ANÁLISE COMPUTACIONAL DE DISPOSITIVOS DE PONTA DE ASA

Eduardo Pavoni Gamba¹, Francisco José de Souza²

Universidade Federal de Uberlândia

du-gamba@hotmail.com¹, francisco.souza@ufu.br²

Resumo

Com a intensificação do tráfego aéreo, medidas para a atenuação do impacto ambiental são necessárias na indústria aeronáutica. Além deste benefício, a redução de arrasto em aeronaves comerciais representaria uma vantagem financeira em economia de combustível ou aumento de payload. É nesse sentido que este trabalho visa estudar a influência de winglets na redução dos vórtices de ponta de asa e, consequentemente, no arrasto induzido. O seguinte estudo apresenta análises através de CFD, pelo software ANSYS, com Mach = 0,5 em sete configurações diferentes de winglets, comparadas à uma asa típica de aeronaves comercias. A viabilidade de tais dispositivos é feita de maneira qualitativa e quantitativa, analisando a tendência do escoamento e valores dos coeficientes de arrasto viscoso e de pressão.

Palavras Chave: Winglet. CFD. Arrasto induzido. Vórtices de ponta de asa. Dispositivos de ponta de asa.

Abstract

With the intensification of the air traffic, measures for the mitigation of the environmental impact are necessary in the aeronautical industry. In addition to this benefit, drag reduction on commercial aircraft would represent a financial advantage in fuel economy or payload increase. It is in this sense that this work aims to study the influence of winglets on the reduction of wing-tip vortices and, consequently, of induced drag. The following study presents CFD analyzes by ANSYS, with Mach = 0.5 in seven different winglets configurations, compared to a typical wing of commercial aircraft. The feasibility of such devices is made qualitatively and quantitatively, analyzing the flow trend and values of the viscous and pressure drag coefficients.

Keywords: Winglet. CFD. Induced drag. Wingtip vortex. Wingtip devices.

1 Introdução

No mundo aeronáutico qualquer tentativa de redução no consumo de combustível é muito bem vista, já que mínimas diminuições geram uma grande economia na operação da aeronave, principalmente em uma era onde o preço do combustível é crescente. Além disso, vive-se hoje um momento de grande preocupação com efeitos negativos no meio ambiente. Logo, medidas para a diminuição do impacto causado pela indústria aeronáutica são cada vez mais populares, principalmente em decorrência da intensificação do tráfego aéreo. Dessa forma, uma melhor eficiência no desempenho de uma aeronave é um grande objetivo a ser conquistado.

Aerodinamicamente, pensar em redução de consumo de combustível é pensar em redução no coeficiente de arrasto da aeronave. Nos últimos anos, tem sido intensa a procura por dispositivos aerodinâmicos capazes de promover uma diminuição no arrasto e, consequentemente, maior eficiência no consumo de combustível e maior alcance. Os dispositivos de ponta de asa são uma alternativa para este objetivo, uma vez que eles almejam reduzir a vorticidade do escoamento.

O objetivo deste trabalho é uma abordagem a respeito da viabilidade de utilização deste dispositivo de ponta de asa, com o intuito de se analisar, qualitativamente e quantitativamente, através da aerodinâmica computacional, a influência do mesmo na redução do chamado arrasto induzido e, também seus efeitos colaterais.

2 Revisão bibliográfica

Com o intuito de se realizar análises aerodinâmicas com baixo custo e menor infraestrutura, a Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD), atraiu o interesse por parte dos pesquisadores. No campo dos estudos computacionais em dispositivos de ponta de asa, as pesquisas mais relevantes e aplicáveis para este trabalho são recentes.

Babigian e Hayashibara (2009), conduziram um estudo preliminar com o intuito de comparar três configurações de uma asa em condição de cruzeiro, dentre elas, uma asa “limpa”, uma equipada com um winglet e outra equipada com uma “ponta estendida”, o racked wingtip. Com as geometrias modeladas no CATIA e simuladas por CFD através do FLUENT, o trabalho serviu como uma investigação preliminar dos efeitos aerodinâmicos no arrasto induzido de diferentes configurações de ponta de asa. Os resultados deste estudo sugerem que as asas projetadas com winglets ou racked wingtips podem, de fato, reduzir o arrasto induzido em uma asa durante as condições de cruzeiro.

Guerrero, Maestro e Bottaro (2011), produziram um estudo biomimético no campo dos dispositivos de ponta. Os pesquisadores defendem que a utilização dos winglets são uma alternativa de diminuir os efeitos de ponta de asa sem a necessidade de alterar o alongamento da aeronave, que muitas vezes está atrelada a restrições de peso, desempenho, estruturais e fatores operacionais. Dos resultados do trabalho em questão, observou-se neste estudo que uma redução de arrasto induzido em até 75,0% para = 0,95; 35,0% para  = 0,55 e 28,0% para = 0,40.

Um trabalho realizado pelos pesquisadores Atique et al. (2015), investigou a utilização de winglets no modelo de aeronave Boeing 737-800 em diferentes regimes de operação. A simulação computacional foi feita em ângulo de ataque de 4 graus e mostrou que a redução de arrasto induzido foi máxima em Mach = 0,35 e mínima em Mach = 0,45. O resultado indicou um efeito positivo na utilização dos winglets, ao reduzir o arrasto induzido, variando de 3,47% em Mach = 0,50 até 40,13% em Mach = 0,35.

3 Materiais e métodos

Esse estudo de viabilidade de aplicação de dispositivos redutores de arrasto foi conduzido por meio da comparação qualitativa e quantitativa, através de CFD, de sete configurações de semi-asa equipadas com winglet e uma semi-asa comum, com número de Mach = 0,5, seguindo quatro etapas.

Criação das geometrias: A geometria padrão, usada de base para todas as configurações e elaborada com inspiração em aeronaves subsônicas de pequeno/médio porte, foi uma semi-asa de 7,015 m de envergadura, afilamento de 0,341 e perfil NACA 64-110, modelada no software CATIA V5. O Winglet 1 foi elaborado baseado configurações usuais na indústria aeronáutica, com comprimento d = 0,862 m, inclinação β = 139,9º e corda da ponta ct = 0,437 m. A partir dessa geometria, foram construídas duas variações em relação à cada característica. Os modelos obtidos estão ilustrados na Figura 1.

Figura 1 – Winglets modelados em CATIA V5 e suas características geométricas.

Fonte: elaborado pelo autor.

Geração das malhas: Este momento do processo foi o mais crítico de todo o estudo. O desafio foi conciliar uma malha que garantisse o grau de precisão esperado para o trabalho, mas que fosse possível de se utilizar com o baixo recurso computacional disponível. As malhas foram confeccionadas no software ICEM, da ANSYS. A estratégia desta etapa foi utilizar uma malha com elementos de fácil adaptação à estrutura, porém, limitando o tamanho do elemento em regiões críticas e utilizando camadas de prisma. A malha obtida foi do tipo Tetra/Mixed, com máxima dimensão de elemento igual à 3 m, máxima dimensão de elemento no bordo de fuga igual à 0,0025 m, 10 camadas de prisma com razão de crescimento igual à 1.2, e aproximadamente 6e06 elementos.

 Simulação aerodinâmica: o desafio do processo de simulação foi encontrar parâmetros e modelos que representem, com suficiente confiança, um caso real da indústria aeronáutica, mas que seja compatível com a ferramenta computacional disponível para este estudo. Dessa forma, foi adotado o modelo de turbulência Spalart-Allmaras, em regime permanente, gás ideal, solução do tipo Pressure-Based, com método de solução SIMPLE, inicialização utilizando o método full multgrid. As condições de voo foram ângulo de ataque igual à 2º, temperatura em 218 K, e número de Mach = 0,5.

Validação do modelo: As geometrias referentes ao winglets analisados não possuem dados experimentais em túnel de vento que possam ser comparados. Sendo assim, uma maneira de se verificar a precisão das ferramentas computacionais escolhidas é através da modelagem em CFD de um experimento em túnel de vento com condições registradas de maneira detalhada e comparar os resultados obtidos. O experimento de Wentz (1976), foi usado como referência para a validação, através da comparação entre as polares de arrasto um perfil hipersustentador, equipado com flap. Os resultados da simulação computacional se aproximam muito da curva experimental, como evidencia a Figura 2.

Figura 2 – Comparação das polares de arrasto.

Fonte: elaborado pelo autor.

4 Resultados

Este capítulo será dividido em duas partes, uma análise qualitativa dos resultados, que visualmente mostrará as diferenças no escoamento; e uma análise quantitativa, evidenciando de maneira mais concreta o efeito da utilização dos dispositivos de ponta de asa.

4.1 Análise qualitativa

O pós-processamento foi realizado através do software CFD-POST, do ANSYS, e para poupar uma demasiada informação visual, nesta etapa será apresentado para apenas uma das sete configurações de winglet estudadas. A Figura 3 mostra, respectivamente, a diminuição da vorticidade no escoamento com a utilização de winglet (semi-asa direita); a diminuição da região de baixa pressão com a implementação do dispositivo e a diminuição na magnitude e quantidade dos vetores no fluxo ao redor do winglet. Tais observações sugerem a diminuição do arrasto induzido, gerado principalmente pela vorticidade do escoamento.

Figura 3 – Análise qualitativa da utilização de winglets.

Fonte: elaborado pelo autor.

4.2 Análise quantitativa

Para uma visão mais clara do efeito desses dispositivos, houve uma decomposição do coeficiente de arrasto total, , em arrasto de pressão, , e viscoso, respectivamente relacionados à deformação no escoamento e ao atrito do escoamento com e superfície. A Tabela 1 resume os resultados das simulações.

Tabela 1 – Coeficientes de arrasto para cada geometria.

Fonte: elaborado pelo autor.

Os resultados indicam que as tendências de redução de vórtices observadas na sessão anterior foram verificadas, pois nota-se a diminuição do arrasto de pressão. Por outro lado, houve um incremento no arrasto, algo esperado, porém pouco explorado nas literaturas. Nas comparações com o de cada geometria, os winglets se mostraram vantajosos, chegando a reduções de até 3% no melhor dos casos, o que resultaria em uma economia relevante no consumo de combustível de uma aeronave. 

5 Considerações finais

Ambas as análises, qualitativa e quantitativa, evidenciaram o potencial de winglets reduzirem a vorticidade na ponta das asas, reduzindo o arrasto induzido. Esta segunda análise verificou, também, o aumento do arrasto parasita associado à utilização de tais dispositivos, diminuindo sua eficácia na economia de combustível. Ainda assim, houve redução no arrasto total da semi-asa estudada. A maior redução observada foi de aproximadamente 3% no arrasto total a Mach = 0,5, referente ao winglet com maior corda na ponta, enquanto a menor efeito se deu no winglet de menor comprimento, com diminuição de aproximadamente 1,16% do arrasto total nas mesmas condições.

Os valores de redução de arrasto encontrados em cada literatura, inclusive os deste trabalho, são bem diferentes entre si. Isso mostra que o efeito da utilização de winglets é muito dependente do regime de operação da aeronave e da geometria da asa. Portanto, a viabilidade desses dispositivos deve ser analisada em cada projeto específico.

 A principal melhoria para trabalhos futuros é no campo das malhas utilizadas. Com um maior número de camadas de prisma e um maior refinamento, que promova uma expansão menos abrupta em alguns elementos da malha, os resultados seriam muito mais precisos e confiáveis. Entretanto, para isso, será necessário mais recurso computacional. Além disso, a validação do modelo através de um protótipo em túnel de vento traria mais confiança ao estudo. Por último, com mais tempo de trabalho, a análise de mais configurações traria uma noção melhor da influência de cada variação geométrica estudada.

Contudo, o trabalho mostrou uma melhoria sutil no desempenho de aeronaves dotadas de winglets para este caso em específico, o que poderia até mesmo não justificar seu uso, quando considerados o peso e custo de sua instalação. Academicamente, o projeto foi de grande importância para o entendimento do efeito dos dispositivos de ponta de asa na redução do arrasto induzido de uma aeronave, através da leitura de trabalhos anteriores e do pós-processamento das análises deste estudo. Além disso, houve um grande acumulo de conhecimento no campo das análises em CFD para aerodinâmica de alta velocidade, desde o processo de criação da geometria até a geração da malha, simulação e pós-processamento, aumentando a capacitação e preparo para indústria aeronáutica.

Referências

ATIQUE, S.A. et al. Aerodynamics of winglet: a computational fluid dynamics study. Global Science and Technology Journal, v.3, n.1, p.10-14, Mar. 2015.

BABIGIAN, R.; HAYASHIBARA, S. Computational study of the vortex wake generated by a three-dimensional wing with dihedral, taper, and sweep. In: APPLIED AERODYNAMICS CONFERENCE, 27., 2009, San Antonio, Texas. [Proceedings]... Reston: AIAA, 2009.

GUERRERO, J.E.; MAESTRO, D.; BOTTARO, A. Biomimetic spiroid winglets for lift and drag control. Complete Rendus Mécanique, v.340, n.1-2, p.67-80, Feb. 2012. Doi: 10.1016/j.crme.2011.11.007

WENTZ JUNIOR, W. H. Wind tunel tests of the GA (W)-2 airfoil wih 20% aileron, 25% slotted flap, 30% fowler flap, and 10% slot-lip spoiler. Wichita State University: Wichita, 1976. 76 p.