Sistemas de de/anti-gelo

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1 Sistemas de de/anti-gelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA Programa de Especialização em Engenharia - PEE (EMBRAER) de Paula Departamento de Projeto de Aeronaves -ITA

2 Sumário Formação de gelo Meterologia e condições formadoras de gelo Sistema de proteção de gelo em voo Sistemas de proteção de gelo em solo Modelamento matemático e computacional da formação de gelo Ensaios de formação de gelo

3 Sumário Formação de gelo Meterologia e condições formadoras de gelo Sistema de proteção de gelo em voo Sistemas de proteção de gelo em solo Modelamento matemático e computacional da formação de gelo Ensaios de formação de gelo

4 Formação de gelo Esse item tem como objetivo mostrar brevemente os tipos de formação de gelo que se estabelecem em uma aeronave durante sua operação. A formação de gelo nas operações em solo e voo serão descritas aqui. Também serão descritos os efeitos do gelo no desempenho da aeronave conduzindo de condições de menor eficiência até risco de operação.

5 Introdução A capacidade de decolar e voar em condições adversas de tempo é um requisito para a maioria dos aviões militares e comerciais. O gelo acumulado em áreas críticas pode afetar a segurança do voo porque adiciona arrasto e peso, diminui a sustentação máxima, deteriora o controle e a instrumentação. Gotículas de água sub-resfriada podem existir em nuvens a temperaturas bem inferiores ao ponto de congelamento. Quando as gotículas são perturbadas pela passagem do avião e se estas se chocam com a superfície podem congelar e aderir às superfícies externas: asas, fuselagem, radomes, entrada do motor, pára-brisas, que resulta em penalidades.

6 Introdução Além disso, sob certas condições de operação as paredes transparentes do cockpit se tornam embaçadas devido à formação de névoa ou gelo na forma de frost (geada). A chuva prejudica a visibilidade dos pilotos, devido à camada de água acumulada na superfície externa do párabrisa. Devido a todas condições atmosféricas e a degradação que a formação de gelo produz na aeronave deve-se ter sistemas de degelo ou anti-gelo

7 Gelo em solo Sub-resfriado: condição em que o vapor d'água presente numa camada de ar estável é resfriado até o ponto de congelamento ou abaixo deste, sem se condensar Névoa: conjunto de microscópicas gotículas de água suspensas na atmosfera. Não reduz a visibilidade como o nevoeiro e é, freqüentemente, confundida com chuvisco. Névoa seca: suspensão de partículas de poeira fina e/ou fumaça no ar. Invisíveis a olho nu, as partículas reduzem a visibilidade e são, suficientemente, numerosas para dar ao ar um aspecto opaco. Névoa Úmida ou Neblina: conjunto de microscópicas gotas de água suspensas na atmosfera. Provoca uma redução da visibilidade menor do que em condições de nevoeiro e é, freqüentemente, confundida com chuvisco. Nevoeiro ou Cerração: massa de minúsculas gotas de água suspensas na atmosfera, próximas ou junto à superfície da Terra, que reduzem a visibilidade horizontal para menos de 1 Km.

8 Gelo em solo Chuvisco: precipitação que cai lentamente em forma de minúsculas gotas de água. Neve: precipitação de cristais de gelo translúcidos e brancos, em geral, em forma hexagonal e complexamente ramificados, formados diretamente pelo congelamento do vapor de água que se encontra suspenso na atmosfera. É produzida, frequentemente, por nuvens do tipo estrato, mas também pode se originar das nuvens do tipo cúmulo. Normalmente os cristais são agrupados em flocos de neve. Geada: depósito de gelo cristalino sobre superfície exposta ao ar livre, resultante do congelamento do vapor d água existente no ar próximo a superfície

9 Gelo em solo As principais condições de formação de gelo no solo: geada, neve, névoa subresfriada, chuvisco sub-resfriado, chuva sub-resfriada e chuva, chuvisco, névoa ou alta umidade combinadas com o efeito de cold-soak (formação de gelo devido à temperatura muito baixa do combustível na asa do avião). O último tipo de formação de gelo, cold-soak, pode acontecer a temperaturas ambientes bem acima do ponto de congelamento. Também é importante entender que condições atmosféricas variáveis podem se sobrepor durante as operações do avião em solo, portanto, requerendo vigilância constante da tripulação de voo e do pessoal em solo.

10 Gelo em solo Clear Ice ou falha do fluído antigelo podem ser muito difíceis identificar. Outras condições que conduzem à contaminação das superfícies do avião com gelo são: -Operações em rampas, e pistas contaminadas por água, lama ou neve. Estas substâncias podem ser depositadas sobre superfícies do avião por vento, operações do avião, rajadas, jatos ou equipamento de apoio em solo. -Superfícies do avião não-frias e expostas à precipitação congelada durante condições de operação abaixo do ponto de congelamento. As superfícies do avião não-frias podem causar derretimento com posterior congelamento da precipitação.

11 Gelo em solo Sempre que ocorra formação de gelo em solo, o avião deve passar por um processo de degelo. Em muitos casos, os procedimentos de degelo e antigelo podem ser ineficazes em prover proteção suficiente para operações continuadas (longas). Isto pode acontecer quando há chuva sub-resfriada, chuvisco subresfriado, neve pesada, ou alto conteúdo de água está presente na precipitação sub-resfriada. A temperaturas ambientes muito baixas (abaixo de aproximadamente -30 C) alguns fluidos (de remoção de gelo em solo) aquecidos do Tipo I deixam de ser efetivos, devendo se usar outros métodos de remoção da contaminação das superfícies do avião por gelo.

12 Gelo em voo A formação de gelo em voo se deve à captura de água no estado líquido e sub-resfriada na superfície do avião. A forma e localização do gelo dependem das condições meteorológicas e de fatores específicos do avião: temperatura do ar externo, conteúdo de água no estado líquido, tamanho das gotas, velocidade relativa avião-ar, forma da superfície onde ocorre acumulação. O gelo formado pode crescer através de um processo seco ou molhado.

13 Gelo em voo (processo seco) No processo seco, as gotas congelam imediatamente após o impacto. As gotas podem perder o calor latente de fusão rapidamente e então congelam no lugar de impacto, mantendo aproximadamente a sua forma. A formação de gelo desta forma mantém espaços de ar entre as gotas congeladas, resultando em uma camada quebradiça, branca, opaca e de baixa densidade ( rime ice ). Rime ice tende a se formar em pontos anteriores no escoamento (mais próximos do bordo de ataque).

14 Gelo em voo (processo molhado) No processo de acúmulo de gelo denominado molhado, as gotas de água não liberam o calor latente de fusão rapidamente. As gotas, após o impacto, se deformam e fluem pela superfície do avião (no sentido do escoamento) e possivelmente entre as formas de gelo acumuladas anteriormente. Esta forma recebe a denominação de clear ice. Esta forma de gelo acumulada é mais densa que a forma rime ice, e a aparência de mais brilho e translúcida. A formação de gelo clear ice é a mais perigosa uma vez que é praticamente transparente, difícil de ser vista e pode mudar a forma do perfil da asa.

15 Gelo em voo (mista) Representa uma transição entre as formas rime ice e clear ice. Esta formação tem as características ruins dos tipos anteriores e pode se formar rapidamente. Partículas de gelo ficam embebidas no clear ice, resultando em uma superfície muito rugosa.

16 Gelo em voo Em geral as condições que favorecem a formação de gelo pelo processo seco são as que possibilitam a rápida liberação do calor latente das gotículas de água sub-resfriada: temperaturas mais baixas e baixo conteúdo de água no estado líquido. Por outro lado, alto conteúdo de água no estado líquido e temperatura mais elevada favorecem a formação de gelo pelo processo molhado. A velocidade relativa do avião, a forma e tamanho da superfície coletora e o tamanho das gotículas incidentes influenciam no processo de formação de gelo.

17 Gelo em voo Contudo com algumas hipóteses sobre os tamanhos das gotículas esperados nas nuvens e sobre os parâmetros do avião pode-se estabelecer as condições aproximadas de temperatura e conteúdo de água no estado líquido que conduzem à formação dos vários tipos de gelo apresentados anteriormente. Para que ocorra formação de gelo aderente à superfície do avião, umidade estar presente no ar e este deve ser resfriado até uma temperatura de 0 C (32 F) ou menos. O resfriamento aerodinâmico pode abaixar a temperatura de uma asa a 0 C, embora a temperatura ambiente esteja a alguns graus mais quente. Porém, quando a temperatura alcança -40 C ou menos, está geralmente muito baixa para que o gelo se forme aderindo à superfície do avião.

18 Gelo em voo (formação do gelo)

19 Gelo em voo Gelo estrutural: que se refere à acumulação de gelo na superfície externa. Uma formação significativa de gelo estrutural pode causar problemas de controle e performance no avião. A formação de gelo estrutural pode criar uma situação ruim em que o piloto pode ter dificuldade em recuperar o avião e em alguns casos, pode não ser capaz de sair desta situação. Gelo de indução: que afeta o sistema de potência. Para reduzir a probabilidade de formação de gelo nas áreas não protegidas do avião, o piloto deve manter a velocidade pelo menos igual a mínima velocidade de voo em condições de gelo, que é apresentada no manual de voo do avião (AFM Airplane Flight Manual).

20 Efeitos do gelo Aumenta o arrasto e reduz a sustentação, causa vibrações destrutivas e deteriora as indicações dos instrumentos. As superfícies de controle ficam desequilibradas ou congeladas, as fendas fixas podem ficar entupidas e as fendas móveis podem ficar inoperantes. A recepção de rádio fica prejudicada e o desempenho do motor é degradado. Devido à degradação das superfícies aerodinâmicas, a velocidade de stall é aumentada.

21 Efeitos do gelo O gelo do tipo estrutural pode bloquear o tubo de pitot e as tomadas estáticas e causar a ruptura das antenas do avião. Isto pode provocar a perda ou recebimento de indicações errôneas de instrumentos como o indicador de velocidade e altímetro e resultar na perda de comunicação e capacidade de navegação por rádio. O aspecto mais perigoso do gelo estrutural se deve aos efeitos na aerodinâmica do avião. O gelo pode alterar a forma do perfil da asa. Isto causa problemas de controle, muda o ângulo de ataque no qual o avião entra em stall, assim, aumentando significativamente a velocidade de stall. O gelo pode reduzir a sustentação que uma asa pode fornecer enquanto aumenta o arrasto várias vezes. Nota-se que a presença de gelo aderido à superfície de uma asa degrada sua performance aerodinâmica, reduzindo a sustentação, aumentando o arrasto e a velocidade de stall e produzindo um momento de pitch anormal.

22 Efeitos do gelo

23 Efeitos do gelo O gelo pode bloquear parcialmente ou limitar as superfícies de controle o que restringe ou torna os controles de movimento ineficaz. Se o peso adicional do gelo acumulado for muito grande, o avião pode perder a capacidade de se manter no ar, o avião se torna incapaz de manter a altitude. Um piloto de um avião homologado para voar em condições de formação de gelo normais deve estar consciente que ao voar em condições severas de formação de gelo pode estar fora do envelope de voo em gelo para o qual o avião foi homologado.

24 Efeitos do gelo O termo formação severa de gelo está associado a situações onde há uma rápida taxa de crescimento de gelo visível, freqüentemente produzida em condições de alto conteúdo de água no estado líquido e uma combinação de outros fatores do ambiente e de voo. Formação de gelo associada à chuva sub-resfriada, chuvisco sub-resfriado, pode acumular em uma taxa acima dos limites do sistema de proteção de gelo. O gelo do tipo estrutural também pode causar problemas nas empenagens (conjunto de lemes e estabilizadores situados, geralmente, na parte traseira do avião).

25 Efeitos do gelo Perfis com pequenos raios de curvatura no bordo de ataque são mais susceptíveis à formação de gelo que os de maiores raios de curvatura. Por esta razão, a formação de gelo pode começar primeiro nas empenagens do que nas asas e também em uma taxa mais elevada. Como o piloto não pode ver facilmente as empenagens, o piloto pode estar desprevenido até que o stall começa. Há registros de gelo nas empenagens sem qualquer gelo visível nas asas. Isto pode ocorrer se nas empenagens não há proteção contra a formação de gelo.

26 Efeitos do gelo

27 Efeitos do gelo Os aviões pequenos, que usam carburador no sistema de combustível ou um sistema de injeção a pressão, estão sujeitos à formação de gelo que pode causar falha do motor. O piloto deve estar consciente que a formação de gelo pode ocorrer no carburador em temperaturas na faixa 7 C (20 F) a +21 C(70 F), quando há umidade visível ou alta umidade. Isto pode ocorrer no carburador porque a vaporização de combustível junto com a expansão do ar quando passa pelo carburador, provocam uma queda de temperatura brusca. Os sistemas de injeção são menos susceptíveis à formação de gelo que os carburadores. Gelo também pode se formar na admissão de ar bloqueando parcialmente ou totalmente a entrada de ar. Quando o gelo na forma de clear ice adquire uma espessura razoável antes de se acionado o sistema de degelo, ao ser liberado da asa pode atingir as empenagens horizontais danificando-as

28 Efeitos do gelo A liberação do clear ice acumulado na asa também pode causar problemas nas turbinas de cauda se ocorrer ingestão. A formação de gelo nas entradas de ar das turbinas e dos carburadores pode causar perda de potência. Se o gelo que é expulso for ingerido pela turbina pode causar danos e falhas no motor.

29 Sumário Formação de gelo Meterologia e condições formadoras de gelo Sistema de proteção de gelo em voo Sistemas de proteção de gelo em solo Modelamento matemático e computacional da formação de gelo Ensaios de formação de gelo

30 Meterologia e condições de formação de gelo

31 objetivos A descrição do processo físico de formação de gelo Os tipos de gelo A formação de nuvens Os parâmetros críticos no processo de formação de gelo A avaliação do potencial de formação de gelo

32 Introdução O sistema de proteção contra gelo e chuva de aviões civis e militares deve garantir (tanto em voo como em solo) a segurança da tripulação em condições meteorológicas adversas, como na ocorrência de gelo, chuva, neve ou neblina. Dentre esses fatores, o mais grave e que acarreta maior risco para os aviões é a formação de gelo. O gelo depositado em áreas críticas da aeronave provoca redução na eficiência da aeronave devido ao aumento de peso, redução de sustentação e ainda aumenta o arrasto. Além disso, a presença de gelo pode induzir falsas indicações dos instrumentos de voo e danificar o sistema de controle do avião.

33 Introdução Para que o piloto possa avaliar o potencial de risco de formação de gelo em uma determinada rota, é preciso conhecer alguns aspectos fundamentais das condições meteorológicas formadoras de gelo, como: Tipos de gelo e sua intensidade ( severity ) Tipos de nuvens associadas Existência de gotículas de água sub-resfriadas ( SLDs ). Outra fonte de informação ao piloto durante o voo, sobre as condições meteorológicas de uma determinada região, são os boletins sobre o tempo ( PIREPs - Pilot Reports ). Eles são úteis para informar (ou dar indícios) os locais de existência de gelo ou risco de formação. Contudo, as informações contidas nos PIREPs devem ser usadas com cautela pois passam por uma interpretação subjetiva.

34 Descrição do processo físico de formação de gelo A formação de gelo pode ocorrer em um avião em solo e em voo. Em solo, neve ou chuva sub-resfriada, podem resultar em neve derretida, neve, clear ice ou uma combinação destes.

35 Descrição do processo físico de formação de gelo Gelo também pode se formar nas asas de alguns aviões em solo, mesmo se a temperatura ambiente estiver acima do ponto de congelamento da água, devido à presença de combustíveis a temperaturas inferiores a 0 o C nos tanques das asas.

36 Descrição do processo físico de formação de gelo As camadas de gelo claro que se formam em frente das empenagens ou das turbinas podem causar danos quando liberadas. Se estas camadas são formadas em solo, o problema pode surgir na decolagem.

37 Descrição do processo físico de formação de gelo Uma camada de gelo branco ( frost ice ) também pode se formar na asa de um avião quando o combustível está a uma temperatura inferior a 0 o C em uma atmosfera úmida. Esta camada de gelo branco causa problemas devido à alteração das superfícies aerodinâmicas (reduzindo sustentação, aumentando arrasto) e deturpando as indicações dos instrumentos.

38 Descrição do processo físico de formação de gelo Em voo, a formação de gelo é causada pelo impacto das gotículas de água sub-resfriada das nuvens, que estão em uma condição metaestável, com as superfícies do avião. As gotículas seguem trajetórias em que se chocam com a superfície do avião ou são desviadas. Quando as gotículas são relativamente pequenas as trajetórias estão mais próximas das linhas de corrente e a área de impacto e formação de gelo fica mais restrita à vizinhança do ponto de estagnação no bordo de ataque

39 Descrição do processo físico de formação de gelo Se as gotículas são relativamente maiores, as diferenças entre as trajetórias e as linhas de corrente aumentam, isto é, as gotículas se chocam com a superfície do avião em uma maior área na frente do perfil resultando em uma maior extensão de formação de gelo.

40 Descrição do processo físico de formação de gelo A condição para que estas gotículas permaneçam neste estado metaestável é a inexistência de uma superfície sólida para dar início à formação dos cristais de gelo. No impacto com a superfície do avião, estas gotículas se aderem à superfície sólida, solidificam instantaneamente ou escoam arrastadas pelo escoamento formando um filme fino que depois se transforma em gotículas devido à tensão superficial. Estas gotículas podem ser varridas pelo escoamento de ar ou podem se congelar. A faixa de temperatura normalmente associada com a formação de gelo em voo se estende de 40 o C a +10 o C. A forma e localização do gelo acumulado em voo dependem de fatores meteorológicos e específicos do avião, incluindo a temperatura do ar externo, conteúdo de água no estado líquido (LWC Liquid Water Content), tamanho das gotículas, velocidade do avião, forma das superfícies do avião (incluindo configuração de flap, etc.) e também do sistema de proteção de gelo (aquecimento da superfície protegida ou método pneumático).

41 Principais modos de transferência de energia durante a formação de gelo em uma superfície Energia é fornecida ao volume de controle principalmente pela liberação de calor latente no congelamento das gotículas, mas também pelo aquecimento aerodinâmico e pela conversão da energia cinética das gotículas que incidem na superfície da camada de gelo.

42 Descrição do processo físico de formação de gelo Calor é removido do volume de controle principalmente por convecção e em menor grau por sublimação (quando a superfície está seca) ou por evaporação (quando a superfície está molhada). No volume de controle, quando as partículas sub-resfriadas (com temperaturas menores que 0 o C) se congelam, há um aumento de temperatura com conseqüente absorção de calor. Em regime permanente, a taxa de energia adicionada ao volume de controle deve ser igual à taxa de energia removida. A temperatura da superfície de impacto das gotículas é determinada principalmente pelo balanço entre a taxa de liberação de calor latente e a taxa de remoção de calor por convecção para o ar ambiente.

43 Descrição do processo físico de formação de gelo Uma redução no LWC (conteúdo de água no estado líquido) diminui a taxa de captura de água sub-resfriada e também a taxa de liberação de calor latente. Enquanto que uma redução da temperatura ambiente aumenta a taxa de remoção de calor por convecção. Disto resulta que, em ambientes mais frios com baixos valores de LWC, a temperatura da superfície de impacto das gotículas mantém-se bem abaixo de 0 C e as gotículas se congelam no impacto, resultando em uma fração de congelamento igual a 1.

44 Descrição do processo físico de formação de gelo Por outro lado, quando a temperatura ambiente está pouco abaixo de 0 C e o valor de LWC é relativamente alto, a temperatura da superfície de impacto das gotículas é pouco menor que 0 C e somente uma fração da água se congela no impacto, isto é, a fração de congelamento é menor que 1. A água não congelada é arrastada pelo escoamento aerodinâmico e eventualmente pode ser congelar. O valor do LWC das nuvens desempenha um papel muito importante na determinação da fração de congelamento, na forma da camada de gelo e em outras características do depósito de gelo. Nas condições em que a fração de congelamento é igual a 1 (ar frio e baixo LWC), tem-se um processo seco de formação e o gelo formado é denominado gelo branco ( rime ice ). O processo de formação de rime ice relativamente simples, pois a gotículas que se chocam congelam no impacto e permanecem onde incidiram na superfície. Em experimentos, somente é necessário simular as trajetórias das partículas e garantir que a temperatura de impacto seja menor que 0 C. A aparência de gelo branco se deve ao aprisionamento de ar nos interstícios das gotículas congeladas e à sua superfície é rugosa.

45 Rime ice

46 Rime ice

47 Clear Ice Quando a fração de congelamento é menor que 1 (temperatura do ar pouco inferior a 0 C e com alto valor de LWC) tem-se um processo molhado de formação e o gelo formado é denominado gelo claro ( clear ice ). A simulação do gelo claro é muito mais complexa devido ao escoamento da parcela de água não congelada no impacto. Resultados de pesquisas recentes indicam que o comportamento do escoamento desta fração de água tem uma influência acentuada na forma dos depósitos de gelo.

48 Clear Ice

49 Mixed ice

50 Tipos de gelo A formação de gelo em voo se deve ao impacto de água no estado líquido e subresfriada com a superfície do avião. Para tanto, o ponto de contato deve estar a uma temperatura de 0 o C ou inferior. As gotículas de água sub-resfriadas são instáveis no estado líquido. Deste modo, ao se chocarem com a superfície do avião, uma parte das gotas congela instantaneamente e liberam calor latente de fusão. Esse calor eleva a temperatura das gotas remanescentes até atingirem o ponto de fusão. Os efeitos aerodinâmicos também podem causar o congelamento da porção remanescente de gotículas de água. A forma pela qual as gotas de água congelam determina o tipo estrutural do gelo: rime, clear ou mixed. Na forma rime, o gelo provém de gotículas de água pequenas, como as encontradas nas nuvens estratificadas ou chuvisco leve. Após o impacto inicial, as gotas de água congelam rapidamente, sem se espalharem pela superfície do avião, permitindo o aprisionamento de ar entre as gotículas congeladas.

51 Tipos de gelo O rime ice possui uma textura leitosa, opaca e quebradiça.é o tipo mais comum de gelo e que provoca menores riscos à aviação, uma vez que é de fácil remoção e tende a se acumular nas regiões onde estão localizados os sistemas de degelo e antigelo do avião.

52 Tipos de gelo A estrutura de clear ice se forma quando apenas uma porção das gotículas de água se congela instantaneamente, e a porção de água remanescente escoa e se espalha sobre a superfície do avião, se congelando gradualmente. Esta forma de gelo acumulada é mais densa que a forma rime ice, resultado das gotas de água maiores presentes em nuvens cumuliformes e em chuvas mais fortes. O clear ice possui uma aparência translúcida e com brilho. Representa uma forma perigosa de gelo, uma vez que é praticamente transparente, difícil de ser vista e removida, e seu acúmulo pode alterar a forma do perfil da asa do avião.

53 Tipos de gelo Durante o voo, o avião pode se deparar com conteúdos variados de água líquida (LWC) na atmosfera, diferentes valores de temperaturas e gotículas de água de tamanhos diversos. Deste modo, pode se formar o tipo mixed ice, onde o gelo provém de gotículas de água de tamanhos variados, podendo, inclusive, ser acompanhada de neve. Este tipo de formação de gelo é de ocorrência mais difícil (aproximadamente 8%), enquanto a formação mais encontrada é o rime ice, com cerca de 72%.

54 Tipos de gelo Em geral, a ocorrência de cada tipo de gelo está associada a uma faixa de temperatura. Os mostram que o rime ice se forma em temperaturas muito baixas, o que provoca o congelamento imediato das gotículas de água, mas esses dados representam apenas uma diretriz para o piloto sobre o potencial de formação de gelo de determinada rota.

55 Tipos de gelo

56 SUPERCOOLED LARGE DROPS(SLDS) A estrutura do gelo formado depende não somente da temperatura como também do conteúdo de água líquida presente na nuvem, do tamanho da gota de água e das características específicas do avião. Existe um tipo de clear ice, formado a partir de grandes gotas subresfriadas, as chamadas SLDs Supercooled Large Drops, que possuem diâmetro superior a 40 mícrons. O gelo formado a partir das SLDs possui uma textura granular e irregular que se acumula rapidamente sobre a superfície do avião, podendo causar severas mudanças nas linhas de corrente do escoamento de ar em torno da asa, afetando o desempenho aerodinâmico do avião. Este tipo de formação ocorre em condições meteorológicas particulares, como será visto posteriormente.

57 SUPERCOOLED LARGE DROPS(SLDS)

58 SUPERCOOLED LARGE DROPS(SLDS) As SLDs podem escoar ao longo da superfície do avião antes de se congelar, o que resulta na formação de gelo em regiões fora do alcance dos equipamentos pneumáticos de degelo ( boots ). Em casos extremos, a turbulência gerada pelo acúmulo do gelo pode atingir os flaps das asas e tornar instável os controles de vôo, razão pela qual o gelo formado a partir das grandes gotas subresfriadas representa um enorme risco para a aviação.

59 Severidade do gelo O potencial de formação de gelo em um avião depende de diversos fatores: categoria da aeronave, dimensões e aspectos aerodinâmicos, altitude de vôo, velocidade desenvolvida e também dos parâmetros meteorológicos. Os aviões comerciais de grande porte, por exemplo, são menos vulneráveis ao processo de formação de gelo pois desenvolvem altas velocidades, normalmente possuem equipamentos de degelo e ainda voam em altitudes mais elevadas onde as temperaturas são inferiores aos valores típicos, ou seja, menores que -40 C. De acordo com as normas da FAA, a severidade (ou intensidade) do gelo é caracterizada pela taxa de acumulação, pela eficiência dos equipamentos de degelo e pela ação requerida pelo piloto para evitar ou combater o seu acúmulo.

60 Severidade do gelo A intensidade do gelo pode ser dividida em 4 categorias: trace, light, moderate ou severe. Na modalidade denominada trace,a taxa de acúmulo de gelo é ligeiramente maior que a taxa de perda devido à sublimação, mas não representa riscos à segurança do voo. Não há necessidade de acionamento dos sistemas de degelo e anti-gelo, a menos que a presença do gelo perdure por uma hora ou mais. Para o nível de severidade classificado como light, a taxa de acumulação de gelo pode acarretar problemas se o avião permanecer sob essas condições por mais de uma hora. Neste caso, torna-se necessária uma mudança na altitude de voo ou a utilização dos equipamentos de degelo e anti-gelo.

61 Severidade do gelo

62 Severidade do gelo O gelo de intensidade moderate ocorre quando a taxa de acumulação é tão intensa que a exposição mesmo por um curto período de tempo pode comprometer a segurança do voo, exigindo o acionamento dos sistema de proteção contra gelo. A formação de gelo é considerada severe quando a taxa de acumulação de gelo é tal que os equipamentos de degelo e antigelo não são capazes de controlar ou reduzir os riscos ao avião. Recomenda-se então, uma elevação imediata da altitude de voo. Essa modalidade está associada à ocorrência de chuviscos sub-resfriados ( freezing drizzle ).

63 Severidade do gelo

64 Severidade do gelo

65 INCREASES DRAG DECREASES LIFT DECREASES THRUST INCREASES WEIGHT

66 Sumário Formação de gelo Meterologia e condições formadoras de gelo Sistema de proteção de gelo em voo Sistemas de proteção de gelo em solo Modelamento matemático e computacional da formação de gelo Ensaios de formação de gelo

67 Sistemas de proteção de gelo em voo

68 Sistemas de prevenção e eliminação de gelo em voo Um avião deve possuir equipamentos para controle de gelo para que seja homologado para voos nas condições atmosféricas onde pode ocorrer a formação de gelo. Os métodos usados para prevenir a formação de gelo (antigelo anti-icing ) ou para eliminar o gelo formado (degelo deicing ) variam com o fabricante e modelo do avião. Existem três grupos principais de métodos de antigelo e de degelo: redutores do ponto de congelamento, fusão térmica e deformação da superfície.

69 Sistemas de prevenção e eliminação de gelo em voo

70 Sistemas de prevenção e eliminação de gelo em voo

71 Sistemas de proteção de gelo à ar quente Os sistemas a ar quente são usados na maioria dos aviões de transporte devido à disponibilidade de ar quente do sistema de bleed (sangria de ar a alta pressão e temperatura da turbina de propulsão) e também devido à eficiência e confiabilidade deste sistema. Os sistemas a ar quente são usados como antigelo e degelo nos bordo de ataque e painéis das asas e dispositivos de hiper-sustentação ( high lift devices ), superfícies das empenagens, entradas dos motores e tomadas de ar, radomes. Quando o bleed não pode suprir a vazão ou a temperatura de ar necessárias, utiliza-se um sistema onde a fonte de ar quente é um trocador de calor ou queimador em separado.

72 Sistemas de proteção de gelo à ar quente

73 Sistemas de proteção de gelo à ar quente O tubo circular fornece o ar quente que é injetado na direção do bordo de ataque por pequenos furos. O ar circula junto à parede do bordo de ataque por um canal de paredes duplas.

74 Sistemas de proteção de gelo à ar quente

75 Sistemas de proteção de gelo com resistência elétrica O aquecimento elétrico é usado mais freqüentemente nos sistemas de degelo que nos sistemas antigelo devido à alta potência necessária para a operação contínua. Foram concebidos e testados vários ciclos de operação intermitente para fornecer o sistema mais efetivo com o mínimo consumo de potência. Devido ao alto consumo de potência e à menor confiabilidade que os sistemas a ar quente, o sistema com energia elétrica é utilizado somente em dispositivos de pequenas áreas tais como no pára-brisa do cockpit, hélice, tubos de pitot, tomadas estáticas, antenas de rádio, tomadas de ar, radomes, sensores de gelo e de ângulo de atague e em alguns casos nos estabilizadores horizontais (empenagens horizontais).

76 Sistemas de proteção de gelo com resistência elétrica

77 Sistemas de proteção de gelo com resistência elétrica

78 Sistemas de proteção de gelo com resistência elétrica

79 Sistemas de proteção de gelo com resistência elétrica

80 Sistemas de proteção de gelo com resistência elétrica

81 Sistemas de proteção de gelo com líquido Os sistemas com líquidos redutores do ponto de fusão usam glicol, álcool ou mistura destes com outros produtos químicos tem sido projetados para proteção de gelo em painéis de asa, pára brisas, entradas das turbinas e hélices. Vários métodos foram concebidos para aplicar o líquido nas superfícies protegidas.para superfícies grandes, tem-se utilizado um material poroso pelo qual o líquido é alimentado sob pressão. Para áreas como o pára-brisa e hélice usam-se pulverizadores e anéis.

82 Sistemas de proteção de gelo com líquido Estes sistemas com líquido podem ser usados como sistemas de antigelo e degelo de superfícies. A quantidade de líquido que deve ser transportada impõe uma limitação no uso destes sistemas. Outro problema está relacionado com a regulagem do fluxo de líquido por pequenos orifícios que estão sujeitos a entupimento.

83 Sistemas de proteção de gelo com líquido

84 Sistemas pnemáticos de proteção de gelo Os sistemas com bolsas expansíveis em painéis secionados têm sido utilizados intensivamente em aviões com motores a pistão e em avião a turbina a gás de pequeno porte como sistemas de degelo. Estes painéis expansíveis são usados com bons resultados nos bordos de ataque de asas e empenagens, radomes e outras áreas. Estes sistemas não são adequados para uso na entrada das turbinas onde a ingestão do gelo causa problemas e em hélices onde causa desbalanceamento.

85 Sistemas pnemáticos de proteção de gelo

86 Sistemas pnemáticos de proteção de gelo

87 Sistemas pnemáticos de proteção de gelo

88 Superfícies não protegidas O avião inclui normalmente superfícies nas quais haverá acumulo de gelo e sendo que estas superfícies não têm sistema de proteção de gelo. O avião será capaz de operar de forma segura sob estas condições de formação de gelo, somente se for demonstrado que os efeitos da acumulação de gelo nestas superfícies não introduz perigo. Para estabelecer (homologação) a tolerância do avião à acumulação contínua de gelo em superfícies não protegidas, voos de teste devem explorar as nuvens estratiformes com condições formadoras de gelo por um período representativo das condições de voo. As condições a serem ensaiadas devem recobrir: configurações do avião ( flaps, dispositivos de arrasto) e faixas de velocidades. Recomenda-se que os testes incluam uma exposição contínua de pelo menos 45 minutos.

89 Superfícies não protegidas Se as características de controle se deteriorarem abaixo dos limites especificados de estabilidade e controle, as limitações do avião devem ser registradas estabelecendo o tempo máximo permanência. Uma nota de precaução deve ser inserida no manual de vôo do avião (Airplane Flight Manual) para alertar o piloto da possibilidade que, durante prolongada exposição a condições formadoras de gelo, gelo pode se acumular em superfícies não protegidas não visíveis ao piloto. Existem normalmente protuberâncias não protegidas ou superfícies visíveis ao piloto, tais como, limpadores de pára-brisa, luzes de aterrizagem, que podem servir (pela localização e dimensões do gelo) como um indicador da formação de gelo. Se, normalmente, estas superfícies visíveis ao piloto não existem, então é desejável se prover alguma para este propósito.

90 Localização de gelo em voo e método de proteção

91 Detecção de gelo A detecção do gelo no principio da formação é muito importante. Uma verificação pré-decolagem do avião deve ser conduzida para assegurar que todo gelo ou frost foram removidos em solo. Isto é um problema maior em grandes aviões onde o gelo em algumas regiões é difícil de ser visto. Também é mais difícil de detectar gelo durante o voo em áreas como a cauda que pode ser impossível de se ver. À noite, o avião pode ser equipado com luzes que ajudam na descoberta da formação de gelo. A familiaridade com a performance do avião também ajuda em reconhecer efeitos que possivelmente se devem ao gelo: maior potencia para manter a velocidade de cruzeiro, redução da controlabilidade, maior esforço nos controles, oscilações e vibrações nos controles. Os instrumentos para detecção de gelo tem como objetivo sinalizar ao piloto a existência de condições formadoras de gelo durante o voo. Os sistemas de detecção do gelo funcionam segundo diferentes princípios como: observação visual, obstrução, calor latente, vibração, microondas, interrupção de raio de luz, pulso/eco, capacitivo.

92 Detecção de gelo

93 Detecção de gelo Existem duas formas básicas de detecção de gelo: detectar condições formadoras de gelo e formação de gelo na superfície do avião. A sonda detetora de formação de gelo, requer um escoamento de ar para funcionar. Ao se detectar a formação de gelo uma luz acende no painel do piloto. Isto indica que existem condições formadoras de gelo, e gelo pode se formar nas superfícies críticas do avião. Os sistemas de proteção de gelo devem ser acionados. Outro sistema é projetado para detectar o clean ice na superfície superior da asa em solo

94 Detecção de gelo

95 Problemas e correção de ssitemas de-ice/anti-ice

96 Sumário Formação de gelo Meterologia e condições formadoras de gelo Sistema de proteção de gelo em voo Sistemas de proteção de gelo em solo Modelamento matemático e computacional da formação de gelo Ensaios de formação de gelo

97 Sistemas de proteção de gelo em solo

98 Sistema de proteção contra gelo em solo Precipitação congelada (neve e chuva com neve) Gelo residual de voos anteriores (bordo de ataque das asas, empenagens, flaps,...) Umidade, lama de neve derretida ( slush ), neve em: rampas, pista de rodagem, pista de decolagem; que podem aderir ao avião se a temperatura é suficientemente baixa Neblina sub-resfriada ou congelada semelhante às condições em voo Neve arrastada por ventos, outros aviões, equipamentos de suporte em solo, edificações Neve re-circulada relançada no ar pelas turbinas, hélices, rotores Alta umidade relativa com temperatura abaixo do ponto de orvalho e de congelamento pode causar a formação de frost (geada) isto é comum no pernoite após voos a altas altitudes, especialmente na superfície inferior das asas e nas vizinhanças das células de combustível.

99 Sistema de proteção contra gelo em solo Existem tipos de formação de gelo que podem se acumular em áreas que somente são detectáveis por uma inspeção visual cuidadosa. O controle do gelo em solo é normalmente executado com a aplicação de fluídos de degelo e antigelo. Um cuidado especial deve ser dedicado às regiões que podem ficar sem a irrigação destes fluidos como bordo de ataque dos slats. Sem uma película protetora do fluido anti-gelo, pode ocorrer formação de gelo nestas áreas em ambientes de alta umidade relativa ou precipitação durante o taxiamento ou espera para decolagem.

100 Sistema de proteção contra gelo em solo Gelo residual de voos anteriores pode não ser detectado no bordo de ataque das asas, nas empenagens, nas fendas dos flaps, entradas de ar dos motores, etc. Este gelo residual pode afetar a performance do avião e as características de controlabilidade na decolagem após manobras. Durante as operações em solo, as hélices e outros componentes rotativos são expostos às condições formadoras de gelo similar àquelas de voo. Em alguns aviões é necessária a operação dos equipamentos de proteção de gelo em voo durante as operações em solo. Devido às estas condições e aos problemas que o gelo causa ao avião, não é permitida a tentativa de decolagem, de um avião equipado com proteção de gelo em voo, a menos que se tenha certificado que todas as superfícies críticas e todos os instrumentos estão livres de qualquer formação de gelo. Estas condições são conhecidas como Clean Aircraft Concept

101 Procedimento pré-voo para condições de frio Uma cuidadosa inspeção pré-voo em tempo frio permite a detecção de gelo, neve ou lama de neve derretida que acumulou no avião. As áreas que requerem atenção especial durante a inspeção pré-voo em tempo frio dependem do projeto do avião e devem especificadas corretamente em manuais e treinamentos.

102 Procedimento pré-voo para condições de frio Os principais itens a serem verificados são: Bordo de ataque e superfícies inferior e superior da asa Bordo de ataque e superfícies inferior, superior e painéis laterais de estabilizadores verticais e horizontais Dispositivos hiper-sustentadores e de geração de arrasto ( flaps, spoiler ) Todas as superfícies de controle Hélices Entrada da turbina e carburador Pára-brisa e janelas

103 Procedimento pré-voo para condições de frio Antenas Sensores expostos: ângulo de ataque, tubo de pitot, tomadas estáticas Tanques de combustível e respiradores Entrada e exaustão da APU Trem de pouso Se for descoberta qualquer contaminação com gelo no avião, este deve passar por um processo de degelo e anti-gelo

104 Procedimento de degelo e anti-gelo com fluídos Um procedimento comum desenvolvido pela aviação baseando-se em muitos anos de experiência é passar o avião por um processo de degelo/antigelo antes da decolagem. Várias técnicas de degelo/antigelo do avião em solo foram desenvolvidas. A técnica mais comum é a utilização de fluídos FPD (Freezing Point Depressant) para realizar o descongelamento e prover uma película protetora para atrasar a formação de frost, neve ou gelo nas superfícies do avião. Os procedimentos para o degelo/antigelo de um avião em solo depende da acumulação na superfície, dos componentes afetados e do tipo de avião. Estes procedimentos podem ser encontrados no manual de voo do avião (AFM), manual de manutenção ou manual de serviços.

105 Procedimento de degelo e anti-gelo com fluídos Os procedimentos recomendados pelo fabricante do avião levam em conta as recomendações do fabricante do fluido FPD, do fabricante dos motores e as particularidades do avião. Em aeroportos com grande fluxo de aviões, o processo de degelo/antigelo depende de um esforço em equipe. No entanto, a responsabilidade final é do principal piloto em averiguar se o avião esta seguro para voar. Se usados de forma não apropriada, alguns fluidos de degelo/antigelo podem causar mudanças indesejadas ou potencialmente perigosas na performance, estabilidade e controle do avião. Outro fator importante no procedimento de degelo/antigelo é o tempo em que o tratamento executado se mantém efetivo e que pode não ser suficiente para cobrir o período de espera até a conclusão da decolagem.

106 Degelo e anti-gelo com fluídos Fluidos redutores do ponto de congelamento (FPD) são meios efetivos de degelo/antigelo para se atingir as exigências do Clean Aircraft Concept desde tenham período de ação aceitáveis para a FAA (Federal Aviation Adminstration -USA). Holdeover time intervalo de tempo entre o instante em que o fluido foi aplicado até o instante quando começa a falhar, isto é, quando frost, gelo ou neve começam a acumular ou re-aderir à superfície

107 degelo e anti-gelo com fluídos Quando na inspeção do avião se detecta contaminação se faz necessário um procedimento de degelo/antigelo. O procedimento de degelo remove contaminação da superfície do avião. Fluidos aquecidos do SAE - Type I (SAE Society of Automotive Engineers) são usados normalmente para degelo. Os fluidos anti-gelo previnem a acumulação de frost, gelo ou neve na superfície limpa de um avião por um período denominado holdover time. Os fluidos SAE Type II, III ou IV são usados normalmente para anti-gelo, pois formam camadas mais espessas que o SAE - Type I resultando em maior holdover time. Estes fluidos são mais efetivos quando aplicados sem aquecimento e sem diluição a uma superfície limpa do avião.

108 degelo e anti-gelo com fluídos Quando aplicados em uma superfície limpa estes fluidos formam uma camada de proteção. Esta camada tem um ponto de congelamento mais baixo que a precipitação congelada, que se funde em contato com o fluido. À medida que a camada se torna diluída pela fusão da precipitação, ela se torna menos efetiva e a precipitação congelada pode começar a se acumular. O intervalo de tempo holdover time é somente um indicativo, pois outras variáveis podem reduzir a efetividade do fluido, tais como: ventos de alta velocidade, rajadas, neve úmida, precipitação intensa, temperatura da superfície do avião menor que a temperatura do ar externo e exposição ao sol. Em adição ao degelo e antigelo do avião, estes fluidos devem também sair da superfície do avião durante a decolagem e não podem causar efeitos inaceitáveis na performance.

109 degelo e anti-gelo com fluídos Quando aplicados em uma superfície limpa estes fluidos formam uma camada de proteção. Esta camada tem um ponto de congelamento mais baixo que a precipitação congelada, que se funde em contato com o fluido. À medida que a camada se torna diluída pela fusão da precipitação, ela se torna menos efetiva e a precipitação congelada pode começar a se acumular. O intervalo de tempo holdover time é somente um indicativo, pois outras variáveis podem reduzir a efetividade do fluido, tais como: ventos de alta velocidade, rajadas, neve úmida, precipitação intensa, temperatura da superfície do avião menor que a temperatura do ar externo e exposição ao sol. Em adição ao degelo e antigelo do avião, estes fluidos devem também sair da superfície do avião durante a decolagem e não podem causar efeitos inaceitáveis na performance.

110 degelo e anti-gelo com fluídos Os fabricantes destes fluidos podem assegurar características aerodinâmicas aceitáveis submetendo-os a testes de aceitação especificados nas normas da SAE. Os fluidos SAE Type III e IV são de desenvolvimento recente. As características de limpeza sob arrasto aerodinâmico do SAE Type III são adequadas aos aviões com velocidade de pista na decolagem que excedem 60 knots (uma milha náutica por hora, 1,65 km/h). As características de limpeza aerodinâmica do SAE Type IV são semelhantes ao SAE Type II. Estes fluidos são adequados para aviões com velocidade de decolagem que geralmente excedem a 100 a 110 knots. Para cumprir com os requisitos do Clean Aircraft Concept, o operador deve usar fluidos com holdover time suficientemente longo para permitir operação segura em inverno rigoroso com condições formadoras de gelo em solo e ainda propiciar características aerodinâmicas adequadas para a decolagem.

111 Procedimento de um passo e dois passo Os procedimentos de degelo/antigelo com fluidos podem ser de um passo ou dois passos. A experiência anterior, condições de tempo, concentração do fluido FPD e equipamentos disponíveis determinam qual será utilizado. Procedimento de um passo: se usa uma mistura aquecida de fluidos FPD para o degelo, e então uma camada residual fornece a proteção antigelo (devido ao aquecimento do fluido o holdover time fica reduzido). A proteção pode ser melhorada pela adição de fluido frio ou pelo resfriamento do fluido aquecido durante o processo de degelo. Uma técnica consiste em uma camada final de fluido aplicada com uma pulverização muito fina e em uma trajetória arqueada que permite o resfriamento enquanto o aerossol se deposita. Procedimento de dois passos: se fazem duas aplicações degelo seguido de antigelo. O avião passa pelo degelo com água quente ou uma mistura quente de água e um fluido FPD. Este passo é seguido por uma aplicação de um fluido SAE Type II para a proteção antigelo.

112 Efeitos à saúde Os fluidos de degelo e antigelo podem causar dano à saúde e portanto deve-se evitar o contato de passageiros e tripulantes para que não sofram efeitos prejudiciais. Se o avião passar pelo degelo e antigelo com passageiros a bordo, todas as tomadas de ar devem ser fechadas para evitar a entrada de vapores. O efeito mais comum da exposição a estes vapores é a irritação dos olhos, contudo a exposição ao etileno glicol em áreas mal ventiladas pode causar irritação do nariz e garganta, dor de cabeça, náusea, vômitos e vertigem. Todos os fluidos FPD têm especificações dando informações detalhadas sobre os efeitos na saúde e as precauções de segurança em seu uso.

113 Exemplos de equipamentos de degelo e antigelo em solo O degelo/antigelo em solo pode ser executado de várias formas: -Por caminhões tanques com o avião conectado ao corredor de embarque e não conectado -Em instalação dedicada -Etc,... Devido à necessidade de informações sobre a operação de degelo/antigelo para o piloto existe um canal de comunicação de radio dedicado à comunicação com o motorista do caminhão.

114 Exemplos de equipamentos de degelo e antigelo em solo

115 exemplos de equipamentos de degelo e antigelo em solo Alguns detalhes da treliça de suporte dos pulverizadores de uma instalação dedicada. A qualidade do processo depende de uma equipe (tripulação e apoio em solo) devendo garantir as condições de Clean Aircraft Concept, e também respeitar os valores holdover time até a decolagem. Um instalação dedicada para degelo não utilizando fluido FPD é apresentada a seguir. Neste caso utilizam-se painéis radiantes para aplicação de calor para o degelo.

116 Averiguação posterior degelo e anti-gelo Depois que o avião passou pelo processo de degelo/antigelo deve-se checar os seguintes equipamentos quanto a danos e re-congelamento: Bordo de ataque e superfícies inferior e superior da asa Bordo de ataque e superfícies inferior, superior e painéis laterais de estabilizadores Verticais e horizontais Dispositivos de intensificação de sustentação e arrasto ( flaps, spoiler ) Todas as superfícies de controle, Hélices. Entrada da turbina e carburador. Pára-brisa e janelas.

117 Averiguação posterior degelo e anti-gelo Antenas. Fuselagem. Sensores expostos: ângulo de ataque, tubo de pitot, tomadas estáticas Tanques de combustível e respiradores. Entrada e exaustão da APU. Trem de pouso.

118 Averiguação posterior degelo e anti-gelo

119 Averiguação posterior degelo e anti-gelo

120 Sumário Formação de gelo Meterologia e condições formadoras de gelo Sistema de proteção de gelo em voo Sistemas de proteção de gelo em solo Modelamento matemático e computacional da formação de gelo Ensaios de formação de gelo

121 Regiões de Estudo

122 Fração de congelamento

123 Predição da formação de gelo Simulação computacional Ensaio em túnel de vento Formação Horn Formação Lobster

124 Simulação computacional Análise do campo de escoamento (Aerodinâmica). Balanço termodinâmico e taxa de acumulação de gelo.

125 Análise de campo do escoamento Necessita-se avaliar o campo do escoamento visto que este determinará o caminho das gotículas de água que irão se chocar com o perfil aerodinâmico estabelecendo formações de gelo.

126 Análise de campo do escoamento

127 Método dos painéis

128 Método dos painéis Discretização para um conjunto de euqações parciais diferenciais. Solução numérica : elementos finitos ou volume finitos

129 Análise de trajetória: Eficiência de coleta

130 Análise de trajetória: eficiência de coleta Região de coleta Definição de beta

131 Distribuição do fator de coleta Distorção se afastando do ponto de estagnação. Diminuindo a densidade de gotículas se afastando do ponto de estagnação.

132 Distribuição do fator de coleta Distruição de eficiência de coleta sobre a asa de um avião.

133 Distribuição do fator de coleta

134 Distribuição do fator de coleta Distruição de eficiência de coleta sobre a asa de um avião.

135 Formulação Lagrangeana

136 Eficiência de coleta para perfis

137 Balanço termodinâmico e taxa de acumulação de gelo

138 Balanço termodinâmico e taxa de acumulação de gelo

139 Balanço termodinâmico e taxa de acumulação de gelo

140 Breakdown do Balanço Termodinâmico

141 SIMULAÇÃO VS TÚNEL DE VENTO

142 PARÂMETOS DA FORMAÇÃO HORN

143 EXEMPLOS : CASO 1 ( GELO 45 MIN)

144 EXEMPLOS : CASO 2 ( GELO 45 MIN)

145 Sumário Formação de gelo Meterologia e condições formadoras de gelo Sistema de proteção de gelo em voo Sistemas de proteção de gelo em solo Modelamento matemático e computacional da formação de gelo Ensaios de formação de gelo

146 Ensaios da formação de gelo Requisitos físicos de similaridade. As abordagens práticas para similaridade. Os desenvolvimentos recentes. As instalações para ensaio em solo. Os ensaios em túnel. Os ensaios em turbinas. Os ensaios em solo a baixa velocidade. Os ensaios em voo.

147 Ensaios da formação de gelo Evolução dos métodos de simulação recentemente. Simulação deve representar condições dos requisitos do FAR25. Ensaios devem ter uma representatividade de similaridade com as condições de voo.

148 Requisitos de similaridade Condições de instalação e equipamentos não podem ser limitantes para que representatividade dos ensaios corresponda as condições de voo. Uma metodologia deve ser garantida para se obter a similaridade entre voo e túnel de vento.

149 Requisitos de similaridade

150 Variáveis associadas ao processo de formação do gelo

151 Variáveis associadas ao processo de formação do gelo

152 Variáveis associadas ao processo de formação do gelo Relação temporal e espacial Conteúdo deve ser mantido o mesmo Número de Prandtl Temperatura ambiente deve ser constante

153 Requisitos de similaridade Análise adimensional conflituosa entre os vários parâmetros para representatividade do voo no ensaio em túnel. É necessário se recorrer a uma análise fisicamente mais detalhada e a modelos matemáticos em um esforço para encontrar requisitos de similaridade mais flexíveis e para identificar compromissos mais realizáveis e aproximações razoáveis.

154 Requisitos de similaridade Os ensaios de formação de gelo requerem a reprodução em escala de três principais fenômenos: -O escoamento de ar -A trajetória das partículas -Processo de impacto congelamento das gotículas

155 O ESCOAMENTO DO AR Deve se ter a representatividade do escoamento entre o real e o túnel: O Modelos ensaiados similares ao voo Mesmo número de Reynolds Não sendo possível mesmo Re deve-se fazer correções coerentes.

156 A TRAJETÓRIA DAS PARTÍCULAS Trajetória das partículas: arrasto aerodinâmico e forças de inércia. Outras forças como gravidade e sustentação são desprezadas.

157 A TRAJETÓRIA DAS PARTÍCULAS Da aplicando a lei de Newton se obtém as equações de movimento para as gotículas em três dimensões. Os requisitos de similaridade podem ser obtidos adimensionalisando estas equações.

158 A TRAJETÓRIA DAS PARTÍCULAS As trajetórias das gotículas serão adequadamente simuladas nos ensaios se as seguintes relações forem satisfeitas: V Velocidade do escoamento livre - Densidade do ar d Densidade das gotículas D Diâmetro da gotícula L - Escala do comprimento do escomaneto do ar µ - Viscosidade do ar

159 A Expoente O expoente λ é a inclinação da reta ajustada à variação do arrasto das gotículas em coordenadas log-log sobre a faixa de R dr recoberta pelas gotículas no ensaio e na escala 1:1: - Re da gotícula - Arrasto da gotícula

160 A Expoente < 1 = 0.35

161 Flexibilidade na adimensionalização As razões entre forças de inércia e de arrasto serão iguais. As equações ligadas a esta similaridade são menos restritivas (d/l, densidade da gota/ densidade do ar, Re da gota).

162 Resultado do fator de coleta Figura: Eficiência de coleta de um perfil NACA 65A 004 como uma função de K

163 PROCESSO DE IMPACTO O processo de impacto-congelamento será analisado a seguir. A simulação em escala do processo de formação de gelo claro ( glaze or clear ice ) apresenta as maiores dificuldades devidas aos fenômenos complexos envolvidos: dinâmicos, capilares e térmicos. Este problema pode ser dividido em dois: obtenção da correta distribuição sobre a superfície do corpo de (1) volume de água incidindo e (2) fração de congelamento e taxa de pulverização (borrifo).

164 VOLUME DE ÁGUA INCIDINDO Similaridade cinemática :

165 SIMULAÇÃO RIME ICE

166 SIMULAÇÃO RIME ICE

167 Instalações de túnel de vento

168 Instalações de túnel de vento

169 Instalações de túnel de vento

170 ENSAIOS COM FORMAS ARTIFICIAIS DE GELO Avaliação das condições críticas de desempenho e aeronavegabilidade que muitas vezes um ensaio natural não consegue.

171 ENSAIOS EM VOO EM CONDIÇÃO NATURAL

172 ENSAIOS EM VOO EM CONDIÇÃO NATURAL

173 DESVANTAGENS