Elaboração de túnel de vento para aplicações de

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE
SÃO PAULO.
CAMPUS SÃO JOSÉ DOS CAMPOS
Adalberto Rodrigo dos Santos
Bruno Washington Xavier da Silva
Francisco Santiago Neto
Laura Dias Lopes
Thais Honório Dionísio
Elaboração de túnel de vento para aplicações de ensaios aerodinâmicos
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia de São
Paulo – Campus São José dos Campos,
como requisito para obtenção do Título de
Técnico em mecânica sob orientação do
Professor Luís Carlos Pires Videira e Coorientação do Professor Ricardo Becker.
São José dos Campos
2014
BANCA EXAMINADORA
Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) defendido e aprovado em
24 de junho de 2014, pela banca examinadora constituída pelos professores:
_______________________________________________
Prof...............................................
Orientador(a)
_______________________________________________
Prof. ............................................
Co-orientador(a)
_______________________________________________
Prof. ............................................
ii
Aos nossos familiares,
A todos os amigos que colaboraram,
Aos professores que nos orientaram,
Com muito amor e carinho,
Dedicamos.
iii
AGRADECIMENTOS
Muitas pessoas, direta ou indiretamente, contribuíram para a realização
deste trabalho. Em especial gostaríamos de agradecer:
Ao orientador, Luís Carlos Pires Videira, por acreditar em nossa
capacidade, valorizar o nosso trabalho, pela dedicação e amizade durante o período
de desenvolvimento das atividades.
Ao nosso co-orientador Ricardo Becker pelo acompanhamento e apoio
na construção do projeto e todo o seu esforço em nos ajudar com que a construção
do túnel fosse finalizada.
A professora Vânia Basttestin Wiendl por suas orientações nas normas
técnicas para a elaboração parte textual do projeto.
Ao Danilo Braga, por nos ajudar na instalação elétrica do motor
trifásico, estando sempre disposto a nos ajudar.
A Técnica Marcela Dalprat, pelo suporte e apoio na oficina mecânica.
O professor Edson Vinci, por suas explicações e orientações nas
ligações delta e estrela para os sistemas trifásicos de energia elétrica.
Ao responsável dos laboratórios de engenharia da Faculdade
Anhanguera de São José dos Campos, Marcelo Morgado da Silva, que nos orientou
e auxiliou com a utilização de um motor trifásico e componentes necessários para a
construção do projeto.
Aos nossos familiares e amigos de sala que estiveram juntos desde o
início.
iv
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ------------------------------------------------------------------------------- vii
LISTA DE GRÁFICOS --------------------------------------------------------------------------- vii
LISTA DE FIGURAS ------------------------------------------------------------------------------viiii
LISTA DE ABREVIATURAS --------------------------------------------------------------------- ix
LISTA DE SIMBOLOS------------------------------------------------------------------------------ x
RESUMO ---------------------------------------------------------------------------------------------
xii
1. INTRODUÇÃO ----------------------------------------------------------------------------------- 1
2. OBJETIVO ---------------------------------------------------------------------------------------
2
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ----------------------------------------------------------------- 3
3.1. Histórico do Túnel de Vento ------------------------------------------------------------ 4
3.2. Tipos de Túneis de Vento --------------------------------------------------------------- 4
3.2.1. Com base na velocidade do fluxo -------------------------------------------------- 5
3.2.2. Com base na forma --------------------------------------------------------------------- 5
3.2.3. Por regime de velocidade -----------------------------------------------------------8
4. EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE ----------------------------------------------------------4.1. Conceitos básicos da hidrodinâmica -------------------------------------------------
9
9
5. ENSAIOS ----------------------------------------------------------------------------------------- 12
5.1. Teste estático ------------------------------------------------------------------------------- 12
5.2. Teste dinâmico ----------------------------------------------------------------------------- 12
6. XFOIL – Mark Drela e modelo aerofólio modelo NACA 0012 ----------------------- 13
6.1. Definição geométrica de um aerofólio ----------------------------------------------- 14
7. O TÚNEL DE VENTO -------------------------------------------------------------------------- 16
8. MATERIAIS E MÉTODOS -------------------------------------------------------------------- 17
8.1. Materiais ------------------------------------------------------------------------------------- 16
8.2. Métodos -------------------------------------------------------------------------------------- 19
9. RESULTADOS E DISCUÇÕES -------------------------------------------------------------- 22
10. CONCLUSÃO ---------------------------------------------------------------------------------- 25
11.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ------------------------------------------------------ 26
v
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Cronograma de desenvolvimento dos Túneis de Vento ------------
vi
7
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 6.2 – Aerofólio Testado ---------------------------------------------------------
vii
15
LISTA DE FIGURAS
Figura 3 - Esquema de funcionamento (SANTOS) -------------------------------
7
Figura 3.1 - NASA testa os designers dos aviões no túnel de vento ----------
8
Figura 3.2 - Teste no túnel de vento da NASA, como uma bola de tênis se
move através do ar ------------------------------------------------------------------------
8
Figura 4 - Desenho de um tubo com redução de área --------------------------Figura 5 – “Os Principios da Aerodinamica do Voo” Figura adaptada
(HANGAR) -----------------------------------------------------------------------------------
10
11
Figura 6.1 – “Geometria típica de um aerofólio”, figura adaptada SOUSA
(2008) ------------------------------------------------------------------------------------------ 13
Figura 6.2 – Aerofólio testado -----------------------------------------------------------
14
Figura 6.3 – Modelo NACA 0012 representado no software XFOIL -----------
14
Figura 7.1 – Túnel de Vento (medidas em mm) ------------------------------------
15
Figura 8.1 Vista geral do túnel de vento ----------------------------------------------
16
Figura 8.2 – Reutilização da madeira -------------------------------------------------
16
Figura 8.3 – Ferramentas utilizadas ---------------------------------------------------
16
Figura 8.4 – Acabamento lateral do túnel --------------------------------------------
17
Figura 8.5 – Ventilador adaptado -------------------------------------------------------
18
Figura 8.6 – Caixa de estabilização ---------------------------------------------------
20
Figura 8.7 – Seção para visualização de ensaios ---------------------------------
20
Figura 8.8 – Aerofólio ---------------------------------------------------------------------
21
Figura 8.9 – Aerofólio na seção de testes -------------------------------------------
21
viii
LISTA DE ABREVIATURAS
NASA
National Aeronautics and Space Administration
ix
LISTA DE SIMBOLOS
CL
Coeficiente de sustentação
CD
Coeficiente de arrasto
CM
Coeficiente de momoento
x
RESUMO
O túnel de vento tem a função de determinar parâmetros nos projetos, como,
montagem e construção de aviões, carros, edifícios e até mesmo pontes. É possível
avaliar os requisitos estruturais para determinar a resistência dos projetos,
consequentemente oferecendo maior segurança e economia na montagem. Quase
todos os túneis construídos antes de 1900 seguiam o modelo de soprador e de lá
para
cá,
estes
equipamentos
sofreram
grande
evolução
tecnológica.
A fim de realizar ensaios aerodinâmicos de pequeno porte desenvolvemos a
construção do túnel de vento utilizando madeira reciclável. O modelo a ser ensaiado
foi o NACA 0012. Por possuir características bidimensionais, são utilizados em asas
de aviões e adotados também no ramo automotivo para carros de corrida,
geralmente utilizado para provocar variação de direção do fluido usado durante o
ensaio, neste caso adotamos o ar como fluido.
Sendo assim foi possível
dimensionar o túnel, onde calculamos também as dimensões do aerofólio testado
que não deve ultrapassar 5% da área de teste, dimensionado então a área de teste
com 400 milímetros de altura e 400 milímetros de largura e 800 milímetros de
comprimento. Para a área determinada como difusor temos raios de 326,50
milímetros, comprimento de 1500 milímetros e altura de 1000 milímetros, portanto o
túnel tem comprimento total de 2800 milímetros. Como gerador de fluxo de ar,
adicionamos um motor trifásico de 220V, 0,25CV e rotação igual a 1710 rpm na
construção do projeto. O túneis de vento são muito utilizados nos projetos para a
certificação de parâmetros aerodinâmicos. Neste projeto, o túnel de vento construído
com o objetivo de permitir visualizar o escoamento ao redor do modelo.
Palavras chave: vento, aerofólio, túnel de vento, aviões, carros.
xi
ABSTRACT
The wind tunnel has the function of determining parameters in projects such
as, assembly and construction of airplanes, cars, buildings and even bridges. Where
it is possible to evaluate the structural requirements for determining the resistance of
the projects, thus offering increased safety and economy in the assembly. Nearly all
tunnels constructed before 1900 followed the model of blower and then, these
devices have undergone major technological developments. In order to carry out
miniature aerodynamic tests we developed the wind tunnel using recyclable wood.
The body that will tested is given the name of airfoil for having two – dimensional
characteristics. The model is used to test aircraft wings and also adopted in the
automotive business for race cars, usually used to cause variation in the direction of
fluids used during the test, in this case, the air is the fluid. Thus it was possible to
measure the tunnel, and also calculate the dimensions of the airfoil tested. The airfoil
should not exceed 5% of the test area, then scaled the test area with 400 mm high
and 400 mm wide and 800 mm long. For the area determined as a diffuser have radii
of 326.50 mm, length 1500 mm and height of 1000 millimeters, so the total length of
tunnel is 2800 millimeters. As airflow generator, added a 220V AC motor, 0.25 hp and
speed equal to 1710 rpm in the project construction. The Wind tunnel are using in
projects for the artification of aerodynamics parameters. In this work, the wind tunel
built whit the objective to allow visualization of outflow around the model.
Keywords: wind, spoiler, wind tunnels, aircraft, cars.
xii
1. INTRODUÇÃO
O protótipo do túnel de vento tem cerca de 2800 milímetros de
comprimento e 400 milímetros de largura e um ventilador que foi instalado na parte
traseira do túnel. O túnel de vento de pequeno porte em razão de baixo custo. Este
equipamento permite parâmetros fundamentais da aerodinâmica através de ensaios
em protótipos.
O túnel irá simular um escoamento com finalidade de visualizar como o ar
interfere na superfície do corpo analisado. Geralmente os túneis de vento são
formados por ventiladores, tubos para a circulação do ar, corredores para o
escoamento e uma área reservada para os ensaios. Os túneis são construídos sob
muitas formas e para diferentes propósitos, alguns apresentam dimensões que
permitem ensaiar modelos em tamanho real, outros podem apenas testar modelos
em escala. O primeiro túnel de vento que se tem notícia, acionado por uma máquina
a vapor, foi construído na Inglaterra em 1871, para a “Aeronautical Society of Great
Britain”, por um dos fundadores dessa associação, Frank H. Wenham (GORECKI,
1988).
1
2. OBJETIVO
Realizar ensaios de visualização em modelos em escala, tais como
protótipo de edificações, equipamentos navais, aerofólios e aeronaves propriamente
dita.
2
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Histórico do Túnel de Vento
A partir do século XIX foi dado o ponto de partida para a criação dos primeiros
túneis de vento junto às primeiras investigações aeronáuticas. Para demonstrar que
não é necessário que o corpo esteja em movimento para ensaiar sua capacidade
aerodinâmica foi desenvolvido o primeiro túnel de vento, onde o objetivo era analisar
que mesmo estando o corpo parado e o ar em movimento é possível realizar
medições de as forças aerodinâmicas nele aplicado (WIKIPEDIA).
Com início da Segunda Guerra Mundial foram construídos os tuneis de vento
de maiores dimensões para a realização ensaios em aeronave militares. Os testes
com tuneis de vento no período da Guerra Fria se tornaram de grande importância
devida questões estratégicas auxiliando assim no projeto de mísseis e aviões
supersônicos.
No decorrer do tempo o túnel tomou papel importante para testes, sendo
aplicados em automóveis e construções civis. Antes que os testes com túneis de
vento pudessem ser projetados, o engenheiro inglês e matemático Benjamim Robins
(1707 – 1751) inventou um braço girando para medir a força de arrasto onde realizou
as primeiras experiências na aviação.
O primeiro túnel de vento que se tem notícia, acionado por uma máquina a
vapor, foi construído na Inglaterra em 1871, para a “Aeronautical Society of Great
Britain”, por um dos fundadores dessa associação, Frank H. Wenham (GORECKI,
1988).
Desde esta época até os dias atuais, muitos aspectos evoluíram, o que
influenciou diretamente na qualidade do escoamento e das medidas, preocupação
sempre presente nos estudos e desenvolvimentos de produtos e técnicas (JUNIOR,
2009). Segundo Pope (1966) e Barlow et al (1999), os principais objetivos para
garantir a qualidade do escoamento são:
·
uniformidade espacial na seção de testes,
·
da velocidade média,
·
da pressão e da temperatura,
·
ausência de rotação e de velocidades transversais,
3
·
uniformidade temporal,
·
ausências de oscilações periódicas ou de pulsações e de
flutuações aleatórias, da velocidade, temperatura e pressão (ondas
acústicas e turbulência).
Na grande maioria dos túneis para ensaios aerodinâmicos, usa-se o ar como
fluido. Os gases são compressíveis e sua massa específica (r) varia com a
temperatura e a pressão, mas em muitos casos pode-se considerar sua massa
especifica constante, o que facilita os cálculos e fornece bons resultados (BARLOW,
RAE e POPE 1999).
Um túnel aerodinâmico produz uma corrente de ar artificial,
com características especiais, destinada à simulação experimental de
certos tipos de escoamentos reais. A qualidade de um túnel
aerodinâmico como instrumento depende do rigor com que se obtém
as características do escoamento experimental, da precisão com que
se realizam as necessárias operações, da facilidade e economia da
sua exploração (MONTEFUSCO 2008).
Depois da Segunda Guerra Mundial, engenheiros ligados a competições
automobilísticas começaram a usar túneis de vento, em busca de uma vantagem em
relação aos concorrentes, medindo a eficiência dos dispositivos aerodinâmicos de
seus carros. Mais tarde essa tecnologia passou a ser empregada em carros de
passageiros e de carga. Só que de alguns anos para cá os gigantescos túneis de
vento de milhões de dólares têm sido cada vez menos usados. Simulações em
computadores começam a substituir os túneis de vento para avaliar a aerodinâmica
de carros e aviões (SANTOS). Ressalta – se que mesmo utilizando ferramentas
computacionais para analises aerodinâmicos, o túnel é imprescindível para a
validação de parâmetros aerodinâmicos.
3.2. Tipos de Túneis de Vento
Segundo SANTOS, geralmente os tuneis de vento são formados por
ventiladores, tubos para a circulação do ar, corredores para o escoamento e uma
4
área reservada para os ensaios. Os tuneis de vento podem ser classificados com
base na velocidade do fluxo de ar na seção de teste e com base na forma.
3.2.1. Com base na Velocidade
• Túnel de Vento Subsônico ou Túnel de Vento de Baixa Velocidade: a
velocidade máxima do escoamento neste tipo de túnel de vento podem ser 135m/s.
Em termos de número de Mach, este valor que vem a em torno de 0,4. Este tipo de
túnel de vento são mais rentáveis, devido à simplicidade do design e baixa
velocidade do vento. Geralmente os túneis de vento de baixa velocidade são
encontrados em escolas devido o baixo orçamento (SANTOS).
• Túneis de Vento Transônico: a velocidade máxima na seção de teste do
túnel de vento transônico alcançar 340m/s ou seja, ou número de Mach é igual a 1.
Estes túneis de vento são muito comuns na indústria aeronáutica, pois, maioria dos
aviões operam em torno desta velocidade (SANTOS).
• Túneis de Vento Supersônico: velocidade do ar na seção de teste do túnel
de vento varia de Mach 1 até 5. Isso e feito usando bocais convergentes. Os
requisitos de energia para os túneis de vento, tais são muito elevados.
• Túneis de Vento Hipersônico: velocidade do vento na seção de teste deste
tipo de túneis de vento podem medir entre Mach 5 e 15. Isso é possivel usando
bocais divergentes (SANTOS).
3.2.2. Com base na Forma
Ainda, segundo Santos, os túneis podem ser classificados conforme a forma:
• Túnel de Vento de Circuito Aberto: Esse tipo de túnel de vento é aberto em
ambas as extremidades. As chances de partículas de sujeira entrar com o ar são
altas. Podem ser divididos em duas categorias: Túnel Suckdown e Túnel Ventilador.
a) Túnel Suckdown: com a entrada aberta para a atmosfera, o ventilador axial
ou centrífugo é instalado após a seção de teste. Este tipo de túnel de vento não e o
preferido porque o na entrada apresenta – se turbulento.
b) Túnel Ventilador: um ventilador e instalado na entrada do túnel de vento
que empurra o ar para dentro. A turbulência é um problema também neste caso mas
5
os túneis sopradores são muito menos sensíveis a ela.
• Túnel de Vento de Circuito Fechado: o ar circula no sistema de uma forma
regulada. As chances de sujeira que entrarem no sistema são muito baixas. O fluxo
e mais uniforme do que no tipo aberto. A indústria aerodinâmica usa estes tuneis de
vento para testar modelos de aviões propostos. No túnel, o engenheiro pode
controlar cuidadosamente o fluxo e as condições que afetam as forças no avião. Ao
fazer medições precisas das forças sobre o modelo, o engenheiro pode prever as
forças da aeronave. Usando técnicas especiais de diagnóstico, o engenheiro pode
entender melhor e melhorar o desempenho do projeto da aeronave. Os túneis de
vento são projetados para um propósito específico e para faixas de velocidades.
Portanto, há muitos tipos diferentes de túneis de vento e várias maneiras de
classificá-los (SANTOS).
Figura 3.1 - Esquema de funcionamento (SANTOS).
6
Tabela 1. Cronograma de desenvolvimento dos Túneis de Vento
DATA
DESCRIÇÃO
DESIGNERS CRIADOS
LOCALIZAÇÃO
1871
Primeiro túnel de vento
Frank Wenham
Grã-Bretanha
1897
Túnel Russo
KonstantinTsiolkovsky
Rússia
1901
Túnel de 16 polegadas
Irmãos Wright
Dayton, OH
Universidade Católica.
1904
Túnel Russo
DimitriRiabouchsinsky
Moscou
1909
Primeiro túnel de loop
fechado
Ludwig Prandtl
Universidade de
Gottingen
1912
Túneis gêmeos
Gustav Eiffel
Paris, França
1917
Primeiro túnel moderno
Ludwig Prandtl
Universidade de
Gottingen
1923
Túnel de densidade variável
Max Munk
Langley Field
1927
Túnel Pesquisa
Max Munk
Langley Field
1931
Túnel FullScale
Smith DeFrance
Langley Field
1936
Primeiro túnel supersônico
1936
Kirsten túnel de alta
velocidade
1938
Túnel de Altitude
1939
1942
Peenenemunde
William Boeing
Túnel de velocidade de 19
metros de altura
Primeiro túnel supersônico
EUA
Universidade de
Wisconsin
Massachusetts
Institute of Technology
(MIT)
Langley Field
Langley Field
1944
AWT
Al Young Lou Monroe
NACA Lewis
1944
40 – pelo túnel de 80 pés
Carl Bioletti
NACA Lewis
1948
1955
1955
8 – pelo túnel de vento 6Foot Supersonic
10 – pelo túnel de vento de
10 pés Supersonic
NACA Lewis
NACA Lewis
Propulsão túnel de vento
AEDC
7
3.2.3. Conceito de Túnel de Vento - NASA
Túneis de vento são grandes tubos com ar que se move dentro deles. Os túneis
são usados para copiar as ações de um objeto que está em vôo, fazendo uma
simulação. Pesquisadores usam túneis de vento para analisar o comportamento de
uma aeronave no voo. NASA usa túneis de vento para testar modelos de aeronaves
e veículos espaciais. Alguns túneis de vento são grandes o suficiente para manter as
versões em tamanho real dos veículos. O túnel de vento movimenta o ar ao redor de
um objeto, fazendo parecer que o objeto está realmente voando. Conforme
apresentado na Figura 3.2.
Figura 3.2 - NASA testa os designers dos aviões no túnel de vento
Impulsionam o objeto a ser testado o objeto a ser ensaiado e fixado no túnel,
de modo que não se mova. O objeto pode ser um modelo em escala reduzida de um
veículo. Pode ser apenas uma peça de um veículo. Pode ser uma aeronave em seu
tamanho real. Ele pode até mesmo ser um objeto comum, como uma bola de tênis,
mostrado na Figura 3.3 abaixo. O ar se move ao redor do objeto estático e mostra o
que aconteceria se o objeto estivesse se movendo através do ar. A forma como o ar
se move pode ser estudada de diferentes maneiras. Fumaça ou corante podem ser
colocados no ar e mostrando como o ar se move. Instrumentos especiais são muitas
vezes utilizados para medir a força do ar sobre o objeto. A NASA possui a maior
quantidade de túneis de vento do que qualquer outra instituição. A agência usa os
túneis de vento de várias maneiras. Alguns túneis de vento fazem testes em
velocidades muito lentas, mas também possuem os túneis feitos para testar a
velocidade hipersônica. Isto é, mais de 4.000 quilômetros por hora (NASA).
8
Figura 3.3 - Teste no túnel de vento da NASA, como uma bola de tênis se move
através do ar.
4. EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE
4.1. Conceitos básicos
A hidrodinâmica é um ramo da física que estuda o comportamento de fluídos,
sejam eles líquidos e a aerodinâmica analisa movimento dos gases. O movimento
desses fluídos muda conforme a velocidade do mesmo: em cada ponto as partículas
do fluído têm a mesma velocidade.
De acordo com os conceitos físicos, fluído é uma substância na qual as
forças internas (força de coesão) entre os átomos e as moléculas são pequenas.
Sendo esse, portanto, o motivo de os fluidos não possuírem forma própria, ou seja,
eles assumem a forma de qualquer recipiente em que estão contidos. Quando
estamos analisando o movimento de qualquer fluído, seja ele gás ou líquido, temos
que separar suas características, como a pressão, velocidade, temperatura,
densidade, além de observar também as características do recipiente onde o fluido
está contido. Nesse caso, a respeito do recipiente devemos verificar sua área, altura
e forma. Sendo assim, podemos dizer que tanto o recipiente como o fluído afetam o
escoamento (SILVA).
É necessário que no estudo da hidrostática algumas condições iniciais sejam
estabelecidas. Por exemplo, se estudarmos um fluido na forma como ele realmente
se apresenta, teremos um sistema mais complexo. Assim, é melhor considerar um
fluido que, além de satisfazer algumas condições, apresente comportamento
semelhante ao comportamento de um fluido ideal. Dessa forma, podemos dizer que
9
o fluido de nosso estudo possui densidade constante, e sua velocidade de
escoamento, em um ponto qualquer, também é constante em relação ao tempo.
Vamos supor então um fluido ideal escoando no interior de um tubo que sofre
uma redução de área, como mostra a Figura 4.
Figura 4 - Desenho de um tubo com redução de área.
Podemos ver pela figura 4 que entre os pontos A e B não há perda ou ganho
de fluído por meio de ramificações. Dessa forma, podemos afirmar que entre esses
pontos o fluido não entra e nem sai. Portanto, em relação ao sentido de escoamento
do fluido, em um intervalo de tempo, o volume do fluido que passa em A é o mesmo
volume que passa em B. Diante disso, podemos escrever o seguinte:
∆vA= ∆vB
(I)
Em virtude de as regiões A e B possuírem diâmetros diferentes, o volume de
fluido em A (∆vA) é dado pelo produto da área A1 pela distância d1; e em B (∆vB) é
dado pelo produto da área A2 pela distância d2. A equação acima pode ser escrita
da seguinte forma:
A1.d1= A2.d2 (II)
Lembrando que em cada região a velocidade de escoamento do fluído é
constante, temos que:
d1= v1.∆t (III) e
10
d2= v2.∆t (IV)
Substituindo as expressões anteriores em (I), temos:
A1.v1.∆t= A2.v2.∆t
A1.v1= A2.v2
(VI)
Essa expressão recebe o nome de equação de continuidade. A partir dessa
equação podemos dizer que, em qualquer ponto do escoamento do fluido, o produto
da velocidade de escoamento pela área do tubo é constante; consequentemente,
nas partes mais estreitas do tubo, ou seja, na menor área, a velocidade de
escoamento é maior (ONLINE).
Logo a Equação da Continuidade é dada pela equação VI:
A1.v1= A2.v2
(VI)
Pela equação da continuidade podemos afirmar que “a velocidade de
escoamento é inversamente proporcional à área da secção transversal”.
11
5. ENSAIOS
Basicamente há dois tipos de testes efetuados em túnel de vento: o teste
estático e o dinâmico.
5.1. Teste estático
No teste estático as forças aerodinâmicas médias são obtidas colocando-se
modelos em escala reduzida, onde serão determinados os coeficientes de arrasto
(CD) e de sustentação (CL) (HANGAR), mostrado na Figura 5.
Figura 5: “Os Principios da Aerodinamica do Voo” Figura adaptada (HANGAR)
• Força de arrasto e força de sustentação: Quando corpo sólido está imerso
em um fluido e há movimento relativo entre eles, surge uma força resultante desta
interação. Esta força aplicada sobre o corpo é usualmente expressa em termos de
dias componentes, uma paralela à velocidade so escoamento ao longe, chamada de
força de arrasto (D ou FD), e outra perpendicular chamada a força de sustenção (L
ou FL) (USP). Quando o ângulo de ataque é aumentado, a sustentação aumenta até
atingir um valor máximo num ângulo denominado Ângulo de Ataque (α) (USP).
5.2. Teste dinâmico
Nos testes dinâmicos são confeccionados modelos aeroelásticos em escala
reduzida onde são reproduzidas as principais características da estrutura real, como
massa, rigidez e amortecimento. Também pode ser utilizada a balança de força
dinâmica ou instrumentação com acelerômetros ou extensômetros de resistência
12
elétrica (Klein, 2004).
6. XFOIL – Mark Drela e modelo aerofólio modelo NACA 0012
Segundo (DRELA, 2001), em 1986 Mark Drela criou um programa para
projetar e fazer análises de aerofólios. Dado o nome de XFOIL ao programa de
cálculo aerodinâmico, este baseia – se no método potencial de resolução do
escoamento, com superposição de um modelo de camada limite, permitindo a
análise viscosa os perfis. O software XFOIL tem como objetivo combinar a
distribuição de pressão na superfície de aerofólios sujeitos a velocidades.
Composto por uma série de comandos através de um menu, baixar o XFOIL
executa várias funções como:
·
A análise
viscosa
ou
não
viscosa
de
uma
superfície
sustentadora existente, permitindo entre outras coisas a transição, a correção
de compressibilidade de Karman - Tsien e a possibilidade de variação do
número de Reynolds ou de Mach.
O projeto de superfícies sustentadoras ocorre através da alteração interativa
das distribuições da velocidade na superfície, através de dois métodos:
·
Método Inverso, ou seja, baseado numa formulação de
mapeamento complexo;
·
Extensão do método de básicos painéis do XFOIL, levando a um
método inverso misto. O método inverso permite um design multiponto,
enquanto o método misto permite um controle mais rigoroso da geometria
obtida em algumas partes.
É possível alterar a geometria do aerofólio por meio de:.
·
Alteração da espessura ou flecha máxima;
·
Novo raio do bordo de ataque;
·
Nova espessura do bordo de fuga;
·
Nova linha de flecha resultante de uma variação da geometria
ou da carga imposta;
13
·
Deflexão de flaps (SOUSA, 2008).
6.1. Definição geométrica de um aerofólio
Segundo SOUSA (2008), os aerofólios são superfícies aerodinâmicas que
têm por objetivo causar uma diferença de pressão e, por meio desta, gerar um
determinado efeito aerodinâmico desejado.
A geometria típica de um aerofólio é apresentada na Figura 6.1, onde os
parâmetros geométricos gerais são apontados.
Figura 6.1 – “Geometria típica de um aerofólio”, figura adaptada SOUSA (2008)
Define – se como sendo a linha de corda do aerofólio, a linha reta que liga a
borda de ataque a borda de fuga. A linha do arqueamento é a linha que divide o
aerofólio em duas partes iguais, ou seja, a distância da linha de arqueamento até a
superfície do extradorso é igual a distância daquela a superfície do intradorso. A
maior diferença entre a linha de esqueleto e a linha de corda, tomada
perpendicularmente à linha de corda, é chamada de arqueamento máximo. Outra
importante característica geométrica de um aerofólio é o raio de curvatura do bordo
de ataque do aerofólio, o qual tem o seu centro localizado na linha tangente à linha
de arqueamento. Esse raio depende, finalmente, da distribuição de espessura, que é
sobreposta à linha do arqueamento, perpendicularmente à esta, de forma que
metade da distribuição gera o extradorso e a outra metade gera o intradorso. A maior
distância entre o extradorso e o intradorso é chamada de espessura máxima do
aerofólio (SOUSA).
14
Neste projeto o modelo selecionado como corpo de teste é a NACA 0012
devida suas dimensões e sua estrutura bidirecional de fácil visualização de teste
aerodinâmica como é possível observar no Gráfico 6.2.
Gráfico 6.2: Aerofólio testado
15
7. O TÚNEL DE VENTO
Os túneis de vento são usados para simular o fluxo de ar em laboratórios sob
condições controladas. Ele tem mostrado de grande utilidade em estudos
aerodinâmicos, tendo como vantagens a facilidade de controlar a realização de
medidas através de análises de sensibilidade, bem como custos de realização
menores. Assim, projetamos um túnel de vento capaz de ensaiar objetos de
pequenas dimensões, sua sessão de teste possui uma sessão de teste de 400 mm x
400 mm, um ventilador de adaptado ligado a um motor com rotação de 1710 rpm,
potência de 0,25CV, as figuras 7.1 e 7.2 mostram o túnel experimental.
Figura 7.1: Túnel de Vento (medidas em mm)
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8. MATERIAIS E MÉTODOS
8.1 Materiais
Os principais elementos do túnel de vento, representados na Figura 8.1, são:
madeira, vidro, acrílico, um transferidor, a hélice adaptada de um ventilador, motor
trifásico, uma conexão, difusor, a contração e a seção de testes.
Figura 8.1: Vista geral do túnel de vento
Durante a elaboração do túnel de vento foi necessário o uso de alicate para
retirada de pregos e parafusos, pois a madeira utilizada para a montagem foi
reaproveitada de outra estrutura, conforme apresentado na figura 8.2.
Figura 8.2 – Reutilização da madeira
17
Foi necessário o auxílio de trenas para traçar medidas regulares e realizar o
corte da madeira começando assim a dar forma a toda a parte estrutural do túnel.
Figura 8.3: Ferramentas utilizadas
A madeira passou por processos de acabamento, onde foi necessário o uso
de lixas para madeira, massa de calafetar e verniz para corrigir qualquer
irregularidade na sua estrutura interna, de tal forma que o túnel apresentasse
superfície interna livre de qualquer rugosidade ou outro elemento possa alterar a
corrente de ar que percorre por ele.
Figura 8.4: Acabamento lateral do túnel
18
8.2. Métodos
O ventilador, responsável por produzir a vazão de ar, deve ser dimensionado
de acordo com a velocidade do vento. A figura 8.5 apresenta o ventilador instalado
no protótipo do túnel de vento. A saída do ventilador é ligada nesta conexão, para
evitar as vibrações causadas pelo motor elétrico, fornecendo somente a corrente de
ar. Utilizou-se um ventilador de 1710 rpm, com um motor elétrico de 220V e 0,25CV,
dimensionado para que o fluxo de ar percorrido pelo túnel seja suficiente para
realização de testes.
Figura 8.5: Ventilador adaptado
A conexão é ligada ao difusor, que recebe o ar fornecido do ventilador e tem
como objetivo evitar as vibrações, fazendo sobre ele as primeiras correções do ar.
Na caixa de estabilização a velocidade do ar diminui, pois ocorre uma
expansão, mostrado na Figura 8.6.
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Figura 8.6: Caixa de estabilização
A seção de testes de 800 milímetros de comprimento é de área quadrada,
com lados de 400mm. A janela de visualização feita com vidro de espessura 3mm,
possui área de visualização de 300mm de altura por 500mm de comprimento
centralizado nas laterais da seção de teste, conforme apresentado na figura 8.7.
Figura 8.7: Seção para visualização de ensaios.
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As forças afetam no aerofólio são:
·
Força de sustentação (Lift) normal à superfície.
·
Força de arrasto (Drag) paralela à superfície.
Além das forças afetantes, temos também:
·
Momento de arfagem no aerofólio (Pitch Moment).
A geometria e as características dinâmicas do aerofólio são mostradas na
Figura 8.8.
Figura 8.8: Aerofólio
O aerofólio projetado como corpo de teste é a NACA 0012, com seu
comprimento de 120mm e altura de 260mm, adaptado na parte superior de
seu corpo linhas finas de lã, que ajudam a entender e visualizar com clareza a
ação do vento sobre o corpo ensaiado. O aerofólio ficará dentro da seção de
testes do túnel, onde o vidro e o acrílico foram colados com prego líquido
totalmente vedados para não haver vazão de ar. Foi adaptado um transferidor
na parte frontal de visualização da seção de testes, para permitir que se
visualizasse p escoamento ao redor do perfil, conforme demonstrado na
figura 8.9.
O transferidor permite que o aerofólio seja ajustado para diferentes ângulos
21
de ataque, ou seja, o ângulo formado pelo prolongamento da corda e o vento
relativo.
Figura 8.9: Aerofólio na seção de testes
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9. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Tomando por base o estudo sobre túneis de vento subsônicos os resultados
obtidos para demonstração foi bastante positivo.
Foi atendido o requisito de razão de bloqueio, onde o corpo testado pode
ocupar no máximo 5% da área total da sessão de teste, sendo que a mesma possui
as dimensões de 400mm de altura e 400mm de base, visto na Figura 9.1.
400
400
Figura 9.1 – Sessão de teste. Vista Frontal
A sessão tem forma quadrada, portanto a sua área (At) total é calculada como
base (b) vezes altura (h), visto abaixo:
At = b.h
At = 400 . 400
At = 1600mm²
Razão de bloqueio (Rb) é calculada em relação a área total, sendo o valor
máximo 5% da área total, temos:
Rb = At . 5%
Rb = 160000 . (0,05)
Rb = 8000mm
Levando em conta a áera total da sessão de teste. Sendo o maior objetivo
demonstrar o sentido de escoamento através da visualização dos movimentos das
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linhas fixadas a superfície superior do protótipo de aerofólio NACA 0012 com
dimensões de espessura máxima de 14,7mm e corda de 120mm e largura de
260mm. A seguir temos o cálculo Área da Máxima Espessura do Perfil (Am).
NACA 0012 é calculada de acordo com a base da seção (b) e a Espessura Máxima
do Perfil (Em):
Am = b * Em
Am = 400 * 14,0168
Am = 5606,72
24
10. CONCLUSÃO
O presente trabalho permitiu concluir que o túnel de vento é um aparelho
usado para simular e estudar o comportamento aerodinâmico de objetos ou
estruturas. Desta forma foram utilizados ferramentas e materiais simples. O objetivo
inicial deste projeto foi a construção de túnel de vento de baixo custo e com
equipamentos e ferramentas disponíveis no laboratório desta instituição.
Verificou – se a importância do ensaio de visualização em corpos sejam eles,
aerodinâmicos ou rombudos (não aerodinâmicos) através de um simples ensaio de
visualização com fios de lã.
Desta forma, o túnel projetado teve como objetivo alcançado apresentar e simular
testes aerodinâmicos de nível acadêmico.
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11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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