The Long Endurance Electric Unmanned Air Vehicle (LEEUAV) is a project of a green, low-cost, small footprint electric solar UAV which was designed for civilian surveillance applications, such as coast, forest, or border patrol. Therefore, long endurance is desired, which is accomplished by a lightweight airframe design and an electric propulsion system assisted with solar cell arrays. The LEEUAV has an approximated mass of 5 kg, 4.5 m of wingspan and an 8-hour flight endurance.
To ease the construction, its wing, in addition to its aerodynamic function, must accommodate the solar cells on its upper surface. Since the solar cells have a finite thickness, they create an offset, with a forward facing step at the beginning of the solar cell array and a backward facing step at its end. These two steps affect the aerodynamic performance of the wing mainly because the forward facing step forces the transition of the flow from laminar to turbulent.
The aim of this thesis is to study the influence of these steps in the aerodynamic coefficients of the LEEUAV’s airfoil, having as variables the offset’s position, length, and thickness. To do this, a numerical analysis was performed initially using XFOIL, an interactive program for the analysis of subsonic airfoils, and then ANSYS Fluent, a commercial computational fluid dynamics (CFD) software.
First, in XFOIL, a total of 444 combinations of offsets were tested, in order to understand the range of positions that could be more appropriate for placing the solar cells. After this initial study, another analysis was performed to better understand their most appropriate positions, considering their precise thickness and length. Afterwards, a small amount of combinations was chosen to perform a CFD analysis that served to validate and refine the results obtained from XFOIL. Since there was no experimental data regarding the LEEUAV’s airfoil, several turbulence models were initially tested to see which best resembled the XFOIL’s solution. Subsequently, an analysis of the selected combinations was performed and the best position for placing the solar cells, based on the performed analysis, is between 21% and 23% of the airfoil’s chord.O Long Endurance Electric Unmanned Air Vehicle (LEEUAV) é um projeto de um UAV elétrico solar, ecológico e de baixo-custo, projetado para aplicações civis de vigilância, tais como patrulha costeira, florestal ou de fronteira. Portanto, uma grande autonomia é fundamental, para a qual contribui um design de estrutura leve e um sistema de propulsão elétrico assistido por um conjunto de células fotovoltaicas. O LEEUAV tem uma massa aproximada de 5 kg, 4,5 m de envergadura e uma autonomia de voo de 8 horas.
Para facilitar a construção, a sua asa, além da sua função aerodinâmica, tem de acomodar as células fotovoltaicas no seu extradorso e, uma vez que as células possuem uma espessura finita, originam um offset (rebordo), com um degrau no início e no fim do conjunto de células fotovoltaicas. Como consequência, estes degraus afetam o desempenho aerodinâmico da asa.
O objetivo deste trabalho é estudar a influência destes degraus nos coeficientes aerodinâmicos do perfil alar do LEEUAV, tendo como variáveis a posição, o comprimento e a espessura do offset. Para o concretizar, foi realizada uma análise numérica utilizando, primeiramente, o XFOIL, um programa interativo para a análise de perfis alares subsónicos. E em seguida, utilizando o ANSYS Fluent, um software comercial de dinâmica de fluidos computacional (CFD).
Em primeiro lugar, no XFOIL, foi testado um total de 444 combinações de offsets, a fim de compreender a gama de posições que poderia ser mais apropriada para colocar as células fotovoltaicas. Após este estudo inicial, foi realizada outra análise, desta vez considerando a espessura e o comprimento específico das células. Posteriormente, uma pequena quantidade de combinações foi escolhida para realizar uma análise de CFD, que serviu para validar e refinar os resultados obtidos do XFOIL. Como não existiam dados experimentais do perfil alar do LEEUAV, vários modelos de turbulência foram testados, para ver qual o que se melhor assemelharia à solução do XFOIL. Depois, foi realizada uma análise às combinações selecionadas, e concluiu-se que as melhores posições para colocar o início das células fotovoltaicas, com base no estudo realizado, são entre 21% e 23% da corda do perfil alar
