ANÁLISE NUMÉRICA PARA DESENVOLVIMENTO DE AEROFÓLIOS DE ALTA SUSTENTAÇÃO E BAIXO REYNOLDS UTILIZANDO MODIFICAÇÕES GEOMÉTRICAS DE PROJETO INVERSO

Abstract

In recent decades, the development of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) has been accentuated all over the world, due to the lower cost, reduced size, as well as the absence of crew. The UAV operating conditions typically involve low velocities and, consequently, low Reynolds (2 × 10^5 to 5 × 10^5 ), limiting important aspects such as payload capacity and also conferring complexities such as extensive transition zones. Currently, aircraft design is supported by Computational Fluid Dynamics (CFD), ensuring greater accuracy in predicting flow. One way to increase the payload capacity and reduce the runway length for landing and takeoff is by a higher lift coefficient. The present study proposes the development of high-lift and low-Reynolds airfoils, using as a basis the inverse design methodology by XFLR5 software and the widely used S1223 airfoil, maintaining the stall characteristics. The inverse design was performed by maximizing the pressure distribution around the airfoil, obtaining the geometry in response. The verification of the resulting aerodynamics and the gains was carried out by CFD technique, comparing through two-dimensional simulations the capabilities of the widely used Spalart-Allmaras turbulence model against the Transition SST, developed to predict different transition modes. To better represent the stall condition, three dimensional simulations were performed with a hybrid URANS/LES model combined with Transition SST. As a result, two high-lift and low-Reynolds airfoils were obtained, with average lift gains close to 10%, despite an increase in drag. It was observed that the transition significantly influences the prediction of aerodynamic coefficients, especially the drag coefficient, in addition to the three-dimensional methodology having greater capabilities for predicting the stall region and the maximum lift coefficient. It was shown that the design philosophy was successful and that the inverse design methodology combined with the CFD technique can be a powerful tool for airfoil development.

Nas últimas décadas, o desenvolvimento de Veículos Aéreos Não Tripulados - do inglês Unmanned Aerial Vehicles (UAV) - foi acentuado em todo o mundo, devido ao menor custo, tamanho reduzido, bem como a ausência de tripulação. As condições operacionais dos UAV tipicamente envolvem baixas velocidades e, consequentemente, baixo Reynolds (2×10^5 a 5×10^5 ), limitando aspectos importantes como a capacidade de carga e conferindo também complexidades como extensas zonas de transição. Atualmente, o projeto das aeronaves possui o suporte da Dinâmica dos Fluidos Compu tacional - do inglês Computational Fluid Dynamics (CFD) -, garantindo maior acurácia na predição do escoamento. Uma forma de aumentar a capacidade de carga e diminuir o comprimento de pista para pouso e decolagem é por meio de um maior coeficiente de sustentação. O presente estudo propõe o desenvolvimentos de aerofólios de alta sustentação e baixo Reynolds, utilizando como base a metodologia de projeto inverso pelo software XFLR5 e o aerofólio amplamente utilizado S1223, mantendo as características de estol. O projeto inverso foi realizado maximizando a distribuição de pressão ao redor do aerofólio, obtendo a geometria como resposta. A verificação da aerodinâmica resultante e dos ganhos foi realizada por técnica CFD, comparando por meio de simulações bidimensionais as capacidades do amplamente utilizado modelo de turbulência Spalart-Allmaras frente ao Transition SST, desenvolvido para prever diversos modos de transição. Para melhor representar a condição de estol, foram ainda realizadas simulações tridimensionais com um modelo híbrido URANS/LES aliado ao Transition SST. Como resultados, foram obtidos dois aerofólios de alta sustentação e baixo Reynolds, com ganhos médios de sustentação próximos a 10%, apesar de um aumento no arrasto. Observou-se que a transição influencia significativamente na predição dos coeficientes aerodinâmicos, em especial o coeficiente de arrasto, além da metodologia tridimensional possuir maiores capacidades para predição da região de estol e do máximo coeficiente de sustentação. Mostrou-se que a filosofia de projeto obteve êxito e que a metodologia de projeto inverso aliada à tecnica CFD pode ser uma poderosa ferramenta para desenvolvimento de aerofólios.