MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

VISUALIZAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS EM TÚNEL DE VENTO

por

Eduardo Rufato Roger Poletto Sérgio Bartex

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Porto Alegre, Dezembro de 2007

ÍNDICE

RESUMO

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1. INTRODUÇÃO

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

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2.1 Aerodinâmica de veículos 3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

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3.1 Características

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3.2 Composição do gerador de fumaça

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3.3 Funcionamento do Gerador de Fumaça

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4. VALIDAÇÃO

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5. RESULTADOS

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6. CONCLUSÕES

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7. BIBLIOGRAFIA

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RESUMO O presente trabalho tem por finalidade a visualização do escoamento de um fluido no túnel de vento do GESTE (Grupo de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos - UFRGS). O fluido utilizado para a visualização do comportamento do escoamento é fumaça gerada através da ebulição do óleo de Spindura. Esse óleo é utilizado pela esquadrilha da fumaça em suas apresentações. O óleo é queimado por um ebulidor e passa para o estado gasoso para então ser armazenado em um buffer transparente, o que permite o controle visual na geração da “fumaça”. A queima deste óleo se mostra bastante eficaz para visualização já que o mesmo se apresenta na coloração branca e não tem tendência a condensar sob as pressões e temperaturas em que é submetido durante o processo. Para gerar o escoamento em regime laminar utilizou-se um cooler ligado a um Dimer, que possibilita o ajuste da velocidade com que o ar é injetado no túnel de vento. Após a geração de um escoamento laminar, comparou-se a aerodinâmica de miniaturas de uma Ferrari F-40 e um Porsche Carrera; também comparou-se dois caminhões, um com e outro sem aerofólio. Tanto a Ferrari quanto o Porsche apresentam resultados satisfatórios quanto à suas respectivas aerodinâmicas, inclusive no ensaio da Ferrari pode-se perceber claramente o efeito do aerofólio na pressão aerodinâmica e o efeito downforce. No ensaio dos caminhões também se percebe o efeito do aerofólio, e podemos notar claramente as deficiências do escoamento do ar devido às suas respectivas aerodinâmicas.

1. INTRODUÇÃO A visualização do escoamento em perfis aerodinâmicos é utilizada para aferir os resultados obtidos pelos métodos numéricos, normalmente, resultados obtidos em softwares de simulação. A geração de um escoamento laminar é imprescindível para a visualização das linhas de corrente que são linhas desenhadas no campo de escoamento de forma que num dado instante, são tangentes à direção do escoamento em cada ponto do campo [Fox, 2001]. O principal objetivo deste trabalho foi possibilitar a visualização do escoamento em um túnel de vento, utilizando maquetes fiéis que possibilitem uma análise que permita fazer comparações e aferir os resultados obtidos com os modelos numéricos. Assim, o objetivo do experimento é o de desenvolver uma técnica simples de visualização de escoamentos com fumaça, permitindo dessa forma à visualização das linhas de emissão de fumaça sobre perfis aerodinâmicos em geral, desde carroceria de veículos automotivos até asas de avião.

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2.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A visualização de escoamentos sobre perfis aerodinâmicos é de grande importância para o entendimento, a conferência e a calibração dos métodos numéricos. Conforme a teoria de Mecânica dos Fluidos (FOX, 2001), ao concentrarmos a atenção em um local fixo do espaço e identificar, pelo emprego de um corante ou fumaça todas as partículas fluidas que passam por aquele ponto, pode-se após um curto período ter uma certa quantidade de partículas fluidas identificáveis no escoamento; todas elas, em algum momento, teriam passado por um local fixo no espaço. A linha unindo essas partículas fluidas é definida como uma linha de emissão. Já as linhas de corrente são aquelas linhas desenhadas no campo de escoamento de forma que num dado instante, são tangentes à direção do escoamento em cada ponto do campo. Como as linhas de corrente são tangentes ao vetor em cada ponto do campo, não pode haver escoamento através delas. Então, num escoamento permanente, trajetórias e linhas de emissão e de corrente são linhas idênticas no campo de escoamento (FOX, 2001). Utilizando-se do processo de geração de fumaça a partir da evaporação de um líquido composto por álcoois polifuncionais, obtém-se resultados satisfatórios na visualização de escoamentos, possibilitando-se inclusive fazer-se o registro fotográfico do movimento desse fluido em torno de perfis aerodinâmicos (Felício, 2007).

Algumas imagens de visualização de escoamentos de gases:

Fig. 1 – Escoamento em um aerofólio

Fig. 2 – Jato de fumaça laminar

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2.1

Aerodinâmica de veículos

Com base na teoria do escoamento de fluidos, o que se busca em essência no projeto aerodinâmico é gerar a maior pressão aerodinâmica com a menor resistência possível ao avanço, ou arrasto. O objetivo é fazer com que os fluxos de ar percorram o carro de maneira a criar forças que o comprimam contra o asfalto. É o conjunto dessas forças que permitirá ao veículo percorrer as curvas em velocidades mais elevadas com uma maior estabilidade.

3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS A proposta do trabalho é melhorar a visualização da bancada proposta no semestre passado, onde foi utilizado vapor d`água na visualização do escoamento. Porém, ao entrar no túnel de vento o vapor condensa, impossibilitando uma boa análise. No presente trabalho foi utilizado o túnel de vento disponibilizado pelo Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos da Universidade Federal do Rio Grande do Sul:

Fig. 3 – Túnel de vento LETA

3.1 Características: •

Túnel de sucção e circuito aberto;

•

Comprimento: 6,3 m;

•

Área da seção comum: 1 m 2;

•

Rotação máxima do motor do exaustor: 1160 rpm;

•

Velocidade máxima do ar no túnel: 9 m/s;

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3.2 Composição do gerador de fumaça: Para injeção da fumaça no túnel de vento foi construído o dispositivo da Fig. 4:

Fig. 4 – Gerador de fumaça •

Ebulidor blindado 220V;

•

Armazenador de fumaça de 20l;

•

Tubulação 10 cm de diâmetro;

•

Cooler de 12x12 cm 110 V;

Fig. 5 – Injetor de fumaça com cooler

Fig. 6 – Cone com tubos para diminuir turbulência

Fig. 7 – Dimer para regulagem da velocidade do cooler

3.3 Funcionamento do Gerador de Fumaça. O óleo de Spindura é colocado no vaso cerâmico (Fig. 4)até que o nível deixe a base em espiral do ebulidor submerso. Liga-se a resistência e controla-se visualmente o enchimento de fumaça do buffer de 20 litros. Com o buffer cheio de fumaça, liga-se o cooler e controla-se a velocidade do mesmo a fim de atingir o escoamento laminar dentro do túnel de vento.

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4.

VALIDAÇÃO

Para validação do experimento no túnel de vento utilizou-se resultados obtidos no software de simulações, Nagare3d.gt e no software de visualização Clef3d. Por se tratar de um trabalho qualitativo, utiliza-se apenas os dados obtidos a partir do software de visualização. As simulações a seguir foram realizadas para o perfil de um Porsche Carrera, o mesmo perfil analisado em modelo reduzido no túnel de vento com escoamento de gases.

Fig. 8 – Escoamento do ar em baixa velocidade obtida para simulação do porsche obtida no Clef3d.

5.

Fig. 9 – Escoamento do ar em alta velocidade obtida para simulação do porsche obtida no Clef3d.

RESULTADOS

Para visualização dos resultados práticos primeiramente compara-se o resultado do mesmo perfil analisado no software de visualização Clef3d para uma maquete 1/18 de um Porsche Carrera ensaiada no túnel de vento (fotos tiradas no local).

Fig. 10 – Escoamento do ar em baixa velocidade obtida no túnel de vento.

Fig. 11 – Escoamento do ar em alta velocidade obtida no túnel de vento.

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Também foi possível visualizar os efeitos do aerofólio em um modelo esportivo.

Fig. 12 - Escoamento do ar em baixa downforce velocidade no túnel de vento, perfil com aerofólio

Fig. 13 – Escoamento do ar em alta velocidade no túnel de vento, perfil com aerofólio

Ainda foram analisados perfis de caminhões e o efeito de suas respectivas aerodinâmicas:

Fig. 14 – Caminhões modernos com aerodinâmica que facilita o escoamento

Fig. 15 – Caminhões antigos com aerodinâmica que dificulta o escoamento

Os resultados obtidos com a variação da velocidade, como na simulação para os 2 perfis esportivos analisados não medido a velocidade do escoamento de fumaça, apenas observou-se uma maior potência utilizada no cooler quando consideradas velocidades maiores e reduziu-se a potência do cooler para obtenção de velocidades menores.

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6.

CONCLUSÕES

A primeira dificuldade do projeto está em gerar um fluido que ao ser injetado no túnel de vento possibilite a visualização dos perfis a serem analisados. Após resolver este problema com a queima do óleo Spindura tem-se a dificuldade de gerar um fluxo laminar que possibilite visualizar o fluxo ao atingir o bordo de ataque do perfil, resolve-se este problema fazendo a regulagem da rotação do cooler através do Dimer. Para os próximos trabalhos ainda sugere-se a uma melhoria na geração da fumaça, que atualmente é realizada de maneira manual, durante o projeto foram pesquisados dispositivos que possibilitam o controle de “liga-desliga” da resistência, porém por falta de orçamento optou-se pelo controle manual. Quanto aos perfis analisados, pode-se dizer que os perfis esportivos analisados demonstraram a eficiência esperada de suas aerodinâmicas, sendo possível combater inclusive os resultados obtidos no túnel com resultados obtidos em um software de simulação, o resultado foi bastante satisfatório. O efeito do aerofólio no modelo esportivo da Ferrari F-40, apresentou claramente o efeito downforce, onde o aerofólio acaba fazendo o efeito de uma asa de avião invertida, ou seja, a pressão do ar acaba forçando o ar contra o solo, o que acaba permitindo uma maior estabilidade do mesmo. Quanto aos perfis de caminhões analisados, percebeu-se uma evolução dos modelos antigos para os modelos mais modernos, pode-se perceber o inicio do escoamento turbulento nos perfis analisados.

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7.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

•

FLETCHER, N.H.: "Mechanics of Flight". Physics Education, 385-389 , 1975.

•

DEVENPORT, W. J. e HARTWELL, W. L. Site da Disciplina "Métodos Experimentais" do Departamento de Engenharia Aeroespacial e Oceânica da Universidade Virginia.

•

FELÍCIO, George; LIU, Jone; GAUDIOSO, Julio; LAHORGUE, Luciano. Visualização de Escoamentos com Gases no Túnel Aerodinâmico. ENG03108. 2007

•

Site da Disciplina "Métodos Experimentais" do Departamento de Engenharia Aeroespacial e Oceânica da Universidade Virginia.

•

FOX, Robert e McDONALD, Alan. Introdução à Mecânica dos Fluidos. Rio de Janeiro: LTC, 2001.

•

MERZKIRCH, Wolfgang. Flow Visualization, Second Edition. Orlando: Academic Press, 1987.

•

MÖLLER, S. V.; SILVESTRINI, J. H. (editores). Turbulência - Coleção Cadernos de Turbulência, Volume 4. Rio de Janeiro: Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas, 2004.

•

SMITH, N.F.:, "Bernoulli and Newton and Fluid Mechanics" The Physics Teacher, 10, 451-455, 1972.

•

THE JAPAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. Visualized Flow. Oxford: Pergamon Press, 1988.

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