Controle otimizado do escoamento separado pela interferência passiva de pequenas hastes posicionadas na esteira próxima.

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2021
Autor(a) principal: Gabriel Borelli Martins
Orientador(a): Gustavo Roque da Silva Assi
Banca de defesa: Paulo José Saiz Jabardo, Marcello Augusto Faraco de Medeiros, Roberto Gil Annes da Silva, João Manuel Melo de Sousa
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade de São Paulo
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Naval e Oceânica
Departamento: Não Informado pela instituição
País: BR
Link de acesso: https://doi.org/10.11606/T.3.2021.tde-05092022-090750
Resumo: Para um país como o Brasil, em que a matriz de transporte é predominantemente rodoviária, a questão da redução do coeficiente de arrasto em veículos pesados, como ônibus e caminhões, é particularmente importante. O projeto de tais veículos deve trazer o compromisso entre o transporte do maior número de pessoas, ou da maior quantidade de mercadorias, e o menor custo de operação possível. O arrasto aerodinâmico corresponde a uma parcela significativa da resistência total ao avanço quando o transporte é feito por vias de alta velocidade. Diversas técnicas para redução do arrasto aerodinâmico têm sido desenvolvidas e estudadas ao longo dos anos. Embora métodos ativos tenham ganhado mais espaço nos últimos tempos, soluções passivas continuam sendo muito interessantes em várias situações, principalmente por causa da simplicidade e dos custos. Neste trabalho o problema foi reduzido para a análise do arrasto aerodinâmico em um degrau descendente com razão entre comprimento e altura igual a 7 e buscou-se investigar a utilização de cilindros como elementos passivos para o controle do escoamento visando ao aumento da pressão de base. A utilização de algoritmos de busca independentes de gradientes, tais quais algoritmos genéticos, mostrou-se extremamente útil para a avaliação experimental do efeito de múltiplos elementos de controle. Foi identificada forte interferência da injeção de ar na base dos cilindros nos resultados de coeficiente de pressão médio no degrau. Os resultados obtidos mostraram ser possível reduzir o arrasto aerodinâmico do corpo principal por meio de cilindros estrategicamente posicionados na região da camada de cisalhamento à jusante de corpos rombudos com ponto de separação fixo. A inserção de múltiplos elementos mostrou-se benéfica quando o agrupamento de cilindros é posicionado desalinhado em relação à direção do escoamento principal, formando um ângulo de ataque negativo, caso o agrupamento pudesse ser tratado como um corpo único. Por outro lado, estimativas mostraram que o arrasto dos elementos de controle é bastante significativo frente à redução do arrasto propiciada pelas modificações na esteira, o que pode restringir as aplicações em problemas de engenharia, como a aplicação que motivou esta tese. Embora análises adicionais sejam necessárias, medições com um anemômetro de fio quente indicam que a inserção de múltiplos cilindros faz com que o ponto de recolamento ocorra mais à jusante, com aumento do comprimento de formação de vórtices.
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O projeto de tais veículos deve trazer o compromisso entre o transporte do maior número de pessoas, ou da maior quantidade de mercadorias, e o menor custo de operação possível. O arrasto aerodinâmico corresponde a uma parcela significativa da resistência total ao avanço quando o transporte é feito por vias de alta velocidade. Diversas técnicas para redução do arrasto aerodinâmico têm sido desenvolvidas e estudadas ao longo dos anos. Embora métodos ativos tenham ganhado mais espaço nos últimos tempos, soluções passivas continuam sendo muito interessantes em várias situações, principalmente por causa da simplicidade e dos custos. Neste trabalho o problema foi reduzido para a análise do arrasto aerodinâmico em um degrau descendente com razão entre comprimento e altura igual a 7 e buscou-se investigar a utilização de cilindros como elementos passivos para o controle do escoamento visando ao aumento da pressão de base. A utilização de algoritmos de busca independentes de gradientes, tais quais algoritmos genéticos, mostrou-se extremamente útil para a avaliação experimental do efeito de múltiplos elementos de controle. Foi identificada forte interferência da injeção de ar na base dos cilindros nos resultados de coeficiente de pressão médio no degrau. Os resultados obtidos mostraram ser possível reduzir o arrasto aerodinâmico do corpo principal por meio de cilindros estrategicamente posicionados na região da camada de cisalhamento à jusante de corpos rombudos com ponto de separação fixo. A inserção de múltiplos elementos mostrou-se benéfica quando o agrupamento de cilindros é posicionado desalinhado em relação à direção do escoamento principal, formando um ângulo de ataque negativo, caso o agrupamento pudesse ser tratado como um corpo único. Por outro lado, estimativas mostraram que o arrasto dos elementos de controle é bastante significativo frente à redução do arrasto propiciada pelas modificações na esteira, o que pode restringir as aplicações em problemas de engenharia, como a aplicação que motivou esta tese. Embora análises adicionais sejam necessárias, medições com um anemômetro de fio quente indicam que a inserção de múltiplos cilindros faz com que o ponto de recolamento ocorra mais à jusante, com aumento do comprimento de formação de vórtices. Considering a country like Brazil, where the transport of people and goods is based on roads, the aerodynamic characteristics of heavy vehicles, such as buses and trucks, play an important role. The design of such vehicles should be a trade off between the number of people or products being transported and the operational costs. Therefore, the aerodynamic drag should be kept as low as possible, especially for highways. Many drag reduction techniques have been developed and studied along the years. Although active methods have been gaining attention recently, passive solutions remain very useful in many situations. In this study, the geometry was simplified and circular cylinders were positioned downstream of a backward-facing step (BFS) with aspect ratio (width/height) equals 7, aiming for base pressure recovery. Gradient-free searching methods proved to be very useful during the experiments, especially when analyzing the influence of multiple control elements. It was observed that side air injection plays an important role on the flow. The results show that it is possible to reduce aerodynamic drag of bluff bodies with fixed separation point positioning small circular cylinders in the near wake. Also, the use of multiple control cylinders properly positioned produced a further increase on BFS base pressure. If we could consider the set of cylinders a single porous body, the best results were found for negative angles of attack. On the other hand, it was shown that the drag of the control elements can be quite significant and restrict some applications, such as the one which motivated this thesis. Measurements with a hotwire anemometer shown the increase of the wake length and also the increase of the vortex formation length. https://doi.org/10.11606/T.3.2021.tde-05092022-090750info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USP2023-12-21T18:16:46Zoai:teses.usp.br:tde-05092022-090750Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212022-09-06T11:44:07Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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