Análise e projeto de Aerofólios

ANANANANÁÁÁÁLISE E PROJETOLISE E PROJETOLISE E PROJETOLISE E PROJETODE AEROFDE AEROFDE AEROFDE AEROFÓÓÓÓLIOSLIOSLIOSLIOS

Projeto AerodinâmicoProjeto Aerodinâmico

SukkoiSukkoi SuSu--2727

Apresentado por : Francisco Apresentado por : Francisco PalazzoPalazzo NetoNetoIdealizado por: AndrIdealizado por: Andréé VanVan SchepopSchepop

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 SAE ão SAE AerodesignAerodesign

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

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

SeligSelig 12231223

•• 2002 2002 –– A A áárea sombreada não rea sombreada 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

Exemplos anterioresExemplos anteriores

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

COEFICIENTES ADIMENSIONAISCOEFICIENTES ADIMENSIONAIS

Sq

LCL

∞

≡Sq

DCD

∞

≡Scq

MCM

∞

=

2

2

1∞∞∞

≡ Vq ρ

COEFICIENTES ADIMENSIONAISCOEFICIENTES ADIMENSIONAIS

∞

∞−

≡q

ppc p

∞

≡q

c f

τ

Fundamentos da AnFundamentos da Anááliselise

Camada LimiteCamada Limite

Influência do No de ReynoldsInfluência do No de Reynolds

Re = 0.16, Creeping Flow, Steady, Symmetric StreamlinesRe = 0.16, Creeping Flow, Steady, Symmetric Streamlines

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

Fundamentos da AnFundamentos da Anááliselise

Fundamentos da AnFundamentos da Anááliselise

Fundamentos da AnFundamentos da Anááliselise

Modelos de EscoamentoModelos de Escoamento

O CO Cóódigo XFOILdigo XFOIL

�XFOIL:

��Utiliza o mUtiliza o méétodo dos paintodo dos painééis com is com vorticidadevorticidade linear linear (escoamento (escoamento invinvííscidoscido) com a corre) com a correçção de ão de compressibilidade 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 ααPolar de ArrastoPolar de ArrastoCamada LimiteCamada LimiteIdentificaIdentificaçção das regiões que originam o arrastoão das regiões que originam o arrastoCurva Curva CpCp x x CordaCorda ((IntradorsoIntradorso e e ExtradorsoExtradorso))Vetores de PressãoVetores de Pressão

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

MMóódulo OPERdulo OPER

MMóódulo de Projeto Direto: GDESdulo de Projeto Direto: GDES

MODIFICAMODIFICAÇÇÃO DIRETA DE VÃO DIRETA DE VÁÁRIOS PARÂMETROSRIOS PARÂMETROS::

•• Arqueamento mArqueamento mááx %cx %c

•• PosiPosiçção do arqueamento mão do arqueamento mááx %cx %c

•• Espessura mEspessura mááx %cx %c

•• PosiPosiçção da espessura mão da espessura mááx %cx %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.

-- ModificaõesModificaões diretas (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

Outras MetodologiasOutras Metodologias

�������� 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

�� xfoil@yahoogroups.comxfoil@yahoogroups.com -- mais de 2000 participantesmais de 2000 participantes

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

Dica: SubDica: Sub--MMóódulo VPLOdulo VPLO

IdentificaIdentificaçção das regiõesão das regiõesque dão origem ao arrasto!que dão origem ao arrasto!

EXEMPLO DE APLICAEXEMPLO DE APLICAÇÇÃOÃO

2001 2001 –– MONOPLANOMONOPLANO

�� Utilizado apenas o projeto diretoUtilizado apenas o projeto direto

FEDERAL UNIVERSITY OF UBERLÂNDIA FEDERAL UNIVERSITY OF UBERLÂNDIA SCHOOL OF MECHANICAL ENGINEERINGSCHOOL OF MECHANICAL ENGINEERING

Contacts:

Team Leader: Francisco Palazzo Netofpalazzo@bol.com.br

Advisor: Prof. Domingos Alves Radedomingos@ufu.br

UNDERGRADUATE PROJECTS DEVELOPED AT THE FEDERAL UNIVERSITY OF UBERLÂNDIA IN THE

CONTEXT OF THE SAE AERO DESIGN COMPETITION

Blacksburg, VA, September, 2004.

Conceptual Design Conceptual Design -- 20012001

Airplane ConstructionAirplane Construction -- 2001 2001

2001 2001 CompetitionCompetition

2001 2001 CompetitionCompetition

Team Tucano classified 9th/40 teams

Best of the beginners

2001: Reynolds de Projeto: Re = 3000002001: Reynolds de Projeto: Re = 300000

EXEMPLO DE APLICAEXEMPLO DE APLICAÇÇÃOÃO

2002 2002 –– MONOPLANOMONOPLANO

SEMI ASAS MSEMI ASAS MÓÓVEISVEIS““VAoAVAoA WingWing””

ConceptualConceptual Design Design -- 20022002

2002 Competition 2002 Competition

Team Tucano classified 9th/49 teams

2002 Competition 2002 Competition

2002: Reynolds de Projeto: Re = 2500002002: Reynolds de Projeto: Re = 250000

2002: Reynolds de Projeto: Re = 2500002002: Reynolds de Projeto: Re = 250000

2002: Reynolds de Projeto: Re = 2500002002: Reynolds de Projeto: Re = 250000

EXEMPLO DE APLICAEXEMPLO DE APLICAÇÇÃOÃO

2003 2003 –– BIPLANOBIPLANO

ConceptualConceptual DesignDesign-- 2003 2003

AirplaneAirplane ConstructionConstruction -- 2003 2003

2003 2003 CompetitionCompetition

2003 2003 CompetitionCompetition

2003: Reynolds de Projeto: Re = 4000002003: Reynolds de Projeto: Re = 400000

2003: Re = 4000002003: Re = 400000

2003: Re = 4000002003: Re = 400000

EXEMPLO DE APLICAEXEMPLO DE APLICAÇÇÃOÃO

2004 2004 –– MONOPLANOMONOPLANO

SEMI ASAS MSEMI ASAS MÓÓVEISVEIS““VAoAVAoA WingWing””

Conceptual Design Conceptual Design -- 2004 2004

2004 2004 AirplaneAirplane ConstructionConstruction

VARIABLE ANGLE OF VARIABLE ANGLE OF

ATTACK WING PROJECTATTACK WING PROJECT

2004 2004 CompetitionCompetition

Movable Wing Idea Movable Wing Idea

Project goal:Project goal:To carry a maximum payload taking into To carry a maximum payload taking into account the competition rulesaccount the competition rules

Consequence:Consequence:under the maximum payload the under the maximum payload the airplane takesairplane takes--off in a preoff in a pre--stall stall condition at a very low speedcondition at a very low speed

Design requirement:Design requirement:Low drag in theLow drag in therunway to achieve a higher runway to achieve a higher taketake--off speedoff speed

Our Solution:Our Solution:Variable Angle of Attack (Variable Angle of Attack (VAoA)WingVAoA)Wing

Conceptual DesignConceptual Design

Aerodynamic Design and Analysis

•• Tools: Analytical and Computational Tools: Analytical and Computational

-- Airfoils for Wing, H.T. and V.T.Airfoils for Wing, H.T. and V.T.

-- Winglets Winglets

-- Aircraft Aerodynamic ParametersAircraft Aerodynamic Parameters

-- FuselageFuselage

-- Airplane Drag PredictionAirplane Drag Prediction

•• Design Sequence:Design Sequence:

A. D. – Wing Airfoil Design

VAoAVAoA WingWing and Structuraland 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

-- HighHigh IxxIxx. . IyyIyy andand JJ

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

-- Low SLow SWW and High Cand High CLL

-- High Stall AngleHigh Stall Angle

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

A. D. – Wing Airfoil Design

XFOIL TOOLSXFOIL TOOLS

Geometric Geometric

DesignDesignInverse DesignInverse Design

Boundary Layer Boundary Layer

Analysis (VPLO SubAnalysis (VPLO Sub--

Routine)Routine)SeligSelig 12231223

Designed Airfoil: ATDesigned Airfoil: AT--W2004W2004

A. D. – Wing Airfoil Design

A. D. – Wing Airfoil Design

NumericalNumerical ResultsResults

BoundaryBoundary LayerLayer

PressurePressure DistributionDistribution

A. D. – V.T., H.T. & 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. – Other Airfoils Design

A. D. – Rudder Design

AnalysisAnalysis of of HingeHinge PositionPosition : AT: AT--L2004 L2004

HingeHinge : :

0.65c0.65c

A. D. – Winglet Design

•• AirfoilAirfoil Design: XFOIL:Design: XFOIL:

•• Geometric DesignGeometric Design : TORNADO: : TORNADO: VortexVortex LatticeLattice MethodMethod

Design Variables: A.R. ; Sweep Angle; Toe AngleDesign Variables: A.R. ; Sweep Angle; Toe Angle

A. D. – Results of Winglet Design

EXEMPLO DE APLICAEXEMPLO DE APLICAÇÇÃOÃO

2005 2005 –– TRIPLANOTRIPLANO

2005 2005 -- ConceitualConceitual

Asa 2005: Reynolds de Projeto: 270000Asa 2005: Reynolds de Projeto: 270000

H.T. 2005 H.T. 2005 –– Reynolds de Projeto: 180000Reynolds de Projeto: 180000

V.T.V.T. 2005 2005 –– Reynolds de Reynolds de PojetoPojeto: 200000: 200000

PRJ 2005 PRJ 2005 -- AnAnáálises interessanteslises interessantes

PRJ 2005 PRJ 2005 -- AnAnáálises interessanteslises interessantes

y = 0,2772Ln(x) + 0,7197

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 200 400 600 800 1000 1200

% da corda entre asas

CL CL

Log. (CL)

PRJ 2005 PRJ 2005 -- AnAnáálises interessanteslises interessantes

∑=

⋅⋅

⋅⋅−−=

4

1

2

,2)(

i

iL

ii

iiDDm CqSw

KzzCC α

ααα

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

Discussões