Analysis of dynamic stall by data-driven and physics based approaches

Autor(es)

Lucas Feitosa de Souza

• Tipo de documento: Dissertação de Mestrado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Mecânica
• Data de defesa: 2025-01-31

Membros da banca

William Roberto Wolf; Marcello Augusto Faraco de Medeiros; Bernardo Luiz Rocha Ribeiro

• Orientador: William Roberto Wolf; Renato Fuzaro Miotto

Resumo

Neste trabalho, o fenômeno de estol dinâmico é investigado com ênfase na aplicação de técnicas de decomposição modal para fenômenos intermitentes e transientes, além de estratégias de controle de escoamento para melhorar o desempenho aerodinâmico de aerofólios não-estacionários. Simulações de grandes escalas (LES) com resolução de parede são realizadas resolvendo as equações de Navier-Stokes na forma compressível. O primeiro caso considerado inclui um aerofólio SD7003 em movimento de plunge periódico sob condições de estol profundo, com números de Reynolds e Mach Re = 60.000 e M8 = 0, 1, respectivamente, e frequência reduzida ? = 0, 5. O segundo caso estudado trata de um aerofólio NACA0018 em movimento característico de uma turbina de eixo vertical (VAWT) operando com número de Reynolds Re? = 50.000 baseado na velocidade de rotação do aerofólio, e razão de velocidade de ponta ? = 3. Dois números de Mach são investigados, sendo M8 = 0, 025 e 0, 1. Considerando o aerofólio em plunge periódico, técnicas de decomposição modal são empregadas para analisar as características transientes do escoamento que levam ao surgimento e evolução do vórtice de estol dinâmico (DSV). Uma comparação entre os modos obtidos com a decomposição empírica multidimensional (EMD) e a variante multiresolução da decomposição em modos dinâmicos (mrDMD) é apresentada, destacando a representação compacta do suporte espacial dos modos fornecida pelas funções modais intrínsecas (IMFs) produzidas pelo EMD. Este método proporciona capacidades aprimoradas de decomposição modal em relação ao mrDMD, já que as IMFs conseguem representar múltiplas frequências no mesmo modo. Além disso, elas capturam características do escoamento em maior detalhe, representando com precisão o processo de crescimento do DSV através de instabilidades de Kelvin-Helmholtz que surgem na camada de cisalhamento formada no borda de ataque do aerofólio em ângulos de ataque efetivos elevados. Essa observação torna-se fundamental para o controle de escoamento, como é mostrado por meio de uma análise que combina estruturas Lagrangianas coerentes (LCS) e análise de estabilidade local. A interseção dos expoentes de Lyapunov positivos e negativos caracteriza a dinâmica da camada de cisalhamento como análoga a um ponto de sela. A análise de estabilidade nesse local determina o momento em que o escoamento se torna instável e identifica a frequência ideal para desestabilizar a camada de cisalhamento, interrompendo o fluxo contínuo de vorticidade para o crescimento do DSV. Essa intervenção direcionada mitiga o crescimento do vórtice de estol dinâmico, reduzindo significativamente o arrasto aerodinâmico enquanto minimiza o ciclo de operação do atuador. Por fim, para o caso da turbina de eixo vertical, este trabalho apresentou uma verificação do modelo numérico usado para simular a configuração de estol dinâmico por meio de estudos de convergência de malha e avaliação do impacto do tamanho do domínio computacional na direção da envergadura. Os resultados mostraram que um tamanho de domínio transversal de 40% da corda é suficiente para capturar os fenômenos físicos relevantes do estol dinâmico. Um estudo sobre os efeitos de compressibilidade revelou a influência do número de Mach na formação de estruturas bidimensionais, juntamente com um deslocamento a jusante do ponto de formação do vórtice de estol dinâmico. Esses efeitos contribuem para um aumento do carregamento aerodinâmico no caso quase-incompressível (M8 = 0, 025) devido a uma interação prolongada entre a pá e o vórtice. Uma estratégia de controle ativo do escoamento envolvendo um jato de sucção e sopro no bordo de ataque, dentro da faixa de frequência de 8 = St = 16, foi testada. Essa abordagem reduziu significativamente a separação do escoamento, mitigando a formação tanto do DSV quanto do vórtice de bordo de fuga. A estratégia possibilitou a extração de energia útil da turbina ao reduzir o arrasto aerodinâmico associado ao estol dinâmico. Além disso, a energia necessária para a atuação dos jatos foi mínima em comparação à energia extraída pela turbina, demonstrando a eficiência do mecanismo de controle proposto (AU)

• Processo FAPESP: 22/08567-9 - Investigação numérica de um aerofólio em estol dinâmico leve
• Beneficiário: Lucas Feitosa de Souza
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Mestrado