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Best practice guidelines in external aerodynamics CFD: applied to unmanned aerial vehicles at cruise conditions

2016-07Master thesis Open access
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dc.contributor.authorVeríssimo, Ricardo
dc.date.accessioned2022-05-16T13:13:57Z
dc.date.available2022-05-16T13:13:57Z
dc.date.issued2016-07
dc.descriptionAlferes-Aluno ENGAER 136867-C Ricardo José Cabral Veríssimo. Supervisor: Dr. Nelson Pereira Caetano Marques; Co-supervisors: Major ENGEL João Manuel Moreira Simões. Capitão ENGAER Ana Sofia Andrês dos Reis Lesiário Examination Committee: Chairperson: MGen PILAV Joaquim Manuel Nunes Borrego; Supervisor: Dr. Nelson Pereira Caetano Marques; Co-supervisors: Major ENGEL João Manuel Moreira Simões; Capitão ENGAER Ana Sofia Andrês dos Reis Lesiário; Member of the Committee: Major ENGAER Carlos Pereira da Silvapt_PT
dc.description.abstractO presente trabalho visa o estabelecimento de uma metodologia para a caracterização aerodinâmica de veículos aéreos nâo-tripulados (VANT) em condições de cruzeiro no âmbito de projectos de investigação na Força Aérea Portuguesa. Este estudo foca-se no preparação de modelos baseados na mecânica de fluidos computacional (CFD) e de testes em túnel de vento e voo que permitam correlação e validação cruzada de resultados. O caso de estudo é um VANT de classe I que opera a baixas velocidades subsónicas. Informação relativa a esta aplicação específica deste tipo de estudos é limitada na comunidade científica e, dado o crescente interesse em tecnologia ligada a VANTs, considera-se altamente relevante para a industria aeroespacial tanto no sector civil como militar. Casos de validação bidimensionais (perfil alar) a tridimensionais (asa finita) são apresentados por forma a aferir a precisão dos resultados e as limitações dos métodos utilizados comparativamente a dados publicados. As simulaçães foram implementadas em Star-CCM+ e testes em túnel de vento foram executados numa secção de teste aberta com meio-modelos, equipados com tomadas de pressão e produzidos por impressão 3D, para escoamentos entre os números de Reynolds de 3:0 105 e 4:1 105. Testes de visualizacção de escoamentos foram efectuados por forma a obter informacção adicional para uma validacção qualitativa. Os testes de voo introduzem equipamentos desenvolvidos específicamente para pequenas plataformas aéreas não tripuladas a partir de componentes electrónicos de baixo custo. Os resultados computacionais correlacionam-se favoravelmente com dados publicados e estão em excelente acordo com os resultados dos testes de visualização de escoamentos. As leituras de pressão nas tomadas de pressão em túnel de vento correlacionam-se bem com os resultados experimentais mas não foram bem sucedidas em voo. As forças aerodinâmicas medidas em túnel de vento não validam as previsões computacionais mas aparentam subestimar sustentação e sobrestimar a resistência aerodinâmica consistentemente.pt_PT
dc.description.abstractThe purpose of this paper is to establish a methodology for the aerodynamic characterization of unmanned aerial vehicles at cruise conditions in the Portuguese Air Force, focusing on the set-up of computational fluid dynamics models and both wind tunnel and flight testing experimental procedures that warrant correlation and cross-validation of results. The case study is a Class I UAV with a twin boom pusher prop configuration that operates at low subsonic speeds. Information for this specific application was found to be limited in the scientific literature and, given the increasing interest in unmanned aerial vehicle technology, it is considered highly relevant for the aerospace industry on civil and military sectors alike. 2-Dimensional (airfoil) and 3-dimensional (finite wing) validation test cases are presented in order to access the accuracy of the results and limitations of the employed methods against published data. Numerical simulations were implemented with commercial software Star-CCM+ and wind tunnel tests were executed in an open test section with a reflection plane and 3D printed semi-span models with pressure taps, for Reynolds numbers ranging from 3:0 105 to 4:1 105. Flow visualization wind tunnel tests with china-clay were performed in order to collect additional qualitative experimental validation data. Flight testing introduces several proof-of-concept equipments featuring low-cost sensors for unmanned flight data acquisition in small platforms. The computational results correlate favourably with the available reference data and are in excellent agreement with the experimental flow visualization results. Pressure tap measurements from wind tunnel tests compare well against computational results but were unsuccessful in flight. Wind tunnel force coefficient results do not validate the computational predictions, but appear to consistently under-predict lift and over-predict drag.pt_PT
dc.description.versionN/Apt_PT
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10400.26/40565
dc.language.isoengpt_PT
dc.peerreviewedyespt_PT
dc.publisherAcademia da Força Aéreapt_PT
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/pt_PT
dc.subjectVeículos aéreos não-tripuladospt_PT
dc.subjectAerodinâmica de escoamentos exteriorespt_PT
dc.subjectMecânica de fluidos computacionalpt_PT
dc.subjectRANSpt_PT
dc.subjectTúnel aerodinâmicopt_PT
dc.subjectEnsaios em voopt_PT
dc.subjectImpressão 3Dpt_PT
dc.subjectUnmanned aerial vehiclespt_PT
dc.subjectExternal aerodynamicspt_PT
dc.subjectComputational fluid dynamicspt_PT
dc.subjectReynolds averaged navier-stokespt_PT
dc.subjectWind tunnel testingpt_PT
dc.subjectFlight testingpt_PT
dc.subject3D printingpt_PT
dc.titleBest practice guidelines in external aerodynamics CFD: applied to unmanned aerial vehicles at cruise conditionspt_PT
dc.typemaster thesis
dspace.entity.typePublication
oaire.citation.conferencePlaceSintrapt_PT
rcaap.rightsopenAccesspt_PT
rcaap.typemasterThesispt_PT

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