Overview
Fonte: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
Uma asa é o maior aparelho gerador de elevadores em um avião. O desempenho das asas pode ser melhorado com a implantação de dispositivos de elevação alta, como retalhos (na borda da trilha) e ripas (na borda superior) durante a decolagem ou pouso.
Neste experimento, um túnel de vento é utilizado para gerar certas velocidades de ar, e uma asa Clark Y-14 com retalho e slat é usada para coletar e calcular dados, como o coeficiente de tempo de elevação, arrasto e arremesso. Um aerofólio Clark Y-14 é mostrado na Figura 1 e tem uma espessura de 14% e é plano na superfície inferior de 30% do acorde para trás. Aqui, os testes do túnel de vento são usados para demonstrar como o desempenho aerodinâmico de uma asa Clark Y-14 é afetado por dispositivos de elevação alta, como retalhos e ripas.
Figura 1. Clark Y-14 perfil aerofólio.
Principles
A velocidade de um avião é relativamente baixa durante a decolagem e pouso. Para gerar elevação suficiente, é necessário aumentar a área da asa e/ou alterar a forma do aerofólio nas bordas principais e arrastando da asa. Para isso, as ripas são usadas na borda principal, e os retalhos são usados na borda da trilha. Os retalhos e as ripas podem mover-se para dentro ou para fora das asas. A implantação dos retalhos e das ripas tem dois efeitos; aumenta a área da asa e o camber efetivo do aerofólio, o que aumenta o elevador. Além disso, a implantação de retalhos e ripas também aumenta o arrasto da aeronave. A Figura 2 mostra configurações de cruzeiro, decolagem e pouso de uma asa com uma aba e uma ripa.
Figura 2. Várias configurações de aba de asa e slat.
Durante o voo, a asa de um avião é continuamente submetida a uma força aerodinâmica e momento resultantes, como mostrado na Figura 3(a). A força resultante, R, pode ser decomposta em dois componentes. Normalmente, um componente é ao longo da direção da velocidade de fluxo distante, V∞, que é chamado de arrastar, D, e o outro componente é perpendicular à direção, que é chamado de lift, L.
O momento, M, move o nariz do avião para cima ou para baixo, assim, é chamado de momento de arremesso. Nos testes do túnel de vento, as forças normais e axiais são tipicamente medidas diretamente. As forças normais, Ne axial, A,estão relacionadas ao levantamento e arrasto através do ângulo de ataque, α, como mostrado na Figura 3(b). O ângulo de ataque é definido como o ângulo entre a direção de velocidade de fluxo distante e o acorde do aerofólio da asa.
Figura 3(a). Força aerodinâmica resultante e momento.
Figura 3(b). A decomposição da força resultante, R.
Os dois pares de força também podem ser expressos da seguinte forma:
onde α é o ângulo de ataque.
O coeficiente de elevação não dimensional, CL,para uma asa é definido como:
onde L é o elevador, 
é a pressão dinâmica baseada na densidade do fluxo livre, ρ∞, e airspeed, V∞, e S é a área de referência da asa.
Da mesma forma, o coeficiente de arrasto não-dimensional para uma asa é definido como:
A força aerodinâmica resultante do elevador e do arrasto está localizada em um ponto na asa (ou aerofólio) chamado centro de pressão. No entanto, a localização do centro da pressão não é um local fixo, mas sim, ele se move com base no ângulo de ataque. Portanto, é conveniente mover todas as forças e momentos para aproximadamente o ponto de acorde quarto (uma distância de 1/4 do comprimento do acorde da borda principal). Isso é chamado de momento de arremesso sobre o acorde trimestral, Mc/4.
Figura 4. Momento de arremesso sobre o acorde do trimestre.
O coeficiente de momento de arremesso, CM,c/4, cerca de acorde de trimestre é definido como:
onde Mc/4 é o momento de arremesso sobre o acorde trimestral, e c é o comprimento do acorde da asa.
O desempenho das asas depende do número de Reynolds, Re, que é definido como:
onde o parâmetro μ é a viscosidade dinâmica do fluido.
Nesta demonstração, o desempenho de uma asa Clark Y-14 com uma retalho simples e uma simples ripa é avaliado em um túnel de vento, como mostrado na Figura 4. A asa é instalada em um dispositivo chamado equilíbrio de picada, que é mostrado na Figura 5 e mede a força normal, N, e a força axial, A.
Figura 5. Clark Y-14 asa com uma aba e uma ripa.
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Procedure
- Para este procedimento, use um túnel de vento aerodinâmico com uma seção de teste de 1 ft x 1 ft e uma velocidade máxima de operação de 140 mph. O túnel de vento deve ser equipado com um sistema de aquisição de dados (capaz de medir ângulo de ataque, força normal, força axial e momento de arremesso) e um equilíbrio de picada.
- Abra a seção de teste e instale a asa no balanço da picada. Comece com a configuração de asa limpa.
- Coloque um inclinômetro portátil no equilíbrio da picada e ajuste o botão de ajuste do ângulo de campo para definir o tom de equilíbrio da picada para horizontal.
- Com o equilíbrio horizontal do balanço da picada, atrase o ângulo de ataque (é chamado de ângulo de tom no painel de exibição de dados do computador do túnel de vento).
- Tare toda força, momento e leituras de velocidade aérea em ângulo zero de ataque.
- Ajuste o ângulo de ataque para -8°, e não colete medições de vento registrando toda a força normal, força axial e leituras de momentos de arremesso.
- Repita as medidas sem vento para ângulos de tom que variam de -8° a 18°, com incrementos de 2°.
- Volte o ângulo de ataque para -8°, e execute o túnel de vento a 100 km/h. Colete leituras da força normal, força axial e momento de arremesso de -8° a 18° com incrementos de 2°.
- Ajuste a asa para a segunda configuração com a ripa ajustada para ter cerca de 3/8 no slot. Repita os passos 3 - 8.
- Ajuste a asa para a terceira configuração, com a aba definida para 45° em relação à linha de acordes, e a ripa não implantada. Repita os passos 3 - 8.
- Ajuste a asa para a quarta configuração com a ripa e a aba implantadas (Figura 5). Repita os passos 3 - 8.
A asa é o principal aparelho gerador de elevadores em um avião, e sua geometria é fundamental para seu desempenho. Primeiro, lembre-se que o elevador é uma força aerodinâmica que é gerada por um diferencial de pressão entre as superfícies superior e inferior. O elevador total é proporcional à área superficial da asa. Assim, uma área de superfície mais elevada resulta em aumento da elevação.
O elevador também é afetado pela geometria da seção transversal da asa, chamada de aerofólio. Lembre-se que a linha de acordes do aerofólio conecta as bordas principais e arrastadas. Outra propriedade chamada camber descreve a assimetria entre as duas superfícies. A maioria das asas tem camber positivo, o que significa que eles são convexos. Assim como na área de superfície, o aumento do camber resulta em aumento da elevação.
Uma vez que a velocidade do vento é relativamente lenta durante a decolagem e pouso, a área de superfície e camber são aumentadas implantando dispositivos nas bordas principais e arrastadas da asa, a fim de gerar elevação suficiente. O dispositivo na borda principal do aerofólio é chamado de slat, enquanto o dispositivo na borda de arrasto é chamado de retalho. Ripas e retalhos podem entrar ou sair das asas, conforme necessário.
Enquanto a implantação de ripas e retalhos aumenta o elevador, também aumenta a força de arrasto na aeronave, que age em oposição ao elevador. Podemos quantificar ambas as forças calculando o coeficiente de elevação e coeficiente de arrasto, como mostrado, onde L e D são elevadores e arrasto, respectivamente. Rho infinito e V infinito são a densidade e velocidade do fluxo livre, enquanto S é a área de referência da asa.
O elevador, como uma força distributiva na natureza, pode ser equalizado ou simplificado em uma única força concentrada localizada no centro da pressão. No entanto, à medida que o ângulo do ataque muda, este local se move para frente ou para trás. Então, em vez disso, nos referimos ao centro aerodinâmico da asa quando se discute forças.
O centro aerodinâmico da asa é o local onde o coeficiente do momento de arremesso é efetivamente inalterado por ângulo variado de ataque. Outra maneira típica de expressar o momento de arremesso é usar o coeficiente de momento de arremesso. Este coeficiente dimensionado é calculado como mostrado, onde M C/4 é o momento de arremesso sobre o ponto de acorde de 1/4.
Em nossa demonstração, medimos o momento de arremesso em um acorde de 1/4, que é próximo ao centro aerodinâmico da asa. Neste experimento, estudaremos um aerofólio Clark Y-14 com um simples plano e ripa em vários ângulos de ataque. Em seguida, analisaremos o momento de elevação, arrasto e arremesso para determinar as características de desempenho em cada configuração.
Para este experimento, use um túnel de vento aerodinâmico com uma seção de teste de 1 ft por 1 ft e uma velocidade máxima de operação de 140 mph. O túnel de vento deve ser equipado com um sistema de aquisição de dados e um balanço de ferrão, que mede forças normais e axiais.
Agora, obtenha um modelo de asa Clark Y-14 com uma aba e slat anexadas. Comece o teste com a configuração da asa limpa, o que significa que nem a aba nem a slat são implantadas. Agora abra a seção de teste e instale a asa no balanço da picada.
Opere o botão de ajuste do ângulo de tom sob a seção de teste do túnel de vento para ajustar o tom de equilíbrio da picada para horizontal. Use um inclinômetro portátil para medir o ângulo do tom e ajuste o tom para alcançar uma leitura de zero. Feche a seção de teste e atrou o ângulo de tom na exibição do túnel de vento. Então, renas todas as leituras de força, momento e velocidade aérea no sistema de aquisição de dados.
Agora, ajuste o ângulo do tom, também chamado de ângulo de ataque, para menos 8°, e faça uma medição sem vento registrando toda a força axial, força normal e leituras de momentos de arremesso. Repita as medidas sem vento para ângulos de tom que variam de menos 8 a 18° com incrementos de 2°. Quando todas as medidas sem vento tiverem sido feitas, retorne o ângulo de arremesso para menos 8°.
Agora, ligue o túnel de vento e aumente a velocidade para 100 km/h. Faça leituras da força axial, força normal e momento de arremesso para ângulos de arremesso que variam de menos 8° a 18°, com incrementos de 2°. Depois de ter concluído todas as medidas com a asa limpa, desligue o túnel de vento e abra a seção de teste.
Ajuste a asa para uma nova configuração, com a slat ajustada para ter cerca de 3/8 de polegada de ranhura. Reexecute o experimento exatamente da mesma forma que para a asa limpa, fazendo primeiro medições sem vento a ângulos de tom de menos 8 - 18° com incrementos de 2°. Em seguida, colete as mesmas medidas a 100 km/h.
Depois de concluir essas medidas, modifique a asa para uma terceira configuração com as abas definidas para 45° em relação à linha de acordes e a ripa não implantada. Em seguida, reexecutar as medidas como antes. Por fim, ajuste a asa para a quarta configuração, onde tanto a slat quanto a aba são implantadas, e repita o experimento.
Agora vamos interpretar os resultados. Para analisar os dados, primeiro calcularemos o coeficiente de elevação não dimensional em cada ângulo de arremesso, que é definido como mostrado. Rho infinity é a densidade de fluxo livre, V infinito é a velocidade de fluxo livre, e S é a área de referência da asa. Todos esses valores são conhecidos.
Lift, L, é calculado como uma relação de dois pares de força, onde N é a força normal e A é a força axial. Ambos foram medidos pelo equilíbrio da picada. Alfa é o ângulo de ataque, também chamado de ângulo de arremesso, neste experimento. Agora, vamos olhar para um gráfico do coeficiente de elevação versus o ângulo de arremesso para cada uma das quatro configurações.
Comparando a asa limpa e as curvas de configuração de slat, vemos que as duas curvas estão quase sobrepostas em ângulos baixos de ataque. No entanto, a curva de elevação da asa limpa atinge cerca de 12°, mas a curva da slat continua aumentando. Isso indica que uma ripa pode ser usada para aumentar o elevador. Se compararmos as curvas de elevação limpa e retalho, veremos que a aba aumenta a elevação sobre todo o ângulo de alcance de ataque. Se tanto a ripa quanto a aba forem implantadas ao mesmo tempo, o benefício de ambos os dispositivos é combinado e o elevador máximo é ainda maior.
Em seguida, calcule o coeficiente de arrasto para cada ângulo, que é definido como mostrado. Arrastar, D, também é definido como uma relação dos pares de força normal e axial. Ao comparar o coeficiente de arrasto para cada configuração, vemos que o arrasto aumenta drasticamente com a aba e a slat implantadas. A força aerodinâmica resultante, R, de arrastar e levantar está localizada em um ponto na asa chamada centro de pressão.
O centro da pressão não é um local fixo, mas se move com mudança de ângulo de ataque. Assim, é mais conveniente calcular todas as forças e momentos sobre o ponto de acorde de 1/4. Então, usando o momento de arremesso em 1/4 acorde, que é medido pelo equilíbrio da picada, podemos calcular o coeficiente de momento de arremesso como mostrado.
Finalmente, olhando para o coeficiente do momento de arremesso para cada configuração e ângulo de tom, vemos que o coeficiente de momento de arremesso vai para o regime negativo com a aba implantada. Isso significa que o centro de pressão muda para a borda de arrasto com a aba implantada.
Em resumo, aprendemos como aparelhos geradores de elevadores são usados para melhorar o desempenho da aeronave. Em seguida, avaliamos uma asa Clark Y-14 em um túnel de vento para ver como uma aba e uma ripa afetam o elevador, o arrasto e o momento de arremesso.
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Results
Os resultados da configuração da asa limpa são mostrados na Tabela 1. As figuras 6 - 8 mostram todos os três coeficientes versus ângulo de ataque, α, para todas as quatro configurações. A partir da Figura 6, tanto o retalho quanto o slat melhoraram o coeficiente do elevador, mas de formas diferentes. Comparando a asa limpa e a curva de elevação de slat, as duas curvas estão quase sobrepostas em ângulos baixos de ataque. A curva de elevação da asa limpa atinge cerca de 0,9 a 12°, mas a curva de slat continua subindo para 1. 4 a 18°. Isso indica que as ripas podem ser usadas para aumentar o elevador. Ao comparar as curvas de elevação de asa limpa e retalho, a aba aumenta a elevação sobre todo o ângulo de alcance de ataque. E se tanto a ripa quanto a aba forem implantadas ao mesmo tempo, o efeito é cumulativo e o elevador máximo é ainda maior.
Ao comparar o coeficiente de arrasto para cada configuração na Figura 7, o coeficiente de arrasto aumenta drasticamente quando tanto a aba quanto a slat são implantadas. Finalmente, como mostrado na Figura 8, o coeficiente do momento de arremesso entra no regime negativo quando a aba é implantada. Isso significa que o centro de pressão muda para a borda de arrasto com a aba implantada.
Mesa 1. Resultados experimentais para a configuração da asa limpa.
| Ângulo de ataque (°) | Coeficiente de elevação, CL | Coeficiente de arrasto, CD | Coeficiente de momento de arremesso, CM,c/4 |
| -8 | -0.022 | 0.015 | -0.129 |
| -6 | -0.029 | 0.014 | -0.059 |
| -4 | 0.096 | 0.016 | -0.059 |
| -2 | 0.208 | 0.011 | -0.054 |
| 0 | 0.353 | 0.006 | -0.065 |
| 2 | 0.460 | 0.004 | -0.053 |
| 4 | 0.548 | 0.032 | -0.051 |
| 6 | 0.708 | 0.015 | -0.062 |
| 8 | 0.789 | 0.025 | -0.061 |
| 10 | 0.849 | 0.031 | -0.061 |
| 12 | 0.873 | 0.045 | -0.056 |
| 14 | 0.856 | 0.058 | -0.089 |
| 16 | 0.803 | 0.080 | -0.125 |
| 18 | 0.803 | 0.092 | -0.128 |
Figura 6. Coeficiente de elevação versus ângulo de ataque, α.
Figura 7. Arrastar coeficiente vs ângulo de ataque, α.
Figura 8. Coeficiente de momento de arremesso vs ângulo de ataque, α.
Mesa 2. Parâmetros utilizados para cálculos.
| Parâmetros | Valores |
| Densidade de ar, ρ | 0,00230 lesma/ft3 |
| Densidade da água, ρL | 1.935 lesma/ft3 |
| Aceleração gravitacional, g | 32,17 ft/s2 |
| Viscosidade, m | 3,79 x 10-7 lbf s/ft2 |
| Velocidade de transmissão livre, V∞ | 60 mph |
| Número de Reynolds, Re | 1,56 x 105 |
| Comprimento do acorde, c | 3,5 em |
| Área de asa, S | 35 em2 |
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Applications and Summary
A geração de elevadores pode ser aprimorada pela implantação de dispositivos de elevação alta, como retalhos e ripas. A maioria dos aviões são equipados com retalhos, e todos os aviões de transporte comercial têm retalhos e ripas. É fundamental caracterizar o desempenho de uma asa com retalhos e ripas durante o desenvolvimento da aeronave.
Nesta demonstração, uma asa Clark Y-14 com uma aba e uma ripa foi avaliada em um túnel de vento. As forças e as medições de momento foram coletadas para determinar os coeficientes de tempo de elevação, arrasto e arremesso da asa com e sem flap e implantação de slat. Os resultados demonstram que o coeficiente de elevação aumenta quando a aba e a slat são implantadas. No entanto, isso também resultou em um aumento dramático no momento de arrasto e arremesso.
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References
- John D. Anderson (2017), Fundamentals of Aerodynamics, 6th Edition, ISBN: 978-1-259-12991-9, McGraw-Hill
