Otimização de aerofólios laminares em regime transônico

Em projeto aerodinâmico, o uso de ferramentas de otimização é imprescindível. No regime de voo transônico, em especial, a presença de fenômenos físicos complexos faz com que o uso de ferramentas robustas de otimização seja muito importante para se explorar o espaço de design.

Utilização do CFD para otimização

Quanto mais fenômenos físicos são incluídos no solver de CFD, maiores as possibilidades de exploração do espaço de design por parte do otimizador. Nos resultados mostrados aqui, o método dos adjuntos foi usado para computar as derivadas necessárias para se realizar otimização baseada em gradientes para aerofólios no regime transônico.

Com o intuito de viabilizar o desenvolvimento de aerofólios altamente eficientes com escoamento laminar, um modelo RANS modificado para considerar efeitos de transição laminar turbulento foi usado. Chamado de AFT-S (Amplification Factor Transport – Smooth), o modelo RANS em questão consiste em uma modificação do modelo original (AFT) desenvolvido para ser totalmente compatível com otimização baseada em gradientes.

O estudo apresentado neste post faz parte da pesquisa de doutorado do instrutor Gustavo Halila.

Informações Importantes sobre otimização

Os contornos de pressão adimensional que fazem parte deste post mostram alguns detalhes muito interessantes da otimização que considera efeitos de transição.

O plot de coeficiente de pressão também ajuda a entender a lógica por trás do processo de otimização: em regime transicional, o otimizador combina uma redução na intensidade da onda de choque com um aumento da região de escoamento laminar para reduzir o arrasto, que foi a função objetivo nesse exemplo. Isso acontece porque aerofólios e asas que suportam escoamento laminar tem, em geral, uma distribuição de pressão que apresenta um choque de alta intensidade deslocado em direção ao bordo de fuga.

No exemplo aqui mostrado, o otimizador laminariza o escoamento o suficiente para reduzir efeitos de fricção, mas, também, não mais do que o necessário para que o arrasto total não suba devido a um aumento no arrasto de onda! Na otimização em regime completamente turbulento (apenas vista nas curvas de coeficiente de pressão), vemos uma redução mais drástica da onda de choque já que, nesse caso, esse fenômeno domina a geração de arrasto.

Em todo caso, o aerofólio otimizado com efeitos de transição apresenta um arrasto 20 drag counts menor do que o seu equivalente em regime todo turbulento.

Referência: G. L. O. Halila, J. R. R. A. Martins, and K. J. Fidkowski. Adjoint-based aerodynamic shape optimization including transition to turbulence effects. Aerospace Science and Technology, 107:1–15, Dec. 2020. doi: 10.1016/j.ast.2020.106243

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