Malha e Modelo de Turbulência

Pessoal, vamos dar uma olhada como os resultados que vocês obtêm através das simulações numéricas são dependentes da malha e modelo de turbulência escolhido. Para tanto, irei apresentar alguns dados que foram gerados em conjunto com outros colegas (pesquisadores) para a Primeira Configuração proposta para o Workshop de High-Lift.

O modelo proposto para o workshop consiste em uma asa trapezoidal com três opções de configuração para os dispositivos hiper-sustentadores (slats-flaps). Os resultados aqui apresentados serão da configuração descrita como Config 1 ( Slat 30° / Flap 25° – Full Span). Para maiores detalhes sugiro que vocês leiam este artigo. Nele você vai encontrar os resultados obtidos para as três configurações do workshop e uma descrição/discussão muito mais detalhada.

Malha e Modelo de Turbulência 1

Simulações Numéricas – Malha e Modelo de Turbulência

As simulações numéricas foram realizadas com Reynolds-Average Navier-Stokes (RANS) utilizando-se os seguintes modelos de turbulência SA, SST e Cubic Kε. O processo de geração de malha considerou uma malha híbrida (prisma, tetraedros e pirâmides) e uma malha hexaédrica. O software adotado para o processo de geração de malha foi o ICEM-CFD. Estudos de refinamento de malha também foram realizados. Já o software adotado para realizar a simulação numérica foi o CFD++.

Malhas

A imagem abaixo mostra a malha híbrida (12.4 milhões de elementos) e hexaédrica (12 milhões de elementos) gerada para a Config 1 do workshop. Uma segunda malha hexaédrica também foi gerada para avaliar o efeito do refinamento da malha. Esta segunda malha tinha uma total de 22.8 milhões de elementos.

Malha e Modelo de Turbulência 2

Resultados

Abaixo os resultados da CL x AOA e de CL x CD (polar de arrasto) são apresentados para esta configuração. Os resultados experimentais também estão nas comparações e a condição de voo é a seguinte:

Número de Mach de 0.2;
Número de Reynolds de 4.3 milhões

Malha e Modelo de Turbulência 3

Podemos ver que os resultados obtidos com as malhas híbridas ficaram bastante distantes do resultado experimental e daqueles obtidos para a malha hexaédrica. Para esta malha híbrida não vemos diferenças entre o modelo SA e SST. Já para a malha hexaédrica os resultados obtidos estão mais próximos dos experimentais, sendo que, novamente os modelos SA e SST parecem levar a resultados próximos. O cubic Kε se distancia do SA e SST e leva a uma valor de CLmax próximo ao experimental, mas com uma diferença de 2° no alfa de “stall”.

A polar de arrasto mostra um “shift” da malha híbrida em relação aos dados experimentais. O valor deste “shift” fica entre 200 a 400 drag counts, depende da região de CL onde se faz a comparação. Os resultados para a polar da malha hexaédrica está mais aderente aos dados experimentais.

Malha e Modelo de Turbulência 4

Influência da malha na topologia do escoamento

Outro aspecto importante consiste no fato da malha ter uma influência considerável na topologia do escoamento sob o corpo. Para a malha híbrida o descolamento do escoamento no bordo de fuga do flap, e na região da junção deste componente com a fuselagem, desaparece para ângulo de ataque maior do que 8°. Para a malha hexaédrica esta região de descolamento do escoamento sob o corpo se mantem até o “stall” da configuração. Reparem também que a malha híbrida indica uma região na fuselagem, acima do painel do flap, com um descolamento massivo em 24°. Esta topologia não se apresenta na malha hexaédrica.

Malha e Modelo de Turbulência 5

A figura final deste documento mostra uma comparação de um corte feito na malha hexaédrica e um corte feito na malha híbrida na região do slat. Observem como a discretização espacial da malha hexaédrica é bem melhor do que aquela de uma malha híbrida. A malha híbrida possui elementos tetraédricos de volume grande em comparação aos elementos hexaédricos. No entanto, reparem esta comparação foi feita para as malhas de tamanho compatíveis entre si. Híbrida com 12.4 milhões de elementos e hexaédrica com 12 milhões.

Comentários finais

A discretização espacial da malha faz toda a diferença quando temos escoamentos onde esteiras de cisalhamento se propagam de corpos a montante e afetam corpos a jusante. Como é o caso nas configurações dos hiper sustentadores. As malhas hexaédricas são mais trabalhosas de serem geradas do que as malhas híbridas o que levam as malhas híbridas serem mais utilizadas para a execução das simulações.

ISTO NÃO É PROIBIDO

Mas lembre-se de impor um bom refinamento volumétrico nos seus elementos tetraédricos para garantir que estruturas do escoamento sejam convectadas adequadamente e não dissipadas pela falta de refino da sua malha.

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