simulação ansys aerofolio

simulação ansys aerofolio

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Engenharia Mecânica Automação e Sistemas

Rafael Molena Seraphim

Itatiba – São Paulo – Brasil Novembro de 2004

Engenharia Mecânica Automação e Sistemas

Rafael Molena Seraphim

Monografia apresentada à disciplina Trabalho de Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia Mecânica Automação e Sistemas da Universidade São Francisco, sob a orientação do Prof. Dr. Guilherme Bezzon, como exigência parcial para conclusão do curso de graduação.

Orientador: Prof. Dr. Guilherme Bezzon

Itatiba – São Paulo – Brasil Novembro de 2004

Avaliação experimental e computacional dos coeficientes de arraste e sustentação de um perfil de aerofólio

Rafael Molena Seraphim

Monografia defendida e aprovada em 17 de novembro de 2004 pela Banca Examinadora assim constituída:

Prof. Dr. Guilherme Bezzon (Orientador) USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.

Prof. Ms. Paulo Eduardo Silveira USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.

Prof. Dr. Alberto Luiz Francato USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.

iv .Agradecimentos

Agradeço primeiramente ao Professor Dr. Guilherme Bezzon, meu orientador, que acreditou em mim e incentivou-me para a conclusão deste trabalho, face aos inúmeros percalços do trajeto.

Agradeço principalmente aos meus pais e familiares, que com apoio moral e financeiro possibilitaram que eu chegasse até aqui, pois sem dúvida nenhuma, sem eles nada do que consegui seria possível.

Agradeço também aos meus amigos, em especial o meu amigo Everton Von Zuben, que me propiciou uma grande ajuda não só neste trabalho, como no decorrer da minha vida acadêmica.

Eu agradeço fraternalmente a todos.

v Sumário

Lista de Siglasvi
Lista de Figurasvii
Lista de Tabelasviii
Resumoix
Abstractix
1 INTRODUÇÃO1
1.1 Teoria1
1.2 Histórico4
1.3 Objetivos5
1.4 Organização do trabalho6
1.5 Justificativa6
2 MATERIAIS E MÉTODOS7
2.1 Materiais e métodos utilizados na análise experimental7
2.2 Materiais e métodos utilizados na análise computacional9
3 RESULTADOS1
3.1 Resultados obtidos da análise experimental1
3.2 Resultados obtidos da análise computacional16
3.3 Comparação dos resultados obtidos das análises experimental e computacional20
4 CONCLUSÃO2
4.1 Contribuições2
4.2 Extensões23
Referências Bibliográficas24

Bibliografia consultada .......................................................................................................... 25 vi Lista de Siglas á Ângulo de ataque [º] ì Viscosidade dinâmica [N.s/m2] ρ Densidade do fluido [kg/m3] ôij Tensão de cisalhamento do plano i (x,y,z) em relação a j (x,y,z) [Pa]

Cp Coeficiente de pressão [1] Cp Calor específico [J/kg.K]

Cx Influência do coeficiente de pressão ao longo do aerofólio na direção x [1]

Cy Influência do coeficiente de pressão ao longo do aerofólio na direção y [1] g Aceleração da gravidade [m/s2] K Condutividade térmica [W/m.K] P Pressão de trabalho [Pa]

PL Pressão local [Pa]

P0 Pressão de estagnação [Pa]

P• Pressão estática [Pa]

Qv Fonte de calor [J]

Τ Temperatura estática [K] ui Velocidade na direção i (x,y,z) [m/s] uj Velocidade na direção j (x,y,z) [m/s] ψ1 Velocidade do fluido no ponto 1 [m/s] v2 Velocidade do fluido no ponto 2 [m/s] vx Velocidade do fluido na direção x [m/s] vy Velocidade do fluido na direção y [m/s] vz Velocidade do fluido na direção z [m/s] v• Velocidade do escoamento na linha não perturbada [m/s] xi Comprimento ao longo de i (x,y,z) [m] xj Comprimento ao longo de j (x,y,z) [m] z1 Elevação do ponto 1 [m] z2 Elevação do ponto 2 [m] vii Lista de Figuras

VARIÁVEIS2
VERTICAIS (PIEZÔMETROS)2
FIGURA 1-3 - DEMONSTRAÇÃO DA INTERAÇÃO AR/PERFIL DE ASA3
AS TOMADAS DE PRESSÃO7
FIGURA 2-2 - FLANGE DE AJUSTE DO FLUXO DE AR NA ENTRADA DO TÚNEL8
REDOR DO PERFIL DE AEROFÓLIO (COM Á=0º)10
15º14

FIGURA 1-1 - DEMONSTRAÇÃO DE UM ESCOAMENTO DE ÁGUA EM UM DUTO DE DIÂMETROS FIGURA 1-2 - ESCOAMENTO DE ÁGUA EM UM DUTO DE DIÂMETROS VARIÁVEIS COM TUBOS FIGURA 2-1 – (A) AEROFÓLIO MONTADO NA SEÇÃO DE TESTES DO TÚNEL, (B) TOMADAS DE PRESSÃO DO AEROFÓLIO, (C) LOCALIZAÇÃO DOS ORIFÍCIOS AO REDOR DO AEROFÓLIO PARA FIGURA 2-3 - MALHA GERADA (A) DETALHE DE TODA A SEÇÃO DE TESTES, (B) DETALHE AO FIGURA 3-1 - RESULTADOS OBTIDOS PARA OS DIFERENTES ÂNGULOS DE ATAQUE, (A) CP VS. X/C PARA 0º, (B) CP VS. Y/C PARA 0º, (C) CP VS. X/C PARA 5º, (D) CP VS. Y/C PARA 5º, (E) CP VS. X/C PARA 10º, (F) CP VS. Y/C PARA 10º, (G) CP VS. X/C PARA 15º, (H) CP VS. Y/C PARA

COEFICIENTE DE ARRASTE (CD) VS. ÂNGULO DE ATAQUE (ANÁLISE EXPERIMENTAL)15

FIGURA 3-2 - (A) COEFICIENTE DE SUSTENTAÇÃO (CL) VS. ÂNGULO DE ATAQUE, (B)

NODAL GRÁFICA17
15º19

FIGURA 3-3 - EXEMPLO DA APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS DE CP UTILIZANDO-SE A FORMA FIGURA 3-4 - RESULTADOS OBTIDOS PARA OS DIFERENTES ÂNGULOS DE ATAQUE, (A) CP VS. X/C PARA 0º, (B) CP VS. Y/C PARA 0º, (C) CP VS. X/C PARA 5º, (D) CP VS. Y/C PARA 5º, (E) CP VS. X/C PARA 10º, (F) CP VS. Y/C PARA 10º, (G) CP VS. X/C PARA 15º, (H) CP VS. Y/C PARA

COEFICIENTE DE ARRASTE (CD) VS. ÂNGULO DE ATAQUE (ANÁLISE COMPUTACIONAL)20

FIGURA 3-5 – (A) COEFICIENTE DE SUSTENTAÇÃO (CL) VS. ÂNGULO DE ATAQUE, (B) FIGURA 3-6 - (A) COEFICIENTE DE SUSTENTAÇÃO (CL) VS. ÂNGULO DE ATAQUE, (B)

COEFICIENTE DE ARRASTE (CD) VS. ÂNGULO DE ATAQUE (COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS). ..........................................................................................................................................21 viii Lista de Tabelas

TABELA 3-1 - PRESSÕES AO REDOR DO AEROFÓLIO OBTIDAS DA ANÁLISE EXPERIMENTAL12
13
TABELA 3-3 - VALORES DE CX E CY OBTIDOS DA ANÁLISE EXPERIMENTAL15
TABELA 3-4 - PRESSÕES AO REDOR DO AEROFÓLIO OBTIDAS DA ANÁLISE COMPUTACIONAL16

TABELA 3-2 - VALORES DE CP AO LONGO DO AEROFÓLIO OBTIDOS DA ANÁLISE EXPERIMENTAL.

COMPUTACIONAL17

TABELA 3-5 - VALORES DE CP AO LONGO DO AEROFÓLIO OBTIDOS DA ANÁLISE

3-6 - VALORES DE CX E CY OBTIDOS DA ANÁLISE COMPUTACIONAL19

TABELA TABELA 3-7 - VALORES DO ERRO ENTRE AS ANÁLISES EXPERIMENTAL E COMPUTACIONAL......21 ix

Resumo

Utilizando-se um perfil de aerofólio acoplado a um túnel de vento, determinou-se experimentalmente a distribuição de pressão ao redor do mesmo, de forma a se calcular os coeficientes de arraste e sustentação, variando-se o ângulo de ataque do perfil. Introduzindose o valor da velocidade média do escoamento e as condições de contorno, semelhantes às adotadas na análise experimental, no software de análise de elementos finitos “ANSYS/FLOTRAN” dedicado à simulação de fluidos, determinou-se também os coeficientes de arraste e sustentação do perfil. Com os resultados obtidos da simulação via software e da análise experimental foi feita uma comparação, tendo como objetivo avaliar o erro entre estes dois métodos.

PALAVRAS-CHAVE: aerofólio, arraste, CFD “Computational Fluid Dynamics”, sustentação

Abstract

It was experimentally determined the pressure distribution around an airfoil profile mounted in a wind tunnel. From the experimental data, it was calculated the drag and lift coefficients, according to the profile attack angle. The drag and lift coefficients were also determined using the average velocity value and similar experimental boundary conditions, on a finite elements analysis software “ANSYS/FLOTRAN” dedicated to fluid simulation. The results obtained from software simulation and experimental analysis were compared and analysed.

KEY WORDS: airfoil, CFD, drag and lift

1 1 INTRODUÇÃO

A utilização de túnel de vento para avaliação experimental dos coeficientes de arraste e sustentação de um perfil de aerofólio, e a realização de simulações computacionais pelo método de CFD, são os dois métodos mais utilizados por quem conduz estudos da interação fluído-sólido. Existem poucos casos no qual a sustentação e o arraste podem ser determinados sem os recursos de dados experimentais, ou seja, determinados por métodos analíticos [4]. Portanto, para a maioria das formas de interesse, deve-se recorrer ao uso de coeficientes medidos experimentalmente ou através de simulações computacionais para os cálculos referentes ao arraste e a sustentação.

O túnel de vento é uma ferramenta muito poderosa nos estudos da interação fluido-sólido, pois com uma simples instrumentação obtêm-se resultados com grande grau de precisão. Mas para isto, é necessário que quando efetuado os experimentos, algumas hipóteses e alguns critérios sejam adotados, podendo facilitar e validar os cálculos desejados.

Para a simplificação e validação de alguns conceitos, torna-se necessário a adoção de algumas condições de contorno para o sistema, onde são elas:

• Escoamento em regime permanente;

• Escoamento incompressível;

• Escoamento livre de fricção;

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