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Abstract(s)
The study of oscillating airfoils is the centerpiece for the biomimetization of flight, exploring
newer energy-extracting devices, and improving rotor blade design. Typically, these are affected
by highly nonlinear aerodynamic effects, which in most cases, still require substantial
research regarding the aerodynamics and parameters that govern these systems.
The present investigation looks into some of these topics by scrutinizing two primary fronts:
the propulsive enhancement and the dynamic stall mitigation of flapping airfoils. After a
comprehensive review of past investigations, the current work proposes a newer airfoil, the
NACA0012-IK30 airfoil, that introduces the concept of dynamic curvature. This bioinspired
concept is applied to the conventional NACA0012, producing an innovative geometry by dividing
the airfoil into two parts, where we can deflect the leading edge independently from
the rest of the airfoil. This newer design went through parametrical and optimal analysis
by employing a diverse set of experimental and numerical methodologies, divided into two
domains: lower Reynolds number, where the propulsive capabilities are studied, and higher
Reynolds number, where dynamic stall mitigation is explored.
At the lower spectrum of the Reynolds number, results show that the activation of the leading
edge offered by the IK30 mechanism demonstrated the ability to improve considerably
the propulsive power and efficiency. When comparing the proposed geometry with standard
flapping, it is clear that the suggested design can provide optimal thrust with near-optimal
propulsive efficiency, something unachievable in traditional flapping. Results obtained at the
higher range of the Reynolds number, where the IK30 mechanism functions with dynamic
stall mitigation purposes, show the adequacy of the proposed geometry under different plunging
and pitching conditions. When correctly deflecting the leading edge, the aerodynamic
stall experienced both in static and dynamic conditions can be mitigated or even eradicated,
leading to significant drag reductions and modest lift enhancements.
While the present study yielded encouraging results, the IK30 mechanism and the broad concept
of dynamic curvature need to be the focus of further research. Using newer technologies,
for instance, continuous camber morphing, coupled with ingenious kinematics, will allow us
to explore newer pathways to extend our knowledge and exploit the aerodynamics of unsteady
airfoils.
O estudo de perfis alares oscilantes é a peça central para a biomimetização do voo, explorar novos sistemas de extração energética e para melhorar o projeto de pás de rotores. Tipicamente, estes sistemas são caracterizados por efeitos aerodinâmicos altamente não lineares, que na maioria dos casos, ainda necessita de uma profunda investigação no que diz respeito à aerodinâmica e aos parâmetros que governam estes sistemas. Esta investigação debruça-se em alguns destes temas, escrutinando-os em duas frentes: a melhoria propulsiva e a mitigação da perda dinâmica de perfis alares oscilantes. Após uma longa revisão de estudos anteriores, o presente projeto propõe um novo perfil alar, designado por NACA0012-IK30, que introduz o conceito de curvatura dinâmica. Este conceito bioinspirado é aplicado ao conhecido perfil NACA0012, produzindo uma geometria inovadora que divide o referido perfil em duas partes, onde existe a possibilidade de defletir o bordo de ataque de forma independente do resto do perfil alar. Este novo sistema passou por um conjunto de análises paramétricas e ótimas através de várias metodologias experimentais e numéricas, que se dividem em duas partes: estudos num número de Reynolds mais baixo, onde as capacidades propulsivas são estudadas, e num número de Reynolds mais elevado, onde a mitigação da perda dinâmica é explorada. Na parte inferior do espectro do número de Reynolds, os resultados demonstram que a ativação do bordo de ataque oferecida pelo mecanismo IK30, demonstrou a habilidade de aumentar consideravelmente a potência propulsiva e eficiência. Ao comparar a geometria proposta com o movimento de oscilação tradicionalmente estudado na literatura, tornou-se óbvio que o mecanismo proposto pode oferecer tração máxima com uma eficiência propulsiva quase ótima, algo que é totalmente inconcebível em movimentos oscilantes tradicionais. Os resultados obtidos na gama superior do número de Reynolds, onde o sistema proposto foi utilizado como recurso de mitigação da perda dinâmica, mostram a eficácia do mecanismo quando sujeito a diferentes movimentos de translação e rotação. Ao usar corretamente o sistema IK30, a perda dinâmica experienciada em condições permanentes e transientes conseguiu ser mitigada ou até mesmo erradicada, o que proporcionou reduções consideráveis na resistência aerodinâmica e aumentos notáveis na sustentação produzida. Embora o presente estudo tenha mostrado resultados interessantes, o sistema proposto, em conjunto com o conceito amplo de curvatura dinâmica, deverá ser estudado profundamente. Ao juntar novas tecnologias, como por exemplo, a deformação contínua da curvatura acoplada a novas cinemáticas, poderemos explorar novos caminhos que estenderão o nosso conhecimento e aproveitamento da aerodinâmica de perfis alares oscilantes.
O estudo de perfis alares oscilantes é a peça central para a biomimetização do voo, explorar novos sistemas de extração energética e para melhorar o projeto de pás de rotores. Tipicamente, estes sistemas são caracterizados por efeitos aerodinâmicos altamente não lineares, que na maioria dos casos, ainda necessita de uma profunda investigação no que diz respeito à aerodinâmica e aos parâmetros que governam estes sistemas. Esta investigação debruça-se em alguns destes temas, escrutinando-os em duas frentes: a melhoria propulsiva e a mitigação da perda dinâmica de perfis alares oscilantes. Após uma longa revisão de estudos anteriores, o presente projeto propõe um novo perfil alar, designado por NACA0012-IK30, que introduz o conceito de curvatura dinâmica. Este conceito bioinspirado é aplicado ao conhecido perfil NACA0012, produzindo uma geometria inovadora que divide o referido perfil em duas partes, onde existe a possibilidade de defletir o bordo de ataque de forma independente do resto do perfil alar. Este novo sistema passou por um conjunto de análises paramétricas e ótimas através de várias metodologias experimentais e numéricas, que se dividem em duas partes: estudos num número de Reynolds mais baixo, onde as capacidades propulsivas são estudadas, e num número de Reynolds mais elevado, onde a mitigação da perda dinâmica é explorada. Na parte inferior do espectro do número de Reynolds, os resultados demonstram que a ativação do bordo de ataque oferecida pelo mecanismo IK30, demonstrou a habilidade de aumentar consideravelmente a potência propulsiva e eficiência. Ao comparar a geometria proposta com o movimento de oscilação tradicionalmente estudado na literatura, tornou-se óbvio que o mecanismo proposto pode oferecer tração máxima com uma eficiência propulsiva quase ótima, algo que é totalmente inconcebível em movimentos oscilantes tradicionais. Os resultados obtidos na gama superior do número de Reynolds, onde o sistema proposto foi utilizado como recurso de mitigação da perda dinâmica, mostram a eficácia do mecanismo quando sujeito a diferentes movimentos de translação e rotação. Ao usar corretamente o sistema IK30, a perda dinâmica experienciada em condições permanentes e transientes conseguiu ser mitigada ou até mesmo erradicada, o que proporcionou reduções consideráveis na resistência aerodinâmica e aumentos notáveis na sustentação produzida. Embora o presente estudo tenha mostrado resultados interessantes, o sistema proposto, em conjunto com o conceito amplo de curvatura dinâmica, deverá ser estudado profundamente. Ao juntar novas tecnologias, como por exemplo, a deformação contínua da curvatura acoplada a novas cinemáticas, poderemos explorar novos caminhos que estenderão o nosso conhecimento e aproveitamento da aerodinâmica de perfis alares oscilantes.
Description
Keywords
Perfis Alares Oscilantes Bordo de Ataque Móvel Otimização Aumento Propulsivo Mitigação de Perda Dinâmica Flapping Airfoils Movable Leading Edge