, é comum a criação de simuladores utilizando abordagens Software-In-The-Loop (SIL) para unificar diversos ambientes em apenas um único teste. Este trabalho apresenta uma proposta para criação de uma plataforma SIL que tem como objetivo servir de ambiente de testes para simulação de voo. A plataforma é desenvolvida por meio da criação de uma rede de comunicação entre o Simulink e o X-Plane, sendo que o Simulink é a ferramenta de solução dinâmica do modelo e o X-Plane é utilizado para observação dos estados da aeronave. A aeronave utilizada será o EOLO, um Veículo Autônomo Não Tripulado desenvolvido pelo ITA que possui alto alongamento nas asas. A flexibilidade das asas permite avaliar a influência das deformações estruturais na dinâmica de voo, e como os carregamentos aerodinâmicos são afetados pela aeroelasticidade da aeronave. O presente trabalho realiza a modelagem da dinâmica não linear 3D do EOLO utilizando modelos de aeronaves rígidas e flexíveis. A dinâmica flexível considera a influência dos modos de vibração das asas na dinâmica de voo , o que permite uma melhor análise da condição de estabilidade de aeronaves flexíveis. As derivadas relacionadas ao comportamento aeroelástico são parametrizadas em relação a forma dos modos de vibração. É tomada a hipótese que a elasticidade influencia apenas na dinâmica longitudinal, pois o principal modo estudado considera que as asas se deformam de maneira simétrica, por flexão ou torção. Por meio da comparação entre o modelo rígido e o modelo flexível, os resultados mostram que os modos de vibração das asas influenciam na estabilidade longitudinal da aeronave. Essa comparação realizada por todo o envelope de voo do EOLO como forma de avaliar a estabilidade de maneira completa. Uma vez que o modelo dinâmico é validado, é criada uma arquitetura Software-in-the-Loop (SIL) entre o Matlab/Simulink e o X-Plane para simulação da dinâmica de voo do EOLO. O X-Plane é conectado a um joystick e funciona como uma fonte de entradas para a dinâmica do EOLO, que é calculada no Matlab/Simulink. Os estados da aeronave são observados em tempo real no X-Plane, o que torna a arquitetura ideal para monitoramento e realização de testes em voo. Alguns simulações são realizadas com intuito de explorar a dinâmica do EOLO por meio de realização de manobras, e é apresentado gráficos das coordenadas da aeronave no X-Plane junto de capturas de telas que representam o cockpit observado em tempo real.
Investigação do uso de métodos estatísticos e computacionais para prever falhas em componentes aeronáuticos
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-12-11) Loreti, Luca; Oliveira, Éder Luiz [UNESP]
O presente trabalho aborda uma investigação voltada à construção de um sistema dedicado à previsão de falhas em componentes aeronáuticos, como uma solução para o desafio de otimização do estoque em operadores aéreos. A pesquisa propõe uma abordagem embasada em métodos estatísticos de machine learning e computacionais de big data. A análise teórica fundamenta-se na revisão de métodos avançados como machine learning e computação em nuvem, aplicados à manutenção preditiva. Como resultado, a pesquisa traz um framework prático do sistema, consolidando todas as tratativas que os dados devem seguir para os devidos fins. Além disto, o presente trabalho aborda extensas discussões sobre a viabilidade financeira e retorno sobre o investimento (ROI) do framework proposto. Este estudo contribui não apenas para a academia, ao agregar conhecimento ao campo da manutenção preditiva em aeronaves, mas também destaca a aplicabilidade prática e os benefícios econômicos do desenvolvimento do sistema proposto. Tanto os resultados quanto as discussões proporcionam uma base sólida para futuras implementações e pesquisas na área, promovendo avanços significativos na eficiência e segurança operacional da indústria aeronáutica.
Análise numérica do escoamento monofásico em dissipadores de calor microaletados de nanocompósito de PDMS
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-12-15) Silveira, Lucas Amadio da; Cardoso, Elaine Maria [UNESP]; Morsch Filho, Edemar [UNESP]
Compact heat exchangers associated with high-performance refrigerant fluids allow for the thermal management of aircraft electronic components that demand high operating power, such as location and direction avionics, due to the high heat dissipation rate in confined volumes. In the current work, a numerical study was proposed on single-phase flow in micro-pin fin compact heat sinks, aiming to analyze the heat transfer coefficient and pressure drop using a conventional fluid (water) and two different materials for the heat exchanger. The first material uses pure polydimethylsiloxane (PDMS), and the second uses PDMS with boron nitride nanoparticles with a concentration, in mass, of 20% in its composition. Different arrangements of micro-pin fins were considered — aligned and staggered — both with diamond-shaped fins. PDMS is a low-cost, transparent, and versatile material that allows the incorporation of materials with high thermal properties (for increasing the composite conductivity). Another characteristic of PDMS is its ability to mold to a specific surface, thereby increasing the physical contact between the heat exchanger and the device to be cooled. The numerical study was developed using the ANSYS Fluent R2 software, and the numerically obtained results were compared with experimental data, showing satisfactory agreement with them. Furthermore, it was shown that adding boron nitride nanoparticles to the PDMS matrix can increase the polymeric matrix's thermal conductivity, improving heat transfer and reducing the surface temperature. Likewise, micro-pin fins in a staggered arrangement have better thermo-hydraulic performance than the aligned arrangement.
Electromagnetic analysis and optimization of a coaxial horn antenna operating at millimetre wave frequencies
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-12-15) Simionato, Elígia; Penchel, Rafael Abrantes [UNESP]
This undergraduate thesis is contextualized by the recent expansion of mobile communication systems towards operation at millimetre wave frequencies. This expansion, proposed as a means to provide greater spectrum availability and support multiple current and emerging use cases, has encouraged research into the development of antennas and devices capable of overcoming the challenges of operating at extremely high frequencies. One of the proposed antennas capable of providing the sought-after wideband behaviour and omnidirectional high-gain characteristic is the dual-reflector antenna fed by a coaxial horn. This work aims to conduct electromagnetic analyses and optimizations of a coaxial horn operating in the Ka band (26 GHz to 40 GHz), a portion of the spectrum being allocated worldwide for future international mobile telecommunications. Ultimately, this work will evaluate the design of two coaxial horn models: the standard coaxial horn, serving as a practical prototype of the device previously presented in the literature, utilizing the same dimensions but incorporating essential elements to enable its fabrication without compromising performance; and the shaped coaxial horn, an optimized version aiming for a broader bandwidth and a more uniform radiation pattern. This work will also report the fabrication of the standard coaxial horn through additive manufacturing, and its characterization, from which measurements revealed a relative impedance bandwidth of 79% and a peak realizable gain of 11.53 dBi.
Análise regulatória sobre veículos aéreos não-tripulados com aplicação para agricultura: presente e futuro
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-12-14) Bellato, Mateus Moretti; Abreu, Leandra Isabel de [UNESP]
Com o advento tecnológico trazido pela virada do século XXI, a agricultura – historicamente um dos grandes drivers de riqueza das nações–foi revolucionada por uma nova e mais produtiva fase: a digitalização dos campos e uso de ferramentas no estado-da-arte. Dentre estas ferramentas, que vieram para Tevolucionar os métodos de produção agrícolas e fazer frente à já obsolescente frota de aeronaves agrícolas (muitas delas com projetos criados na primeira metade do século XX), destacam-se os Veículos Aéreos Não-Tripulados (VANTs). Mediante uma gama infinita de aplicações, que parte do georreferenciamento à aplicação dedefensivos em lavouras, os VANTs rapidamente ganharam os holofotes e, tão logo foram desenvolvidos, passaram a ser partes indissociáveis da chamada Agricultura 4.0. Entretanto,por conta da natureza de seu funcionamento e potencial deimpacto sobre o espaço e sociedade, seria necessário que todo um arcabouço regulatório fosse desenvolvido para delimitar sua operação,no intuito de garantir que apenas os efeitos benéficos à sociedade fossem sentidos. Neste contexto, o presente trabalho visa entender a evolução destes mecanismos e arcabouços regulatórios em diferentes espaços temporais e geográficos, bem como traçar um panorama sobre os aspectos que delimitam a aplicação destas tecnologias na atualidade.
Proposta de um modelo multicritério para seleção de aeronaves eVTOL considerando o problema do desenvolvimento da mobilidade na Grande São Paulo
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-12-12) Pardo, João Otávio; Calache, Lucas Daniel Del Rosso [UNESP]; Brito, Crystopher Cardoso de [UNESP]
A procura de métodos de transporte sustentáveis surge como um tema importante, impulsionado por evidências que mostram o impacto resultante da utilização em grande escala de veículos movidos a combustíveis fósseis nas alterações climáticas. Esta inquietação transcende o setor automotivo, estendendo-se ao mercado aeronáutico, que evidencia um interesse crescente no desenvolvimento de aeronaves com baixas emissões de gases poluentes. O foco central recai sobre aeronaves movidas a bateria, especialmente os eVTOLs (sigla em inglês para Electric Vertical Take-Off and Land), uma tecnologia inovadora com potencial para revolucionar a mobilidade urbana de maneira sustentável em grandes centros urbanos. A existência de diversos projetos em andamento de aeronaves eVTOLs indicam uma tendência promissora para o mercado futuro de aeronaves. Deste modo, o estudo das tecnologias que este novo conceito envolve é algo altamente desejável, a fim de fornecer fontes alternativas para a locomoção em grandes metrópoles que diminuam a poluição. O presente estudo possui como principal objetivo analisar e compreender os conceitos e características dos eVTOLs, bem como identificar as características essenciais para sua integração eficiente em metrópoles. Além disso, o trabalho visa propor um modelo de avaliação e seleção da melhor aeronave eVTOL, dentre os variados projetos existentes, para o táxi aéreo na grande São Paulo com base no processo de decisão multicritério e em métodos de análise multicritério Analytic Hierarchy Process (AHP) e Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS). Os resultados indicam que a região da Grande São Paulo se apresenta como uma área propícia para a implementação de eVTOLs como táxis aéreos, enquanto as análises multicritério demonstram uma aplicação coerente dessas técnicas na tomada de decisões, resultando na seleção precisa da aeronave mais adequada às necessidades identificadas. Este estudo contribui, assim, para o avanço de alternativas de locomoção que minimizem a poluição em ambientes urbanos.
Análise do comportamento aeroelástico de uma seção típica considerando aerodinâmica não estacionária e não linear com vistas à previsão de grandes deslocamentos
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-12-13) Silva, Giovanne Sooma Assunção; Sousa, Vagner Candido de [UNESP]
O atual Trabalho de Conclusão de Curso teve como objetivo a implementação do modelo de Beddoes- Leishman em um código que previamente utilizava um modelo de aerodinâmica linear. Ambos os códigos foram escritos no software comercial MATLAB. Foi feita uma breve revisão sobre os conceitos de aeroelasticidade e estol dinâmico, de maneira a elucidar as características contempladas pelo modelo aerodinâmico. Após isso, o modelo de Beddoes-Leishman foi apresentado de maneira extensiva, assim como o modelo utilizado para as ligas de memória de forma. Para solução dos sistemas de equação foi utilizado método de Runge-Kutta de 4a Ordem. Para validação dos resultados obtidos, comparou-se a resposta do modelo para aerodinâmica linear e não-linear, após isso foram simuladas respostas do sistema para casos lineares e molas com liga de memória de forma, e por fim foram feitas simulações com aerodinâmica não linear e molas com liga de memória de forma. Os resultados obtidos demonstraram as diferenças esperadas na utilização de modelos lineares e não lineares, principalmente após a velocidade crítica de flutter, onde para modelos lineares há um crescimento constante das amplitudes, para os casos não lineares ocorre o surgimento de oscilações ciclo-limite. Também foi possível notar os efeitos que a utilização de pré-cargas nas molas tem na resposta geral do sistema, ao utilizar pré-cargas maiores os efeitos pseudo-elásticos aparecem mais rapidamente do que em casos com uma pré-carga menor.
Projeto de uma bancada didática para experimentos de vibração
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-11-24) Franco, Lygia Graboschii Whittaker; Sartorato, Murilo [UNESP]
No curso de engenharia aeronáutica da Faculdade de São João da Boa Vista – UNESP/FESJ, o sistema massa-mola-amortecedor é um recurso mecânico utilizado desde o terceiro semestre, pois permite o estudo sobre modelagem e vibrações, conceitos que são amplamente utilizados, com diferentes abordagens nas disciplinas específicas. Objetivou-se projetar a estrutura de um sistema massa-mola-amortecedor de três graus de liberdade customizável e de baixo custo para proporcionar aos discentes do câmpus um contato prático com esta ferramenta. A metodologia consistiu na seleção de molas oriundas de um catálogo de uma loja especializada, através da simulação de suas constantes elásticas no software ANSYS. Posteriormente, fez-se um estudo através de um código elaborado em MATLAB para verificar qual o peso mínimo e máximo permitido das massas, tendo como parâmetro uma restrição adotada nas frequências naturais do sistema. Fez-se uma simulação para comparar as frequências naturais obtidas pelo código em MATLAB e pela simulação em ANSYS. Por fim, foi elaborado um suporte para o sistema. Os resultados mostraram que as frequências naturais obtidas pelo código em MATLAB ficaram 21.09% mais baixas que as obtidas pela simulação tridimensional em ANSYS. Um protótipo foi construído, porém ainda há necessidade de fazer a instrumentação, bem como colocar um sistema de aplicação de força para que possa ser utilizado nas aulas práticas.
Análise da eficiência aerodinâmica em veículos espaciais: aplicação de métodos semi-empíricos e CFD no estudo de geometrias clássicas e alternativas
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-11-24) Boni, Gabrieli Istauro; Pagani Júnior, Carlos do Carmo [UNESP]; Villas Bôas, Danton José Fortes
Este trabalho de conclusão de curso tem como objetivo explorar a capacidade dos métodos semi-empíricos e da análise fluidodinâmica computacional (CFD) na obtenção dos coeficientes aerodinâ micos de uma geometria clássica de veículo espacial para número de Mach entre 0,8 e 1,2. Para a análise semi-empírica foram utilizados os programas Missile Datcom e AeroLAB, para a análise CFD foi utilizado o programa ANSYS Fluent em sua versão acadêmica. Diferentes geometrias de coifa como parabólica, LV-Hack e LD-Hack também foram abordadas e a sua eficiência em diminuir a produção de arrasto foi estudada para o mesmo regime de voo da geometria clássica. Os métodos semi-empiricos e a análise CFD apresentaram boas estimativas dos coeficientes aerodinâmicos e mostraram serem relevantes na fase de pré-projeto de veículos espaciais, uma vez que o custo de uso dessas tecnologias é inferior a ensaios em túnel de vento. Observou-se também que a eficiência aerodinâmica das coifas dependia do regime de voo em que atuavam, característica que também é relevante na fase de pré-projeto de veículos espaciais.

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