Simulação numérica e análise de estabilidade modal para sistemas aeroelásticos sujeitos a rotação. - Santiago Peron, Victor Hugo (2024)
A evolução da engenharia moderna permite e exige o desenvolvimento de ciências multifísicas, que combinam mais de um campo do conhecimento, buscando projetos e design otimizados. A investigação de sistemas de interação fluido-estrutura segue essa premissa e a execução de simulações numéricas e análise de estabilidade são atualmente métodos altamente eficientes para prever tendências comportamentais desses sistemas. Este estudo visa aprimorar a metodologia dessa classe de análise, anteriormente usada para sistemas aeroelásticos sob vibrações transversais, e promover alterações para investigar seu comportamento em sistemas sujeitos a movimentos angulares. Este trabalho avalia instabilidades aeroelásticas que levam ao galope torcional, assim como outras instabilidades harmônicas que podem ocorrer. Esta pesquisa emprega o método de elementos espectrais/hp, derivado tanto do método de elementos finitos quanto do método espectral, devido `a sua alta capacidade de lidar com geometrias complexas, sua possibilidade de convergência p para soluções suaves e baixos erros de dispersão numérica. Adaptações foram realizadas no software de código aberto Nektar++ para alcançar os resultados desejados. As simulações numéricas mostram que, embora hajam limitações, existem vantagens na previsão de instabilidades rotacionais. Para sistemas desacoplados e amortecidos, no entanto, ocorreram fenômenos mais interessantes, caracterizando comportamentos diferentes com variações no número de Reynolds. Também foi possível comparar e validar o critério quasi-estático de Den-Hartog para galope rotacional e definir que ele também funciona para instabilidades harmônicas rotacionais. Análises de estabilidade modal foram realizadas e o comportamento em função do número de Reynolds foi caracterizado, bem como a comparação das frequências de oscilação com as simulações não lineares. As simulações harmônicas, embora diferentes, apresentam limiares semelhantes ao galope e os mecanismos propostos para analisar o comportamento funcionaram. Além disso, foi possível caracterizar a perturbação que leva às instabilidades rotacionais como a influência do desprendimento de vórtices no coeficiente de torque de pressão, o que leva a uma competição entre o coeficiente de torque de pressão médio e o coeficiente de torque de meia amplitude, gerando os regimes harmônicos oscilatórios intermediários. Essas instabilidades foram melhor caracterizadas e o galope foi definido como o limite para estas instabilidades para altos valores de Reynolds, após uma compreensão abrangente dos fenômenos.