Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

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1 Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Elementos de Aeronaves e Dinâmica de Voo PME-2553 Primeira série de exercícios Prof. Dr. Adson Agrico 13 de outubro de 2016

2 1. Explique porque uma asa gera sustentação. Utilize desenhos para auxiliar na explicação. 2. Demonstre o teorema de Kutta- Joukowski. 3. Um escoamento potencial (irrotacional e incompressível) apresenta várias soluções sobre um aerofólio. Na prática isso é possível? Caso não seja possível que condição torna o escoamento determinístico. Explique com um desenho esquemático. 4. Sobre a sustentação e arrasto da seção transversal de uma asa podemos dizer que : (a) A magnitude depende da distribuição de pressão. (b) São perpendiculares apenas para um ângulo de ataque específico. (c) São proporcionais para todos os ângulos de ataque. (d) Variam linearmente com o ângulo de ataque. 5. A maior velocidade sobre uma asa arqueada na condição de um ângulo de ataque positivo está: (a) No ponto de estagnação. (b) Sobre o extradorso. (c) Abaixo do intradorso. (d) No bordo de fuga. 6. Em um perfil simétrico, o momento de arfagem assume para sustentação zero o valor: (a) Zero. (b) positivo (pitch-up). (c) negativo (pitch-down). (d) O valor depende da espessura. 7. O fator que dominante na geração de sustentação é: (a) Aumento de pressão abaixo da asa. (b) Aumento de velocidade abaixo da asa. (c) Sucção sobre a asa. (d) Diminuição de velocidade acima da asa. 8. Obtenha os dados de distribuição de pressão (para vários ângulos de ataque), curvas C L vs alpha e C D vs alpha para um perfil NACA utilizando o programa XFOIL. Justifique o que acontece com as curvas de sustentação e arrasto com o aumento de ângulo de ataque através dos gráficos de variação de distribuição de pressão sobre a asa. Identifique as distribuições no intra e extradorso do perfil, pontos de estagnação e descolamentos. 9. Algumas aeronaves ERJ 190 da empresa aérea azul passaram por nuvens onde precipitações de gelo causaram danos de amassamento em partes da aeronave. Estas aeronaves necessitam voltar para o parque de manutenção para serem reparadas. Você como engenheiro da EMBRAER irá liberar as aeronaves que têm condições de voo para voltar para o parque de 2

3 manutenção. Por outro lado, outras aeronaves deverão ser reparadas no aeroporto onde pousaram, pois oferecem risco de segurança de voo nas condições que se encontram. Você irá definir zonas de dano crítico e não-crítico para liberar as aeronaves. Quais são estas zonas e o critério utilizado? Você deve se preocupar com o aumento de arrasto causado pelos danos? Mesmo em regiões críticas existem áreas menos sensíveis a uma mudança de performance aerodinâmica devido à variação geométrica. Explique esse fato. 10. Obtenha as curvas CL vs alpha para um NACA em várias condições de Número de Reynolds ( , , , 1e106, 3e106) através do programa XFOIL. Faça a análise do efeito do Número de Reynolds nas curvas de sustentação e arrasto. 11. O arrasto de fricção em um perfil depende do número de Reynolds. Como vária o arrasto com o número de Reynolds? Apresente um gráfico e explique por que este fenômeno ocorre. 12. Após a transição do escoamento de laminar para turbulento podemos dizer: (a) A velocidade média aumenta e o coeficiente de fricção diminui. (b) A espessura da camada limite e a velocidade diminui. (c) A velocidade média aumenta e o coeficiente de fricção diminui. (d) A camada limite se torna mais fina e a velocidade aumenta. 13. A mais importante vantagem do escoamento turbulento em relação ao laminar para as condições de escoamento para uma aeronave é que: (a) Tem menor tendência em separar da superfície de um aerofólio. (b) É mais fina. (c) O coeficiente de fricção tem menores valores. (d) Há menos energia na camada limite. 14. Em que tipo de camada limite ocorrer grandes mudanças de velocidade próximo à parede? (a) Laminar e turbulento. (b) Transição. (c) Turbulento. (d) Laminar. 15. Quais o efeitos de espessura esperados nas características aerodinâmicas de um perfil? Explique os efeitos. 16. Quais o efeitos de arqueamento esperados nas características aerodinâmicas de um perfil? Explique os efeitos. 17. Descreva as características geométricas e aerodinâmicas dos perfis NACA 4, 5 e 6 dígitos. 18. Em que momento do século XX surge o interesse por perfis laminares? Qual a motivação para a investigação deste tipo de perfil? Quais as vantagens e desvantagens? Explique. 3

4 19. Qual o significado do bucket drag de um perfil? Explique com o auxílio de um gráfico. 20. Você é um aerodinamicista entusiasta. Faz experiências do efeito da rugosidade em corpos imersos em um escoamento. Sua primeira experiência foi com o lançamento de bolas de golfe lisas e rugosas. Em seu segundo experimento, você utilizou discos que são usados por atletas em competições olímpicas. Quais os possíveis resultados esperados. Explique os fenômenos relacionados com o disco e a bola de golfe. Faça desenhos 21. Em que condições geométricas e de escoamento aparece o fenômeno da bolha laminar em um aerofólio? O que ocorre com a bolha com o aumento do número de ataque e o número de Reynolds? Explique em detalhes o fenômeno com desenhos. Dica: pesquise artigos. 22. Os escoamentos laminar e turbulento são contraditórios em certo sentido no projeto de perfis. Explique os fenômenos que justificam esse fato. 23. No REPORT 586 Identifique C li, C dmin, C m, (C l /C d )max, α 0, α s, C lmax, C lα, (t/c) max e qualidade de stall para o perfil NACA 0018 em todas as condições de números de Reynolds. Fazer a indicação dos parâmetros em um gráfico. Faça um gráfico da influência do número de Reynolds e explique o efeito do mesmo no perfil NACA Por que em voo transônico o aileron é menos efetivo que em voos subsônicos? 25. O fenômeno do stall ocorre de forma distinta em condições de baixo e alto ângulo de ataque. Explique estes distintos fenômenos. Faça desenhos explicando. 26. Quais são os dois métodos para aumentar o Mach crítico? Explique as distintas fenomenologias e relacione valores de compromisso em um gráfico. 27. Faça uma pesquisa baseado no relatório Airport2030_TN_Supercritical_Airfoils_ e escolhe dois perfis supercríticos que têm desempenho destacado em condições transônicas. Construa as curvas aerodinâmicas e justifique suas características. 28. O surgimento de onda de choque sobre a superfície de uma asa causa grandes modificações em usas características aerodinâmicas. Após a barreira de uma onda de choque quais as novas características de pressão, densidade, temperatura e velocidade? Como estas novas características podem influenciar a camada limite ajusante da onda de choque? Quais as conseqüências nas curva de sustentação, arrasto e momento de arfagem? 29. Um hiper-sustentador "plain flap" aumentará máxima sustentação através de: 4

5 (a) Aumento de arqueamento. (b) Aumento de ângulo de ataque. (c) Controle da camada limite. (d) Movimento do centro de pressão. PME 2553 Elementos de Aeronaves e Dinâmica de Voo 30. A extensão do bordo de fuga do hiper-sustentador "fowler flap" produz: (a) Uma força que reduz o arrasto. (b) Momento de arfagem (nose-down). (c) Momento de arfagem zero. (d) Momento de arfagem positive ( nose-up). 31. Por que para uma aeronave com configuração de flap e slat logo após a decolagem é costumeiramente recolhido o flap primeiro e depois o slat? 32. Quando distendidos os hiper-sustentadores de bordo de fuga causam : (a) Significativo aumento de ângulo de ataque para máxima sustentação. (b) Significativo aumento de arrasto total. (c) A pior razão de planeio. (d) Aumento no ângulo de ataque para sustentação zero. 33. Qual a função do espaço entre o bordo de ataque de uma asa e seu slat? 34. Qual é o mais eficiente flap? Explique as razões para sua alta eficiência aerodinâmica. 35. O máximo ângulo de ataque para uma configuração de flap defletido quando comparada com flap recolhido é: (a) Menor ou maior, dependendo do ângulo de deflexão do flap. (b) Maior. (c) Menor. (d) Não muda. 36. A deflexão total de um hiper-sustentador "fowler flap": (a) Aumenta a área da asa apenas. (b) Aumenta a área da asa e o arqueamento. (c) Aumenta o arqueamento apenas. (d) Não afeta o arrasto. 37. Quais as conseqüências para o pouso quando se deflete os flaps (eficiência aerodinâmica, razão de planeio, ângulo de ataque de aproximação, velocidade de stall)? 5

6 38. Para se manter um voo reto e nivelado com velocidade constante quando um flap está sendo defletido o ângulo de ataque deve manter-se constante. Essa afirmação é falsa ou verdadeira? Explique sua resposta. 39. Nas competições de aerodesign porque normalmente não se utiliza dispositivos hiper sustentadores como slats, plain e slotted flaps? Explique em detalhes as razões para essa prática. 40. Mantendo-se o ângulo de ataque de uma aeronave fixo e defletindo o flap teremos uma perda de altitude da aeronave. Essa afirmação é falsa ou verdadeira? Explique sua resposta. 41. O hiper-sustentador Kruger flap é normalmente instalado em que parte da aeronave? 42. Em um voo reto e nivelado o efeito da deflexão de flap causado pela mudança de momento de arfagem causa características de pitch-up ou pitch-down? Explique. 43. Por que o split flap não apresenta boas características de decolagem? 44. Uma aeronave está configurada com slats e flap com as seguintes deflexões 0, 15, 30 e 45 graus. Qual faixa de deflexão haverá maior penalidade na eficiência aerodinâmica: (a) 0-15 graus. (b) graus. (c) graus. (d) defletindo slat. 45. O slat aumenta a energia da camada limite, aumenta a sucção no extradorso da asa e move a máxima sustentação para maiores ângulos de ataque. Explique estas modificações no escoamento devido a presença do slat (utilize gráficos).quais as conseqüências nos desempenhos de pista das aeronaves? 46. Qual das seqüências garante sempre um aumento de ângulo de ataque para se manter um voo reto e nivelado: (a) asa limpa, flap defletido, slat defletido. (b) flap defletido, asa limpa, slat defletido. (c) asa limpa, slat defletido, flap defletido. (d) slat defletido, flap defletido, slat defletido. 47. Com relação as deflexões de slat e Krueger flap podemos dizer : (a) Slat aumenta o ângulo de stall e Krueger não. (b) Slat forma um gap no bordo de ataque, Krueger flap não forma este gap. 6

7 (c) Krueger flaps formam um gap no bordo de ataque o slat não. (d) Krueger flaps aumenta o ângulo de ataque, o slat não. PME 2553 Elementos de Aeronaves e Dinâmica de Voo 48. Com relação ao arrasto induzido e os vórtices de ponta de asa podemos afirmar que: (a) As direções dos escoamentos no extradorso e intradorso desviam no sentido da ponta de asa. (b) Os vórtices de ponta de asa e o arrasto induzido diminui com o aumento do ângulo de ataque. (c) A direção do escoamento no extradorso tem componente na direção da raiz da asa e o escoamento no intradorso na direção da ponta de asa. (d) Geradores de vórtices diminuem vórtices de ponta de asa. 49. O ângulo de ataque induzido é resultado de : (a) Downwash devido aos vórtices de ponta de asa. (b) Um grande ângulo de ataque local. (c) Downwash devido a separação de escoamento. (d) Mudança na direção do escoamento devido o ângulo de ataque efetivo. 50. Winglet aumenta a performance de uma aeronave porque ele: (a) Diminui o arrasto induzido. (b) Diminui a estabilidade estática. (c) Aumenta a manobrabilidade. (d) Estabelece uma distribuição elíptica sobre a asa. 51. Pitch-up nas condições de baixa velocidade é causado por: (a) Escoamento ao longo da envergadura para asas com enflechamento para trás. (b) Escoamento ao longo da envergadura para asas com enflechamento para frente. (c) Vórtices de ponta de asa. (d) O sistema trim Mach. 52. O escoamento que causa os vórtices de ponta de asa é precisamente descrito como: (a) Escoamento da raiz para ponta no extradorso e da ponta para raiz no intradorso sobre a ponta da asa. (b) Escoamento da raiz para ponta no extradorso e da ponta para raiz no intradorso sobre o bordo de fuga. (c) Escoamento da ponta para raiz no extradorso e da raiz para ponta no intradorso sobre a ponta da asa. (d) Escoamento da ponta para raiz no extradorso e da raiz para ponta no intradorso sobre o bordo de fuga. 7

8 53. A causa do ângulo de ataque induzido na empenagem é: (a) O downwash do bordo de fuga da asa nas proximidades da ponta. (b) A mudança do escoamento do ângulo de ataque efetivo. (c) O downwash mudando o ângulo de ataque do escoamento que atinge a empenagem. (d) A inclinação do escoamento para cima na ponta de asa. 54. Qual das formas em planta produz a maior sustentação na raiz da asa. (a) Retangular (b) Elíptica (c) Afilada (d) Com ângulo de enflechamento positivo 55. Utilizando o programa AVL obtenha as distribuições de pressão, curvas de sustentação e arrasto induzido para asas retas de alongamento 8, 10 e 12 para uma área de asa de 75m2. Avalie o efeito do alongamento nos resultados e de explicações baseadas no efeito do campo de indução de escoamento causado pela ponta de asa. 56. Quais os impactos nas curvas de sustentação, arrasto e eficiência aerodinâmica causados pela variação do alongamento? Explique indicando gráficos. 57. Defina alongamento molhado e qual o seu significa do ponto de vista de eficiência aerodinâmica? Exemplifique com o caso discutido em sala de aula (Avro-Vulcan vs B-47). 58. Que categoria de aeronave apresenta maiores alongamentos? Justique a necessidade de grandes valores de alongamento para estas aeronaves. Elabore uma tabela com alongamentos de aeronaves desta categoria com o respectivos ponto de projeto (coeficiente de sustentação). 59. Quem pratica o parapente sabe que a razão deplaneio máxima não é influênciada pela carga alar. Na realidade, a carga alar influência a velocidade que ocorre o planeio máximo. Faça um desenho esquemático comparativo entre uma asa e um parapente com suas compontes que geram ssustentação e arrasto. Explique o que foi afirmado. 60. Conhecida as dimensões da forma em planta da asa do super-tucano. Desenhe uma possível distribuição de sustentação ao longo da envergadura. Você se preocuparia com uma possível perda de controle lateral em condições próximas ao stall da aeronave? Justifique com um desenho. 61. Por que as pás de passo variável constituem um grande avanço na eficiência de motores. 62. Asas afiladas causam carregamento na ponta provocando um possível stall indesejado e deteriorização nas condições de manobrabilidade. Na configuração flapeada para esta asa 8

9 teremos este mesmo problema? Justifique com desenhos e gráficos. 63. Utilizando o programa AVL obtenha as distribuições de pressão, curvas de sustentação e arrasto induzido para asas de afilamento 1, 0.4 e Avalie o efeito do afilamento nos resultados e de explicações baseadas no efeito do campo de indução de escoamento causado pela ponta de asa. 64. Quais as vantagens e desvantagem de asas afiladas e não afiladas? 65. A indução de velocidade causada pelas pontas de uma asa não causam modificação no escoamento apenas da asa. Quais outras regiões são influenciadas por este escoamento e quais as conseqüências? Faça um esquema para explicar estes efeitos. 9