8.9: Visualização de fluxo em um túnel de água: observando o vórtice de ponta sobre uma asa delta

1. Preparando o túnel de água

1. Obtenha três recipientes de 500 mL e encha cada recipiente pelo menos meio cheio com corante. Deve haver um recipiente com corante azul, um com corante verde e outro com corante vermelho. A concentração não é importante porque a taxa de fluxo de corante será ajustada em conformidade.
2. Instale a asa delta em seu suporte no túnel de água. Conecte o suporte de suporte C ao túnel de água com parafusos, mantendo o ângulo de guinada a zero. Veja a Figura 3.
3. Encha o túnel de água com água.
4. Posicione uma câmera para capturar uma visão superior da asa, e uma segunda câmera para capturar a visão lateral.

2. Visualizando linhas de listras sobre uma asa delta

1. Ajuste o ângulo de ataque para zero, ajustando o ângulo no suporte C.
2. Defina a velocidade de fluxo do túnel de água para 4 in/s e deixe que o fluxo se estabilize.
3. Pressão de abastecimento para os reservatórios de corante usando a bomba.
4. Observe as listras de corante e ajuste a taxa de fluxo de corante conforme necessário para ter uma raia contínua. Não há uma taxa de fluxo definida para o corante. Aplique todas as cores ao mesmo tempo. Cada cor é aplicada a uma região diferente da asa para visualizar interações de vórtice. Veja a Figura 2.
5. Pressione o registro de cada câmera para começar a capturar imagens. Observe as interações do vórtice e identifique o roll-up do vórtice e o núcleo do vórtice primário.
6. Registo pelo menos 10 s do vórtice.
7. Aumente o ângulo de ataque para 5°, espere o fluxo e as linhas de listras para estabilizar, e registos para 10 s.
8. Repita o experimento aumentando o ângulo de ataque em incrementos de 0 a 55°.
9. Se a água ficar muito turva, fazendo com que as linhas de listras pareçam maçante, feche o suprimento de corante, pare o túnel e substitua-o por água doce antes de prosseguir.
10. Quando todos os testes tiverem sido realizados, desligue as câmeras e feche o fornecimento de corante.
11. Desligue o túnel, escorra a água do tanque e lave os restos de corante das paredes do túnel.

As asas de avião e seu design são essenciais para definir as características de desempenho de uma aeronave. A asa delta é um projeto popular em aviões de alta velocidade devido ao seu excelente desempenho em regimes de vôo transônicos e supersônicos.

A asa delta tem uma pequena proporção, que é definida como a envergadura dividida pelo comprimento médio do cordão. Para uma asa delta, isso é 1/2 do comprimento do cordão radicular. Outros designs de asas comuns, como a asa retangular e a asa cônica varrida, têm proporções mais altas.

A asa delta também tem um alto ângulo de varredura, que é definido como o ângulo entre a linha de corda de 25% e o eixo lateral. Essas características das asas reduzem o arrasto em regimes de vôo subsônicos, transônicos e supersônicos elevados. É importante ressaltar que a asa delta tem um alto ângulo de estol em comparação com as asas de alta proporção.

Na aerodinâmica, o ângulo de estol é o ponto em que o ângulo de ataque é muito alto, fazendo com que a sustentação diminua. O alto ângulo de estol de uma asa delta é devido à sustentação aprimorada por um vórtice de ponta sobre a asa, chamado sustentação de vórtice. A sustentação do vórtice ocorre quando uma asa delta é submetida a ângulos de ataque mais altos, o que faz com que a separação do fluxo ocorra na borda de ataque da asa, em vez de ocorrer a jusante perto da borda de fuga, como aconteceria com uma asa retangular.

O enrolamento dos vórtices de ponta induz baixa pressão na superfície superior da asa. Este diferencial de pressão aumenta a sustentação. Esses vórtices começam no ápice da asa e progridem rio abaixo. Em algum momento, eles estouram, chamados de quebra de vórtice, devido ao alto gradiente de pressão adversa.

Uma vez que a quebra do vórtice acontece, o vórtice não pode mais induzir baixa pressão. Em ângulos de ataque baixos, a quebra do vórtice ocorre a jusante da borda de fuga. No entanto, à medida que o ângulo de ataque aumenta, a localização da quebra do vórtice se move rio acima até um ponto em que a quebra ocorre na maior parte da superfície da asa. Isso reduz a sustentação e faz com que a asa pare.

Neste experimento, usaremos um túnel de água com corante para visualizar esses padrões de vórtice em um modelo de asa delta e rastrear a localização da quebra do vórtice em diferentes ângulos de ataque.

Para realizar este experimento, você precisará de acesso a um túnel de água. Primeiro, obtenha três recipientes de 500 mL e encha cada um pelo menos até a metade com corante. Use um recipiente para corante azul, outro para corante verde e o último para corante vermelho.

O modelo de asa delta usado em nosso experimento possui tubos já conectados aos três recipientes de corante. Ele também possui três torneiras de injeção de corante, que dispersam um corante de cor diferente em três regiões diferentes da asa. As medições de distância são marcadas na asa usando marcas de 1 cm. A asa delta já deve estar presa a um suporte C-strut. Conecte-o ao túnel com parafusos, mantendo o ângulo de guinada o mais próximo possível de 0.

Assim que a asa delta estiver no lugar, encha o túnel de água com água. Certifique-se de anexar um papel com marcas de seleção para fornecer uma referência para a vista lateral. Em seguida, posicione uma câmera para capturar a vista superior da asa. Posicione uma segunda câmera para capturar a vista lateral. Agora pressione 'Gravar' em cada câmera para capturar imagens da injeção de corante e os vórtices subsequentes.

Defina manualmente o ângulo de ataque para 0 ajustando o ângulo no suporte C. Em seguida, defina a velocidade do fluxo do túnel de água para 4 pol/s. Uma vez estabilizado o fluxo, forneça pressão aos reservatórios de corante usando a bomba manual.

Observe as listras de corante e, em seguida, ajuste a taxa de fluxo de corante usando os três botões para gerar uma faixa contínua. A aplicação de todas as três cores de uma só vez nos permite visualizar as interações do vórtice em diferentes regiões da asa. Observe as interações do vórtice e identifique o enrolamento do vórtice e o núcleo primário do vórtice.

Depois de gravar pelo menos 10 segundos do vórtice, altere o ângulo de ataque para cinco graus. Aguarde até que as linhas de fluxo e de raia se estabilizem e registrem os vórtices por pelo menos 10 s.

Repita a medição aumentando o ângulo de ataque em 5? incrementos de até 55?. Registre pelo menos 10 s do padrão de vórtice da linha de listras de cada vez.

Se a água ficar muito turva, fazendo com que as linhas pareçam opacas, feche o suprimento de corante e desligue o túnel. Escorra a água e substitua-a por água doce antes de prosseguir.

Quando todos os testes terminarem, desligue a câmera e feche o suprimento de corante. Em seguida, desligue o túnel e drene a água. Certifique-se de lavar o corante do túnel quando terminar.

A partir do experimento, podemos identificar quebras de vórtice em diferentes ângulos de ataque. A distância do ápice da asa até a quebra do vórtice, rotulada como LB, é medida, conforme mostrado. Para simplificar, referenciamos essa distância como uma porcentagem do comprimento da corda da borda de fuga.

Agora vamos olhar para a distância da borda de fuga até a quebra do vórtice para cada ângulo de ataque. Como mostrado aqui, o local de quebra do vórtice se move gradualmente rio acima à medida que o ângulo de ataque aumenta. Quando o ângulo de ataque é igual a 40?, a quebra do vórtice ocorre em 96% da localização da corda a partir da borda de fuga. Em outras palavras, quase até o ápice da asa. Com essa atitude, a asa delta experimenta um estol total. Em outras palavras, ele experimenta uma perda total de sustentação.

Em resumo, aprendemos como a baixa proporção e o alto ângulo de varredura de uma asa delta contribuem para sua sustentação de vórtice e estol atrasado. Em seguida, observamos o fenômeno do fluxo de vórtice em uma asa delta modelo em um túnel de água e usamos a quebra do vórtice para estimar o ângulo de estol.