Análise por fluidodinâmica computacional (CFD) das interações aerodinâmicas entre VANTs durante voo em formação cerrada
Por Deborah Eppel, engenheira de marketing técnico CD-adapco
Na última década, houve um aumento do interesse pelo desenvolvimento de veículos aéreos não tripulados (VANTs) e por suas aplicações, não mais restritas apenas a operações no campo militar. Os VANTs, quer pilotados remotamente ou totalmente autônomos, oferecem uma alternativa mais segura e mais barata às aeronaves maiores pilotadas, além de uma plataforma valiosa de observação de “olhos de pássaro” no meio termo entre sensores baseados em terra e os satélites.
Essas considerações abriram o caminho para aplicações dos VANTs em muitos outros campos, como segurança nacional (vigilância policial, patrulhamento de fronteiras, etc.), serviços públicos (combate a incêndios, busca e resgaste, inspeções de redes elétricas e tubulações, coleta de informações sobre substâncias químicas e poluição, monitoramento do clima, etc.) e setor comercial (pesquisas geográficas, redes de comunicações aéreas, pulverização de plantações, etc.), e fizeram desses veículos a opção predileta para a realização de missões sujas, desinteressantes e perigosas. Entretanto, algumas missões, como reabastecimento no ar, recarregamento de armas, lançamentos e recuperações aéreas ou vigilância aérea, requerem vários veículos em formação cerrada e é necessário compreender os efeitos do vórtice de turbulência causado por um veículo posicionado sobre outro.
O objetivo deste artigo é demonstrar como o software de CFD do STAR-CCM+ pode ser usado para investigar a natureza do acoplamento dinâmico interativo de veículos e suas consequências durante voos em formação cerrada. Será considerada para esse fim uma formação de dois VANTs idênticos sem cauda e configuração pusher. Os dois veículos estão voando ao mesmo nível em um cenário de controle por estação e o seguidor está localizado a uma envergadura de 0,9 atrás e 0,9 de envergadura à direita do líder. No restante deste artigo, os VANTs líder e o seguidor serão denominados VANT1 e VANT2, respectivamente.
Todo o processo de simulação, do pré-processamento aos pós-processamento, será realizado com o uso do STAR-CCM+ . As principais etapas pré-processamento são as seguintes:
1. A geometria da estrutura da aeronave de um VANT pusher, VANT1, é automaticamente importada, limpa e preparada para sincronização.
2. O VANT 2 é produzido simplesmente copiando e colando o VANT1 no local desejado. Essa operação pode ser repetida todas as vezes que houver necessidade de acrescentar um VANT à formação.
3. Uma grande área de fronteira para colocar o VANT1 e o VANT2 deverá ser então escolhida e sincronizada com o uso de células tetraedrais, poliedrais ou ajustadas (hexaedrais)
4. Vários níveis de refinamento da sincronização são configurados através do uso de controles volumétricos com o objetivo de capturar totalmente a turbulência do VANT1 e seus efeitos no VANT2.
5. As propriedades do espaço-tempo da física serão então definidas, incluindo o modelo a ser usado, seus valores de referência e as condições iniciais.
O STAR-CCM+ está agora pronto para executar a computação, ao final da qual a solução poderá ser facilmente analisada com o uso das ferramentas coloridas e potentes de pós-processamento do STAR-CCM+.
Os resultados dos pós-processamento, mostrados nas Figuras 1-5, ilustram claramente a evolução dos vórtices de turbulência atrás das asas do VANTs. A Figura 1 mostra como a magnitude da vorticidade é distribuída atrás do VANT1, e a Figura 2 mostra como a trajetória da massa de ar ascendente e descendente gerada externa e internamente com a relação à fuselagem nas extremidades das asas do VANT1 pode afetar o VANT2. O mesmo se aplica à massa de ar lateral, mostrado na Figura 3 em um plano-xy localizado imediatamente acima da superfície superior da asa. Como era esperado, a massa de ar lateral gerada pelos vórtices da extremidade da asa em um plano-xy localizado imediatamente abaixo da superfície inferior da asa é deslocada na direção oposta (não mostrado). Finalmente, uma forte massa de ar descendente causada pela turbulência também é claramente visível na Figura 4, na qual o campo de velocidade tangencial atrás do VANT2 é representado.
Esses resultados e observações confirmam o fato bem conhecido de que os vórtices de turbulência representam severos distúrbios atmosféricos que podem, dependo das posições relativas dos veículos aéreos em formação, serem benéficos ou prejudiciais, para não dizer perigosos. Perigosos devido ao forte, e algumas vezes inesperado, momento de inércia que pode ser induzido em um veículo em contato com a turbulência por um núcleo concentrado de vorticidade. Benéficos porque se o seguidor se posicionar na corrente ascendente gerada pelo líder, o arrasto induzido da aeronave seguidora será drasticamente reduzido, resultando em economia significativa de combustível e/ou em um aumento do alcance com uma determinada carga. Isso se traduz em benefícios econômicos e ambientais reais, e certamente não deve ser subestimado em uma época em que existe uma grande ênfase no desenvolvimento de tecnologias mais novas, mais verdes e mais baratas.
Esse truque ainda não foi inventado pelos engenheiros de CFD: os gansos e os patos usam esse sistema em suas formações de migração em V desde o início dos tempos. Entretanto, as ferramentas coloridas de pós-processamento do STAR-CCM+STAR-CCM+ permitem que os engenheiros de CFD façam uma demonstração de uma maneira mais artística do que nunca. No entanto, não se trata apenas de arte pela arte. O STAR-CCM+, com o seu ambiente integrado, rápido, potente e fácil de usar demonstrou ser a plataforma ideal para avaliar os benefícios, além dos riscos e dos problemas, associados à evolução e ao contato com vórtices de turbulência, dessa maneira oferecendo à ciência a possibilidade de desenvolver novos procedimentos e protocolos para que as formações cerradas de VANTs possam ser realizadas com segurança.