UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA VISUALIZAÇÃO DE ESCOAMENTOS NO TÚNEL DE VENTO.

Transcrição

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA VISUALIZAÇÃO DE ESCOAMENTOS NO TÚNEL DE VENTO por Heitor Machado Vicari Júnior João Luis Bertini da Silva Roger Oliveira de Carvalho Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Porto Alegre, Dezembro de 2007.

2 2 RESUMO O presente trabalho tem como principal objetivo a construção de um equipamento capaz de gerar e transportar fumaça através de um duto, permitindo um estudo qualitativo de qualquer perfil aerodinâmico através da visualização do escoamento em túneis aerodinâmicos, facilitando o uso do mesmo na disciplina de mecânica de fluidos. Para isso faz-se a utilização de um pulmão no qual é queimado um óleo por meio de uma resistência elétrica gerando um gás, sendo que este é insuflado por um cooler e jogado na tubulação. Em virtude da velocidade do fluido medida na saída da canalização considera-se o escoamento como sendo em regime laminar, que é um fator determinante para uma boa visualização. São obtidos resultados satisfatórios e coerentes com a teoria.

3 3 SUMÁRIO Pág. 1. INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA TÉCNICAS EXPERIMENTAIS FUNCIONAMENTO DO SISTEMA RESULTADOS CONCLUSÕES...10 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BIBLIOGRAFIA...10 ANEXO...11 APÊNDICE...12

4 4 1 INTRODUÇÃO O estudo de perfis aerodinâmicos é uma parte importante da engenharia. A indústria automobilística e a aeronáutica buscam um melhor desempenho de seus equipamentos. Para isso, o túnel de vento é uma ferramenta de grande valor capaz de simular o comportamento em situações reais. O túnel aerodinâmico Prof. Debi Pada Sadhu pertencente ao Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) da UFRGS foi construído com o objetivo de permitir o estudo de escoamentos sobre perfis aerodinâmicos através de medidas de pressão e da visualização propriamente dita, tendo em vista que já foram realizados outros experimentos para a visualização de escoamentos de gases e os resultados obtidos não foram plenamente satisfatórios. Para isso, parte-se com a idéia de melhorar os estudos já realizados, construindo um sistema diferenciado dos elaborados anteriormente. O presente trabalho utiliza-se da queima de um óleo, processo este irreversível, ou seja, a fumaça produzida não condensada posteriormente. Além disso, o sistema construído é capaz de gerar escoamento em regime laminar. 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A engenharia vem aperfeiçoando-se ao longo do tempo. Atualmente a computação gráfica é uma ferramenta potente na solução de diversos problemas naquela área. Os métodos numéricos são muito utilizados, principalmente quando uma solução analítica de um determinado problema é difícil de ser obtida. Os métodos experimentais também compõem uma ferramenta na análise de problemas físicos. Na mecânica dos fluidos, uma análise qualitativa do campo de escoamento é fundamental para ter-se uma idéia do comportamento dinâmico do fluido. A aerodinâmica é um importante ramo da mecânica dos fluidos, sendo que ela estuda o comportamento de corpos ao deslocarem-se dentro do ar. O desenvolvimento de aviões, automóveis, projéteis, aerogeradores, pontes e edifícios baseiam-se nos princípios da aerodinâmica. Com o intuito de obter um melhor desempenho, avaliar a estabilidade e a integridade do corpo parte-se para métodos experimentais. A utilização de túneis de vento é freqüentemente aplicada no estudo perfis aerodinâmicos. Um campo de escoamento é provido pelas linhas de corrente, de trajetória, linhas de emissão e linhas de filete. As linhas de corrente são aquelas desenhadas no campo do escoamento de forma que, num dado instante, são tangentes à direção do escoamento em cada ponto do campo. Como as linhas

5 5 de corrente são tangentes ao vetor velocidade de cada ponto do campo, não pode haver escoamento em torno delas. Uma linha de trajeto é o caminho ou trajetória traçada por uma partícula fluida em movimento. Os escoamentos completamente limitados por superfícies sólidas são denominados internos. Assim, os escoamentos internos incluem escoamentos em tubos, dutos, bocais difusores, contrações súbitas e expansões, válvulas e acessórios. Os escoamentos internos podem ser laminares ou turbulentos. Para escoamentos internos, o regime de escoamento (laminar ou turbulento) é primariamente uma função do número de Reynolds [Fox, 2001]. Conforme a equação 1 : u D Re (1) Onde: u = velocidade média (m/s); D= Diâmetro interno (m); = viscosidade cinemática (m 2 /s); Para escoamentos internos com número de Reynolds até aproximadamente 2300 considerase o escoamento como laminar. A transição para regime turbulento ocorre na faixa de 2300 até Escoamentos externos são escoamentos sobre corpos imersos em um fluido sem fronteira. Os escoamentos sobre uma placa plana semi-infinita e sobre um cilindro são exemplos de escoamentos externos. A figura 1 representa alguns dos fenômenos ocorridos sobre um corpo em um escoamento externo com alto Número de Reynolds. No ponto de estagnação o escoamento em corrente livre divide-se circundando o corpo. Devido à condição de não deslizamento a velocidade do fluido junto à superfície é a mesma do corpo. Ocorre formação de camada limite na superfície superior e na superfície inferior do corpo.

6 6 Figura 1-Detalhes de escoamento viscoso em torno de um aerofólio (Fonte: Fox e MacDonald, 2001) Inicialmente, o escoamento na camada limite é laminar e a transição para escoamento turbulento ocorre a alguma distância do ponto de estagnação, conforme ilustrado na figura 2: Figura 2 Camada Limite sobre uma placa plana (Fonte: Fox e MacDonald, 2001) 3 TÉCNICAS EXPERIMENTAIS O sistema desenvolvido consiste em um equipamento capaz de produzir fumaça, inserindoa no túnel de vento, permitindo assim a visualização do comportamento de corpos aerodinâmicos. O sistema constitui-se basicamente de uma caixa metálica, denominada pulmão, uma resistência elétrica e um ventilador, conforme ilustrado na figura 3. A formação da fumaça é obtida após a queima de um óleo lubrificante, utilizando a resistência elétrica, posteriormente sendo essa fumaça sugada da caixa metálica pelo ventilador e jogada no interior do túnel de vento através da tubulação de PVC.

7 7 Figura 3 Sistema gerador de Fumaça O sistema gerador de fumaça é composto pelos seguintes elementos: Caixa metálica de chapa galvanizada com 3 mm de espessura; Tampa de visualização em acrílico; Ventilador de 12V (Cooler); Fonte com transformador para o cooler; Resistência tipo tubular 220V/600W ; Mesa suporte para a resistência feita em perfil quadrado de 20mmx20mm; Pés da mesa de fusível-isolante (cerâmica); Controlador para ligar e desligar a resistência; Bandeja de alumínio para depositar o óleo; Conexão de cano PVC; Garrafa para armazenar o óleo com tubulação em mangueira dosadora de soro; Lâmpada; Sendo que os trabalhos anteriores realizados com intuito de obter uma visualização do escoamento de gases no túnel de vento não obtiveram resultados satisfatórios, principalmente devido ao fato de que o elemento gerador de fumaça não era adequado. Nesses trabalhos foram utilizados fluido glicerinado - composto por C 3 H 8 O 3 + H 2 O + corantes e também foi utilizado incenso. O presente trabalho utiliza o óleo lubrificante Texaco Spindura 10. Este óleo foi

8 8 fornecido pelo Aeroclube de Porto Alegre, sendo este óleo muito utilizado como traçador em shows aéreos. As propriedades do óleo estão descritas no Anexo. O túnel aerodinâmico do LETA tem as seguintes características: Túnel de sucção e circuito aberto; Comprimento: 6,3m; Área da seção comum: 1m 2 Rotação máxima do motor do exaustor: 1160 rpm; Velocidade máxima do ar: 9m/s 3.1 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA Primeiramente, pinga-se o óleo na bandeja sob a qual está inserida a resistência elétrica. Para isso, o óleo que está armazenado em um recipiente plástico flui por gravidade através de uma mangueira fina onde tem um dosador que controla a quantidade necessária para a queima. A seguir, o sistema é ligado na rede elétrica sendo a resistência e o cooler acionados. A resistência é controlada por um controlador que atua com um timer de 60s ligando e desligando para evitar que a resistência não queime e que caixa não sofra um aquecimento demasiado. Segue no apêndice o detalhamento para ligar e desligar o equipamento. A fumaça obtida pela queima do óleo é aspirada pelo cooler e jogada na tubulação de PVC, e posteriormente inserida sob algum perfil aerodinâmico. 4 RESULTADOS Este estudo tem como objetivo avaliar o comportamento de corpos inseridos em um escoamento através de um método qualitativo, ou seja, através da visualização direta. Os resultados obtidos são demonstrados na Figura 4: Figura 4 Visualização de escoamento sobre um perfil aerodinâmico Visualmente, verifica-se que o escoamento na saída da tubulação de PVC tem um comportamento laminar, segundo a figura 5.

9 9 Figura 5 Escoamento Laminar na saída da tubulação de PVC Isto se comprova através do Número de Reynolds obtido através da equação 1. O resultado é demonstrado na seqüência: A tubulação de PVC utilizada tem as seguintes dimensões: L= 1,85m e D= 16,4mm A velocidade medida no final da tubulação de PVC através de um anemômetro é de 2m/s. Portanto, através da equação 1, obtém-se: u D 0, 2( m / s) 0,0164( m) Re ,5 10 ( m / s) Os equipamentos utilizados para a realização das medidas e suas respectivas incertezas de medição são: Paquímetro Analógico com incerteza: ±0,08mm Anemômetro de hélice em duto com incerteza: ± 3% (VL) A incerteza propagada W r, segundo Kline e McClintock, é dada pela equação 2: 2 2 Re Re w w w u D Onde: r u D 1/ 2 (2) Re D 0, 0164 u 2, s m Re u 0, 2 D 2, m w , , ,87693 r Logo, o Número de Reynolds e a incerteza da medição são: Re = 1312 ± 39, / 2

10 10 5 CONCLUSÕES Após a realização do experimento, conclui-se que o sistema construído obteve resultados satisfatórios atuando individualmente. Foi possível uma boa visualização do comportamento do escoamento sobre o perfil experimentado. As principais dificuldades encontradas foram determinar as propriedades termodinâmicas do óleo, a medição da velocidade impostada pelo cooler na saída do duto. Somando-se a isso temos ainda o problema da velocidade de sucção do túnel, que não é compatível com a velocidade de saída do duto. Para resolução do problema, a velocidade de sucção do túnel deve ser igual a velocidade do escoamento imposta pelo equipamento. Para isso é proposto um mecanismo de controle da velocidade do túnel ou um aumento nas dimensões do equipamento, gerando uma maior capacidade de gerar fumaça, e conseqüentemente aumento do cooler do equipamento. 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FOX, Robert e MCDONALD, Allan. Introdução à Mecânica dos Fluidos. Rio de Janeiro: LTC, BIBLIOGRAFIA DEVENPORT,W.J. e HARTWELL, W.L. Site da Disciplina Métodos Experimentais do Departamento de Engenharia Aeroespacial e Oceânica da Universidade Virginia Tech < Acessado em 09/10/07 SCHNEIDER, P, Apostila da disciplina Medições Térmicas, Porto Alegre, DELMEE, Gerard Jean, Manual de medição de vazão, 3 edição, Editora Edgard Blucher. FELICIO, G, LIU, J, GAUDIOSO, J, LAHORGUE, L, Visualização de escoamentos de gases no túnel aerodinâmico, Porto Alegre, MÖLLER, S. V.; SILVESTRINI, J. H. (editores). Turbulência - Coleção Cadernos de Turbulência, Volume 4. Rio de Janeiro: Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas, < - Acessado em 23/11/07

11 ANEXO 11

12 12 APÊNDICE Para Ligar o equipamento : PROG PC/CARD CLOCK START (OK) Para ajustar o tempo de liga/desliga da resistência: ESC STOP SET PARAM(OK) SET CLOCK PRG NAME Para Desligar o Equipamento: ESC STOP (OK) SET PARAM SET CLOCK STOP PRG NO YES PRG NAME

13 13

14 This document was created with Win2PDF available at The unregistered version of Win2PDF is for evaluation or non-commercial use only. This page will not be added after purchasing Win2PDF.