Uma análise de perfis traseiros de pranchas de surf pelo método da fluidodinâmica computacional

Abstract

À medida que a indústria do surf cresce e os surfistas cada vez mais atingem os seus limites, aumenta a necessidade de se descobrir novas tecnologias e estudos mais aprofundados em hidrodinâmica para a evolução deste esporte. Neste sentido, percebe-se uma crescente substituição do empirismo ? entenda-se tentativa e erro ? pelos métodos científicos. Esta dissertação de mestrado, portanto, traz contribuição neste cenário a partir da apresentação de um estudo sobre o escoamento em diferentes perfis traseiros de pranchas de surf (rabeta), utilizando análise de fluidodinâmica computacional (CFD) bidimensional (2D) com o programa STAR CCM+. O número de Reynolds é semelhante à condição real, mantido segundo modificação das dimensões das geometrias traseiras dos perfis considerados, e suas respectivas áreas. O método CFD utilizado resolve as equações de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS), em regime permanente. O modelo de turbulência SST k-? foi utilizado, pois apresentou os melhores resultados e se mostrou o mais indicado em termos das convergências. Na primeira etapa deste estudo, para efeito de verificação da convergência, foram testados diferentes tipos de malhas, com diferentes refinamentos, sendo a malha triangular apresentando os melhores resultados de convergência e de tempo computacional. Em seguida, para efeito de validação, foram então realizadas comparações com os resultados do perfil NACA16-021, cuja geometria é muito semelhante à área molhada projetada das atuais pranchas de surf. Na etapa seguinte, o perfil NACA foi simulado com o escoamento 2D vindo em sentido oposto ao usualmente considerado, desta forma se assemelhando a uma prancha de surf com perfil traseiro do tipo round squash. Em uma terceira etapa, então, foram simulados três perfis com variações em suas geometrias traseiras, sendo esses o squash, o swallow e round pin, para os quais também foram consideradas variações no ângulo de ataque do escoamento. Finalmente, na quarta e última etapa, fez-se a comparação e discussão dos resultados provenientes dos perfis estudados, tomando como base o coeficiente de arrasto (??), o coeficiente de sustentação (??), o tamanho da camada limite e a vorticidade na esteira formada. Como conclusão geral, o leitor verificará a interessante relação entre os resultados cientificamente obtidos e o empirismo de longa data aplicado pelos surfistas e designers de pranchas.

Abstract: As the surfing industry grows and surfers increasingly reach their limits, there is an increasing need to discover new technologies and more in-depth studies in hydrodynamics for the evolution of this sport. In this sense, there is a growing replacement of empiricism ? meaning trial and error ? by scientific methods. This master's thesis, therefore, contributes to this scenario by presenting a study on the flow in different back profiles of surfboards (ship), using two-dimensional (2D) computational fluid dynamics (CFD) analysis with the STAR CCM+ program. The Reynolds number is similar to the real condition, maintained by modifying the dimensions of the back geometries of the profiles considered, and their respective areas. The CFD method used solves the Navier-Stokes equations with Reynolds mean (RANS), in steady state. The SST k-? turbulence model was used, as it presented the best results and proved to be the most suitable in terms of convergences. In the first stage of this study, to verify convergence, different types of meshes were tested, with different refinements, with the triangular mesh showing the best convergence and computational time results. Then, for validation purposes, comparisons were made with the results of the NACA16-021 profile, whose geometry is very similar to the projected wet area of current surfboards. In the next step, the NACA profile was simulated with the 2D flow coming in the opposite direction to that usually considered, thus resembling a surfboard with a round squash rear profile. In a third step, then, three profiles with variations in their rear geometries were simulated, these being the squash, the swallow and the round pin, for which variations in the angle of attack of the flow were also considered. Finally, in the fourth and last step, the results from the studied profiles were compared and discussed, based on the drag coefficient (CD).), the lift coefficient (CL).), the size of the boundary layer and the vorticity in the mat formed. As a general conclusion, the reader will verify the interesting relationship between the scientifically obtained results and the longstanding empiricism applied by surfers and surfboard shapers.