8.5: Método da esfera de turbulência: avaliando a qualidade do fluxo do túnel de vento

1. Preparação da esfera de turbulência no túnel de vento

1. Conecte o tubo pitot do túnel de vento à porta #1 no scanner de pressão e conecte a porta de pressão estática à porta #2 no scanner de pressão.
2. Bloqueie o equilíbrio externo.
3. Fixar o suporte da esfera ao suporte de equilíbrio dentro do túnel de vento.
4. Instale a esfera com 6 de diâmetro.
5. Conecte a torneira de pressão de borda principal à porta #3 no scanner de pressão e conecte as quatro torneiras de pressão de popa à porta #4 no scanner de pressão.
6. Conecte a linha de alimentação de ar ao regulador de pressão e coloque a pressão em 65 psi.
7. Conecte o coletor do scanner de pressão à linha de pressão.
8. Inicie o sistema de aquisição de dados e o scanner de pressão. Certifique-se de ligá-los pelo menos 20 minutos antes do teste.
9. Estime a pressão dinâmica máxima com base no número crítico de Reynolds para uma esfera lisa: . Consulte tabelas 1 e 2 para obter parâmetros de teste recomendados.
10. Defina a faixa de teste de pressão dinâmica de 0 a q_{no máximo} e defina os pontos de teste dividindo o intervalo em 15 intervalos.

Mesa 1. Parâmetros para o primeiro teste.

Mesa 2. Parâmetros para o segundo teste.

2. Condução da estabilização e medição da verificação da pressão

1. Leia a pressão barométrica e a temperatura ambiente e regissuça os valores.
2. Aplique as correções à pressão barométrica utilizando equações fornecidas pelo fabricante do manômetro.
3. Configure o software de aquisição de dados e conecte-o ao scanner de pressão, definindo o endereço IP adequado.
4. Insira os seguintes comandos pressionando enter após cada comando.
   >calz
   >set chan1 0
   >set chan 1-1..1-4
   >set fps 10
5. Verifique se a seção de teste e o túnel de vento estão livres de detritos.
6. Feche as portas da seção de teste.
7. Coloque o mostrador de velocidade do túnel de vento como zero.
8. Ligue o túnel de vento e o sistema de resfriamento do túnel de vento.
9. Com a velocidade do vento a 0 mph, comece a gravar dados e, em seguida, insira o seguinte comando para escanear a pressão:
   >scan
10. Regisso túnel de vento temperatura do ar.
11. Aumente a velocidade do vento até o próximo ponto de teste de pressão dinâmica conforme definido na etapa 1.10.
12. Aguarde até que a velocidade do ar se estabilize e repita as etapas 2.9 - 2.11 até que o último ponto de teste seja executado.
13. Reduza lentamente a velocidade do ar para zero.
14. Quando todos os pontos tiverem sido medidos, substitua o 6 na esfera pela próxima esfera seguindo os passos 1.2 - 1.5.
15. Repita passos de 2.3 - 2.14 para repetir os experimentos de estabilização e varredura de pressão.
16. Espere o túnel de vento esfriar depois que o teste for executado para as três esferas.
17. Desligue o túnel de vento e o software de aquisição de dados.

Nos testes aerodinâmicos, os túneis de vento são inestimáveis para determinar as propriedades aerodinâmicas de vários objetos e aeronaves em escala. Os dados do túnel de vento são gerados pela aplicação de um fluxo controlado de ar a um modelo de teste, que é montado dentro da seção de teste. O modelo de teste normalmente tem geometria semelhante, mas em uma escala menor, em comparação com o objeto real.

Para garantir a utilidade dos dados gerados nos testes em túnel de vento, devemos garantir a semelhança dinâmica entre o campo de fluxo do túnel de vento e o campo de fluxo real sobre o objeto real. Para manter a semelhança dinâmica, o número de Reynolds do experimento do túnel de vento deve ser o mesmo que o número de Reynolds do fenômeno de fluxo que está sendo testado.

No entanto, experimentos realizados em túneis de vento ou ao ar livre, mesmo com o mesmo número de Reynolds de teste, podem fornecer resultados diferentes devido aos efeitos da turbulência de fluxo livre dentro da seção de teste do túnel de vento. Essas diferenças podem ser percebidas como um número de Reynolds efetivo mais alto para o túnel de vento. Então, como correlacionamos os testes no túnel de vento com experimentos ao ar livre?

Podemos estimar a intensidade da turbulência de fluxo livre no túnel de vento usando um objeto bem definido com comportamento de fluxo conhecido, como uma esfera. Este método é chamado de método da esfera de turbulência. O método da esfera de turbulência baseia-se na condição bem estudada chamada crise de arrasto da esfera.

A crise de arrasto da esfera descreve o fenômeno em que o coeficiente de arrasto de uma esfera cai repentinamente quando o número de Reynolds atinge um valor crítico. Quando o fluxo atinge o número crítico de Reynolds, a camada limite faz a transição de laminar para turbulenta muito perto da borda de ataque da esfera. Essa transição, em comparação com o fluxo em um baixo número de Reynolds, causa atraso na separação do fluxo e uma esteira turbulenta mais fina e, portanto, diminuição do arrasto.

Portanto, podemos medir o coeficiente de arrasto de uma esfera em um intervalo de números de Reynolds de teste para determinar o número crítico de Reynolds. Isso nos permite determinar o fator de turbulência, que correlaciona o número de Reynolds de teste com o efetivo do número de Reynolds.

Neste experimento, demonstraremos o método da esfera de turbulência usando um túnel de vento e várias esferas de turbulência diferentes com tomadas de pressão embutidas.

Este experimento utiliza um túnel de vento aerodinâmico, bem como várias esferas de turbulência com diâmetros variados para determinar o nível de turbulência do fluxo livre na seção de teste do túnel. As esferas de turbulência, cada uma com uma tomada de pressão na borda de ataque, bem como 4 tomadas de pressão localizadas a 22,5? a partir da borda de fuga, têm características de fluxo bem definidas, que nos ajudam a analisar a turbulência no túnel de vento.

Para configurar o experimento, primeiro conecte o tubo pitot do túnel de vento à porta número 1 do scanner de pressão. Em seguida, conecte a porta de pressão estática do túnel de vento à porta número 2. Agora, bloqueie o saldo externo. Fixe o suporte da esfera no suporte de equilíbrio dentro do túnel de vento.

Em seguida, instale o 6 na esfera. Conecte a tomada de pressão da borda dianteira à porta do scanner de pressão número 3 e conecte as quatro tomadas de pressão traseiras à porta 4. Conecte a linha de suprimento de ar ao regulador de pressão e ajuste a pressão para 65 psi. Em seguida, conecte o coletor do scanner de pressão à linha de pressão regulada em 65 psi.

Inicie o sistema de aquisição de dados e o scanner de pressão. Enquanto o sistema se equilibra, estime a pressão dinâmica máxima, q max, necessária para o teste com base no número de Reynolds crítico ao ar livre para uma esfera lisa.

Aqui, listamos os parâmetros de teste recomendados para o primeiro e segundo teste de cada esfera. Agora, usando esses parâmetros, defina a faixa de teste de pressão dinâmica de zero a q max e, em seguida, defina os pontos de teste dividindo a faixa em 15 intervalos.

Antes de executar o experimento, leia a pressão barométrica na sala e registre o valor. Além disso, leia a temperatura ambiente e registre seu valor. Aplique as correções à pressão barométrica usando a temperatura ambiente e a geolocalização usando equações fornecidas pelo fabricante do manômetro.

Agora, configure o software de aquisição de dados abrindo primeiro o programa de digitalização. Em seguida, conecte o software DSM 4000, que lê e calibra o sinal do sensor de pressão, definindo o endereço IP adequado e pressionando conectar. Insira os comandos conforme mostrado, que são definidos pelo fabricante, lembrando-se de pressionar enter após cada comando.

Agora que o software está pronto, verifique se a seção de teste e o túnel de vento estão livres de detritos e peças soltas. Em seguida, feche as portas da seção de teste e verifique se a velocidade do túnel de vento está definida como zero. Ligue o túnel de vento e, em seguida, ligue o sistema de resfriamento do túnel de vento.

Com a velocidade do vento igual a zero, comece a registrar dados no sistema de aquisição de dados e digite o comando scan para iniciar a medição da pressão. Em seguida, registre a temperatura do túnel de vento. Como a velocidade do vento está diretamente relacionada à pressão dinâmica, aumente a velocidade do vento até chegar ao próximo ponto de teste de pressão dinâmica. Em seguida, espere até que a velocidade do ar se estabilize e inicie a varredura de pressão novamente. Certifique-se de registrar a temperatura do túnel de vento. Continue o experimento realizando uma varredura de pressão em cada um dos pontos de pressão dinâmica, registrando a temperatura do túnel de vento a cada vez. Quando todos os pontos tiverem sido medidos para a esfera de 6 polegadas, repita o experimento de estabilização e varredura de pressão para as esferas de turbulência de 4.987 polegadas e 4 polegadas.

Para cada esfera, medimos a pressão de estagnação na porta de pressão 3 e a pressão nas portas traseiras através da porta de pressão 4, que são subtraídas para dar a diferença de pressão, delta P. Também medimos a pressão total da seção de teste, Pt, da porta de pressão um e a pressão estática, Ps, da porta de pressão dois, que são usadas para determinar a pressão dinâmica de teste, q.

Então podemos calcular a pressão normalizada, que é igual à diferença de pressão dividida pela pressão dinâmica. A pressão do ar e a temperatura do fluxo de ar também foram registradas, permitindo o cálculo das propriedades do fluxo de ar. Lembre-se de que há um slot na seção de teste, o que significa que ele está aberto ao ar ambiente. Portanto, supondo que não haja gradiente de pressão na seção de teste, o valor absoluto da pressão estática local do fluxo livre pode ser usado como a pressão do ar ambiente.

A densidade é obtida usando a lei dos gases ideais e a viscosidade obtida usando a fórmula de Sutherland. Uma vez que a densidade e a viscosidade do ar tenham sido determinadas, podemos calcular o número de Reynolds. Aqui mostramos um gráfico do número de Reynolds versus a diferença de pressão normalizada, delta P sobre q.

Usando este gráfico, podemos determinar o número crítico de Reynolds para cada esfera, uma vez que o número crítico de Reynolds corresponde a um valor de pressão normalizado 1,22. Com cada número crítico de Reynolds, podemos avaliar o fator de turbulência e o número efetivo de Reynolds. O fator de turbulência está correlacionado com a intensidade da turbulência no túnel de vento.

Em resumo, aprendemos como a turbulência do fluxo livre afeta os testes em um túnel de vento. Em seguida, usamos várias esferas lisas para determinar o fator de turbulência e a intensidade do fluxo do túnel de vento e avaliar sua qualidade.