Departamento de Ciências Aeroespaciais
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Browsing Departamento de Ciências Aeroespaciais by Field of Science and Technology (FOS) "Engenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e Tecnologias"
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- 3D CFD Simulation of a Cold Flow Four-Stroke Opposed Piston EnginePublication . Gonçalves, Robert Silva; Brojo, Francisco Miguel Ribeiro ProençaA CFD simulation of a four-stroke opposed piston engine has been performed. It is intended to evaluate the overall behavior and properties of in-cylinder flow, in a way that its use comercialy can be achieved. Due to the inherent characteristics of an opposed piston engine, it is necessary to dimension the model, using as reference the Jumo 205E engine: both valves, as well as the combustion chamber and both exhaust and admission ports. A combustion chamber adjacent to the cylinder zone is placed in order to fit both valves. The commercial software Fluent 14.0 is used to perform the numerical calculations. Due to the complexity of this study, mostly because of the existence of moving parts, the use o dynamic meshing is necessary. The viscous model is Standard K-E; the port entry and exit are defined as pressure-inlet and pressureoutlet, respectively. PISO and PRESTO! are the chosen methods for pressure-velocity coupling and pressure space discretization, respectively. The final results obtained were far from the expected, mainly due to the inadequate behavior and properties of the fluid within the cylinder and ports.
- 4D Fuel Optimal Trajectory Generation from Waypoint NetworksPublication . Ahmed, Kawser; Bousson, KouamanaThe purpose of this thesis is to develop a trajectory optimization algorithm that finds a fuel optimal trajectory from 4D waypoint networks, where the arrival time is specified for each waypoint in the network. Generating optimal aircraft trajectory that minimizes fuel burn and associated environmental emissions helps the aviation industry cope with increasing fuel costs and reduce aviation induced climate change, as CO2 is directly related to the amount of fuel burned, therefore reduction in fuel burn implies a reduction in CO2 emissions as well. A single source shortest path algorithm is presented to generate the optimal aircraft trajectory that minimizes the total fuel burn between the initial and final waypoint in pre-defined 4D waypoint networks. In this work the 4D waypoint networks only consist of waypoints for climb, cruise and descent phases of the flight without the takeoff and landing approach. The fuel optimal trajectory is generated for three different lengths of flights (short, medium and long haul flight) for two different commercial aircraft considering no wind. The Results about the presented applications show that by flying a fuel optimal trajectory, which was found by implying a single source shortest path algorithm (Dijkstra’s algorithm) can lead to reduction of average fuel burn of international flights by 2.8% of the total trip fuel. By using the same algorithm in 4D waypoints networks it is also possible to generate an optimal trajectory that minimizes the flight time. By flying this trajectory average of 2.6% of total travel time can be saved, depends on the trip length and aircraft types.
- Adaptação de injeção eletrónica em motor alternativo de carburadorPublication . Teixeira, Fabio Paulo Fernandes; Brojo, Francisco Miguel Ribeiro ProençaO presente trabalho teve como objetivo principal a substituição do carburador por injeção eletrónica num motor Honda Gx120, com a finalidade de diminuir o consumo específico do mesmo. Este motor equipou o veículo de baixo consumo da equipa responsável pelo projeto UBICAR, do Departamento de Engenharia Eletromecânica da Universidade da Beira Interior, que participou na prova Shell Eco Marathon. Para a realização deste projeto foi necessário realizar alguns estudos a fim de perceber qual as melhores adaptações e componentes a utilizar no motor, obtendo o máximo rendimento possível. Posto isto, procedeu-se as alterações necessárias no motor para aplicação dos componentes essenciais ao funcionamento do mesmo. Foi ainda elaborado um banco de ensaios mecânico a fim de testar o desempenho do motor já alterado, servindo este também para testar motores até 500cc. Por fim realizaram-se testes na prova Shell Eco Marathon e no banco de ensaios onde se retiraram valores de potência, binário e consumo específico.
- Airport Accessibility and Mobility: Infrastructures, Services and Perception of Passengers with Reduced MobilityPublication . Gaspar, Sofia Raquel da Silva; Silva, Jorge Miguel dos ReisThe aviation industry has changed considerably since the 70s to the present. With the liberalization of the airspace, first in the United States and then in Europe, there was the opportunity for the entry of new airlines with new types of offer. However, the quality of services provided to passengers with reduced mobility has not improved as much as the quality of services provided to passengers without disabilities. The right to accessibility is something that should assist all citizens. Transportation systems, in particular air transport, present some obstacles to passengers with reduced mobility, although there is legislation requiring the adaptation of airport infrastructures and aircraft for the safe and comfortable transportation of these passengers. A demographic analysis focusing on the average life expectancy allowed to establish that due to the increase of the world population and to the aging process, the percentage of people with reduced mobility is expected to increase significantly in the coming years, becoming this a significant target-population that demands and justifies the investment in the air transport accessibility. Although there already are some changes in services and airport facilities, this tendency should be expanded to all the airports. The present study aimed to explore the service needs of passengers with reduced mobility and identify factors that inhibit them to travel in this type of transport. Therefore, an analysis of various documents regarding these passengers' experience within the airport, since the airport entrance accesses to all the inside facilities, was developed to identify the main obstacles that compromise their rights. It was found that the terminals and their points of boarding and deplaning of the aircraft are the major obstacles in the land-air interface, as well as the use of services at the airport, which are always dependent on the help of a third person, compromising the passenger right to autonomy. In summary, this work is trying to improve air transport accessibility, through an analysis of the current situation.
- Alteração do regime nominal de um motor a pistãoPublication . Vieira, Carlos Miguel Correia Nóbrega; Brojo, Francisco Miguel Ribeiro ProençaO presente trabalho teve como objectivo principal o estudo de um motor de pequena cilindrada, nomeadamente o motor Gx22, de forma a verificar se seria possível a transformação do mesmo para utilização num UAV. Para o estudo da previsão de desempenho do motor foram efectuadas medições, que posteriormente foram utilizadas nos programas de simulação Cam Analyzer e Engine Analyzer, que permitiram simular um banco de ensaios, permitindo obter as curvas características do motor antes e após a mudança de vários parâmetros/variáveis, tais como o desenho da árvore de cames, os valores máximos de abertura das válvulas, o seu tempo de abertura e fecho, o diâmetro das válvulas e a massa específica do ar na compressão. Pelos resultados obtidos foi possível verificar que, com base nas simulações efectuadas, a modificação do motor seria possível e traria benefícios a nível do rendimento e consumo.
- Alternative Liquid Fuels for Aviation Gas Turbines: Experiments and ModellingPublication . Ferrão, Inês Alexandra dos Santos ; Silva, André Resende Rodrigues; Moita, Ana Sofia Oliveira Henriques; Mendes, Miguel Abreu AlmeidaAir transport plays a crucial role in globalization, connecting people and businesses worldwide. Nonetheless, its reliance on fossil fuels significantly contributes to greenhouse gas emissions and pollution. The continuous growth of this sector, alongside the environmental issues and the depletion of fossil fuels, has promoted the investigation of alternative and sustainable energy sources that could supply the aviation industry. Biofuels, drop-in fuels, are considered a promising alternative since they can offer carbon neutrality and substantially further reduction of pollutant emissions, leading to an attractive replacement for conventional jet fuel. Besides reducing dependence on fossil fuel and offering cleaner combustion, many challenges remain regarding biomass availability, process cost, and fuel properties like energy content, viscosity, and volatility. One of the ways to improve the performance of biofuels could be the addition of nanoparticles. This new fuel generation is noted as nanofuels centered on dispersing nanoparticles stably suspended in conventional liquid fuels. In particular, metallic nanoparticles have shown increased fuel energy density, enhancements in combustion rates, reduced ignition delay and fuel consumption, and decreased emissions. According to the previous discussion, the present study investigates the influence of metallic particles on sustainable aviation fuel. This fundamental study initially focuses on nanofuel preparation and stability to address its potential use in real applications. Several preparation approaches are suggested to maintain the stability of nanofuels, particularly for high particle concentrations. Following this, both experimental and numerical investigations are conducted on the combustion of a single droplet, exploring several furnace temperatures, particle sizes, and concentrations. In light of this, the droplet size evolution, disruptive burning phenomena, and potential mechanisms that affect nanofuel combustion are discussed. The experiments conducted in a drop tube furnace suggest that nanoparticle addition promotes the appearance of disruptive burning phenomena regardless of the furnace temperature and particle and size concentrations. In addition, a departure from the D2 -law is noticed, affecting the droplet burning rate. Based on this, the addition of nanoparticles to a liquid fuel is numerically studied. Subsequently, an experimental analysis of the spray under non reacting conditions is performed. An experimental facility was developed using a commercial air-assisted atomizer with external mixing to ease the operation of nanofuels. Imaging and Phase-Doppler Interferometer techniques were used to understand the breakup length, spray cone angle and droplet size, and velocity distributions for several air-fuel ratios. The findings suggest that in terms of single droplet combustion, the addition of nanoparticles possesses a beneficial role, whereas, in atomization, an adverse impact is observed, particularly when the particle concentration is increased. Finally, the development of a laboratory combustion chamber for liquid fuels is discussed. An experimental setup was designed and constructed, which plays a significant role in researching alternative and sustainable fuels.
- Análise de Risco de Aeroportos Operados pela euroAtlantic AirwaysPublication . Pena, Filipe Miguel Gomes; Saúde, José Manuel Mota Lourenço da; Santos, Jorge Esteves dosExiste muita discussão na indústria da aviação sobre os Sistemas de Gestão de Segurança Operacional (Safety Management System) e como eles devem ser integrados em todos os domínios da indústria, incluindo a produção, design de aeronaves, operações de voo, aeroportos, manutenção, e por aí adiante (Johnson, 2012). O objetivo desta dissertação é avaliar os riscos e implementar medidas de mitigação em aeroportos operados pela euroAtlantic Airways, de forma a ser possível aplicar as normas impostas pelo Safety Management System (SMS). Neste trabalho é identificado, para cada aeródromo, as características que possam comprometer ou congestionar as operações, sendo uma ferramenta importante para que as tripulações possam saber que ações devem tomar já com alguma precedência. Características essas que poderão ir desde existência de uma elevada atividade de aves na região do aeródromo, climas adversos, obstáculos, métodos de aproximação, localização da pista, comprimento ou largura de pista, categoria de combate a incêndio, etc. Neste contexto, é efetuada, uma análise aos eventos de nível 3 existentes no sistema Flight Data Monitoring (FDM) e aos reportes do software IQSMS de ocorrências para os respetivos aeroportos, para as condições de voo de aproximação e aterragem, bem como para a descolagem. Os resultados mostram que a maior tendência para os eventos ocorridos, nas condições de voo em estudo, são os parâmetros da velocidade e ângulo de arfagem. Esta tendência é mais visível em aeródromos com maior afluência devido às ordem do ATC para proceder a movimentações mais rápidas de forma a escoar a maior quantidade de tráfego possível. A euroAtlantic Airways possui uma operação muito diversificada. Devido a este tipo de operações é normal ocorrerem muitos eventos devido à falta de “hábito” das tripulações em operarem para e de certos aeroportos. Dessa forma há a necessidade de analisar as tendências para alguns destinos de forma a reduzir esses eventos que poderão levar a execução de manutenções ou outras situações mais graves.
- Avaliação em Voo das Características de uma Asa de Envergadura VariávelPublication . Sousa, Joaquim Vasconcelos Reinolds de; Gamboa, Pedro VieiraO presente documento descreve o trabalho desenvolvido relativo à instrumentação e ensaios de voo de avaliação do desempenho aerodinâmico do veículo aéreo não tripulado (Unmanned Aerial Vehicle – UAV) desenvolvido no Departamento de Ciências Aeroespaciais (DCA) da Universidade da Beira Interior. Este UAV, denominado Olharapo, possui duas configurações diferentes: a primeira com uma asa convencional fixa instalada e outra com uma asa morphing de envergadura variável (VSW). Diversos sistemas de voo, tais como um sistema First Person View (FPV), um sistema de rádio controlo de longo alcance e um piloto automático, foram incorporados de forma a adquirir toda a informação essencial para a determinação da eficiência aerodinâmica de ambas as asas e para permitir o controlo e comunicações em tempo real. Para validar de forma segura a integração de todos estes sistemas, foi utilizado um aeromodelo denominado Skywalker. Após diversos testes de voo com este aeromodelo, verificou-se que todos os sistemas funcionaram da forma pretendida, permitindo assim a sua instalação no UAV Olharapo. Foram realizados diversos voos direcionados para a determinação do desempenho aerodinâmico, onde se obteve uma curva de eficiência aerodinâmica bem definida para o UAV com a asa convencional instalada. A razão de planeio máxima atingida com esta asa foi de 10 para uma velocidade correspondente de 15.4 m/s e coeficiente de sustentação (CL) de 0.71. Em relação à VSW, três configurações distintas de envergadura foram ensaiadas, sendo uma configuração de envergadura máxima de 2.5m, uma configuração intermédia de 2m e uma configuração de envergadura mínima de 1.5m. Apesar de não existir ainda informação suficiente que caracterize a curva de eficiência da VSW, duas principais zonas de pontos de eficiência foram observadas. Para a configuração de envergadura máxima, obteve-se uma razão de planeio de 8.5 a uma velocidade correspondente de 15 m/s e CL de 0.67. Em relação à configuração de envergadura intermédia, foi possível constatar que para baixos coeficientes de sustentação, a razão de planeio tendia para os mesmos valores obtidos para o UAV com a asa convencional instalada. Tal facto pode levar à conclusão que a determinado momento, a eficiência aerodinâmica da VSW possa ultrapassar a da asa convencional. De forma a caracterizar na sua plenitude a eficiência aerodinâmica do UAV com a VSW instalada, deverão ser realizados um maior número de ensaios de voo, particularmente com baixos coeficientes de sustentação.
- Calibration and data processing of fast-response virtual three-hole probesPublication . Ferreira, Tânia Sofia Cação; Brojo, Francisco Miguel Ribeiro Proença; Lavagnoli, SergioFast response pressure probes are a robust measurement technique to characterize time-resolved unsteady flow in turbomachinery. An extensive data-processing is necessary to fabricate the appropriate and crucial calibration data for the intended flow quantities range. Final aerodynamic calibration is available due to post processing of static and angular calibration data of nine fast response probes with two different transducer devices. Finally, an uncertainty analysis of pressure and sensor angle errors as well as pitch angle effect is made recurring to pressure values from angular calibration data.
- Caracterização em tempo real de trajetórias orbitais de mísseis balísticosPublication . Moreira, António José Rosendo; Bousson, KouamanaOs mísseis balísticos são uma ameaça em crescimento para populações, territórios e forças militares destacadas em todo o planeta. Mais de trinta países possuem, ou estão a adquirir tecnologia balística que, poderá, eventualmente, ser utilizada não só para o transporte de ogivas convencionais, mas também de armas de destruição maciça. A proliferação deste tipo de capacidade incentiva que este problema seja, cada vez mais, tido em conta no planeamento de um programa de Defesa. Neste sentido, surge a necessidade de desenvolver métodos que, de algum modo, permitam combater esta ameaça, como é exemplo a caracterização em tempo real de trajetórias orbitais de mísseis balísticos descrita no presente trabalho. Através da implementação do algoritmo de Butcher é simulada a propagação do estado de um míssil em voo exo-atmosférico, o qual é detetado através de um sensor cuja localização é bem conhecida. As medições, compostas por uma distância e dois ângulos, são introduzidas no filtro de Kalman, por forma a atenuar os efeitos das perturbações existentes. Através da resolução de um problema de valores próprios é determinada a equação do plano no qual se encontra a órbita, i.e., plano orbital. Utilizando as coordenadas da nuvem de pontos obtida através do filtro de Kalman, em relação a um referencial pertencente ao plano orbital, a equação da curva cónica correspondente à trajetória do míssil é determinada. Equacionando este problema como uma otimização não linear através do comando FMINCON, é possível restringir o resultado a uma elipse. Admitindo um conjunto de condições iniciais (posição e velocidade) e, realizando a parametrização da equação geral de uma superfície cónica, foi possível obter uma órbita elítica com um válido conjunto de características, incluindo os semieixos maior e menor, coordenadas Cartesianas do centro, inclinação do plano orbital, excentricidade, entre outras. O míssil balístico é detetado pela primeira vez sobre Portugal e, possui como zona de impacto o Pólo Norte. Embora o conhecimento deste tipo de informação não seja suficiente num teatro de Defesa de mísseis balísticos, o modelo apresentado abre a possibilidade da sua implementação na previsão de trajetórias orbitais e na determinação do ponto de lançamento de mísseis balísticos.