Estudo numérico da ocorrência de buffet em antenas de aeronaves comerciais transônicas

Abstract

Esta dissertação resulta da necessidade de as empresas aeronáuticas atenderem aos requisitos de buffet durante o processo de certificação aerodinâmica para instalação de antenas externas em aeronaves comerciais. Ultimamente, as empresas aeronáuticas buscam, cada vez mais, adaptar suas aeronaves à constante instalação de novas antenas capazes de suprir os desejos de conectividade a bordo. Como a instalação de antenas pode levantar questões de segurança em voo, as entidades responsáveis pelos regulamentos da aviação civil obrigam as empresas aeronáuticas a realizarem ensaios em voo, acarretando consideráveis custos financeiros. Um dos requisitos tange a ocorrência de buffet, conhecido como um fenômeno aerodinâmico transiente causado pela separação de escoamento com movimentação da onda de choque. O presente trabalho apresenta uma análise CFD para avaliar a ocorrência de buffet causado pela carenagem para acomodar a instalação de uma nova antena em uma aeronave. Simulações URANS podem ser úteis na certificação se forem capazes de prever a ocorrência de buffet e responderem aos requisitos de qualidade em voo. No entanto, para garantir confiabilidade ao modelo numérico, etapas de validação foram testadas a fim de comparar os resultados numéricos com os resultados da literatura sobre ensaios em túnel de vento. O presente trabalho traz dois estudos de validação, comparando resultados numéricos e experimentais para os casos bump e perfil supercrítico OAT15A. A etapa de validação numérica consiste na determinação dos parâmetros de malha, modelo de turbulência, número de iterações internas e intervalo de tempo característico. Uma vez concluída a etapa de validação numérica, partiu-se para a segunda etapa que consistiu de simulação CFD e comparação dos resultados com os dados obtidos durante ensaio em voo instrumentado com hidrofones instalados sobre a carenagem da antena da aeronave comercial ACXXX. O ensaio em voo atingiu a velocidade de Máximo Mach de mergulho demonstrado (MDF), estando relacionado ao requisito de certificação FAA §25.251 que é responsável pela avaliação de buffet. Finalmente, outros cenários transônicos foram simulados a fim de aumentar a faixa de resultados numéricos e prever se, como e quando há o surgimento de buffet na carenagem da aeronave ACXXX. Conclui-se que para a velocidade MDF não houve oscilação da onda de choque e ocorrência de buffet. Para velocidades maiores do que a de certificação surgiram oscilações autossustentadas com frequência típica de buffet.

Abstract: This dissertation results from the need for aeronautical companies to meet the buffet requirements during the aerodynamic certification process for the installation of external antennas in commercial aircraft. Lately, aeronautical companies are increasingly seeking to adapt their aircraft to the constant installation of new antennas capable of meeting the desire for on-board connectivity. As the installation of antennas can raise in-flight safety issues, the entities responsible for civil aviation regulations oblige the aeronautical companies to carry out in-flight tests, entailing considerable financial costs. One of the requirements concerns the occurrence of buffet, which is known as a transient aerodynamic phenomenon caused by flow separation with shock wave movement. The present work presents a CFD analysis to evaluate the occurrence of buffet caused by fairing to accommodate the installation of a new antenna in an aircraft. URANS simulations can be useful in certification if they are able to predict the occurrence of buffet and meet the in-flight quality requirements. However, to ensure reliability of the numerical model, validation steps were tested in order to compare the numerical results with the results of the literature on wind tunnel tests. The present work presents two validation studies, comparing numerical and experimental results for the bump and supercritical profile OAT15A cases. The numerical validation step consists of determining the grid parameters, turbulence model, number of internal iterations and characteristic time interval. Once the numerical validation step was completed, a second validation step was taken. It consisted of CFD simulations that were compared with results available from flight test with hydrophones installed on the fairing of the ACXXX commercial aircraft antenna. The flight test reached the Maximum Mach Dive Demonstrated Speed (MDF), being related to FAA certification requirement §25,251 which is responsible for buffet assessment. Finally, other transonic flight scenarios were simulated in order to increase the range of numerical results and predict if, how and when there is the emergence of buffet in the ACXXX aircraft fairing. It is concluded that for the MDF speed there was no oscillation of the shock wave and the occurrence of buffet. For speeds higher than the certification speed, self-sustained oscillations appeared with a typical buffet frequency.