Departamento de Ciências Aeroespaciais
Permanent URI for this community
Browse
Browsing Departamento de Ciências Aeroespaciais by advisor "Barata, Jorge Manuel Martins"
Now showing 1 - 10 of 19
Results Per Page
Sort Options
- A comparison of different gas turbine engines ground vortex flowsPublication . Manquinho, Pedro Alexandre Rodrigues; Barata, Jorge Manuel Martins; Silva, André Resende Rodrigues daThe design of an engine intake is very important because, it is one of the engine components that directly interface with the flow around the engine and the internal airflow. The inlet is designed to give the appropriate amount of airflow required from the free-stream conditions to the conditions required at the entrance of the compressor with minimal pressure loss by the engine1. When the pressure losses and the flow distortions are very low, the performance of the engine is optimal, and that is the reason why the airflow has to be as uniform as possible when entering into the compressor. This airflow condition is necessary in all flight configurations including when the aircraft is maneuvering on ground tasks. The intake performance depends on the mass-flow delivered to the compressor. [...]
- Distribuição de Pressão de Jatos de Impacto Através de Escoamento Cruzado do F-35BPublication . Cerdeira, Ana Teresa Sanches; Barata, Jorge Manuel MartinsUma aeronave V/STOL quando paira junto do solo ou aterra cria um escoamento tridimensional extremamente complexo entre os jatos, a superfície da própria aeronave e o solo. Devido à forte interação dos jatos de descolagem com o plano do solo, há a formação de um jato de parede que flui radialmente desde o ponto de impacto ao longo da superfície do solo e que interage com escoamentos cruzados causados por vento lateral ou pelo próprio movimento da aeronave. São várias as consequências que daí podem resultar, tais como: perdas do poder de descolagem, de sustentação e de potência dos motores devido à re-ingestão dos gases de escape e diminuição da pressão nas superfícies inferiores das asas e da fuselagem, provocando uma força de sucção do aparelho em direção ao solo. O escoamento de jatos incidentes sobre superfícies através de um escoamento cruzado está especialmente associado a este tipo de aeronaves e tem sido amplamente estudado com diversas motivações e aplicações práticas. Contudo, a maioria dos estudos realizados consideram altas alturas de impacto e baixas razões de velocidade entre o jato e o escoamento cruzado. Assim, no que diz respeito ao problema de ground effect da aeronave V/STOL, os trabalhos já efetuados não apresentam grande relevância. Devido também à complexidade das novas configurações de aeronaves V/STOL, como é o caso do F-35B, é importante continuar os estudos já realizados, nomeadamente a distribuição de pressão que permitirá compreender melhor o fenómeno de ground effect referido. Atendendo a que ainda não existem resultados publicados de medições de pressões para o caso de dois jatos incidentes alinhados com o escoamento cruzado, cuja relevância é precisamente o F-35B, esta dissertação é dedicada ao estudo experimental da distribuição de pressão de jatos de impacto através de escoamento cruzado nas partes inferiores da fuselagem e da asa do F-35B para Vj=U0 iguais a 15, 22:5 e 33:7 e para H=Dm igual a 3. Com o objetivo de complementar e comparar este estudo, é apresentada também uma simulação numérica deste escoamento. Através desta são obtidas as distribuições de pressão para as mesmas condições da experiência realizada, mas também junto ao solo. Para além disto, é mostrado o escoamento médio no plano vertical de simetria. Verifica-se maioritariamente a existência de regiões com pressões negativas e nulas. Nas regiões perto dos jatos estão presentes elevados coeficientes de pressão negativos que dão origem a uma região de sucção à volta dos jatos de impacto. Através da utilização do esquema numérico QUICK, apresentamos soluções com um grande nível de precisão numérica, já que este possibilita a obtenção de soluções independentes da dimensão da malha com um número menor de pontos do que o exigido por outros esquemas. Nas localizações dos jatos verifica-se a existência das pressões mais elevadas e as regiões de pressões negativas junto aos jatos de impacto estão associadas com o núcleo dos ground vortexes. Observa-se a formação de um ground vortex na região entre os jatos de impacto, fenómeno este que ainda não foi descrito na literatura, já que era esperado encontrar um escoamento em repuxo nesta zona para baixas alturas de impacto. Ao compararmos a forma da região de pressões negativas com a forma do ground vortex verificamos que estas são bastante semelhantes, observando-se a envolvência do jato incidente como um “cachecol”.
- Escoamento do ar em torno da Ilha do Pico e a operacionalidade do seu aeroportoPublication . Medeiros, Rui Fernando da Costa; Barata, Jorge Manuel Martins; Silva, André Resende Rodrigues daThis dissertation studies the airflow around Pico Island in the Azores and the problems it represents to the operation of aircraft at the island airport. The objective is to gain some knowledge about the characteristics of the local flow in order to indentify problematic areas that could be avoided allowing operations in weather conditions that are currently off limits due to the lack of information on phenomena related to the influence of mountains terrain in the flow. To do this, a statistical study of the wind data collected at Pico and Faial Island was carried out to find discrepancies that can be attributed to the influence that Pico Mountain has in the flow. Then, a wind tunnel visualization of the flow around the Island was conducted, the results were compared to the data collected before and to visual clues of the flow observed at the Island, in order to identify some of the characteristics of the flow, most of them know to be common in mountainous areas, under different wind directions at the airport site. With this data, some assumptions of the best runway to use and where the most problematic phenomena should be encountered in the approach areas were made.
- Estudo experimental da estrutura turbulenta da zona de colisão de um jacto de parede com uma camada limitePublication . Ribeiro, Samuel Dinis Galvão; Barata, Jorge Manuel MartinsUm dos principais requisitos de projecto que deve ser tido em consideração num avião V/STOL é o sistema propulsivo quando o avião está perto do solo em transição para voo horizontal. Perdas no poder de aterragem/descolagem podem ocorrer no avião devido à re-ingestão de gases quentes; diminuição de pressão nas superfícies inferiores da asa e da fuselagem, que sugam o avião em direcção ao solo. Os gases quentes também são responsáveis pelo aumento de temperatura nos revestimentos da asa e da fuselagem. Os efeitos acima referidos são em grande parte devido a um escoamento que na literatura inglesa é designado de “ground vortex” e que surge devido à presença de um escoamento cruzado (vento ou o próprio movimento do avião). O escoamento cruzado quando interage com o jacto de parede radial, que resulta do espraiamento do jacto incidente do avião, origina o “ground vortex”. Estudos publicados sobre este tipo de escoamento são reduzidos e os poucos que aparecem reportam este tipo de escoamento num contexto secundário, pois grande parte da análise é direccionada para o problema do jacto incidente, que tem sido estudado para diversas configurações e condições de operação. O estudo que se apresenta nesta dissertação é dedicado à identificação de parâmetros e regimes associados às instabilidades e efeitos secundários presentes no escoamento “ground vortex”. A parte mais relevante do “ground vortex” é produzido experimentalmente através de uma configuração bidimensional, resultante da interacção de um escoamento camada limite com um escoamento jacto de parede. O escoamento jacto de parede é produzido separadamente com base numa configuração bidimensional que anteriormente foi utilizada no estudo de um escoamento “repuxo”. O escoamento camada limite é produzido por um túnel de vento de sopro convencional. A interacção do escoamento jacto de parede com o escoamento camada limite dá origem a uma região com escoamento bastante curvo. Essa região pode ser estudada para diferentes razões de velocidades entre o escoamento jacto de parede e o escoamento camada limite. Esta dissertação apresenta uma análise detalhada do escoamento “ground vortex” e segue um estudo anteriormente elaborado, onde foi detectada uma pequena zona de recirculação, localizada a montante do ponto de separação, que não tinha sido reportada para este tipo de escoamento. Este estudo apresenta um conjunto de medições efectuadas com um velocímetro Laser- Doppler para uma razão de velocidades entre o escoamento camada limite e o escoamento jacto de parede de valor 2. É também feita uma análise às características do campo de velocidades médio e turbulento, incluindo uma análise às duas componentes da velocidade, ou seja, a componente vertical e a componente horizontal. Os resultados mostraram a possível presença de um pequeno escoamento vórtice localizado a montante do ponto de separação. Na zona de separação, onde provavelmente está o pequeno escoamento vórtice, foram identificados espectros de energia com a presença de uma pequena “bossa”, que está localizada numa largura de banda de baixas frequências, indicando a existência de concentração de energia turbulenta instável nesta zona. A sequência encontrada para o desenvolvimento do vórtice secundário situado perto do ponto de separação da zona de colisão, através de estudos de visualização, pode ser interpretada como uma oscilação da zona de separação ou também por uma oscilação na origem virtual do escoamento deflectido. A presença de diagramas bimodais na componente horizontal da velocidade média localizados na zona de separação, confirma o comportamento de oscilação. Apesar da estrutura turbulenta na zona de separação apresentar um comportamento instável, os espectros de energia analisados para a componente horizontal da velocidade média, não revelaram a presença de picos de amplitude significativa na frequência. Contudo na zona central onde o escoamento é deflectido, ou seja, na zona de repuxo onde a componente vertical da velocidade média atinge os seus máximos, foram identificados casos pontuais com picos de energia distintos.
- Estudo numérico de uma asa CDG para fórmula 1Publication . Correia, João P. S.; Barata, Jorge Manuel MartinsA Fórmula 1 é um desporto motorizado onde a aerodinâmica desempenha um importante papel, obrigando a que as equipas gastem milhões de dólares anualmente de modo a garantirem uma vantagem em relação aos seus adversários, sendo a aerodinâmica uma das áreas chave para garantir o sucesso. Com este trabalho pretende-se analisar e optimizar, em determinadas condições, uma nova asa imposta pela Federação Internacional do Automóvel, que deverá ser introduzida na temporada de 2009. Os testes foram efectuados computacionalmente, simulando condições próximas das que se verificam em três dos Grandes Prémios do Campeonato Mundial de Fórmula 1. Em particular foram analisadas diversas posições da asa CDG, assim como diversas configurações possíveis e condições de funcionamento. Verificou-se que o posicionamento da asa CDG próximo da roda traseira traduz-se num aumento da força aerodinâmica descendente criada pela asa, assim como numa diminuição significativa da esteira produzida, diminuindo o seu efeito no desempenho aerodinâmico de um veículo seguidor.
- Estudo numérico do processo de mistura de jactos coaxiais confinadosPublication . Neves, Fernando Manuel da Silva Pereira das; Barata, Jorge Manuel MartinsA mistura turbulenta de jactos coaxiais confinados é um complexo processo dinâmico com muitas aplicações práticas, como em ejectores, bombas a jacto, queimadores industriais, câmaras de combustão de motores a jacto, foguetes nucleares gasosos, câmaras de mistura, afterburners1, motores turbofan. Nestas últimas aplicações, o confinamento é também de interesse fundamental, porque envolve certos fenómenos de interacção de escoamentos turbulentos, cujos detalhes não estão ainda quantitativamente completamente entendidos. Tem havido estudos do comportamento aerodinâmico de jactos coaxiais em diferentes tipos de geométricas e com diferentes parâmetros operacionais com diferentes motivações. Enquanto que uma larga escala de relações de diâmetros foi investigada no passado, praticamente não há registo de trabalhos para diâmetros inferiores a 2, que é o caso dos motores turbofan com muito baixo bypass2, com razões de bypass de 0.3 ou inferior. Recentemente, foram publicadas algumas medidas detalhadas, obtidas com LDV (Velocimetria Laser) de velocidades médias e intensidade de turbulência, bem como a pressão estática e total acerca desta gama de razões de velocidade com relevância no presente contexto. Contudo, para além da influência das razões de velocidade no processo de mistura turbulenta, existem muitos outros parâmetros que influenciam o processo de mistura turbulenta. Este trabalho é dedicado ao estudo do efeito dos níveis da turbulência inicial no processo de mistura turbulenta dos jactos coaxiais confinados, que recebeu pouca atenção no passado. Os resultados mostram que o efeito da variação da intensidade de turbulência do jacto interior está associado a um padrão de distribuição da energia cinética turbulenta, k, que é praticamente constante, havendo o aparecimento de uma zona de recirculação numa localização praticamente constante a jusante. No caso do efeito da variação da intensidade de turbulência do jacto exterior, a zona de recirculação muda de posição e recua até ao desaparecimento no limite máximo, ou seja, a variação do jacto exterior tem muita influência, predomina.
- Evaluation of numerical variable density approach to cryogenic jetsPublication . Antunes, Eduardo Luís Santos Farias; Barata, Jorge Manuel MartinsO presente trabalho dedica-se ao estudo de jactos de azoto líquido criogênico em condições subcríticas perto do ponto crítico. A injecção de combustível é um dos maiores desafios actuais na engenharia de motores diesel, turbinas de gás e motores de foguete, com a complexidade extra de nestes últimos se combinar também a injecção de comburente. É amplamente conhecido que o aumento das pressões e temperaturas de operação aumenta a eficiências dos motores e reduz o consumo específico. Assim, existe a tendência de um aumento generalizado das pressões de operação em motores modernos. No entanto elevadas pressões de operação na câmara de combustão têm como consequência a exposição dos fluidos a condições que excedem os valores críticos. Vários autores concluíram que nestas condições os fluidos injectados sofrem variações nas suas propriedades que levam a que os modelos tradicionais de escoamentos com duas fases não consigam modelar correctamente o comportamento do jacto, assim são precisos novos modelos computacionais para estas condições específicas. Barata et al. [18] realizaram uma investigação numérica com o intuito de avaliar a aplicabilidade do modelo de gases de densidade variável em jactos líquidos em condições sub e supercríticas. Os resultados de Barata et al. [18] revelaram uma boa concordância com os dados experimentais, mas apenas foram consideradas razões de densidade intermédias de 0.05 a 0.14. O objectivo do presente trabalho é o de estender as investigações de Ref. 18 a razões de densidades mais baixas entre 0.025 e 0.045 que correspondem a casos de pressões subcríticas da câmara de injecção e determinar o limite de aplicabilidade do modelo de gases de densidade variável. Os resultados obtidos estão em concordância com os dados experimentais e numéricos obtidos por Chehroudi et al. apresentados em Ref. 18. Neste trabalho verificou-se também que o modelo computacional usado não oferece resultados validos para razões de densidade abaixo de 0.025 identificando-se assim o limite de aplicabilidade do modelo de gases de densidade variável.
- Experimental study of twin air impinging jetsPublication . Meireles, Pedro M. S.; Barata, Jorge Manuel Martins; Silva, André Resende Rodrigues daThis work is devoted to the visualization and characterization of twin air jet flow when impinging vertically to a solid surface, which is important to understand the phenomenon relevant to Vertical/Short Take-Of and Landing (V/STOL) type of aircraft when they are operating on short distances from the ground, landing or taking-off, and could be helpful to improve the performance and stability of this kind of aircrafts. The major concern of this work is characterizing the fountain upwash region, which is a distinctive fan-shape flow that is formed on the collision region. The parameters analysed on this work are the separation distance between the jets and the jet height. Have been observed significant changes in the flow pattern and properties in the fountain upwash region due to the changes in the parameter studied. To be possible the realization of this work an experimental facility has been built. The facility supports an adjustable mechanical system which can accommodate twin stainless steel barrels with different diameters, which are the jets. Within this mechanical system, the barrels horizontal distance and height can be independently adjusted. The working fluid is the air, and to be possible the flow visualization a seeding generator have been projected and built. The flow visualization has been supported by an algorithm developed on the “Image Processing toolbox of Matlab” software, where have been made the post processing of the images.
- Gas turbine engines ground vortex flowsPublication . Manquinho, Pedro Alexandre Rodrigues; Barata, Jorge Manuel MartinsWhen an aero-engine is operating near the ground at low aircraft speeds, high thrust and exposed to a crosswind the formation of a potent inlet ground vortex can arise. This structure create significant pressures losses and flow distortions and is swallowed by the engine. As a consequence, fan efficiency and thrust are severely affected and compressor surge may also occur. Inlet ground vortices are the cause of major foreign object damage (FOD) due to the ingestion of rocks, sand and other debris. The ingestion of foreign objects can cause notable damage to engine components as well as overall performance degradation. In the present work the flow fields for a full-scale aero-engine have been simulated for a range of ground clearances, engine diameters and intake velocity ratios under crosswind conditions. The aim of this study is to better understand the ground vortex inlet mechanisms supplying new information to foster vortex avoidance techniques. This work has shown large low pressure regions in front of the engine face for different engine-velocity/ratio-clearance distance combinations that extend to the ground especially where the vortex coalesces. There are two areas of no vortex as a function of h/Di and𝑈𝑖/𝑈∞ . The first is the anticipated frontier (threshold) between the regions vortex/no vortex, but a second one was detected for high values of 𝑈𝑖/𝑈∞ (𝑈𝑖/𝑈∞ >50.00) that had not been mentioned in previous works. The inlet ground vortex mechanism is a very complex one which should be further investigated, and experimental works are desirable.
- Modelling of spray-wall impingementPublication . Rodrigues, Christian Michel Gomes; Silva, André Resende Rodrigues da; Barata, Jorge Manuel MartinsWhen a drop collides with an interposed surface, three phases are usually involved: liquid (the drop), solid (the substrate) and gas (the surrounding environment). Such an event involves a number of parameters associated with the physical characteristics of the incident particles, the properties of the target surface, and the natural features of the air flow. Each occurrence leads to a singular outcome, since each particle experiences a different reality throughout the injection cycle. Therefore, the development of appropriate modelling strategies of this complex multi-phase flow requires a thorough understanding of the mechanisms underlying the spray impingement process. Several computational models have been reported in the open literature, although not always successfully. From these, only a few have attempted to replicate the more intricate scenarios that include the formation and development of a liquid film over the surface due to the deposition of previously injected particles, the presence of a high velocity cross-flowing gas, and the thermal effects promoted by the existence of hot walls. Even though these elements are some of the more influential parameters affecting the final outcome of spray-wall impacts, most of the simulations still neglect some of them in their formulation. Therefore, in order to capture the majority of the physical phenomena observed in experimental studies, CFD codes must be equipped with superior mathematical formulations. During the present doctoral research, three independent computational extensions have been devised and integrated into the model used by our research group to simulate spray-wall interactions. The upgrades — that have been proposed over the course of the study — have been denominated as the liquid film, evaporation and breakup sub-models. They are intended to complement the basic mathematical formulation adopted in the original simulation procedure. This approach has contributed to enhance the prediction capabilities of the model, since it is now capable of capturing some phenomena that were not considered previously. On the other hand, it has also extended the range of applicability of the CFD code to a new set of impact conditions (i.e., in hot environments and with a high velocity crossflow). Furthermore, the present work provides a detailed analysis of the results obtained, with major emphasis given to the disintegration mechanisms and secondary droplet characteristics. Both quantitative and qualitative comparisons between computational and experimental results are presented. When pertinent, the impact of a particular sub-model onto the outcome predicted is also evaluated by comparing the versions of the model with and without the corresponding computational extension. Moreover, a systematic approach is adopted at each section to infer the influence of different parameters on the final outcome. This methodology has been decisive to better understand the factors affecting the phenomena occurring during impact.