UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

VISUALIZAÇÃO DE ESCOAMENTOS NO TÚNEL DE VENTO

por

Heitor Machado Vicari Júnior

João Luis Bertini da Silva

Roger Oliveira de Carvalho

Trabalho Final da Disciplina de

Medições Térmicas

Porto Alegre, Dezembro de 2007.

2

RESUMO

O presente trabalho tem como principal objetivo a construção de um equipamento capaz de

gerar e transportar fumaça através de um duto, permitindo um estudo qualitativo de qualquer

perfil aerodinâmico através da visualização do escoamento em túneis aerodinâmicos, facilitando

o uso do mesmo na disciplina de mecânica de fluidos. Para isso faz-se a utilização de um

“pulmão” no qual é queimado um óleo por meio de uma resistência elétrica gerando um gás,

sendo que este é insuflado por um cooler e jogado na tubulação. Em virtude da velocidade do

fluido medida na saída da canalização considera-se o escoamento como sendo em regime

laminar, que é um fator determinante para uma boa visualização. São obtidos resultados

satisfatórios e coerentes com a teoria.

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SUMÁRIO

Pág.

1. INTRODUÇÃO...........................................................................................................................4

2 .FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA...............................................................................................4

3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS.................................................................................................6

3.1 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA.................................................................................8

4. RESULTADOS...........................................................................................................................8

5. CONCLUSÕES.........................................................................................................................10

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... ......................................................................................10

BIBLIOGRAFIA...........................................................................................................................10

ANEXO .......................................................................................................................................11

APÊNDICE....................................................................................................................................12

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1 INTRODUÇÃO

O estudo de perfis aerodinâmicos é uma parte importante da engenharia. A indústria

automobilística e a aeronáutica buscam um melhor desempenho de seus equipamentos. Para isso,

o túnel de vento é uma ferramenta de grande valor capaz de simular o comportamento em

situações reais.

O túnel aerodinâmico Prof. Debi Pada Sadhu pertencente ao Laboratório de Estudos

Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) da UFRGS foi construído com o objetivo de permitir o

estudo de escoamentos sobre perfis aerodinâmicos através de medidas de pressão e da

visualização propriamente dita, tendo em vista que já foram realizados outros experimentos para

a visualização de escoamentos de gases e os resultados obtidos não foram plenamente

satisfatórios.

Para isso, parte-se com a idéia de melhorar os estudos já realizados, construindo um

sistema diferenciado dos elaborados anteriormente. O presente trabalho utiliza-se da queima de

um óleo, processo este irreversível, ou seja, a fumaça produzida não condensada posteriormente.

Além disso, o sistema construído é capaz de gerar escoamento em regime laminar.

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

A engenharia vem aperfeiçoando-se ao longo do tempo. Atualmente a computação gráfica

é uma ferramenta potente na solução de diversos problemas naquela área. Os métodos numéricos

são muito utilizados, principalmente quando uma solução analítica de um determinado problema

é difícil de ser obtida. Os métodos experimentais também compõem uma ferramenta na análise

de problemas físicos. Na mecânica dos fluidos, uma análise qualitativa do campo de escoamento

é fundamental para ter-se uma idéia do comportamento dinâmico do fluido.

A aerodinâmica é um importante ramo da mecânica dos fluidos, sendo que ela estuda o

comportamento de corpos ao deslocarem-se dentro do ar. O desenvolvimento de aviões,

automóveis, projéteis, aerogeradores, pontes e edifícios baseiam-se nos princípios da

aerodinâmica. Com o intuito de obter um melhor desempenho, avaliar a estabilidade e a

integridade do corpo parte-se para métodos experimentais. A utilização de túneis de vento é

freqüentemente aplicada no estudo perfis aerodinâmicos.

Um campo de escoamento é provido pelas linhas de corrente, de trajetória, linhas de

emissão e linhas de filete.

As linhas de corrente são aquelas desenhadas no campo do escoamento de forma que, num

dado instante, são tangentes à direção do escoamento em cada ponto do campo. Como as linhas

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de corrente são tangentes ao vetor velocidade de cada ponto do campo, não pode haver

escoamento em torno delas.

Uma linha de trajeto é o caminho ou trajetória traçada por uma partícula fluida em

movimento.

Os escoamentos completamente limitados por superfícies sólidas são denominados

internos. Assim, os escoamentos internos incluem escoamentos em tubos, dutos, bocais

difusores, contrações súbitas e expansões, válvulas e acessórios. Os escoamentos internos

podem ser laminares ou turbulentos. Para escoamentos internos, o regime de escoamento

(laminar ou turbulento) é primariamente uma função do número de Reynolds [Fox, 2001].

Conforme a equação 1 :

Reu D

(1)

Onde:

u = velocidade média (m/s);

D= Diâmetro interno (m);

= viscosidade cinemática (m2/s);

Para escoamentos internos com número de Reynolds até aproximadamente 2300 considera-

se o escoamento como laminar. A transição para regime turbulento ocorre na faixa de 2300 até

10000.

Escoamentos externos são escoamentos sobre corpos imersos em um fluido sem fronteira.

Os escoamentos sobre uma placa plana semi-infinita e sobre um cilindro são exemplos de

escoamentos externos.

A figura 1 representa alguns dos fenômenos ocorridos sobre um corpo em um escoamento

externo com alto Número de Reynolds. No ponto de estagnação o escoamento em corrente livre

divide-se circundando o corpo. Devido à condição de não deslizamento a velocidade do fluido

junto à superfície é a mesma do corpo. Ocorre formação de camada limite na superfície superior

e na superfície inferior do corpo.

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Figura 1-Detalhes de escoamento viscoso em torno de um aerofólio

(Fonte: Fox e MacDonald, 2001)

Inicialmente, o escoamento na camada limite é laminar e a transição para escoamento

turbulento ocorre a alguma distância do ponto de estagnação, conforme ilustrado na figura 2:

Figura 2 – Camada Limite sobre uma placa plana(Fonte: Fox e MacDonald, 2001)

3 TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

O sistema desenvolvido consiste em um equipamento capaz de produzir fumaça, inserindo-

a no túnel de vento, permitindo assim a visualização do comportamento de corpos

aerodinâmicos.

O sistema constitui-se basicamente de uma caixa metálica, denominada “pulmão”, uma

resistência elétrica e um ventilador, conforme ilustrado na figura 3. A formação da fumaça é

obtida após a queima de um óleo lubrificante, utilizando a resistência elétrica, posteriormente

sendo essa fumaça sugada da caixa metálica pelo ventilador e jogada no interior do túnel de

vento através da tubulação de PVC.

7

Figura 3 – Sistema gerador de Fumaça

O sistema gerador de fumaça é composto pelos seguintes elementos:

Caixa metálica de chapa galvanizada com 3 mm de espessura;

Tampa de visualização em acrílico;

Ventilador de 12V (Cooler);

Fonte com transformador para o cooler;

Resistência tipo tubular 220V/600W ;

Mesa suporte para a resistência feita em perfil quadrado de 20mmx20mm;

Pés da mesa de fusível-isolante (cerâmica);

Controlador para ligar e desligar a resistência;

Bandeja de alumínio para depositar o óleo;

Conexão de cano PVC;

Garrafa para armazenar o óleo com tubulação em mangueira dosadora de soro;

Lâmpada;

Sendo que os trabalhos anteriores realizados com intuito de obter uma visualização do

escoamento de gases no túnel de vento não obtiveram resultados satisfatórios, principalmente

devido ao fato de que o elemento gerador de fumaça não era adequado. Nesses trabalhos foram

utilizados fluido glicerinado - composto por C3H8O3 + H2O + corantes – e também foi utilizado

incenso. O presente trabalho utiliza o óleo lubrificante Texaco Spindura® 10. Este óleo foi

8

fornecido pelo Aeroclube de Porto Alegre, sendo este óleo muito utilizado como traçador em

shows aéreos. As propriedades do óleo estão descritas no Anexo.

O túnel aerodinâmico do LETA tem as seguintes características:

Túnel de sucção e circuito aberto;

Comprimento: 6,3m;

Área da seção comum: 1m2

Rotação máxima do motor do exaustor: 1160 rpm;

Velocidade máxima do ar: 9m/s

3.1 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA

Primeiramente, pinga-se o óleo na bandeja sob a qual está inserida a resistência elétrica.

Para isso, o óleo que está armazenado em um recipiente plástico flui por gravidade através de

uma mangueira fina onde tem um dosador que controla a quantidade necessária para a queima. A

seguir, o sistema é ligado na rede elétrica sendo a resistência e o cooler acionados. A resistência

é controlada por um controlador que atua com um timer de 60s ligando e desligando para evitar

que a resistência não queime e que caixa não sofra um aquecimento demasiado. Segue no

apêndice o detalhamento para ligar e desligar o equipamento.

A fumaça obtida pela queima do óleo é aspirada pelo cooler e jogada na tubulação de PVC,

e posteriormente inserida sob algum perfil aerodinâmico.

4 RESULTADOS

Este estudo tem como objetivo avaliar o comportamento de corpos inseridos em um

escoamento através de um método qualitativo, ou seja, através da visualização direta.

Os resultados obtidos são demonstrados na Figura 4:

Figura 4 – Visualização de escoamento sobre um perfil aerodinâmico

Visualmente, verifica-se que o escoamento na saída da tubulação de PVC tem um

comportamento laminar, segundo a figura 5.

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Figura 5 – Escoamento Laminar na saída da tubulação de PVC

Isto se comprova através do Número de Reynolds obtido através da equação 1 . O resultado

é demonstrado na seqüência:

A tubulação de PVC utilizada tem as seguintes dimensões: L= 1,85m e D= 16,4mm

A velocidade medida no final da tubulação de PVC através de um anemômetro é de 2m/s.

Portanto, através da equação 1, obtém-se:

6 2

0, 2( / ) 0,0164( )Re 1312

2,5 10 ( / )

u D m s m

m s

Os equipamentos utilizados para a realização das medidas e suas respectivas incertezas de

medição são:

Paquímetro Analógico com incerteza: ±0,08mm

Anemômetro de hélice em duto com incerteza: ± 3% (VL)

A incerteza propagada Wr , segundo Kline e McClintock, é dada pela equação 2:

1/ 22 2Re Re

r u Dw w wu D

(2)

Onde:

6

Re 0,01646560

2,5 10

D s

u m

16

Re 0, 280000

2,5 10

um

D

1/ 222 36560 0,006 80000 0,08 10rw 39,87693

Logo, o Número de Reynolds e a incerteza da medição são:

Re = 1312 ± 39,87693

10

5 CONCLUSÕES

Após a realização do experimento, conclui-se que o sistema construído obteve resultados

satisfatórios atuando individualmente. Foi possível uma boa visualização do comportamento do

escoamento sobre o perfil experimentado. As principais dificuldades encontradas foram

determinar as propriedades termodinâmicas do óleo, a medição da velocidade impostada pelo

cooler na saída do duto. Somando-se a isso temos ainda o problema da velocidade de sucção do

túnel, que não é compatível com a velocidade de saída do duto.

Para resolução do problema, a velocidade de sucção do túnel deve ser igual a velocidade do

escoamento imposta pelo equipamento. Para isso é proposto um mecanismo de controle da

velocidade do túnel ou um aumento nas dimensões do equipamento, gerando uma maior

capacidade de gerar fumaça, e conseqüentemente aumento do cooler do equipamento.

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

FOX, Robert e MCDONALD, Allan. Introdução à Mecânica dos Fluidos. Rio de Janeiro:

LTC, 2001.

7 BIBLIOGRAFIA

DEVENPORT,W.J. e HARTWELL, W.L. Site da Disciplina “ Métodos Experimentais” do

Departamento de Engenharia Aeroespacial e Oceânica da Universidade Virginia Tech

<http://www.aoe.vt.edu/~devenpor/aoe3054/manual/expt1/text.html#f2>- Acessado em 09/10/07

SCHNEIDER, P, Apostila da disciplina Medições Térmicas, Porto Alegre, 2007.

DELMEE, Gerard Jean, Manual de medição de vazão, 3° edição, Editora Edgard Blucher.

FELICIO, G, LIU, J, GAUDIOSO, J, LAHORGUE, L, Visualização de escoamentos de gases

no túnel aerodinâmico, Porto Alegre, 2007.

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

<http://www.hwpetro.com/_fileCabinet/TexacoData/Spindura.pdf> - Acessado em 23/11/07

11

ANEXO

12

APÊNDICE

Para Ligar o equipamento :

Para ajustar o tempo de liga/desliga da resistência:

ESC

Para Desligar o Equipamento:

ESC

PROG

PC/CARD

CLOCK

START (OK)

STOP

SET PARAM(OK)

SET CLOCK

PRG NAME

STOP (OK)

SET PARAM

SET CLOCK

PRG NAME

STOP PRG

NO

YES

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