Túnel de vento - Wind tunnel

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Túnel de vento da NASA com a maquete de um avião
Um modelo de Cessna com bolhas cheias de hélio mostrando as linhas de caminho dos vórtices nas pontas das asas

Os túneis de vento são grandes tubos com ar soprando através deles que são usados ​​para replicar a interação entre o ar e um objeto voando pelo ar ou movendo-se ao longo do solo. Os pesquisadores usam túneis de vento para aprender mais sobre como uma aeronave voará. A NASA usa túneis de vento para testar modelos em escala de aeronaves e espaçonaves. Alguns túneis de vento são grandes o suficiente para conter versões de veículos em tamanho real. O túnel de vento move o ar ao redor de um objeto, fazendo com que pareça que o objeto está voando.

Na maioria das vezes, ventiladores grandes e poderosos sugam o ar pelo tubo. O objeto que está sendo testado é mantido com segurança dentro do túnel para que permaneça estacionário. O objeto pode ser um objeto de teste aerodinâmico, como um cilindro ou aerofólio, um componente individual, um pequeno modelo do veículo ou um veículo de tamanho normal. O ar se movendo ao redor do objeto estacionário mostra o que aconteceria se o objeto estivesse se movendo pelo ar. O movimento do ar pode ser estudado de diferentes maneiras; fumaça ou tinta podem ser colocadas no ar e podem ser vistas conforme se movem ao redor do objeto. Fios coloridos também podem ser presos ao objeto para mostrar como o ar se move ao seu redor. Freqüentemente, instrumentos especiais podem ser usados ​​para medir a força do ar exercida contra o objeto.

Os primeiros túneis de vento foram inventados no final do século 19, nos primeiros dias da pesquisa aeronáutica, quando muitos tentaram desenvolver máquinas voadoras mais pesadas que o ar com sucesso. O túnel de vento foi idealizado como um meio de reverter o paradigma usual: em vez de o ar ficar parado e um objeto se movendo em velocidade através dele, o mesmo efeito seria obtido se o objeto parasse e o ar passasse rápido por ele. Dessa forma, um observador estacionário poderia estudar o objeto voador em ação e medir as forças aerodinâmicas que estavam sendo impostas a ele.

O desenvolvimento dos túneis de vento acompanhou o desenvolvimento do avião. Grandes túneis de vento foram construídos durante a Segunda Guerra Mundial. O teste de túnel de vento foi considerado de importância estratégica durante o desenvolvimento de aeronaves supersônicas e mísseis na Guerra Fria.

Mais tarde, o estudo do túnel de vento tornou-se por si só: os efeitos do vento em estruturas ou objetos feitos pelo homem precisaram ser estudados quando os edifícios tornaram-se altos o suficiente para apresentar grandes superfícies ao vento, e as forças resultantes tiveram que ser resistidas pelo interior do edifício estrutura. A determinação de tais forças foi necessária antes que os códigos de construção pudessem especificar a resistência necessária de tais edifícios e tais testes continuem a ser usados ​​para edifícios grandes ou incomuns.

Por volta da década de 1960, o teste de túnel de vento foi aplicado a automóveis , não tanto para determinar as forças aerodinâmicas em si, mas mais para determinar maneiras de reduzir a potência necessária para mover o veículo em estradas a uma determinada velocidade. Nestes estudos, a interação entre a estrada e o veículo desempenha um papel significativo, e essa interação deve ser levada em consideração na interpretação dos resultados dos testes. Em uma situação real, a rodovia está se movendo em relação ao veículo, mas o ar está parado em relação à rodovia, mas no túnel de vento o ar está se movendo em relação à rodovia, enquanto a rodovia está parada em relação ao veículo de teste. Alguns túneis de vento de teste automotivo incorporaram cintas móveis sob o veículo de teste em um esforço para aproximar a condição real, e dispositivos muito semelhantes são usados ​​em testes de túnel de vento de configurações de decolagem e aterrissagem de aeronaves.

Os testes de equipamentos esportivos em túnel de vento também têm prevalecido ao longo dos anos, incluindo tacos de golfe, bolas de golfe, bobsleds olímpicos, ciclistas olímpicos e capacetes para carros de corrida. A aerodinâmica do capacete é particularmente importante em carros de corrida com cabine aberta (Indycar, Fórmula Um). Forças de levantamento excessivas no capacete podem causar tensão considerável no pescoço do motorista, e a separação do fluxo na parte de trás do capacete pode causar turbulência e, portanto, visão turva para o motorista em altas velocidades.

Os avanços na modelagem de dinâmica de fluidos computacional (CFD) em computadores digitais de alta velocidade reduziram a demanda por testes em túnel de vento.

Medição de forças aerodinâmicas

A velocidade e as pressões do ar são medidas de várias maneiras em túneis de vento.

A velocidade do ar através da seção de teste é determinada pelo princípio de Bernoulli . Medição da pressão dinâmica , da pressão estática e ( somente para fluxo compressível ) do aumento de temperatura no fluxo de ar. A direção do fluxo de ar em torno de um modelo pode ser determinada por tufos de fios presos às superfícies aerodinâmicas. A direção do fluxo de ar que se aproxima de uma superfície pode ser visualizada montando roscas no fluxo de ar à frente e atrás do modelo de teste. Fumaça ou bolhas de líquido podem ser introduzidas no fluxo de ar a montante do modelo de teste e seu caminho ao redor do modelo pode ser fotografado (consulte a velocimetria da imagem de partícula ).

As forças aerodinâmicas no modelo de teste são geralmente medidas com balanços de vigas , conectadas ao modelo de teste com vigas, cordas ou cabos.

As distribuições de pressão em todo o modelo de teste têm sido historicamente medidas perfurando muitos pequenos orifícios ao longo do caminho do fluxo de ar e usando manômetros multitubos para medir a pressão em cada orifício. As distribuições de pressão podem ser mais convenientemente medidas pelo uso de tinta sensível à pressão , na qual a pressão local mais alta é indicada pela fluorescência reduzida da tinta naquele ponto. As distribuições de pressão também podem ser convenientemente medidas pelo uso de cintas de pressão sensíveis à pressão , um desenvolvimento recente no qual vários módulos de sensores de pressão ultra-miniaturizados são integrados em uma tira flexível. A tira é fixada na superfície aerodinâmica com fita adesiva e envia sinais que descrevem a distribuição da pressão ao longo de sua superfície.

As distribuições de pressão em um modelo de teste também podem ser determinadas realizando uma pesquisa de esteira , na qual um único tubo pitot é usado para obter várias leituras a jusante do modelo de teste ou um manômetro de tubo múltiplo é montado a jusante e todas as suas leituras são feitas .

As propriedades aerodinâmicas de um objeto não podem permanecer todas as mesmas para um modelo em escala. No entanto, observando certas regras de similaridade, uma correspondência muito satisfatória entre as propriedades aerodinâmicas de um modelo em escala e um objeto em tamanho real pode ser alcançada. A escolha dos parâmetros de similaridade depende da finalidade do teste, mas as condições mais importantes a serem satisfeitas geralmente são:

  • Semelhança geométrica: todas as dimensões do objeto devem ser dimensionadas proporcionalmente;
  • Número de Mach : a razão entre a velocidade do ar e a velocidade do som deve ser idêntica para o modelo em escala e o objeto real (ter um número de Mach idêntico em um túnel de vento e ao redor do objeto real é -não- igual a velocidades no ar idênticas)
  • Número de Reynolds : a razão das forças inerciais para as forças viscosas deve ser mantida. Este parâmetro é difícil de satisfazer com um modelo em escala e levou ao desenvolvimento de túneis de vento pressurizados e criogênicos nos quais a viscosidade do fluido de trabalho pode ser grandemente alterada para compensar a escala reduzida do modelo.

Em certos casos de teste particulares, outros parâmetros de similaridade devem ser satisfeitos, como, por exemplo, o número de Froude .

História

Origens

O engenheiro militar e matemático inglês Benjamin Robins (1707-1751) inventou um aparelho de braço giratório para determinar o arrasto e fez alguns dos primeiros experimentos na teoria da aviação.

Sir George Cayley (1773–1857) também usou um braço giratório para medir a resistência e a sustentação de vários aerofólios. Seu braço giratório tinha 1,5 m de comprimento e atingiu velocidades máximas entre 10 e 20 pés por segundo (3 a 6 m / s).

Otto Lilienthal usou um braço rotativo para medir com precisão aerofólios de asas com vários ângulos de ataque , estabelecendo seus diagramas polares de razão de sustentação-arrasto , mas carecia das noções de arrasto induzido e números de Reynolds .

Réplica do túnel de vento dos irmãos Wright
Túneis de vento de Eiffel no laboratório Auteuil

No entanto, o braço giratório não produz um fluxo confiável de ar impactando a forma de teste em uma incidência normal. As forças centrífugas e o fato de que o objeto se move em seu próprio rastro tornam difícil o exame detalhado do fluxo de ar. Francis Herbert Wenham (1824-1908), membro do Conselho da Sociedade Aeronáutica da Grã-Bretanha , abordou essas questões inventando, projetando e operando o primeiro túnel de vento fechado em 1871. Assim que essa descoberta foi alcançada, dados técnicos detalhados foram rapidamente extraídos pelo uso desta ferramenta. Wenham e seu colega John Browning são creditados com muitas descobertas fundamentais, incluindo a medição de relações l / d e a revelação dos efeitos benéficos de uma alta relação de aspecto .

Konstantin Tsiolkovsky construiu um túnel de vento de seção aberta com um soprador centrífugo em 1897 e determinou os coeficientes de arrasto de placas planas, cilindros e esferas.

O inventor dinamarquês Poul la Cour aplicou túneis de vento em seu processo de desenvolvimento e refinamento da tecnologia de turbinas eólicas no início da década de 1890. Carl Rickard Nyberg usou um túnel de vento ao projetar seu Flugan de 1897 em diante.

Em um conjunto clássico de experimentos, o inglês Osborne Reynolds (1842-1912) da Universidade de Manchester demonstrou que o padrão de fluxo de ar em um modelo em escala seria o mesmo para o veículo em escala real se um determinado parâmetro de fluxo fosse o mesmo em ambos casos. Este fator, agora conhecido como número de Reynolds , é um parâmetro básico na descrição de todas as situações de fluxo de fluido, incluindo as formas dos padrões de fluxo, a facilidade de transferência de calor e o início da turbulência. Isso constitui a justificativa científica central para o uso de modelos em túneis de vento para simular fenômenos da vida real. No entanto, existem limitações nas condições em que a similaridade dinâmica é baseada apenas no número de Reynolds.

O uso de um túnel de vento simples pelos irmãos Wright em 1901 para estudar os efeitos do fluxo de ar em várias formas durante o desenvolvimento de seu folheto Wright foi, de certa forma, revolucionário. Pode-se ver acima, no entanto, que eles estavam simplesmente usando a tecnologia aceita na época, embora essa ainda não fosse uma tecnologia comum na América.

Na França , Gustave Eiffel (1832–1923) construiu seu primeiro túnel de vento de retorno aberto em 1909, movido por um motor elétrico de 50 kW, em Champs-de-Mars, próximo ao sopé da torre que leva seu nome.

Entre 1909 e 1912, Eiffel realizou cerca de 4.000 testes em seu túnel de vento, e sua experimentação sistemática estabeleceu novos padrões para a pesquisa aeronáutica. Em 1912, o laboratório de Eiffel foi transferido para Auteuil, um subúrbio de Paris, onde seu túnel de vento com uma seção de teste de dois metros ainda está operacional hoje. Eiffel melhorou significativamente a eficiência do túnel de vento de retorno aberto, fechando a seção de teste em uma câmara, projetando uma entrada alargada com um endireitador de fluxo em colmeia e adicionando um difusor entre a seção de teste e o ventilador localizado na extremidade a jusante do difusor; este foi um arranjo seguido por uma série de túneis de vento construídos posteriormente; na verdade, o túnel de vento de baixa velocidade e retorno aberto costuma ser chamado de túnel de vento do tipo Eiffel.

Uso generalizado

Laboratório de aviação alemão, 1935

O uso subsequente de túneis de vento proliferou conforme a ciência da aerodinâmica e a disciplina da engenharia aeronáutica foram estabelecidas e as viagens aéreas e a energia foram desenvolvidas.

A Marinha dos EUA em 1916 construiu um dos maiores túneis de vento do mundo na época no Washington Navy Yard. A entrada tinha quase 11 pés (3,4 m) de diâmetro e a parte de descarga tinha 7 pés (2,1 m) de diâmetro. Um motor elétrico de 500 HP acionou as pás do ventilador do tipo pá.

Em 1931, o NACA construiu um túnel de vento em escala real de 9 por 18 metros no Langley Research Center em Langley, Virgínia. O túnel era movido por um par de ventiladores movidos por motores elétricos de 4.000 HP. O layout era um formato de circuito fechado de retorno duplo e podia acomodar muitas aeronaves reais em tamanho real, bem como modelos em escala. O túnel acabou sendo fechado e, embora tenha sido declarado um marco histórico nacional em 1995, a demolição começou em 2010.

Até a Segunda Guerra Mundial, o maior túnel de vento do mundo, construído em 1932–1934, estava localizado em um subúrbio de Paris, Chalais-Meudon , França. Ele foi projetado para testar aeronaves em tamanho real e tinha seis grandes ventiladores acionados por motores elétricos de alta potência. O túnel de vento Chalais-Meudon foi usado pela ONERA com o nome de S1Ch até 1976 no desenvolvimento, por exemplo, dos aviões Caravelle e Concorde . Hoje, este túnel de vento é preservado como um monumento nacional.

Ludwig Prandtl foi professor de Theodore von Kármán na Universidade de Göttingen e sugeriu a construção de um túnel de vento para testes de aeronaves que eles estavam projetando. A rua vórtice de turbulência a jusante de um cilindro foi testada no túnel. Mais tarde, quando ele se mudou para a Universidade de Aachen, ele se lembrou do uso desta instalação:

Lembrei-me de que o túnel de vento em Göttingen foi iniciado como uma ferramenta para estudos do comportamento dos zepelins, mas provou ser valioso para tudo o mais, desde determinar a direção da fumaça da pilha de um navio até se um determinado avião voaria. O progresso em Aachen, eu senti, seria virtualmente impossível sem um bom túnel de vento.

Quando von Kármán começou a consultar a Caltech, ele trabalhou com Clark Millikan e Arthur L. Klein. Ele se opôs ao seu projeto e insistiu em um fluxo de retorno tornando o dispositivo "independente das flutuações da atmosfera externa". Foi concluído em 1930 e usado para testes Northrop Alpha .

Em 1939, o General Arnold perguntou o que era necessário para o avanço da USAF, e von Kármán respondeu: "O primeiro passo é construir o túnel de vento certo." Por outro lado, após os sucessos do Bell X-2 e a perspectiva de pesquisas mais avançadas, ele escreveu: "Eu era a favor da construção de tal avião porque nunca acreditei que você pudesse obter todas as respostas com um vento túnel."

Segunda Guerra Mundial

Em 1941, os EUA construíram um dos maiores túneis de vento da época em Wright Field em Dayton, Ohio. Este túnel de vento começa a 45 pés (14 m) e se estreita para 20 pés (6,1 m) de diâmetro. Dois ventiladores de 40 pés (12 m) eram movidos por um motor elétrico de 40.000 HP. Modelos de aeronaves em grande escala podem ser testados em velocidades de ar de 400 mph (640 km / h).

O túnel de vento usado por cientistas alemães em Peenemünde antes e durante a Segunda Guerra Mundial é um exemplo interessante das dificuldades associadas à extensão do alcance útil de grandes túneis de vento. Usou algumas grandes cavernas naturais que foram aumentadas em tamanho por escavação e então seladas para armazenar grandes volumes de ar que poderiam então ser direcionados através dos túneis de vento. Essa abordagem inovadora permitiu a pesquisa de laboratório em regimes de alta velocidade e acelerou muito a taxa de avanço dos esforços de engenharia aeronáutica da Alemanha. Ao final da guerra, a Alemanha tinha pelo menos três túneis de vento supersônicos diferentes , com um capaz de fluxos de ar Mach 4,4 (aquecidos).

Um grande túnel de vento em construção perto de Oetztal , na Áustria, teria dois ventiladores acionados diretamente por duas turbinas hidráulicas de 50.000 cavalos de força . A instalação não foi concluída até o final da guerra e o equipamento desmontado foi enviado para Modane , França, em 1946, onde foi reerguido e ainda é operado pela ONERA . Com sua seção de teste de 8 metros e velocidade no ar de até Mach 1, é a maior instalação de túnel de vento transônico do mundo.

Em 22 de junho de 1942, Curtiss-Wright financiou a construção de um dos maiores túneis de vento subsônicos do país em Buffalo, NY. O primeiro concreto para construção foi lançado em 22 de junho de 1942 em um local que viria a se tornar Calspan, onde fica o maior túnel de vento de propriedade independente nos Estados Unidos ainda opera.

Até o final da Segunda Guerra Mundial, os Estados Unidos haviam construído oito novos túneis de vento, incluindo o maior do mundo em Moffett Field perto de Sunnyvale, Califórnia, que foi projetado para testar aeronaves de tamanho real em velocidades de menos de 250 mph e uma vertical túnel de vento em Wright Field, Ohio, onde o fluxo de vento é ascendente para o teste de modelos em situações de spin e os conceitos e projetos de engenharia para os primeiros helicópteros primitivos voados nos Estados Unidos.

Depois da segunda guerra mundial

Teste de túnel de vento NACA em um sujeito humano, mostrando os efeitos das altas velocidades do vento no rosto humano

Pesquisas posteriores sobre fluxos de ar próximos ou acima da velocidade do som usaram uma abordagem relacionada. Câmaras de pressão de metal eram usadas para armazenar ar de alta pressão, que era então acelerado através de um bico projetado para fornecer fluxo supersônico. A observação ou câmara de instrumentação ("seção de teste") foi então colocada no local apropriado na garganta ou bico para a velocidade no ar desejada.

Nos Estados Unidos, a preocupação com o atraso das instalações de pesquisa americanas em comparação com as construídas pelos alemães levou ao Unitary Wind Tunnel Plan Act de 1949, que autorizou gastos para construir novos túneis de vento em universidades e em instalações militares. Alguns túneis de vento alemães do tempo de guerra foram desmontados para envio aos Estados Unidos como parte do plano para explorar os desenvolvimentos tecnológicos alemães.

Para aplicações limitadas, a dinâmica de fluidos computacional (CFD) pode complementar ou possivelmente substituir o uso de túneis de vento. Por exemplo, o avião-foguete experimental SpaceShipOne foi projetado sem qualquer uso de túneis de vento. Porém, em um teste, fios de voo foram presos à superfície das asas, realizando um tipo de teste do tipo túnel de vento durante um voo real para refinar o modelo computacional. Onde o fluxo turbulento externo está presente, o CFD não é prático devido às limitações dos recursos de computação atuais. Por exemplo, uma área que ainda é muito complexa para o uso de CFD está determinando os efeitos do fluxo sobre e ao redor de estruturas, pontes, terreno, etc.

Preparando um modelo no túnel de vento Kirsten, um túnel de vento subsônico na Universidade de Washington

A maneira mais eficaz de simular um fluxo turbulento externo é por meio do uso de um túnel de vento de camada limite.

Existem muitas aplicações para modelagem de túnel de vento de camada limite. Por exemplo, compreender o impacto do vento em edifícios altos, fábricas, pontes, etc. pode ajudar os projetistas de edifícios a construir uma estrutura que resista aos efeitos do vento da maneira mais eficiente possível. Outra aplicação significativa para modelagem de túnel de vento de camada limite é para entender os padrões de dispersão de gás de exaustão para hospitais, laboratórios e outras fontes emissoras. Outros exemplos de aplicações em túneis de vento de camada limite são avaliações de conforto de pedestres e deriva da neve. A modelagem de túnel de vento é aceita como um método para auxiliar no projeto de construção ecológica . Por exemplo, o uso de modelagem de túnel de vento de camada limite pode ser usado como crédito para a certificação de Liderança em Energia e Projeto Ambiental (LEED) através do US Green Building Council.

Pás do ventilador do túnel de vento transônico de 16 pés do Langley Research Center em 1990, antes de ser aposentado em 2004

Os testes de túnel de vento em um túnel de vento de camada limite permitem a simulação do arrasto natural da superfície da Terra. Para maior precisão, é importante simular o perfil de velocidade média do vento e os efeitos da turbulência dentro da camada limite atmosférica. A maioria dos códigos e padrões reconhece que os testes de túnel de vento podem produzir informações confiáveis ​​para projetistas, especialmente quando seus projetos estão em terrenos complexos ou em locais expostos.

Nos Estados Unidos, muitos túneis de vento foram desativados nos últimos 20 anos, incluindo algumas instalações históricas. A pressão é exercida sobre os túneis de vento remanescentes devido ao uso decrescente ou irregular, altos custos de eletricidade e, em alguns casos, o alto valor do imóvel onde a instalação está localizada. Por outro lado, a validação de CFD ainda requer dados de túnel de vento, e é provável que seja o caso em um futuro previsível. Estudos foram feitos e outros estão em andamento para avaliar as necessidades futuras de túneis de vento militares e comerciais, mas o resultado permanece incerto. Mais recentemente, um uso crescente de veículos não tripulados a jato e instrumentados ["drones de pesquisa"] substituiu alguns dos usos tradicionais de túneis de vento. O túnel de vento mais rápido do mundo em 2019 é o túnel de vento LENS-X, localizado em Buffalo, Nova York.

Como funciona

Equilíbrio externo de seis elementos abaixo do túnel de vento Kirsten

O ar é soprado ou sugado por um duto equipado com uma porta de visualização e instrumentação onde modelos ou formas geométricas são montados para estudo. Normalmente, o ar é movido através do túnel usando uma série de ventiladores. Para túneis de vento muito grandes com vários metros de diâmetro, um único grande ventilador não é prático e, em vez disso, uma matriz de vários ventiladores é usada em paralelo para fornecer fluxo de ar suficiente. Devido ao grande volume e velocidade do movimento do ar necessários, os ventiladores podem ser movidos por motores turbofan estacionários em vez de motores elétricos.

O fluxo de ar criado pelos ventiladores que está entrando no túnel é em si altamente turbulento devido ao movimento da pá do ventilador (quando o ventilador está soprando ar para a seção de teste - quando está sugando ar para fora da seção de teste a jusante, a turbulência da pá do ventilador não é um fator) e, portanto, não é diretamente útil para medições precisas. O ar que se move através do túnel precisa ser relativamente livre de turbulência e laminar . Para corrigir esse problema, palhetas de ar verticais e horizontais próximas são usadas para suavizar o fluxo de ar turbulento antes de chegar ao objeto do teste.

Devido aos efeitos da viscosidade , a seção transversal de um túnel de vento é tipicamente circular em vez de quadrada, porque haverá maior constrição de fluxo nos cantos de um túnel quadrado que pode tornar o fluxo turbulento. Um túnel circular fornece um fluxo mais suave.

A face interna do túnel é normalmente a mais lisa possível, para reduzir o arrasto da superfície e a turbulência que podem afetar a precisão do teste. Mesmo paredes lisas induzem algum arrasto no fluxo de ar e, portanto, o objeto que está sendo testado é geralmente mantido próximo ao centro do túnel, com uma zona tampão vazia entre o objeto e as paredes do túnel. Existem fatores de correção para relacionar os resultados dos testes do túnel de vento com os resultados ao ar livre.

A iluminação é geralmente embutida nas paredes circulares do túnel e brilha através das janelas. Se a luz fosse montada na superfície interna do túnel de maneira convencional, a lâmpada geraria turbulência à medida que o ar soprasse ao seu redor. Da mesma forma, a observação geralmente é feita por meio de vigias transparentes no túnel. Em vez de simplesmente serem discos planos, essas janelas de iluminação e observação podem ser curvas para coincidir com a seção transversal do túnel e reduzir ainda mais a turbulência ao redor da janela.

Várias técnicas são usadas para estudar o fluxo de ar real em torno da geometria e compará-lo com os resultados teóricos, que também devem levar em consideração o número de Reynolds e o número de Mach para o regime de operação.

Medidas de pressão

A pressão nas superfícies do modelo pode ser medida se o modelo incluir tomadas de pressão. Isso pode ser útil para fenômenos dominados por pressão, mas isso só explica as forças normais no corpo.

Medidas de força e momento

Com o modelo montado em um equilíbrio de força , pode-se medir os momentos de sustentação, arrasto, forças laterais, guinada, rolamento e lançamento em uma faixa de ângulo de ataque . Isso permite produzir curvas comuns, como coeficiente de sustentação versus ângulo de ataque (mostrado).

Observe que o próprio equilíbrio de força cria arrasto e turbulência potencial que afetará o modelo e introduzirá erros nas medições. As estruturas de suporte são, portanto, normalmente moldadas de forma suave para minimizar a turbulência.

Visualização de fluxo

Como o ar é transparente, é difícil observar diretamente o próprio movimento do ar. Em vez disso, vários métodos de métodos de visualização de fluxo quantitativos e qualitativos foram desenvolvidos para testes em um túnel de vento.

Métodos qualitativos

  • Fumaça
  • Injeção de dióxido de carbono
  • Tufos, mini-tufos ou cones de fluxo podem ser aplicados a um modelo e permanecer presos durante o teste. Os tufos podem ser usados ​​para medir os padrões de fluxo de ar e a separação de fluxo. Os tufos às vezes são feitos de material fluorescente e são iluminados sob luz negra para auxiliar na visualização.
  • As suspensões de evaporação são simplesmente uma mistura de algum tipo de pó fino, talco ou argila misturada em um líquido com um baixo calor latente de evaporação. Quando o vento é acionado, o líquido evapora rapidamente, deixando para trás a argila em um padrão característico do fluxo de ar.
  • Óleo: quando o óleo é aplicado à superfície do modelo, ele pode mostrar claramente a transição do fluxo laminar para o turbulento, bem como a separação do fluxo.
  • Tinta Têmpera: Semelhante ao óleo, a tinta têmpera pode ser aplicada à superfície do modelo aplicando inicialmente a tinta em pontos espaçados. Depois de executar o túnel de vento, a direção do fluxo e a separação podem ser identificadas. Uma estratégia adicional no uso da tinta têmpera é usar luzes negras para criar um padrão de fluxo luminoso com a tinta têmpera.
  • A névoa (geralmente de partículas de água) é criada com um nebulizador piezoelétrico ultrassônico . A névoa é transportada dentro do túnel de vento (preferencialmente do tipo circuito fechado e seção de teste fechada). Uma grade aquecida eletricamente é inserida antes da seção de teste, que evapora as partículas de água em suas proximidades, formando mantas de névoa. Os lençóis de névoa funcionam como linhas aeradas sobre o modelo de teste quando iluminados por um lençol de luz.
  • Sublimação: Se o movimento do ar no túnel for suficientemente não turbulento, um fluxo de partículas liberado no fluxo de ar não se quebrará com o movimento do ar, mas permanecerá unido como uma linha fina e nítida. Múltiplos fluxos de partículas liberados de uma grade de muitos bicos podem fornecer uma forma tridimensional dinâmica do fluxo de ar ao redor de um corpo. Tal como acontece com o equilíbrio de força, esses tubos e bicos de injeção precisam ser moldados de uma maneira que minimize a introdução de fluxo de ar turbulento na corrente de ar.
  • Sublimação (definição alternativa): uma técnica de visualização de fluxo é revestir o modelo em um material sublimatável, onde uma vez que o vento é ligado em regiões onde o fluxo de ar é laminar, o material permanecerá ligado ao modelo, enquanto inversamente em áreas turbulentas o material irá evaporar fora do modelo. Essa técnica é empregada principalmente para verificar se os pontos de disparo colocados na borda de ataque para forçar uma transição estão atingindo o objetivo pretendido.

Turbulências e vórtices de alta velocidade podem ser difíceis de ver diretamente, mas luzes estroboscópicas e câmeras de filme ou câmeras digitais de alta velocidade podem ajudar a capturar eventos que são um borrão a olho nu.

Câmeras de alta velocidade também são necessárias quando o próprio objeto do teste está se movendo em alta velocidade, como a hélice de um avião. A câmera pode capturar imagens em stop-motion de como a lâmina corta os fluxos de partículas e como os vórtices são gerados ao longo das bordas da lâmina em movimento.

Métodos Quantitativos

  • Tinta sensível à pressão (PSP): PSP é uma técnica em que um modelo é revestido por spray com uma tinta que reage às variações de pressão mudando de cor. Em conjunto com essa técnica, as câmeras são geralmente posicionadas em ângulos de visão estratégicos através das paredes, teto e piso do túnel de vento para fotografar o modelo enquanto o vento está forte. Os resultados fotográficos podem ser digitalizados para criar uma distribuição completa das pressões externas que atuam no modelo e, posteriormente, mapeados em uma malha geométrica computacional para comparação direta com os resultados CFD. As medições de PSP podem ser eficazes na captura de variações de pressão em todo o modelo, no entanto, muitas vezes requerem tomadas de pressão suplementares na superfície do modelo para verificar a magnitude absoluta dos coeficientes de pressão. Uma propriedade importante das tintas PSP bem comportadas é que elas também devem ser insensíveis aos efeitos da temperatura, uma vez que a temperatura dentro do túnel de vento pode variar consideravelmente após a execução contínua. As dificuldades comuns encontradas ao usar o PSP incluem a incapacidade de medir com precisão os efeitos das bordas inicial e final em áreas onde há alta curvatura devido às limitações na capacidade das câmeras de obter um ângulo de visão vantajoso. Além disso, a aplicação de PSP na borda de ataque às vezes é evitada porque introduz uma espessura finita que pode causar a separação precoce do fluxo, corrompendo os resultados. Uma vez que as variações de pressão na borda de ataque são normalmente de interesse primário, a falta de resultados precisos nessa região é muito problemática. Depois que um modelo é pintado com tinta sensível à pressão, sabe-se que certas tintas aderem e continuam a funcionar por alguns meses após a aplicação inicial. Finalmente, tintas PSP são conhecidas por terem certas características de frequência, onde algumas requerem alguns momentos para se estabilizar antes de alcançar resultados precisos, enquanto outras convergem rapidamente. No último caso, tintas que têm a capacidade de refletir mudanças rápidas na pressão podem ser usadas para aplicações de PSP Dinâmico onde a intenção é medir características de fluxo instáveis.
  • Velocimetria de imagem de partícula (PIV): PIV é uma técnica em que uma folha de laser é emitida através de uma fenda na parede do túnel onde um dispositivo de imagem é capaz de rastrear a direção da velocidade local das partículas no plano da folha de laser. Às vezes, essa técnica envolve semear o fluxo de ar com material observável. Esta técnica permite a medição quantitativa da velocidade e direção do fluxo através das áreas capturadas no plano do laser.
  • Medição de Deformação do Modelo (MDM): O MDM funciona colocando marcadores em locais geométricos conhecidos no modelo do túnel de vento e tirando fotos da mudança na localização do marcador conforme o vento no túnel é aplicado. Ao analisar a mudança nas posições do marcador de diferentes ângulos de visão da câmera, a mudança translacional na localização do marcador pode ser calculada. Ao coletar os resultados de alguns marcadores, pode-se calcular o grau em que o modelo está cedendo com flexibilidade devido à carga de ar.

Classificação

Existem muitos tipos diferentes de túneis de vento. Eles são normalmente classificados pela faixa de velocidades que são alcançadas na seção de teste, da seguinte forma:

Os túneis de vento também são classificados pela orientação do fluxo de ar na seção de teste em relação à gravidade. Normalmente, eles são orientados horizontalmente, como acontece durante o vôo nivelado . Uma classe diferente de túneis de vento é orientada verticalmente para que a gravidade possa ser equilibrada por arrasto em vez de sustentação, e eles se tornaram uma forma popular de recreação para simular o pára-quedismo :

Os túneis de vento também são classificados com base em seu uso principal. Para aqueles usados ​​com veículos terrestres, como carros e caminhões, o tipo de aerodinâmica do piso também é importante. Eles variam de pisos fixos a pisos móveis completos, com pisos móveis menores e algumas tentativas de controle de nível de limite também sendo importantes.

Túneis de vento aeronáutico

As principais subcategorias nos túneis de vento aeronáutica são:

Túneis com alto número de Reynolds

O número de Reynolds é um dos parâmetros de similaridade que regem a simulação de fluxo em um túnel de vento. Para o número mach menor que 0,3, é o parâmetro principal que governa as características do fluxo. Existem três maneiras principais de simular um número de Reynolds alto, uma vez que não é prático obter um número de Reynolds em escala real usando um veículo em escala real.

  • Túneis pressurizados: aqui os gases de teste são pressurizados para aumentar o número de Reynolds.
  • Túneis de gás pesado: gases mais pesados ​​como freon e R-134a são usados ​​como gases de teste. O túnel de dinâmica transônica da NASA Langley é um exemplo desse tipo de túnel.
  • Túneis criogênicos: aqui o gás de teste é resfriado para aumentar o número de Reynolds. O túnel de vento transônico europeu usa essa técnica.
  • Túneis de alta altitude: são projetados para testar os efeitos das ondas de choque em vários formatos de aeronaves quase no vácuo. Em 1952, a Universidade da Califórnia construiu os primeiros dois túneis de vento de alta altitude: um para testar objetos a 50 a 70 milhas acima da terra e o segundo para testes a 80 a 200 milhas acima da terra.

Túneis V / STOL

Os túneis V / STOL requerem uma grande área de seção transversal, mas apenas pequenas velocidades. Como a potência varia com o cubo de velocidade, a potência necessária para a operação também é menor. Um exemplo de túnel V / STOL é o túnel NASA Langley 14 'x 22'.

Túneis giratórios

As aeronaves têm tendência a girar quando estolam . Esses túneis são usados ​​para estudar esse fenômeno.

Túneis automotivos

Os túneis eólicos automotivos se enquadram em duas categorias:

  • Túneis de fluxo externos são usados ​​para estudar o fluxo externo através do chassi
  • Os túneis climáticos são usados ​​para avaliar o desempenho dos sistemas de portas, sistemas de travagem, etc. sob várias condições climáticas. A maioria dos principais fabricantes de automóveis tem seus próprios túneis de vento climático

Wunibald Kamm construiu o primeiro túnel de vento em escala real para veículos motorizados.

Para túneis de fluxo externos, vários sistemas são usados ​​para compensar o efeito da camada limite na superfície da estrada, incluindo sistemas de correias móveis sob cada roda e a carroceria do carro (5 ou 7 sistemas de correias) ou uma grande correia sob todo o carro, ou outros métodos de controle da camada limite, como conchas ou perfurações para sugá-lo.

Túneis aeroacústicos

Esses túneis são utilizados no estudo do ruído gerado pelo escoamento e sua supressão.

Túnel de vento vertical T-105 no Central Aerohydrodyinamic Institute , Moscou, construído em 1941 para testes de aeronaves

Alta entalpia

Um túnel de vento de alta entalpia destina-se a estudar o fluxo de ar ao redor de objetos que se movem a velocidades muito mais rápidas do que a velocidade local do som ( velocidades hipersônicas ). " Entalpia " é a energia total de uma corrente gasosa, composta de energia interna devida à temperatura, produto da pressão e do volume e da velocidade do fluxo. A duplicação das condições de vôo hipersônico requer grandes volumes de ar aquecido de alta pressão; grandes reservatórios quentes pressurizados e arcos elétricos são duas técnicas utilizadas.

Calha aquadinâmica

Os princípios aerodinâmicos do túnel de vento funcionam igualmente em embarcações, exceto que a água é mais viscosa e, portanto, impõe forças maiores no objeto que está sendo testado. Uma calha em loop é normalmente usada para testes aquadinâmicos subaquáticos. A interação entre dois tipos diferentes de fluidos significa que o teste de túnel de vento puro é apenas parcialmente relevante. No entanto, um tipo de pesquisa semelhante é feito em um tanque de reboque .

Teste de líquido superdimensionado de baixa velocidade

O ar nem sempre é o melhor meio de teste para estudar os princípios aerodinâmicos em pequena escala, devido à velocidade do fluxo de ar e do movimento do aerofólio. Um estudo de asas de mosca-das-frutas projetado para entender como as asas produzem sustentação foi realizado usando um grande tanque de óleo mineral e asas 100 vezes maiores do que o tamanho real, a fim de desacelerar as batidas das asas e tornar mais fáceis os vórtices gerados pelas asas dos insetos para ver e entender.

Teste de ventilador

Os testes de túnel de vento também são realizados para medir com precisão o movimento do ar dos ventiladores a uma pressão específica. Determinando as circunstâncias ambientais durante a medição e revisando a estanqueidade posteriormente, a padronização dos dados é garantida.

Existem duas formas de medição possíveis: um ventilador completo ou um impulsor em uma instalação hidráulica. Dois tubos de medição permitem medições de correntes de ar mais baixas (<30.000 m 3 / h), bem como correntes de ar mais altas (<60.000 m 3 / h). A determinação da curva Q / h do ventilador é um dos principais objetivos. Para determinar esta curva (e para definir outros parâmetros), dados técnicos aéreos, mecânicos e eletrotécnicos são medidos:

Técnico de ar:

  • Diferença de pressão estática (Pa)
  • Quantidade de ar movido (m 3 / h)
  • Velocidade média do ar (m / s)
  • Eficiência específica (W / 1000 m 3 / h)
  • Eficiência

Eletrotécnico:

  • Tensão (V)
  • Atual (A)
  • Cos φ
  • Potência admitida (W) ventilador / impulsor
  • Rotações por minuto (RPM)

A medição pode ocorrer no ventilador ou na aplicação em que o ventilador é utilizado.

Teste de engenharia eólica

Na engenharia eólica, os testes de túnel de vento são usados ​​para medir a velocidade ao redor e as forças ou pressões sobre as estruturas. Edifícios muito altos, edifícios com formas incomuns ou complicadas (como um edifício alto com uma forma parabólica ou hiperbólica), pontes suspensas de cabos ou pontes estaiadas são analisados ​​em túneis de vento especializados na camada limite atmosférica. Eles apresentam uma longa seção contra o vento para representar com precisão a velocidade do vento e o perfil de turbulência que atua na estrutura. Os testes de túnel de vento fornecem as medições de pressão de projeto necessárias no uso da análise dinâmica e controle de edifícios altos.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Jewel B. Barlow, William H. Rae, Jr., Allan Pope: Teste de túneis de vento de baixa velocidade (3ª ed.) ISBN  978-0-471-55774-6

links externos