ANÁLISE AERODINÂMICA DE PERFIS DE ASA CONEM

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1 ANÁLISE AERODINÂMICA DE PERFIS DE ASA CONEM LIMA; Rudson de Souza, RIBEIRO; Fenanda Alves, FORD; Elmo Thiago Lins Cöuas, CAVALCANTI; Synaa Lucien de Lima,synaa MENDES; José Ubiagi de Lima, Univesidade Fedeal do Rio Gande do Note -UFRN, Campus Univesitáio-Lagoa Nova CEP Resumo: Nesta pesquisa analisou-se o escoamento fluido em difeentes pefis de asa a fim de detemina alguns dos pincipais paâmetos envolvidos no compotamento aeodinâmico, com base em expeimentação em túnel de vento e, po conseguinte, a eficiência de cada um dos pefis. O expeimento foi ealizado em pefis de asa constuídos po MDF e madeia balsa, em quato difeentes tipos de geometia escolhidas de acodo com as caacteísticas de vôo de uma aeonave expeimental específica, o JN-1. O monitoamento da velocidade e da pessão do escoamento foi feito po um manômeto difeencial desenvolvido especificamente paa este tabalho, juntamente com um tubo de Pitot Modelo 160 Mak III. Paa simula o efeito do a escoando sobe a supefície dos pefis utilizou-se um túnel de vento tipo cicuito abeto. As cuvas pola de aasto de cada pefil geadas expeimentalmente, a pati do método de análise da consevação da massa e quantidade de movimento e da integação do campo de pessão, foam compaadas às obtidas atavés de um pogama comecial paa simulação de escoamento. Com isso, gaantiu-se a eficiência do expeimento, bem como a legitimidade das cuvas obtidas pelo método expeimental. Palavas-chave: Cuva pola, Aeodinâmica,Túnel de vento. 1. INTRODUÇÃO (Times New Roman, negito, tamanho 10, maiúsculas) (espaço s) O seto aeonáutico tem se destacado com o desenvolvimento de pojetos, mostando sua capacidade de inovação e seu alto nível de tecnologia implementados, tonando-se um dos segmentos mais impotantes da economia mundial. Com desenvolvimento da aviação foam atingidas velocidades cada vez maioes e poduzindo-se efeitos aeodinâmicos não mais possíveis de seem ignoados, e, assim pogessivamente cesceu a impotância do estudo da aeodinâmica. As foças aeodinâmicas poduzidas sobe os pefis povocam aasto, sustentação, foças lateais e momentos. O aasto aeodinâmico é um dos maioes inteesses na elaboação de um pojeto. A geometia da asa de um avião é um paâmeto de gande impotância paa sua pefomance aeodinâmica. A escolha do pefil da asa influi dietamente no desempenho em vôo, esultando em pedas ou ganhos em fatoes como velocidade, alcance, consumo de combustível e etc. Paâmetos como coeficientes de aasto e de sustentação (de acodo com o ângulo de ataque da asa) são elevantes paa o dimensionamento e, conseqüentemente, paa o custo da estutua. Desta foma, a melhoia de um pojeto aeodinâmico tona-se impescindível; sendo mais significativa consideando-se que no Basil, devido a sua gande extensão teitoial, o seto aeoviáio tem sido uma das altenativas de deslocamento mais utilizada pela população. Baseando-se nos aspectos citados pocua-se-á analisa quato pefis de asa a fim de detemina alguns dos pincipais paâmetos envolvidos no compotamento aeodinâmico baseado em expeimentação em túnel de vento. Sugeindo-se, em função da pola de aasto obtida, um dos pefis analisados paa utilização em uma aeonave expeimental tipo JN-1. Contudo, não há egisto de análises expeimentação em túnel de vento, tais como as efetuadas neste tabalho, com os pefis selecionados paa o estudo, de modo que se possam compaa os esultados obtidos. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA (Times New Roman, negito, tamanho 10, maiúsculas) Qualque copo que se move em meio ao a sofe esistência ao deslocamento em função do escoamento da massa fluida. Consideando que o copo está sujeito a foças e momentos em vitude da ação das coentes de a, (White, 2002), há a fomação de uma distibuição de pessão específica paa a geometia do copo. Ou seja, a esistência do a

2 vaia com a distibuição de pessões. As fomas que deteminaem a meno cuvatua da veia fluida seão as mais aeodinâmicas, poque, paa a mesma áea fontal e paa a mesma velocidade, estabelecem a meno depessão e tendência a foma tubilhões, (Rodigues, 2004). O estudo de como se distibui a pessão num pefil de asa possibilita ao pojetista a análise pévia de seu compotamento, pois os ensaios ealizados em túnel de vento pemitem detemina a distibuição de pessão no intadoso e no extadoso dos aeofólios em difeentes ângulos de ataque; e é justamente esta difeença de pessão geada po vaiações na velocidade do a, a esponsável pela geação da foça de sustentação. A vaiação da pessão de foma menos acentuada ao longo do pefil é conveniente, pois impede a fomação de tubulência eduzindo a esistência ao avanço. No caso de um pefil pouco aeodinâmico, há a fomação de uma elevada depessão devido ao desalinhamento das linhas de coente, o que gea condições popícias a fomação de tubulência. A edução deste gadiente de pessão pode eduzi a fomação de tubulência e conseqüentemente melhoa a penetação aeodinâmica da asa. A medida que o fluxo de a continua do bodo de ataque paa tás, foças de ficção na camada limite continuam a dissipa a enegia do fluxo dos filetes de a, diminuindo esse fluxo, além do que, a espessua da camada-limite aumenta. Os pojetistas de aeonaves pocuam etada o máximo possível a tansição do fluxo lamina paa o tubulento, a fim de eduzi ao mínimo o aasto de atito. Paa isto, há um gande enfoque nas caacteísticas do mateial da fuselagem, pincipalmente no tocante a ugosidade supeficial. O descolamento da camada limite do extadoso da asa pode gea uma situação de isco, pois há uma queda busca na sustentação; é o chamado estol. A medida que o ângulo de ataque (α) aumenta, o gadiente de pessão adveso também aumenta, e paa um deteminado valo de α, ocoe epentinamente a sepaação do escoamento. A pati de então, o coeficiente de sustentação (C L ) decesce dasticamente enquanto o coeficiente de aasto (C D ) aumenta apidamente. Com tudo isto, pecebem-se que o gadiente de pessão adveso é tanto maio quanto mais busca fo a vaiação de seção do copo. Po outo lado, o escoamento em tono de um copo cuja seção diminui pogessivamente tem um gadiente de pessão bastante suave, de modo que o fluxo pemanece em contato com a supefície até quase o seu final. E, com a camada limite se descolando no final do copo, a enegia ecebida das camadas mais extenas de a é suficiente paa evita gandes tubulências. Contudo, também ocoeá gande tubulência se a velocidade aumenta significativamente e a foma do copo não se altea, pois a foma aeodinâmica ótima de um copo depende também de sua velocidade no meio. A foma do aeofólio é um dos paâmetos de maio influência em sua eficiência, pois altea tanto a sustentação quanto o aasto nele povocados. Contudo, as popiedades do pefil ala, que é a seção de aeofólio, difeem das popiedades da asa ou da aeonave devido à foma da planta da asa. Obsevando que a asa pode te divesas seções de aeofólio desde a aiz até a ponta, com diminuição gadual da espessua, toção e enflechamento, é fácil compeende que as popiedades aeodinâmicas esultantes são deteminadas pela ação de cada seção ao longo da envegadua, (Saintive, 2006). O ângulo, (α), definido ente a dieção do vento elativo (fluxo de a) e a linha da coda do pefil, exece impotantíssima influência na deteminação do compotamento aeodinâmico do aeofólio, pois epesenta um paâmeto decisivo na capacidade de geação de sustentação do pefil. Em um aeofólio pojetado adequadamente a sustentação aumenta a medida que (α) também aumenta. Isto significa que a aeonave pode subi mais apidamente ou voa com meno velocidade (uso de dispositivos de alta sustentação: flapes e slots). Quando, poém, o ângulo de ataque aumenta paa o ângulo de máxima sustentação, o ponto cítico é atingido. Neste ângulo cítico o a cessa de flui suavemente no extadoso, dando início a tubulência e ao despendimento do a da supefície supeio da asa. Neste instante, a sustentação diminui dasticamente, enquanto o aasto tona-se excessivo; é alcançada então a já citada condição de estol, onde a foça de gavidade empenha-se em joga o naiz da aeonave paa baixo, geando isco ao vôo. A dependência da sustentação e do aasto com o ângulo de ataque podem se medidas atavés de coeficientes adimensionais denominados coeficiente de sustentação, (C L ) e coeficiente de aasto, (C D ). Estes coeficientes, juntamente com o coeficiente de momento, a posição do cento aeodinâmico e a sua eficiência aeodinâmica, compõem as pincipais caacteísticas aeodinâmicas de um pefil. O coeficiente C L é função do modelo do pefil, do númeo de Reynolds e do ângulo de ataque. Ele epesenta a eficiência do pefil em gea a foça de sustentação. Logo, pefis com altos valoes de coeficiente de sustentação são consideados como eficientes paa a geação de sustentação. O modelo da foça aeodinâmica, L, ao longo do eixo y da estabilidade é como expesso na Eq. (1); atavés da elação da pessão dinâmica com os coeficientes de sustentação paa deflexões nulas das supefícies de contole e ângulo de ataque 0, sustentação em função do ângulo de ataque e em função do ângulo de incidência do estabilizado hoizontal, espectivamente. F Ay 1 = ρsv 2 2 ( C + C α + C i ) L0 Lα Lih h (1) Paa o caso em estudo em que está sendo avaliada a sustentação de pefis de asa sem supefícies de contole, e consideando as condições de vôo, a obtenção de L e C L atavés de expeimentação em túnel aeodinâmico se dá

3 segundo a aplicação da equação básica, Eq.(2), paa ensaios expeimentais, como conceituado na liteatua da áea (Rodigues, 2009), que coesponde à leitua da vaiação da pessão ao longo da áea molhada do copo em teste. L=Σ( P i A i - P s A s ) (2) Onde, A i : áea infeio (efeente ao intadoso e envegadua); P i : difeença ente as pessões estática e de coente live no intadoso; A s : áea supeio (efeente ao extadoso e envegadua); P s : difeença ente as pessões estática e de coente live no extadoso; Em um pocesso expeimental a deteminação do aasto total ou do coeficiente de aasto é ealizada atavés da medição do pefil de velocidades na esteia do pefil e da aplicação adequada das equações de consevação da massa e quantidade de movimento linea, em conjunto com pemissas simplificadoas apopiadas (Método de Jones, 1962). A Equação (3) é o ponto de patida paa se mensua a esistência aeodinâmica. Com as hipóteses coetas paa o escoamento, pode-se aplica de modo coeente a consevação da quantidade de movimento no volume de contole analisado, Eq.(4), e assim obte o valo do coeficiente de aasto, necessáio paa se plota a cuva pola de aasto de cada pefil ensaiado. Paa difeentes cotas ao longo do eixo y são deteminados os valoes de pessão coespondente. É calculada, então, a integal da equação paa cada ponto medido, consideando um conjunto de n paes de valoes [i, (y / c)],onde i é dado pela Eq. (5). D = τ S w n ds + p n ds S ( ρ U n da ) + U ( ρ U n da ) + U ( ρ U n da ) - D U = SC ( 0 ) SC ( 2 ) SC ( 0 2 ) 1 y i0 + 4i1 + 2i Integal = 3 c + 2in 4 + 4i 2 + 4i n i + 2i n i n 1 + i n (3) (4) (5) Atavés da cuva pola de aasto pode-se obte a elação dos coeficientes de sustentação e aasto paa váios ângulos de ataque e, assim, avalia o desempenho da aeonave paa váias situações, bem como os pontos de maio eficiência. A seleção final do pefil é influenciada po divesos fatoes elacionados ao desempenho, que sejam paâmetos geométicos (dimensões, aqueamento, limitações opeacionais, e etc) ou aeodinâmicos (eficiência, C D, C L, coeficiente de momento, CP, cuva pola, ângulo cítico, e etc;). Estes devem se elacionados sob a luz de ealização da missão da aeonave; devendo, então, toda a análise de seleção ealiza-se em vista das condições de vôo (alcance, velocidade de opeação, númeo de Reynolds, e etc ) as quais está submetida a aeonave. O JN-1, aeonave paa a qual seá selecionado o pefil de asa, é um avião expeimental com caacteísticas de ultaleve, (Abon, 2009). 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1. Pojeto e Constução dos Pefis (Times New Roman, negito, tamanho 10) Na seleção dos pefis de asa paa o expeimento visam-se atende as necessidades de pefomance da aeonave. Assim, paa análise foam selecionados pefis alaes de tês categoias, que são dos tipos simético, côncavo-convexo e plano-convexo. Foam escolhidos os seguintes pefis: NACA 0018 (simético); Clak Y (plano-convexo); GA 30U (côncavo-convexo); NACA 6409(côncavo-convexo). Os quato aeofólios foam constuídos em mdf de 3mm e evestidos com PET, confome mostado nas Figs.(1-4). Teze mangueias de Ø e 4mm e Ø i 3mm atavessam a secção tansvesal da asa, possibilitando as tomadas de pessão, uma vez que estão fixas pependiculamente a supefície da asa, detalhe da tomada de pessão exposto na Fig (2). espaço simples ente linhas, tamanho 10)

4 Figua 1. Aeofólio com pefil Clak Y (espessua máxima 35,10mm). Figua 2. Aeofólio com pefil GA 30-U (espessua máxima 40,51mm). Figua 3. Aeofólio com pefil NACA0018 (espessua máxima 54 mm). Figua 4. Aeofólio com pefil NACA6409 (espessua máxima 27,03 mm) Monitoamento e distibuição das pessões (Times New Roman, negito, tamanho 10) Paa a instumentação em túnel desenvolveu-se um manômeto, confome esquema mostado na Fig. (5), onde a difeença de massa dos ecipientes veificada pela balança é função da pessão do a execida na água.

5 Tomada de pessão Tomada de pessão estática pitot /pontos do aeofólio Recipiente 2 Recipiente 1 Figua 5. Modelo esquemático de manômeto. O manômeto pemite a leitua da distibuição de pessão sobe o aeofólio em teste, uma vez que a ele são conectadas as mangueias paa tomada de pessão fixadas à supefície do aeofólio, Fig. (6). Com o valo da pessão em cada ponto de queba de sessão foi possível, atavés da aplicação da Eq.(2), obte os valoes de sustentação efeentes a cada tipo de pefil. Figua 6. Manômeto ligado ao túnel. Paa análise dos aeofólios em função de seus valoes de coeficiente de sustentação, C L, foi necessáio obte esse dado paa váios ângulos de ataque, α. Um gáfico de cuva pola com uma ampla faixa de valoes de α só é viável de se plota atavés de simulação com softawes específicos. Com isto, tabalhaam-se os aeofólios sob a inclinação de α em -5, 0, 5, 10 e 12º, escolhidas de modo a vae uma gama ampla de dados, sem necessaiamente chega ao valo efeente ao C L máximo, haja visto que este pode ocoe em ângulos difeentes paa cada pefil mesmo mediante condições idênticas de teste. Paa obtenção de dados aceca da sustentação, cada aeofólio teve seus 13 pontos de tomadas de pessão vaidos paa cada um dos cinco ângulos de ataque estudados. E, paa cada ângulo tabalhado epetiu-se o ensaio cinco vezes, dos quais foam apoveitados os esultados de tês medições, sendo eliminadas as medidas extemas. Com o deslocamento do tubo de pitot ao longo do eixo vetical na saída do túnel, com incementos y=5mm, foi possível vae uma cota de no mínimo o dobo da espessua máxima de cada modelo de pefil no fim da esteia tubulenta do escoamento. Atavés da aplicação dos dados de pessão na Eq. (4), obteveam-se os valoes de aasto elativos a cada seção de asa. Assim como paa o cálculo da sustentação, paa definição do coeficiente de aasto ealizaam-se medições nos cinco ângulos de ataque pé-definidos (-5,0,5,10 e 12º). Com o aeofólio posicionado em cada ângulo ealizaam-se cinco medições na egião invóluca ao escoamento de cada pefil; ou seja, o equivalente a 60mm ao longo do eixo y da seção do túnel, contados 30mm acima e 30mm abaixo do bodo de fuga de cada aeofólio Túnel Aeodinâmico Times New Roman, negito, tamanho 10) Paa simulação do escoamento de a sobe os pefis de asa utilizaam-se de um túnel aeodinâmico modelo de cicuito abeto, tipo sopado, com as seguintes caacteísticas: compimento total de 4,5m; seção de ensaio com dimensões de 0,50m x 0,50m, com áea de 0,25m 2 ; velocidade máxima de apoximadamente 6,3m/s, obtida usando um moto elético monofásico com potência máxima de 5HP (3.7kW); difuso com azão de contação de 2:1 (Catalano, 1998).

6 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os dados dos expeimentos fomaam tabelas específicas paa cada pefil, contendo os valoes de medição, desvio padão e confiabilidade (95%) coespondente. Contudo, essas tabelas são supimidas nesta apesentação de modo a peseva o sigilo dos dados da pesquisa, sendo apesentados e discutidos apenas os esultados finais obtidos. Salientase, poém, que paa o nível de confiabilidade aplicado, os esultados são aceitáveis paa o pocedimento expeimental. Aceitáveis e elevantes, uma vez que o softwae disponível paa a instituição de ensino não gea cuvas paa um escoamento nestas caacteísticas. A Figua (7) expõe a eficiência aeodinâmica do pefil Clak Y, elacionando a azão ente coeficiente de sustentação C L e coeficiente de aasto C D com o ângulo de ataque α. Figua 7. CL / CD x α - Pefil Clak Y. Pecebe-se que o ângulo de máxima eficiência é 12, sendo possível que se alcance ainda valoes maioes. Neste ângulo a azão C L /C D é de apoximadamente 42. Em ângulo negativo a sustentação é insignificante, havendo ecupeação com o aumento de α. não é mostado o ângulo cítico no qual a aeonave enta em situação de estol, o que significa dize que até α=12 o aeofólio está desenvolvendo sustentação. A Figua (8) expõem a eficiência aeodinâmica do pefil GA 30U-613.5, elacionando a azão ente coeficiente de sustentação C L e coeficiente de aasto C D com o ângulo de ataque α. Figua 8. CL / CD x α - GA 30U Pecebe-se que o ângulo de máxima eficiência é 12. Paa este pefil, emboa não se tenha plotado os valoes paa ângulos acima de 12, não sugeem-se a existência de outo ângulo com maio eficiência, devido a intepetação da cuva geada. No ângulo de eficiência máxima, α=12,a azão C L /C D é de apoximadamente 52. Paa o pefil GA 30U pecebe-se que em ângulo negativo a sustentação já assume valo tal que pemite paa ângulo zeo uma sustentação consideável. A Figua (9) expõem a eficiência aeodinâmica do pefil NACA0018, elacionando a azão ente coeficiente de sustentação C L e coeficiente de aasto C D com o ângulo de ataque α.

7 Figua 9. CL / CD x α - NACA0018. Paa este pefil o ângulo de máxima eficiência é 12. Assim como paa o pefil GA 30U-613.5, paa o NACA0018, emboa não se tenha plotado os valoes paa ângulos acima de 12, não sugee-se a existência de outo ângulo com maio eficiência, devido a intepetação da cuva geada. A difeença ente os gáficos destes pefis é que emboa a eficiência máxima do GA 30U seja no α =12º, elevados valoes de eficiência são alcançados em ângulos menoes; ao contaio do que acontece com o NACA0018. No ângulo de eficiência máxima, α=12, a azão C L /C D é de apoximadamente 48. Paa este pefil pecebe-se a vaiação do aasto ocoendo dento de uma faixa de valoes ampla, devido a espessua elevada do aeofólio. A Figua (10) expõem a eficiência aeodinâmica do pefil NACA6409, elacionando a azão ente coeficiente de sustentação C L e coeficiente de aasto C D com o ângulo de ataque α. Figua 10. CL / CD x α NACA6409. Pecebe-se que o ângulo de máxima eficiência é 10. entende-se que paa um ângulo de ataque acima de 10 o pefil pede eficiência, aumentando o aasto e diminuindo consideavelmente a sustentação. No ângulo de eficiência máxima, α=10, a azão C L /C D é de apoximadamente 53. pecebe-se que em ângulo negativo a sustentação já assume um valo consideável, que pemite que o aeofólio à ângulo zeo gee uma sustentação de pelo menos a metade da sustentação máxima poduzida pelo pefil.

8 5. CONCLUSÕES De acodo com a análise das cuvas polaes obtidas, evidencia-se que o pefil que apesenta C L mais elevado é o NACA 6409; contudo, este pefil possui um ângulo cítico bastante infeio quando compaado aos pefis Clak-Y e GA30U-6135, que também apesetam C L e eficiência elevadas (C L /C D = 42 e 52, espectivamente). Outa caacteística impotante obsevada é a sustentação geada em ângulo de ataque negativo, pecebida paa os pefis NACA 6409 e GA30U Aliando paâmetos geométicos às caacteisticas aeodinâmicas, os pefis Clak-Y e o GA30U-6135 possuem maio opeacionalidade constutiva, po se o JN-1 uma aeonve de asa entelada. Avaliando todos os pontos discutidos, dente os quato pefis aeodinâmicamente analisados, o pefil de asa GAU é o mais adequado paa a aeonave expeimental JN REFERÊNCIAS Catalano, F. M.,1988 Pojeto, constução e calibação em túnel aeodinâmico de cicuito abeto tipo N.P.L. de seção tansvesal hexagonal, USP, São Calos. Fox, R.W.,2001, Intodução à mecânica dos fluidos McDonald, LTC, Rio de Janeio. Fança, F.A., 2002 Notas de Aula - Deteminação do Aasto Total de um Pefil Bi-Dimensional, Laboatóio de Calo e Fluidos I -Faculdade Engenhaia Mecânica Unicamp, SP. Neto, B.B.; Scaminio, I.S.;Buns,R.E., 2003 Como Faze Expeimentos Campinas, SP. White, F. M.,2002 Mecânica dos fluídos, McGaw-Hill Oliveia, P.H.I.A. Pocedimentos paa cálculo aeodinâmico de aeonaves leves subsônicas. CEA/EEUFMG, Rodigues, J. C. Aeomodelismo teóico e pático. Seviço de Publicações da Mocidade Potuguesa. Lisboa, Rodigues, L.E.M.J. Fundamentos da engenhaia aeonáutica. IFSP: São Paulo, Homa, J. M. Aeonaves e motoes. ASA: SP, 1998 Lau, F.J.P. Foças e momentos aeodinâmicos e de populsão em vôo estacionáio. IST-Instituto Supeio Técnico: Lisboa, Saintive, S.N. Teoia de vôo: Intodução a Aeodinâmica. Ed. ASA, 4 Ed. São Paulo, DIREITOS AUTORAIS (Times New Roman, negito, tamanho 10) Os autoes são os únicos esponsáveis pelo conteúdo do mateial impesso incluído no seu tabalho.

9 AERODYNAMIC ANALYSES OF WING PROFILES ( Fist CONEM LIMA; Rudson de Souza, udsonsouza@yahoo.com.b RIBEIRO; Fenanda Alves, alves@ct.ufn.b FORD; Elmo Thiago Lins Cöuas, elmocouas@hotmail.com CAVALCANTI; Synaa Lucien de Lima,synaa 2004@hotmail.com MENDES; José Ubiagi de Lima, ubiagi@ct.ufn.b Univesidade Fedeal do Rio Gande do Note -UFRN, Campus Univesitáio-Lagoa Nova CEP Abstact. In this pape we analyzed the fluid flow in diffeent wing pofiles, in ode to detemine the main paametes involved in the aeodynamic behavio, based on wind tunnel testing, to detemine the efficiency of each one of the pofiles when used in an expeimental aicaft specific. The expeiment was ealized on wing pofiles built by MDF and balsa wood, in fou diffeent types of geomety, chosen accoding to the flight chaacteistics of the aicaft. The monitoing of the pessue and flow speed was made by a diffeential manomete developed specifically to this wok, coupled with a "Pitot" pipe Model 160 Mak III. To simulate the flowing ai effect ove the suface of the pofiles, we used an open-cicuit blowe type wind tunnel. The dag and lift coefficients values obtained fom the vaiation of momentum and the integation of the pessue field wee compaed to those obtained though the use of a specific pogam to detemine the aifoil dag pola. With this, we guaanteed the efficiency of the expeiment, as well as the legitimacy of the cuves obtained by the expeimental method. single space line, size 10) Keywods: Wind tunnel; Aeodynamic analyses; dag The authos ae the only esponsible fo the pinted mateial included in this pape.