Projeto de Balança Aerodinâmica para Túnel de Vento Didático

Projeto de Balança Aerodinâmica para Túnel de Vento Didático

(Parte 1 de 3)

Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo – FEAU1

Universidade do Vale do Paraíba – UNIVAP

Projeto de uma Balança Aerodinâmica para o Túnel de Vento Subsônico da FEAU

Fernanda Smanio de Oliveira Égea1 ,

Prof. Dr. Rogério Frauendorf de Faria Coimbra 2

1UNIVAP/Aluna de Engenharia Aeronáutica e Espaço,

R. Sílvio de Souza R. Filho, 100 – Residencial São Francisco, nandasmanio@gmail.com 2Prof. Orientador - UNIVAP – FEAU

Resumo - Determinar as forças que atuam nos corpos das aeronaves durante seu vôo é tarefa de extrema importância no contexto do projeto de aviões e mísseis. Este trabalho apresenta o estudo de pesquisa e desenvolvimento de uma balança aerodinâmica destinada a medir as forças aerodinâmicas que um modelo de ensaios sofre quando submetido à ação do ar em movimento como: sustentação, momento de arfagem e o arrasto; no Túnel de Vento Didático Subsônico da FEAU [1]. Com o objetivo de incentivar a instrumentação do Túnel de Vento de modo a deixá-lo funcional para, assim, ser utilizado como ferramenta durantes as disciplinas de aerodinâmica experimental, aerodinâmica, aeroelasticidade e mecânica dos fluídos. Disponibilizando aos alunos uma ótima ferramenta de ensino sobre os fenômenos físicos devido ao movimento dos fluidos através de um corpo, realizando ensaios e visualizando o escoamento destes fluidos.

Palavras-chave: Túnel de vento, Aerodinâmica, Experimento aerodinâmico, Ensaio Aerodinâmico, Regime baixo subsônico, Escoamento Incompressível, Balança aerodinâmica.

Área do Conhecimento: Engenharia Aeronáutica e Espaço Introdução

Os túneis de vento são considerados como uma das mais importantes ferramentas na pesquisa dos fenômenos aerodinâmicos em corpos expostos a escoamentos. Mesmo com o crescente avanço da Dinâmica dos Fluidos Computacional através da capacidade tecnológica empregada em computadores ao longo dos anos, os túneis de vento ainda desempenham papel fundamental na aquisição de dados durante os experimentos aerodinâmicos, pois muitas condições do escoamento não conseguem ser efetivamente reproduzidas pelos computadores, como é o caso da influência da turbulência no escoamento.

Porém, os túneis de vento continuam sendo usados em novos estudos para que novos tipos de ensaios aerodinâmicos sejam possíveis, e também porque muitos de seus aspectos são de difícil compreensão.

Para realizar um teste em Túnel de Vento é necessário que o mesmo esteja munido de instrumentos de aquisição dados calibrados e de alta precisão. Vários instrumentos permitem a obtenção das forças e momentos aerodinâmicos, tanto de forma direta quanto indireta. A Balança Aerodinâmica é um dispositivo que no ensaio, é responsável por informar quais são os esforços aerodinâmicos que atuam no modelo, um equipamento sensível às forças que o fluido exerce sobre os corpos em teste, este é um dos equipamentos importantes que compõe o Túnel

Vento, pois ele é capaz de medir diretamente as forças que o fluido está exercendo sobre corpo.

Juntamente com a intenção de Instrumentar o

Túnel de Vento da Faculdade de Engenharia Arquitetura e Urbanismo - FEAU, este estudo propõe o desenvolvimento de um projeto de uma Balança Aerodinâmica adequada ao Túnel de Vento Subsônico da FEAU.

1.1 Considerações sobre balanças para Túneis de Vento

Uma balança é comumente tida como um instrumento com que se determina a massa ou o peso dos corpos. Embora este seja um conceito correto quando se trata de balanças comuns, mas se torna errado quando se refere a balanças como a de torção e balanças para túneis de vento. De modo geral, balanças são dispositivos que medem cargas estáticas. Este é um conceito que, do ponto de vista técnico, é perfeito para qualquer tipo de balança.

1.2 Balanças para Túneis de Vento

Um corpo em vôo é livre para transladar em três direções perpendiculares entre si e para girar em torno dessas direções. Por isso, seu movimento depende de forças e momentos que atuam ao longo desses três eixos. A determinação das forças e momentos que atuam num corpo em vôo é uma tarefa possível, porém difícil do ponto de vista prático. Isso é feito em túneis de vento e as medidas lidas têm o propósito de obter as

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Universidade do Vale do Paraíba – UNIVAP forças e momentos produzidos somente pela ação do escoamento sobre o corpo, isto é, obter a força e o escoamento aerodinâmico. Tais medidas são lidas em modelos em escala e tornam possível estimar as cargas aerodinâmicas que vão atuar no avião (escala real), auxiliando o cálculo estrutural e na previsão do desempenho do mesmo.

Há duas categorias de cargas atuando num avião em vôo, ou num modelo em túnel de vento: cargas estáticas e cargas dinâmicas. As cargas estáticas são aquelas resultantes da ação de um escoamento estacionário sobre o corpo e as dinâmicas são aquelas resultantes da ação de um escoamento não-estacionário. Por exemplo, em um túnel de vento onde o escoamento é uniforme na seção de ensaio, o modelo sofrerá uma carga estática se ele estiver com alinhamento fixo em relação ao escoamento, isto é, os ângulos de ataque, derrapagem e rolamento forem constantes. Caso contrário, se um dos ângulos varia, estará submetendo o modelo a um carregamento dinâmico. A determinação dos esforços aerodinâmicos pode ser feita através da medida de pressão em pontos da superfície do modelo, mas esse é um método muito menos preciso e confiável do que aquele que utiliza balanças para túnel de vento.

As balanças para túnel de vento devem medir não só forças aerodinâmicas cuja direção e ponto de aplicação são conhecidos, mas também momentos aerodinâmicos. A principal característica de uma balança usada em túnel de vento é o número de componentes de um determinado esforço capaz de ser medido pelo uso da mesma. Pode-se ter balanças de 1 a 6 componentes dependendo do ensaio que se queira fazer. Por exemplo, em um ensaio em que se deseja obter arrasto produzido pelo escoamento em torno de um míssil, uma balança de um componente para medida de arrasto é suficiente. No caso de um avião em vôo, faz-se necessário o uso de uma balança de seis componentes que meça sustentação, arrasto, força lateral, momento de arfagem, momento de guinada e momento de rolagem.

1.3 Tipos de Balanças usadas em Túneis de Vento

Inúmeras são as montagens utilizadas em túneis de vento e que servem como balanças. Apesar das diferenças entre estas balanças serem muito grandes, decidiu-se classificar em dois tipos principais: balanças internas e balanças externas. As balanças internas são aquelas localizadas no interior do modelo a ser ensaiada e as balanças externas são aquelas localizadas fora do túnel de vento.

1.3.1 - Balanças Internas – são projetadas para caber dentro de um modelo testado no túnel. Geralmente a cavidade onde são colocadas, é aquela que comporta o motor e tubeira do modelo real. A balança interna mais comum usada dessa forma é montada na configuração “sting”, que se trata de uma viga em balanço cuja as extremidades são presas uma no interior do modelo e a outra num montante fixo à parede do túnel. Por causa desses detalhes, a balança montada na configuração “sting” tem a vantagem de interferir muito pouco no escoamento que “ molha” o modelo. Normalmente, as balanças internas são projetadas para medir entre 2 e 6 componentes, pois uma balança para de 1 componente não justifica o elevado custo de fabricação para que se obtenha uma única componente. O tamanho de tais dispositivos é reduzido, pois suas dimensões externas variam de menos que ½ polegada até um máximo de 2 polegadas.

Há dois tipos de balanças internas: as dinamométricas e as fletoras. Nas primeiras, os esforços são medidos por dinamômetros e nas segundas, os esforços são determinados pela medida das deformações causadas nos elementos fletores (filtros mecânicos) pelos esforços aerodinâmicos. As balanças internas do tipo fletora são de construção mais difícil que as dinamométricas. Em compensação, são de mais fácil manutenção e montagem no túnel. 1.3.2 – Balanças Externas: são aquelas localizadas fora do túnel de vento e usadas para medir as cargas transmitidas desde o modelo até elas através das paredes do túnel por meio de elementos estruturais. Balanças deste tipo são freqüentemente utilizadas em túneis subsônicos.

O ponto alto da pesquisa científica moderna é a informatização de todos os dispositivos de medição, a análise direta dos dados coletados e a exibição automática das informações processadas em formato apropriado para os observadores. Os computadores não só coletam e processam as informações, como também controlam os túneis de vento. Os parâmetros medidos podem ser comparados continuamente, ou comparados com os dados de medições anteriores, armazenadas em bancos de dados [1].

Como o Objetivo deste trabalho é identificar uma Balança Aerodinâmica adaptável ao Túnel de Vento de baixa Velocidade da Faculdade, para uso em experimentos didáticos abrangendo todas as faculdades, pode-se optar pela Balança Aerodinâmica Externa, de simples construção e custo mais reduzido, também usual em túneis didáticos.

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Balanças Internas

Vantagens

Balanças Externas Vantagens

As cargas são medidas próximas aos seus pontos de aplicação. Não são equipadas com complicado mecanismo de transmissão de balanças externas, o que torna difícil determinar influências deste mecanismo nas medidas.

Não há limitação de carga, pois praticamente todo tipo de modelo, grande ou pequeno, pode ser ensaiado acoplado a uma balança deste tipo.

São sistemas de medição rígidos de grande freqüência natural se comparadas às balanças externas. Isso se torna possível medir rapidamente cargas estáticas e detectar, até certo ponto, processo dinâmicos.

Não necessita de isolamento térmico como as balanças internas para túneis supersônicos.

Desvantagens Desvantagens

Não são universais, isto é, não servem para todos os tipos de modelos que podem ser ensaiados num dado túnel de vento.

As cargas são medidas longe dos seus pontos de aplicação. Os montantes do modelo interferem nas medidas, pois também sofrem influência do escoamento.

São de difícil construção, pois requerem uma tecnologia apurada para fabricação das partes que necessitam precisão em sua construção.

Não são eficientes para detectar processos dinâmicos. Requerem uma estabilização do modelo antes da tomada das medidas, ou seja, não medem as cargas rapidamente.

Balança Tipo Sting

Balança Externa

Uso de um extensômetro

A extensômetria é uma técnica utilizada para a análise experimental de tensões e deformações em estruturas mecânicas e de alvenaria. Estas estruturas apresentam deformações sob carregamento ou sob efeito da temperatura. É importante conhecer a extensão destas deformações e muitas vezes precisam ser monitoradas constantemente, o que pode ser feito de diversas formas como: o relógio comparador, o detector eletrônico de deslocamento, por camada frágil, por fotoelasticidade e por strain-gauge [2]. Dentre todas, o strain-gauge, do inglês medidor de deformação, é um dos mais versáteis meios.

O Strain-gauge [2], sendo um transdutor eletro-mecânico, possibilita uma diferença de potencial elétrico proporcional ao efeito mecânico aplicado. Os strain-gauge são freqüentemente utilizados como medidores de força e deformação, na região de proporcionalidade onde á válida a lei de Hooke, ou seja, A lei de Hooke é a lei da física relacionada à elasticidade de corpos, que serve para calcular a deformação causada pela força exercida sobre um corpo, tal que a força é igual ao deslocamento da massa a partir do seu ponto de equilíbrio vezes a característica constante da mola ou do corpo que sofrerá deformação:

F = k .∆l

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O fator de proporcionalidade é o módulo de

Elasticidade ou módulo de Young (E) que é constante para cada material. A deformação mecânica depende das forças aplicadas e da geometria do material. Sendo assim as forças são medidas através das taxas de deformação ocorridas em pontos específicos da balança, através da utilização de Strain Gauges. Estes instrumentos possuem uma relação linear entre a variação na taxa de deformação e variação de resistência. Não se pode imaginar as medidas em túnel de vento sem a eletrônica. Isto é mais importante nas medidas em balanças.

Metodologia: Dimensionamento da Balança

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