Investigation of dynamic stall through high fidelity numerical simulations and data-driven techniques

Autor(es)

Renato Fuzaro Miotto

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Mecânica
• Data de defesa: 2022-08-16

Membros da banca

William Roberto Wolf; Bruno Souza Carmo; Rafael dos Santos Gioria; Daniel Sampaio Souza; Elmer Mateus Gennaro

• Orientador: William Roberto Wolf

Resumo

O início e a evolução do vórtice de estol dinâmico (DSV, do inglês dynamic stall vortex) são analisados por meio de simulações de grandes escalas de um aerofólio SD7003 em movimento de plunge periódico em um escoamento com número de Reynolds Re=60,000. Interações entre as instabilidades de Kelvin-Helmholtz que se propagam a montante e uma camada de cisalhamento formada no bordo de ataque do aerofólio desencadeiam a separação do escoamento. A primeira instabilidade parece estar relacionada com as ondas acústicas geradas no bordo de fuga devido ao desprendimento inicial de vórtices. Dois números de Mach do escoamento livre (M=0.1 e 0.4) são empregados para examinar as diferenças do escoamento devido às variações de compressibilidade. A existência de um tempo comum para as perturbações acústicas em ambos os escoamentos sugere uma possível invariância do número de Mach para o nascimento da instabilidade de Kelvin-Helmholtz. O aumento da compressibilidade, no entanto, induz flutuações mais precoces na direção da envergadura, maior tridimensionalidade do escoamento e um DSV mais fraco e difuso, que é formado mais a jusante do bordo de ataque e tem menor tempo de residência. Para melhor caracterizar o início do DSV, dois critérios empíricos são avaliados: o parâmetro de sucção do bordo de ataque (LESP, do inglês leading edge suction paramenter) e a altura da camada de cisalhamento normal à corda. Os resultados demonstram uma maior robustez deste último parâmetro com relação às variações do número de Mach. Uma decomposição modal, realizada tanto com a decomposição em modos dinâmicos (DMD) clássica quanto com sua variante multi-resolução (mrDMD), destaca as principais tendências e demonstra a capacidade do mrDMD de extrair estruturas do escoamento fisicamente significativas relacionadas ao início do estol. Essa caracterização detalhada da camada de cisalhamento pode ser usada para uma exploração sistemática de estratégias de controle de escoamentos para aerofólios não-estacionários. No presente trabalho, também realizamos simulações de grandes escalas (LES) para investigar a equivalência pitch-plunge de um aerofólio SD7003 submetido a movimentos de rampa constantes para um número de Reynolds Re=60,000. A equivalência é construída com base no ângulo de ataque efetivo geométrico de acordo com a teoria de aerofólios finos quasi-estacionários. Duas taxas de descida (ou pitch up/arfagem) são analisadas para diferentes números de Mach para se investigar os efeitos da compressibilidade na evolução do DSV. Durante o início do DSV e seu transporte ao longo da superfície do aerofólio, notáveis semelhanças são encontradas entre pitch e plunge em termos de topologia do escoamento, coeficientes aerodinâmicos e assinaturas de pressão na parede e coeficientes de atrit. No entanto, essa semelhanças cessam em condições de alto carregamento à medida que o DSV se torna mais suscetível às peculiaridades do movimento do aerofólio, manifestado por diferentes vórtices de borda de fuga (TEVs, do inglês trailing-edge vortices). O emprego uma correção para o efeito de cambagem aparente induzida por rotação presente no caso de pitching, que resulta da teoria de aerofólio fino quasi-estacionário, melhora a concordância entre pitch e plunge, no entanto, não é suficiente assimilar seus sistemas de ponta de fuga díspares. Os resultados também demonstram que o ângulo limite no qual a equivalência pitch-plunge permanece válida diminui para números de Mach mais altos. Por fim, propomos um framework em que os dados de simulações numéricas são aproveitados para extrair informações relevantes de visualizações experimentais. Para tanto, o bloco convolucional de uma rede InceptionV3 pré-treinada é utilizado para construir um modelo de regressão que vincula o mapa de coeficiente de pressão aos coeficientes aerodinâmicos do aerofólio. A rede neural convolucional (CNN, do inglês Convolutional Neural Network) resultante interpreta corretamente os atributos presentes na imagem do escoamento usada como entrada. Aspectos da generalização do modelo são discutidos e o desempenho do campo de velocidade como entrada para o modelo é avaliado. Os resultados mostram que a pressão é preferível à velocidade quando se trata de construir nosso modelo de regressão. No entanto, demonstramos que a velocidade pode ser usada para sintetizar qualquer quantidade física correspondente através de uma abordagem de tradução de imagem para imagem. Aqui, o mapeamento entre o campo de coeficiente de velocidade e pressão é usado como exemplo (AU)

• Processo FAPESP: 17/10795-1 - Investigação de Escoamentos Compressíveis Turbulentos sobre Aerofólios Utilizando Simulações de Alta-Resolução
• Beneficiário: Renato Fuzaro Miotto
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado