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

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ÍNDICE

RESUMO 3

1. INTRODUÇÃO 3

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 4

2.1 Aerodinâmica de veículos 5

3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 5

3.1 Características 5

3.2 Composição do gerador de fumaça 6

3.3 Funcionamento do Gerador de Fumaça 6

4. VALIDAÇÃO 7

5. RESULTADOS 7

6. CONCLUSÕES 9

7. BIBLIOGRAFIA 10

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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;

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.

Fig. 5 – Injetor de fumaça com cooler

Fig. 6 – Cone com tubos para diminuir turbulência

Fig. 7 – Dimer para regulagem da velocidade do cooler

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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.

5. 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. 8 – Escoamento do ar em baixa velocidade obtida para simulação do porsche obtida no Clef3d.

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

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.

downforce

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

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.

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

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

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

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

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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.