A Análise De Arrasto Induzido E Geração De Energia Cinética Turbulenta Em Asas Com E Sem Winglet

ANÁLISE DE ARRASTO INDUZIDO E GERAÇÃO DE ENERGIA CINÉTICA TURBULENTA EM ASAS COM E SEM WINGLET

Gabriel Martins Grandi Teixeira

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Especialização em Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD)

Resumo

O objetivo deste trabalho de pesquisa é reduzir o arrasto induzido pela sustentação gerada devido aos vórtices da ponta da asa na ponta da asa e avaliar a energia cinética turbulenta (TKE) em pontos específicos da asa. Serão demonstrados dois modelos de aeronave, um possuindo asas com winglet e outro sem, ângulo de ataque igual para os dois casos (10 graus).  A asa e o L-winglet são usados ​​para a análise computacional. A velocidade de entrada de 100 m/s com condições adiabáticas. Os resultados obtidos mostram que as asas que possuem winglet geram um menor TKE que consequentemente geram menor arrasto proporcionando uma economia de combustível, fator essencial para o balanço das companhias aéreas. Um fator a ser salientado neste artigo é a limitação computacional devido à licença do ANSYS Workbench ser estudantil.

Palavras-chave: CFD. Winglet. TKE. Drag. Lift. Arrasto. Sustentação.

Introdução

        O principal objetivo de qualquer winglet é aumentar a eficácia aerodinâmica da aeronave, diminuindo o desenvolvimento do arrasto induzido pela sustentação nas pontas das asas. O termo winglet foi usado anteriormente para descrever uma superfície de elevação adicional em uma aeronave. O conceito de winglet foi introduzido pela primeira vez por F.W. Lancaster, um britânico em 1800, que propôs a ideia de que a superfície vertical nas pontas das asas poderia reduzir os vórtices nas pontas, mas infelizmente não parecia ser eficiente, pois o arrasto introduzido pelas novas superfícies superavam os benefícios que ela trazia. No entanto, no final da década de 1970, Whitcomb, um brilhante engenheiro da NASA, desenvolveu uma pesquisa inovadora sobre winglet demonstrando que se o fluxo interno acima da asa e o fluxo externo abaixo da asa forem controlados com pontas de asa verticais projetadas adequadamente, isso pode reduzir a energia do vórtice e reduzir o arrasto induzido. Whitcomb e sua equipe elaboraram um projeto fundamental para melhorar a eficiência aerodinâmica das asas e, assim, reduzir o consumo de combustível e aumentar o alcance operacional das aeronaves.

Winglets podem ser de vários tipos, mas sua função principal é reduzir o arrasto da aeronave pela recuperação parcial da energia do vórtice de ponta. Dispositivos de ponta de asa também podem melhorar as características de navegabilidade da aeronave e aumentar a segurança. Os vórtices de ponta são formados devido aos desequilíbrios de pressão entre o lado de pressão superior e o lado de pressão inferior, que é obrigatório para uma asa gerar sustentação. No entanto, isso faz com que as linhas de corrente se enrolem, o que leva à formação de um vórtice, que interrompe o campo de fluxo e induz um componente de velocidade na direção descendente, chamado downwash. Este downwash faz com que o ângulo de ataque relativo diminua. O vetor de sustentação é inclinado para trás e uma componente de força na direção do arrasto aparece, chamada de arrasto induzido.

A maioria das aeronaves comerciais de longo alcance possuem winglets para diminuir o arrasto induzido para economizar mais combustível, esse recurso também pode ser encontrado no pássaro. O presente estudo será validado utilizando o FLUENT, objeto utilizado durante toda a formação deste curso.

Metodologia

As etapas computacionais neste projeto consistem em quatro etapas: geometria, geração da malha, setup (condições de contorno) e análise dos resultados. Devido à limitação computacional e complexidade do caso, a geometria da aeronave foi retirada da comunidade Grabcad e editada para atender o caso proposto.

Na geometria foi criado um Enclosure de 120 x 45 x 32 metros, uma geometria interna que será o Body of Influence de 103 x 16 x 14 metros, para avaliar melhor os efeitos estudados, e definido o ângulo de ataque em 10 graus.

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Figura 1 – Geometria

        Ainda na fase de preparação da geometria, foram adicionadas as Named Selections para as respectivas faces e estruturas. A inlet e outlet:

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Figura 2 – Inlet e Outlet

        A condição de simetria (symmetry) que irá reduzir o esforço computacional e as demais: above, under e sampling que serão usadas como condição de parede. Airplane, como sugere o nome, foi atribuído à estrutura do avião.

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Figura 3 – Symmetry

Na geração de malha, iniciamos importando a geometria do SpaceClaim e logo em seguida adicionando um Local Sizing no retângulo interno para Body of Influence com Target Mesh Size de 0,5 m, como mencionado, isso será realizado para capturarmos melhor os efeitos estudados neste artigo. Uma tentativa de adicionar Inflation na asa não foi possível devido à limitação do número de células da versão estudantil do ANSYS Workbench. A malha de superfície foi gerada com sem alterar as recomendações padrão do Fluent Meshing. Em seguida, a geometria foi descrita consistindo somente de regiões fluidas com “no voids”. Foi adicionada uma Boundary Layer (Smooth Transition) com número de camadas igual a 3 e mantido o restante conforme padrão do Fluent Meshing. Para finalizar o Volume Mesh selecionado foi o Poly-Hexcore, mais indicado para situações envolvendo estudos aerodinâmicos. A malha gerada ficou conforme imagem abaixo: