Experimental Investigation of the Wake Flow of a Propeller-Wing Configuration in the Laminar Wind Tunnel

Resumo Técnico: Investigação Experimental do Escoamento de Esteira de uma Configuração Hélice-Asa no Túnel de Vento Laminar

Definição do Problema e Contexto
A crescente demanda global por tráfego aéreo comercial exige soluções aerodinâmicas avançadas para reduzir emissões enquanto se sustenta o crescimento. No âmbito do Centro de Pesquisa Colaborativa Transregio Sinergias de Aeronaves de Transporte Altamente Integradas (SynTrac), a propulsão distribuída é investigada como um meio para melhorar a eficiência global através da integração aerodinâmica. Embora pesquisas anteriores tenham estabelecido a importância das interações entre esteira e camada limite e a estrutura espacial das esteiras de hélices, permanece a necessidade de uma análise bidimensional detalhada da interferência mútua entre uma hélice e uma asa laminar. Especificamente, a natureza instacionária dessas interações, incluindo a deformação do fluxo de esteira (slipstream) e a divisão dos vórtices de ponta, requer uma caracterização experimental adicional para compreender os mecanismos de perda e fenômenos de escoamento secundário.

Metodologia
O estudo foi conduzido no Túnel de Vento Laminar (LWT) no Instituto de Aerodinâmica e Dinâmica de Gases (IAG), Universidade de Stuttgart. A configuração experimental consistiu em uma asa laminar (envergadura $b=2,3$ m, corda $c=0,35$ m, projetada para $Re = 1,25 \cdot 10^6$ e $c_l = 0,73$) montada horizontalmente. Uma única hélice de passo fixo com duas pás ($R=0,15$ m) foi posicionada à montante da asa em uma configuração de pilar, evitando uma interface carenagem-pilar para isolar os efeitos de interação.

Três geometrias de hélice distintas foram testadas em razões de avanço ($J$) variando de 1,07 a 2,14. Uma sonda de cinco furos Vectoflow FRAP-Pro foi utilizada para percorrer um plano de medição definido a jusante da asa. A sonda operou a uma taxa de amostragem de 100 kHz, com os dados posteriormente subamostrados para 10 kHz via média de blocos para reduzir a carga computacional preservando a física do escoamento.

O processamento de dados envolveu duas técnicas principais de média:

1. Média Temporal: Os pontos de medição foram mapeados para uma grade equidistante ($250 \times 50$) e calculados aritmeticamente para caracterizar o campo de escoamento médio.
2. Média de Fase: Um codificador rotativo forneceu o ângulo de azimute da hélice ($\Psi$), permitindo que os pontos de medição fossem subdivididos em compartimentos de fase ($\Delta\Phi = 6^\circ$). Isso resolveu efeitos instacionários e posições instantâneas das pás.

As quantidades de escoamento, incluindo o coeficiente de pressão ($c_p$), velocidade tangencial ($V_t$) e intensidade de turbulência ($T_u$), foram derivadas de medições de pressão calibradas.

Resultados Principais
Os dados experimentais revelaram aspectos críticos da interação hélice-asa:

• Cisalhamento Lateral e Deformação da Esteira: O fluxo de esteira da hélice sofre cisalhamento lateral devido a variações de envergadura na carga da asa. Essa deformação é mais pronunciada em razões de avanço mais altas ($J \approx 2,11$), onde a esteira desvia de uma forma circular idealizada. À medida que a razão de avanço diminui ($J \approx 1,07$), o cisalhamento lateral torna-se menos pronunciado e a esteira mantém um perfil mais circular.
• Empuxo Assimétrico e Distribuição de Pressão: A presença da asa modifica o fluxo de entrada da hélice, levando a uma distribuição de empuxo assimétrica. O lado da pá descendente ($y/R < 0$) exibe coeficientes de pressão localmente aumentados, enquanto o lado ascendente apresenta características distintas. Isso resulta em um desequilíbrio de pressão horizontal e um deslocamento do ponto de operação.
• Divisão e Evolução do Vórtice de Ponta: A análise de média de fase confirma que os vórtices de ponta das pás interagem com a asa ao se dividirem em dois sub-vórtices ao atingirem o bordo de ataque. Esses sub-vórtices convecem independentemente ao longo dos lados de sucção e de pressão da asa. No bordo de fuga, eles se recombinam parcialmente, embora o cisalhamento lateral persista. O processo de divisão induz escoamento de envergadura ao longo da superfície da asa.
• Interação de Velocidade Tangencial e Downwash: O downwash induzido pela asa (aproximadamente 1,5 m/s) interage com o redemoinho (swirl) da hélice. No lado da pá ascendente, o downwash compensa a velocidade tangencial, reduzindo o redemoinho local. Por outro lado, o lado descendente exibe maior redemoinho. Essa superposição cria uma distribuição de redemoinho assimétrica dentro da esteira.
• Intensidade de Turbulência: Os níveis de turbulência são mais altos nos núcleos dos vórtices de ponta ($T_u \approx 7-8\%$) e nas regiões onde as esteiras da hélice e da asa se sobrepõem. As zonas de interação apresentam aumento de turbulência em comparação com configurações isoladas, particularmente próximo a zonas de separação e gradientes de pressão.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que este estudo fornece uma compreensão fundamental da forma da esteira e sua evolução em uma configuração hélice-asa. Ao resolver o campo de esteira bidimensional tanto espacial quanto temporalmente, a pesquisa demonstra que:

1. A interferência mútua induz assimetrias horizontais significativas no escoamento, alterando a pressão total local e os ângulos de ataque efetivos.
2. A asa impacta substancialmente a forma da esteira turbulenta da hélice, com a deformação diminuindo em razões de avanço menores.
3. Medições de média de fase são essenciais para identificar a divisão e a convecção independente dos vórtices de ponta, um fenômeno obscurecido em avaliações quase estáticas.

O artigo conclui que esses achados oferecem percepções iniciais sobre mecanismos de perda e fenômenos de escoamento secundário. Os autores afirmam que uma compreensão mais profunda desses fenômenos aerodinâmicos permitirá a derivação de parâmetros de projeto específicos para aeronaves. Trabalhos futuros são propostos para validar e melhorar simulações numéricas e para investigar parâmetros complementares, como a variação do número de hélices ao longo da envergadura ou a posição vertical da hélice, para explorar os efeitos sinérgicos de forma mais eficaz.