Numerical study of wings with wavy leading and trailing edges.

• Main Author: Serson, Douglas
• Other Authors: Meneghini, Julio Romano
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP 2016
• Subjects: Aerodinâmica; Mecânica dos fluídos computacional; Teoria espectral; Aerodynamics; Computational fluid dynamics; Flow control; Spectral/hp methods; Boa; Fossem; Fuga; Humpback Whale
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-03032017-110359/; https://doi.org/10.11606/T.3.2017.tde-03032017-110359

Inspired by the pectoral flippers of the humpback whale, the use of spanwise waviness in wings has been considered in the literature as a possible way of delaying the stall, and possibly also reducing the drag coefficient, allowing for improved aerodynamic characteristics. In order to provide a better understanding of this flow control mechanism, the present work investigates numerically the effect of the waviness on the flow around infinite wings with a NACA0012 profile. The study consists of direct numerical simulations employing the spectral/hp method, which is available through the nektar++ library. Considering the high computational cost of the simulations performed, several improvements were introduced to the method, making it more efficient and allowing higher Reynolds numbers to be analysed. These improvements to the method include a coordinate transformation technique to treat the waviness, changes to the parallelism strategy, and an adaptive polynomial order refinement procedure. Initially, simulations were performed for a very low value of the Reynolds number Re = 1, 000, allowing the three-dimensional flow structures to be observed in de- tail. In this case, the results show that the waviness leads to a decrease in the lift-to-drag ratio, accompanied by a strong reduction in the fluctuations of the lift force. The reduction in the lift-to-drag ratio is the combined effect of lower drag and lift forces, and is associated with a regime where the flow remains attached behind the peaks of the leading edge while there are distinct regions of flow separation behind the troughs. Then, simulations with Re = 10, 000 were considered. For high angles of attack, the results for this case are similar to the lower Re, with the waviness leading to separation behind the troughs and reducing both the lift and the drag. However, for a lower angle of attack the waviness leads to a large increase in the lift coefficient. This was observed to be related to the fact that flow around the straight wing is laminar in this case, with the waviness inducing transition to a turbulent state. Finally, the case Re = 50, 000 was considered, with the results showing a good agreement with experiments presented in the literature. Inspirado na nadadeira peitoral da baleia jubarte, o uso de ondulações ao longo da envergadura de asas tem sido considerado na literatura como uma possível maneira de atrasar o estol, e possivelmente também reduzir o arrasto, levando a melhores características aerodinâmicas. Com o objetivo de obter um melhor entendimento desse mecanismo de controle do escoamento, o presente trabalho investiga numericamente o efeito de ondulações no escoamento ao redor de asas infinitas com o perfil NACA0012. O estudo consiste de simulações diretas do escoamento usando o método espectral/hp, que está disponível através da biblioteca nektar++. Considerando o alto custo computacional das simulações realizadas, diversas melhorias foram introduzidas no método, tornando-o mais eficiente e permitindo que números de Reynolds mais elevados fossem analisados. Essas melhorias ao método incluem uma técnica de mudança de coordenadas para tratar a ondulação, mudanças na estratégia de paralelismo e um procedimento de refinamento usando ordem polinomial variável. Inicialmente, simulações foram realizadas para um número de Reynolds muito baixo Re = 1, 000, o que permitiu observar as estruturas tridimensionais do escoamento em detalhe. Nesse caso, os resultados mostram que a ondulação leva a uma diminuição da razão sustentação-arrasto, combinada com uma forte redução das flutuações da força de sustentação. A redução da razão sustentação-arrasto é consequência de uma combinação de arrasto e sustentação mais baixos e está associada a um regime no qual o escoamento permanece colado atrás dos picos do bordo de ataque, enquanto que regiões distintas de escoamento separado estão presentes atrás dos vales. Em seguida, simulações com Re = 10, 000 foram consideradas. Para ângulos de ataque elevados, os resultados neste caso são similares àqueles com Re mais baixo, com a ondulação levando a separação atrás dos vales e provocando reduções na sustentação e no arrasto. No entanto, para um ângulo de ataque mais baixo a ondulação leva a um grande aumento na força de sustentação. Foi observado que isso está relacionado ao fato de que o escoamento ao redor da asa lisa é laminar neste caso, com a ondulação induzindo a transição para um estado turbulento. Finalmente, o caso Re = 50, 000 foi considerado, com os resultados apresentando uma boa concordância com experimentos apresentados na literatura.