PROJETO DE PERFISPROJETO DE PERFISPROJETO DE PERFISPROJETO DE PERFISSimples e MultiSimples e MultiSimples e MultiSimples e Multi----elementoelementoelementoelemento

Francisco Francisco PalazzoPalazzo Neto: Neto: fpalazzonfpalazzon@@yahooyahoo.com..com.brbrGilberto Becker: Gilberto Becker: gilbertobeckergilbertobecker@@yahooyahoo.com..com.brbr

SumSumááriorio

� Projeto mono-elemento

�Motivação

�Competição SAE Aerodesign

�Fundamentos da Análise

�XFoil

�Exemplo de projeto

� Projeto Multi-elemento

� Outras Ferramentas

MotivaMotivaççãoão

North American PNorth American P--51 Mustang51 Mustang

• Usou-se perfis laminares inéditos – Projeto secreto da NACA (NASA).

• Responsável por quase metade dos aviões alemães abatidos na Segunda Guerra Mundial.

• GANHO DE DESEMPENHO!!!

MotivaMotivaççãoão

VoughtVought FF--8A Crusader8A Crusader

• Surgimento dos Perfis supercriticos.

• Minimização do arrasto de onda do escoamento transônico.

•GANHO DE DESEMPENHO!!!

CompetiCompetiçção SAEão SAE AerodesignAerodesign

PORQUE O PERFIL SELIG 1223 ?PORQUE O PERFIL SELIG 1223 ?

Quando,em que regra, e para que Asa/Avião o Quando,em que regra, e para que Asa/Avião o SeligSelig 1223 foi projetado ?1223 foi projetado ?

SeligSelig 12231223

•• 2002 2002 –– A A áárea projetada não rea projetada não éé mais limitada.mais limitada.

-- Quais são os impactos?Quais são os impactos?

-- Novas AnNovas Anáálises de projeto. lises de projeto.

-- Visão multidisciplinar.Visão multidisciplinar.

QUAIS SÃO OS REQUISITOS QUAIS SÃO OS REQUISITOS ATUAIS DE PROJETO ?ATUAIS DE PROJETO ?

Exemplos anterioresExemplos anteriores

-- Possibilidades de melhorias:Possibilidades de melhorias:

SeligSelig 12231223 ATAT-- A2004A2004

AerodinâmicasAerodinâmicas EstruturaisEstruturais

Polar de Arrasto do PerfilPolar de Arrasto do Perfil

Fundamentos da AnFundamentos da Anááliselise

VARIÁVEIS OBSERVADAS• Arqueamento máx %c• Posição do arqueamento máx %c• Espessura máx %c• Posição da espessura máx %c• Raio de Bordo de Ataque• Gap do Bordo de Fuga

CONCEITUAIS•Bordo de ataque•Bordo de fuga•Corda•Linha Média •Extradorso•Intradorso

Fundamentos da AnFundamentos da Anááliselise

Influência do No de ReynoldsInfluência do No de Reynolds

Re =1.54, Laminar Flow, Steady, No Fore/Aft SymmetryRe =1.54, Laminar Flow, Steady, No Fore/Aft Symmetry

Influência do No de ReynoldsInfluência do No de Reynolds

Re =26, Laminar Flow, Steady, Separated FlowRe =26, Laminar Flow, Steady, Separated Flow

Influência do No de ReynoldsInfluência do No de Reynolds

Re =140, Unsteady Transitional Flow, Re =140, Unsteady Transitional Flow, KarmanKarman Vortex StreetVortex Street

Influência do No de ReynoldsInfluência do No de Reynolds

Re =2000, Unsteady, Turbulent FlowRe =2000, Unsteady, Turbulent Flow

Influência do No de ReynoldsInfluência do No de Reynolds

Re =10000, Unsteady, Turbulent FlowRe =10000, Unsteady, Turbulent Flow

O CO Cóódigo XFOILdigo XFOIL

�XFOIL:

��Utiliza o mUtiliza o méétodo dos paintodo dos painééis comis com vorticidadevorticidade linear linear (escoamento (escoamento invinvííscidoscido) )

��CorreCorreçção de compressibilidade de ão de compressibilidade de KKáármrmáánn--TsienTsien. .

��A camada viscosa A camada viscosa éé representada por duas representada por duas equaequaçções integrais superpostas ao escoamento ões integrais superpostas ao escoamento potencial. potencial.

��Todas as equaTodas as equaçções de camada limite, de transiões de camada limite, de transiçção e ão e de escoamento de escoamento invinvííscidoscido são solucionadas por um são solucionadas por um mméétodo numtodo numéérico global derico global de NewtonNewton..

O CO Cóódigo XFOILdigo XFOIL

�� MMÓÓDULOS DO XFOIL DULOS DO XFOIL

1 1 -- OPER :OPER : AnAnááliselise

2 2 -- GDES:GDES: Projeto GeomProjeto Geoméétricotrico –– MMéétodo Diretotodo Direto

3 3 -- MDES:MDES: Curva de PressãoCurva de Pressão –– MMéétodo Inversotodo Inverso

4 4 -- QDES:QDES: Curva de VelocidadeCurva de Velocidade –– MMéétodo Inversotodo Inverso

MMóódulo de Andulo de Anáálise: OPERlise: OPER

-- EXEMPLOS DE APLICAEXEMPLOS DE APLICAÇÇÃOÃO

Curva Curva ClCl x x αα

Polar de ArrastoPolar de Arrasto

Camada LimiteCamada Limite

IdentificaIdentificaçção das regiões que originam o arrastoão das regiões que originam o arrasto

CurvaCurva Cp Cp x x CordaCorda (Intradorso e (Intradorso e ExtradorsoExtradorso))

Vetores de PressãoVetores de Pressão

SUBSUB--MMÓÓDULO VPLO: Camada LimiteDULO VPLO: Camada Limite

MMóódulo de Projeto Direto: GDESdulo de Projeto Direto: GDES

MODIFICAMODIFICAÇÇÃO DIRETA DE VÃO DIRETA DE VÁÁRIOS PARÂMETROSRIOS PARÂMETROS::

•• ArqueamentoArqueamento mmááxx %c%c

•• PosiPosiçção do arqueamentoão do arqueamento mmááxx %c%c

•• EspessuraEspessura mmááxx %c%c

•• PosiPosiçção da espessuraão da espessura mmááxx %c%c

•• Raio de Bordo de AtaqueRaio de Bordo de Ataque

•• GapGap do Bordo de Fuga do Bordo de Fuga (melhoria da convergência num(melhoria da convergência numéérica)rica)

•• ModificaModificaçção via cursor: ão via cursor:

Contorno, L. Arqueamento, L. EspessuraContorno, L. Arqueamento, L. Espessura

•• ETCETC

MMóódulo GDESdulo GDES

MMóódulos de Projeto Inverso: dulos de Projeto Inverso: MDESMDES e QDESe QDES

Projeto InversoProjeto Inverso

•• AtravAtravéés de modificas de modificaçções da curva de pressão o perfilões da curva de pressão o perfil

éé redesenhado pelo software.redesenhado pelo software.

-- ModificaModificaçções diretas (ões diretas (modimodi))

-- Suavizar o escoamento local (Suavizar o escoamento local (smoothsmooth))

-- Observar ângulo de ataque de anObservar ângulo de ataque de anááliselise

-- CCáálculos inversos do XFOIL lculos inversos do XFOIL despresamdespresam a viscosidadea viscosidade

-- Necessidade de verificaNecessidade de verificaçção no mão no móódulo OPERdulo OPER

MMóódulos dulos MDESMDES e QDESe QDES

Dica: SubDica: Sub--MMóódulo VPLOdulo VPLO

IdentificaIdentificaçção das regiõesão das regiões

que dão origem ao arrasto!que dão origem ao arrasto!

XFOIL: LISTA DE DISCUSSÃOXFOIL: LISTA DE DISCUSSÃO

�� Sugestão da listaSugestão da lista: : PROJETO ITERATIVOPROJETO ITERATIVO

•• UtilizaUtiliza--se tse téécnicas de projeto DIRETO e INVERSOcnicas de projeto DIRETO e INVERSO

alternadamentealternadamente

•• Na lista oficial de discussão sobre o cNa lista oficial de discussão sobre o cóódigo jdigo jáá se falouse falou

em 200 horas de projeto para o perfil de um planadorem 200 horas de projeto para o perfil de um planador

�� xfoilxfoil@@yahoogroupsyahoogroups.com .com -- mais de 2000 participantesmais de 2000 participantes

MarkMark DrellaDrella (MIT) participa ativamente das discussões.(MIT) participa ativamente das discussões.

2004 Conceptual Design

A. D. – Wing Airfoil Design

VAoAVAoA Wing and StructuralWing and Structural

Requirements:Requirements:

Performance RequirementsPerformance Requirements

Aerodynamic RequirementsAerodynamic Requirements

-- Low CLow CDD at low at low AoAAoA

-- Low CLow CD D andand Low CLow CM M

-- High IxxHigh Ixx. . IyyIyy andand JJ

--Solutions: Solutions: -- High SHigh SWW andand Low CLow CLL

-- Low SLow SWW and High Cand High CLL

-- LowLow SSW W duedue to to maxmax. . spanspan limitationlimitation

A. D. Wing Airfoil DesignA. D. Wing Airfoil Design

XFOIL TOOLSXFOIL TOOLS

Geometric DesignGeometric Design

Inverse DesignInverse Design

Boundary Layer Analysis Boundary Layer Analysis

(VPLO Sub(VPLO Sub--Routine)Routine)SeligSelig 12231223

Designed Airfoil: ATDesigned Airfoil: AT--W2004W2004

A. D. A. D. –– Wing Airfoil DesignWing Airfoil DesignNumericalNumerical ResultsResults

BoundaryBoundary LayerLayer

PressurePressure DistributionDistribution

A. D. A. D. –– V.TV.T., ., H.TH.T. &. & winglet Airfoils winglet Airfoils

PSU 94PSU 94--097 Airfoil097 Airfoil

Horizontal Tail: ATHorizontal Tail: AT--P2004 P2004

Vertical Tail: ATVertical Tail: AT--L2004 L2004

Winglet: ATWinglet: AT--WLT2004 WLT2004

A. D. A. D. –– Rudder DesignRudder DesignAnalysisAnalysis of of HingeHinge PositionPosition : AT: AT--L2004 L2004

HingeHinge : :

0.65c0.65c

Open Open ClassClass: An: Anáálises para Re=550000lises para Re=550000

Projeto Multi-elemento

�Motivação

�Ensaio em túnel

�Parâmetros

�Ferramentas

� MSES

� Pré-processamento

� Solução do escoamento

� Pós-processamento

�Exemplos

� Outras Ferramentas

�XFLR5

�Tornado

Motivação

� Aviação em geral

�Desempenho de pista

�Arrasto em cruzeiro

� Aerodesign

�Dependente da regra:

� Aumento do CLmáx

� Diminuição do arrasto em condições recolhidas

� Aumento de área projetada

Ensaio em Túnel

� 3D

� 3D - meia maquete

� 2D

� Dados experimentais 2D

�Condições

�Aquisição

�Parâmetros relevantes

Parâmetros

� Reynolds

� Raio de bordo de ataque

� Arqueamento

� Distribuição de espessura

� Corda relativa dos elementos

� Incidência dos elementos

� Movimento fowler (aumento de área)

MSES

� Geração de malha

NHLP A2

MSES

� Pós-processamento

Dsitribuição de Cp

Camada Limite

Pré-processamento

� Geração de malha

�ICEM

�Gridgen

�Tgrid

�Bamg

Solução do Escoamento

� CFD++

� Fluent

� CFX

� Nsc2KE

Pós-processamento

� Ensight

� Tecplot

Exemplos

� Naca 0012

� Uirá – AeroDesign East 2007

� NHLP - AGARD

� Flaps fenda dupla e simples

� Distribuição de sustentação ao longo da envergadura

Exemplo – Naca 0012

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Alfa

Cl

Dados ExperimentaisXFoilNMIX

Exemplo – Uirá – AD East 2007

Exemplo – Uirá – AD East 2007

0.0000

0.2000

0.4000

0.6000

0.8000

1.0000

1.2000

1.4000

1.6000

1.8000

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

Cl

Cd

Perfil

Perfil + flap double

Exemplo – Uirá – AD East 2007

Cl vs. Cd

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Alfa

Cl

Perfil

Perfil + flap double

Cl vs. Alfa

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

Cl

Cl/C

d

Perfil

Perfil + flap double

Exemplo – Uirá – AD East 2007

Cl vs. L/D

Exemplo – NHLP

Exemplo – NHLP

Exemplo – flaps

Flap single Flap double

Exemplo – Cl vs. y

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

y

Cl

Seção Dimensionante

XFLR5XFLR5

�� Projetado em 2005, por AndrProjetado em 2005, por Andréé DeperroisDeperrois para fornecer uma para fornecer uma interface amiginterface amigáável com o XFOIL, e viabilizar cvel com o XFOIL, e viabilizar cáálculos em lculos em objetos 3D, com baixos nobjetos 3D, com baixos nºº de Reynolds. de Reynolds.

�� Possibilita a utilizaPossibilita a utilizaçção do mão do méétodo de Katz &todo de Katz & PlotkinPlotkin para para ccáálculo das Linhas de Vlculo das Linhas de Vóórtice (VLM); ou a Teoria de Linha rtice (VLM); ou a Teoria de Linha de Sustentade Sustentaçção de ão de PrandltPrandlt (LLT) em superf(LLT) em superfíícies.cies.

�� AnAnáálise de conjuntos asalise de conjuntos asa--empenagensempenagens..

�� Prevista interface com o cPrevista interface com o cóódigo AVL, tambdigo AVL, tambéém do MIT.m do MIT.

TornadoTornado

�� Utilizada oUtilizada o Vortex LatticeVortex Lattice

�� Possibilita a construPossibilita a construçção completa da aeronave (sem espessura e ão completa da aeronave (sem espessura e volume)volume)

�� Calcula coeficientes estCalcula coeficientes estááticos e dinâmicosticos e dinâmicos

�� SuperfSuperfíícies de comandocies de comando

Exemplo Exemplo –– Projeto do Projeto do WingletWinglet

Considerações finais

� Uso consciente e coerente das ferramentas

�Procura por embasamento teórico

�Determinação das metas/requisitos

�Verificar infraestrutura disponível

�Escolha das ferramentas:

� recursos e limitações (modelo do código)

� características do resultado

�Orçar o prazo

�Sempre que possível comparar com experimento

Referências

�� XFOIL: XFOIL: raphaelraphael.mit..mit.eduedu//xfoilxfoil//indexindex..htmlhtml

�� XFLR5: XFLR5: httphttp://xflr5.://xflr5.sourceforgesourceforge.net/xflr5..net/xflr5.htm htm

�� Tornado:Tornado:httphttp://www.://www.flygflyg..kthkth.se/.se/divisionsdivisions//aeroaero/software/tornado/tornado./software/tornado/tornado.htmlhtml

�� AGARDAGARD--ARAR--303 Volume 1 & 2: "A Selection of Experimental Test 303 Volume 1 & 2: "A Selection of Experimental Test Cases for the Validation of CFD Codes"Cases for the Validation of CFD Codes" AGARDAGARD--ARAR--303 Volume 1 303 Volume 1 & 2: "A Selection of Experimental Test Cases for the Validation & 2: "A Selection of Experimental Test Cases for the Validation of of CFD Codes"CFD Codes"

�� AbbottAbbott,Ira H.;,Ira H.; and von Doenhoffand von Doenhoff,Albert E,Albert E -- ““TheoryTheory ofof Airfoil Airfoil SectionsSections””