INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO. CAMPUS SÃO JOSÉ DOS CAMPOS

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1 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

2 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

3 Aos nossos familiares, A todos os amigos que colaboraram, Aos professores que nos orientaram, Com muito amor e carinho, Dedicamos. iii

4 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

5 SUMÁRIO LISTA DE TABELAS LISTA DE GRÁFICOS LISTA DE FIGURAS viiii LISTA DE ABREVIATURAS LISTA DE SIMBOLOS RESUMO vii vii ix x xii 1. INTRODUÇÃO OBJETIVO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Histórico do Túnel de Vento Tipos de Túneis de Vento Com base na velocidade do fluxo Com base na forma Por regime de velocidade EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE Conceitos básicos da hidrodinâmica ENSAIOS Teste estático Teste dinâmico XFOIL Mark Drela e modelo aerofólio modelo NACA Definição geométrica de um aerofólio O TÚNEL DE VENTO MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Métodos RESULTADOS E DISCUÇÕES CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS v

6 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Cronograma de desenvolvimento dos Túneis de Vento vi

7 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 6.2 Aerofólio Testado vii

8 LISTA DE FIGURAS Figura 3 - Esquema de funcionamento (SANTOS) Figura NASA testa os designers dos aviões no túnel de vento Figura Teste no túnel de vento da NASA, como uma bola de tênis se move através do ar Figura 4 - Desenho de um tubo com redução de área Figura 5 Os Principios da Aerodinamica do Voo Figura adaptada (HANGAR) Figura 6.1 Geometria típica de um aerofólio, figura adaptada SOUSA (2008) Figura 6.2 Aerofólio testado Figura 6.3 Modelo NACA 0012 representado no software XFOIL Figura 7.1 Túnel de Vento (medidas em mm) Figura 8.1 Vista geral do túnel de vento Figura 8.2 Reutilização da madeira Figura 8.3 Ferramentas utilizadas Figura 8.4 Acabamento lateral do túnel Figura 8.5 Ventilador adaptado Figura 8.6 Caixa de estabilização Figura 8.7 Seção para visualização de ensaios Figura 8.8 Aerofólio Figura 8.9 Aerofólio na seção de testes viii

9 LISTA DE ABREVIATURAS NASA National Aeronautics and Space Administration ix

10 LISTA DE SIMBOLOS CL Coeficiente de sustentação CD Coeficiente de arrasto CM Coeficiente de momoento x

11 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 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

12 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 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

13 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

14 2. OBJETIVO Realizar ensaios de visualização em modelos em escala, tais como protótipo de edificações, equipamentos navais, aerofólios e aeronaves propriamente dita. 2

15 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 ( ) 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

16 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 (ρ) 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 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

17 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 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) 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

18 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 Esquema de funcionamento (SANTOS). 6

19 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 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 Peenenemunde 1936 Kirsten túnel de alta velocidade 1938 Túnel de Altitude Túnel de velocidade de 19 metros de altura Primeiro túnel supersônico EUA William Boeing Universidade de Wisconsin Massachusetts Institute of Technology (MIT) Langley Field Langley Field 1944 AWT Al Young Lou Monroe NACA Lewis pelo túnel de 80 pés Carl Bioletti NACA Lewis pelo túnel de vento 6- Foot Supersonic 10 pelo túnel de vento de 10 pés Supersonic NACA Lewis NACA Lewis 1955 Propulsão túnel de vento AEDC 7

20 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 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 quilômetros por hora (NASA). 8

21 Figura 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

22 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: v A = v B (I) Em virtude de as regiões A e B possuírem diâmetros diferentes, o volume de fluido em A ( v A ) é dado pelo produto da área A 1 pela distância d 1 ; e em B ( v B ) é dado pelo produto da área A 2 pela distância d 2. A equação acima pode ser escrita da seguinte forma: A 1.d 1 = A 2.d 2 (II) Lembrando que em cada região a velocidade de escoamento do fluído é constante, temos que: d 1 = v 1. t (III) e d 2 = v 2. t (IV) 10

23 Substituindo as expressões anteriores em (I), temos: A 1.v 1. t= A 2.v 2. t A 1.v 1 = A 2.v 2 (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: A 1.v 1 = A 2.v 2 (VI) Pela equação da continuidade podemos afirmar que a velocidade de escoamento é inversamente proporcional à área da secção transversal. 11

24 5. ENSAIOS Basicamente há dois tipos de testes efetuados em túnel de vento: o teste estático e o dinâmico 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) 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

25 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

26 Deflexão de flaps (SOUSA, 2008) 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

27 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

28 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) 16

29 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

30 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

31 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

32 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. 20

33 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

34 de ataque, ou seja, o ângulo formado pelo prolongamento da corda e o vento relativo. Figura 8.9: Aerofólio na seção de testes 22

35 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 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 = 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 = (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 23

36 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

37 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. 25

38 11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BARLOW J. B., RAE W. H., POPE A., 1999, Low-Speed Wind Tunnel Testing, 3rd edition; John Wiley & Sons. DRELA, M. (XFOIL User Primer, 30 de novembro de 2011), acesso em 10 de junho de Disponível em EBAH. (Túneis de Vento). Acesso em 02 de Abril de 2014, disponível em ESCOLAR, G (Hidrodinâmica). Acesso em 19 de maio de 2014, disponível em GORECKI, J. P. Túneis aerodinâmicos: passado, presente e futuro. Encit 88 II Encontro Nacional de Ciências Térmicas. Águas de Lindóia SP, HANGAR 33. (Os Princípios da Aerodinâmica). Acesso em 13 de junho de 2014, disponível em KLEIN, T. (Estudo em túnel de vento das características aerodinâmicas de torres metálicas treliçadas) Porto Alegre, abril de MONTEFUSCO, R. (s.d.). ABENGE. Acesso em 02 de Abril de 2014, disponível em SILVA, Domiciano Correa Marques da Silva (Princípios básicos hidrodinâmica). Acesso em 19 de maio de 2014, disponível em PIONEERS. (Aviation and Aeromodelling Independent Evolutions and Histories, Fevereito de 2006), acesso em 11 de julho de Disponível em POPE, A., Low Speed Wind Tunnel Testing, New York, N.Y., John Wiley& Sons, Simões, A.C., Santos, F.J., Pelegrini, M. F., Carvalhal, R., Woiski, E. R. Modelagem matemática para a construção de um túnel de vento, in: Anais do IX Congresso Brasileiro de Estudantes de Engenharia Mecânica - CREEM, Itajubá-MG, agosto de 2002 SOUSA, B. S.(Projeto de Perfis Aerodinâmicos Utilizando Técnicas de Otimização 26

39 Mono e Multiobjetivos), Universidade Federal de Itajubá, julho de USP. (Escoamento ao redor de um cilindro em túnel de vento). Acesso em 13 de junho de 2014, disponível em Escoamento_Externo-site.pdf WIKIPEDIA, (Wind Tunnel). Acesso em 10 de junho de 2014, disponível em 27