Overview
Fonte: José Roberto Moreto e Xiaofeng Liu, Departamento de Engenharia Aeroespacial, Universidade Estadual de San Diego, San Diego, CA
Os testes de túnel de vento são úteis no projeto de veículos e estruturas que são submetidos ao fluxo de ar durante seu uso. Os dados do túnel de vento são gerados aplicando um fluxo de ar controlado a um modelo do objeto que está sendo estudado. O modelo de teste geralmente tem uma geometria semelhante, mas é uma escala menor em comparação com o objeto de tamanho completo. Para garantir que dados precisos e úteis sejam coletados durante testes de túnel de vento de baixa velocidade, deve haver uma semelhança dinâmica do número de Reynolds entre o campo de fluxo do túnel sobre o modelo de teste e o campo de fluxo real sobre o objeto em tamanho real.
Nesta demonstração, será analisado o fluxo do túnel de vento sobre uma esfera lisa com características de fluxo bem definidas. Como a esfera tem características de fluxo bem definidas, o fator de turbulência para o túnel de vento, que correlaciona o número efetivo de Reynolds ao número de Reynolds de teste, pode ser determinado, bem como a intensidade de turbulência de fluxo livre do túnel de vento.
Principles
Para manter a similaridade dinâmica em fluxos de baixa velocidade, o número de Reynolds de um experimento deve ser o mesmo que o número de Reynolds do fenômeno de fluxo que está sendo estudado. No entanto, experimentos realizados em diferentes túneis de vento e em ar livre, mesmo no mesmo número de Reynolds, poderiam fornecer resultados diferentes. Essas diferenças podem ser atribuídas ao efeito da turbulência de fluxo livre dentro da seção de teste do túnel de vento, que poderia ser percebida como um "número de Reynolds eficaz" para o teste do túnel de vento [1].
Um método simples que é usado para obter o número de Reynolds eficaz para um túnel de vento e estimar sua intensidade de turbulência é o uso da esfera de turbulência. Este método obtém uma medição indireta da intensidade da turbulência, determinando o fator de turbulência do túnel de vento. O fator de turbulência, TF,correlaciona o número de Reynolds eficaz, Reff, com o número do túnel Reynolds,Re test,como
A intensidade da turbulência pode ser medida diretamente por uma anemometria de fio quente, Velocimetria do Doppler Laser ou pesquisa de campo de fluxo de velocimetria de imagem de partículas. Antes da introdução desses métodos de medição direta, uma esfera de turbulência era a principal maneira de medir a relativa turbulência de um túnel de vento. Uma vez que os métodos diretos são geralmente demorados e caros, o método convencional da esfera de turbulência ainda continua sendo uma alternativa rápida e barata para medir a qualidade do fluxo de ar.
O método da esfera de turbulência baseia-se em dois resultados empíricos: a crise de arrasto da esfera e a forte correlação entre o número crítico de Reynolds, Rec, e a intensidade de turbulência de fluxo. A crise de arrasto refere-se ao fenômeno de que o coeficiente de arrasto da esfera, C d,de repente cai devido à mudança para trás do ponto de separação do fluxo. Quando o fluxo atinge o número crítico de Reynolds, a transição da camada de fronteira do fluxo laminar para o fluxo turbulento ocorre muito perto da borda principal da esfera. Esta transição precoce causa uma separação de fluxo retardada porque a camada de limite turbulenta é mais capaz de negociar um gradiente de pressão adversa por uma distância mais longa e, portanto, é menos propensa à separação do que a camada de limite laminar. A separação retardada promove uma melhor recuperação da pressão, o que reduz o tamanho da esteira e o arrasto de pressão e diminui significativamente o arrasto geral.
As esferas de turbulência utilizadas nesta demonstração têm um toque de pressão na borda principal e quatro toques de pressão em pontos localizados a 22,5° da borda. Serão investigadas três esferas com diâmetros de 4,0, 4.987 e 6,0, respectivamente. Para uma esfera lisa, o número crítico de Reynolds é bem definido e ocorre quando CD = 0,3. Isso corresponde a um valor de ΔP/q = 1.220, onde ΔP é a diferença entre a pressão média medida nas quatro portas de pressão traseira e a pressão de estagnação na borda principal da esfera, e q é a pressão dinâmica de fluxo.
Enquanto Rec é bem definido por CD e ΔP/q,depende fortemente da turbulência do fluxo. Esta demonstração usando esferas pode ser usada para definir o fator turbulência. As medições de voo precoces descobriram que na atmosfera livre, Rec = 3,85 x 105 para uma esfera lisa. O crítico de ar livre Reynolds está correlacionado com a turbulência do túnel de vento pela seguinte equação:
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Procedure
1. Preparação da esfera de turbulência no túnel de vento
- 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.
- Bloqueie o equilíbrio externo.
- Fixar o suporte da esfera ao suporte de equilíbrio dentro do túnel de vento.
- Instale a esfera com 6 de diâmetro.
- 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.
- Conecte a linha de alimentação de ar ao regulador de pressão e coloque a pressão em 65 psi.
- Conecte o coletor do scanner de pressão à linha de pressão.
- Inicie o sistema de aquisição de dados e o scanner de pressão. Certifique-se de ligá-los pelo menos 20 minutos antes do teste.
- 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. - Defina a faixa de teste de pressão dinâmica de 0 a qno máximo e defina os pontos de teste dividindo o intervalo em 15 intervalos.
. Consulte tabelas 1 e 2 para obter parâmetros de teste recomendados.Mesa 1. Parâmetros para o primeiro teste.
| Diâmetro da esfera (em) | qMin [em H2O] | qMax [em H2O] |
| 4 | 4 | 6 |
| 4.987 | 2 | 3.4 |
| 6 | 1 | 2.4 |
Mesa 2. Parâmetros para o segundo teste.
| Diâmetro da esfera (em) | qMin [em H2O] | qMax [em H2O] |
| 4 | 3.4 | 7.2 |
| 4.987 | 1.3 | 5.1 |
| 6 | -- | -- |
2. Condução da estabilização e medição da verificação da pressão
- Leia a pressão barométrica e a temperatura ambiente e regissuça os valores.
- Aplique as correções à pressão barométrica utilizando equações fornecidas pelo fabricante do manômetro.
- Configure o software de aquisição de dados e conecte-o ao scanner de pressão, definindo o endereço IP adequado.
- Insira os seguintes comandos pressionando enter após cada comando.
>calz
>set chan1 0
>set chan 1-1..1-4
>set fps 10 - Verifique se a seção de teste e o túnel de vento estão livres de detritos.
- Feche as portas da seção de teste.
- Coloque o mostrador de velocidade do túnel de vento como zero.
- Ligue o túnel de vento e o sistema de resfriamento do túnel de vento.
- Com a velocidade do vento a 0 mph, comece a gravar dados e, em seguida, insira o seguinte comando para escanear a pressão:
>scan - Regisso túnel de vento temperatura do ar.
- Aumente a velocidade do vento até o próximo ponto de teste de pressão dinâmica conforme definido na etapa 1.10.
- 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.
- Reduza lentamente a velocidade do ar para zero.
- Quando todos os pontos tiverem sido medidos, substitua o 6 na esfera pela próxima esfera seguindo os passos 1.2 - 1.5.
- Repita passos de 2.3 - 2.14 para repetir os experimentos de estabilização e varredura de pressão.
- Espere o túnel de vento esfriar depois que o teste for executado para as três esferas.
- Desligue o túnel de vento e o software de aquisição de dados.
Nos testes aerodinâmicos, túneis de vento são inestimáveis para determinar as propriedades aerodinâmicas de vários objetos e aeronaves dimensionadas. Os dados do túnel de vento são gerados aplicando um fluxo controlado de ar em um modelo de teste, que é montado dentro da seção de teste. O modelo de teste normalmente tem geometria semelhante, mas em menor escala, em comparação com o objeto real.
Para garantir a utilidade dos dados gerados nos testes do 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 similaridade 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 em 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 mais eficaz de Reynolds para o túnel de vento. Então, como correlacionamos os testes no túnel de vento a experimentos de ar livre?
Podemos estimar a intensidade da turbulência no túnel de vento usando um objeto bem definido com comportamento de fluxo conhecido, como uma esfera. Este método é chamado de método de 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 onde o coeficiente de arrasto de uma esfera cai repentinamente à medida que o número de Reynolds atinge um valor crítico. Quando o fluxo atinge o número crítico de Reynolds, a camada de fronteira passa de laminar para turbulenta muito perto da borda principal da esfera. Esta transição, em comparação com o fluxo em um número baixo de Reynolds, causa a separação de fluxo retardada e uma esteira mais fina e turbulenta e, portanto, diminuiu o arrasto.
Portanto, podemos medir o coeficiente de arrasto de uma esfera em uma série de números de teste reynolds para determinar o número crítico de Reynolds. Isso nos permite determinar o fator 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 torneiras de pressão incorporadas.
Este experimento utiliza um túnel de vento aerodinâmico, bem como várias esferas de turbulência com diâmetro variado para determinar o nível de turbulência do fluxo de fluxo livre na seção de teste do túnel. As esferas de turbulência, cada uma com uma batida de pressão na borda principal, bem como 4 torneiras de pressão localizadas a 22,5° da borda da trilha, 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 do scanner de pressão número 1. Em seguida, conecte a porta de pressão estática do túnel de vento à porta número 2. Agora, bloqueie o equilíbrio externo. Fixar o suporte da esfera no suporte de equilíbrio dentro do túnel de vento.
Em seguida, instale o 6 na esfera. Conecte a torneira de pressão da borda principal à porta do scanner de pressão número 3 e conecte as quatro torneiras de pressão de popa à porta 4. Conecte a linha de alimentação de ar ao regulador de pressão e coloque a pressão em 65 psi. Em seguida, conecte o coletor do scanner de pressão à linha de pressão regulada a 65 psi.
Inicie o sistema de aquisição de dados e o scanner de pressão. Enquanto o sistema equilibra, estime a pressão dinâmica máxima, q max, necessária para o teste com base no número crítico de Reynolds 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 máximo e, em seguida, defina os pontos de teste dividindo o intervalo em 15 intervalos.
Antes de executar o experimento, leia a pressão barométrica na sala e regise o valor. Leia também a temperatura ambiente e regissuira seu valor. Aplique as correções à pressão barométrica utilizando a temperatura ambiente e a geolocalização utilizando 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 a conexão. Insira os comandos como mostrado, que são definidos pelo fabricante, lembrando 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 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, em seguida, digite a varredura de comando para iniciar a medição de pressão. Então, registo a temperatura do túnel de vento. Uma vez que a velocidade do vento está diretamente relacionada com a 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 comece 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 dinâmicos, registrando a temperatura do túnel de vento 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 no porta de pressão 3 e a pressão nos portos de popa 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 da pressão estática, Ps, da porta de pressão dois, que são usadas para determinar a pressão dinâmica do 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 que há uma vaga na seção de teste, o que significa que está aberta ao ar ambiente. Portanto, assumindo que não há gradiente de pressão de fluxo na seção de teste, o valor absoluto da pressão estática local do fluxo de fluxo livre pode ser usado como pressão de ar ambiente.
A densidade é obtida usando a lei de gás ideal e a viscosidade obtida usando a fórmula de Sutherland. Uma vez que a densidade do ar e a viscosidade 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 enredo, podemos determinar o número crítico de Reynolds para cada esfera, já que o número crítico de Reynolds corresponde a um valor de pressão normalizado 1,22. A cada número crítico de Reynolds, podemos avaliar o fator turbulência e o número efetivo de Reynolds. O fator 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 intensidade do fluxo do túnel de vento e avaliar sua qualidade.
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Results
Para cada esfera, a pressão de estagnação e a pressão nos portos de popa foram medidos. A diferença entre esses dois valores dá a diferença de pressão, ΔP. Também foram medidas a pressão total, Pt, e pressão estática, Ps,da seção de teste, que são utilizadas para determinar a pressão dinâmica do teste, q = Pt - Ps, e a pressão normalizada. 
A pressão do ar ambiente, AmbPe a temperatura do fluxo de ar também foram registradas para calcular as propriedades de fluxo de ar, incluindo a densidade do ar, otestede ρe viscosidade, μteste. A densidade é obtida usando a lei de gás ideal, e a viscosidade é obtida usando a fórmula de Sutherland. Uma vez que a densidade do ar e a viscosidade são determinadas, o número de Reynolds de teste pode ser computado.
Ao traçar o número de Reynolds de teste em relação à diferença de pressão normalizada, o número crítico de Reynolds para cada esfera foi determinado (Figura 1). O número crítico de Reynolds corresponde a um valor de pressão normalizado de = 1.220. As três curvas para as três esferas fornecem uma estimativa mais precisa do número crítico de Reynolds, túnel ReC,porque um valor médio é usado. Com a estimativadotúnel Re C, o fator de turbulência, TF,e o número efetivo de Reynolds podem ser determinados de acordo com as seguintes equações:
e
Figura 1. Número crítico de Reynolds para cada esfera.
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Applications and Summary
Esferas de turbulência são usadas para determinar o fator de turbulência do túnel de vento e estimar a intensidade da turbulência. Este é um método muito útil para avaliar a qualidade do fluxo de um túnel de vento, pois é simples e eficiente. Este método não mede diretamente a velocidade do ar e flutuações de velocidade, como anemometria de fios quentes ou velocimetria de imagem de partículas, e não pode fornecer um levantamento completo da qualidade do fluxo do túnel de vento. No entanto, uma pesquisa completa é extremamente complicada e cara, por isso não é adequado para verificações periódicas da intensidade de turbulência do túnel de vento.
O fator turbulência pode ser verificado periodicamente, como depois de fazer pequenas modificações no túnel de vento, para medir a qualidade do fluxo. Essas verificações rápidas podem indicar a necessidade de uma pesquisa completa de turbulência de fluxo. Outras informações importantes obtidas do fator turbulência são o número efetivo de Reynolds do túnel de vento. Essa correção no número de Reynolds é importante para garantir a semelhança dinâmica e a utilidade dos dados obtidos a partir de modelos dimensionados e sua aplicação para objetos em grande escala.
O princípio da esfera de turbulência também pode ser usado para estimar o nível de turbulência em outros ambientes além da seção de teste do túnel de vento. Por exemplo, este método pode ser usado para medir a turbulência do voo. Uma sonda de turbulência pode ser desenvolvida com base nos princípios da esfera de turbulência e instalada em aviões para medir os níveis de turbulência na atmosfera em tempo real [2].
Outra aplicação é o estudo de estruturas de fluxo durante um furacão. Medições in situ do fluxo dentro de um furacão podem ser extremamente perigosas e complicadas de obter. Métodos como anemometria de fios quentes e velocimetria de imagem de partículas são inatingíveis nessas condições. O princípio da esfera de turbulência pode ser usado para fazer um sistema de medição dispensável que pode ser colocado em uma região propensa a furacões para medir a turbulência de fluxo dentro de um furacão com segurança e a um baixo custo [3].
| Nome | Companhia | Número do catálogo | Comentários |
| Equipamento | |||
| Túnel de vento de baixa velocidade | SDSU | Tipo de retorno fechado com velocidades na faixa de 0-180 mph | |
| Tamanho da seção de teste 45W-32H-67L polegadas | |||
| Esferas lisas | SDSU | Três esferas, diâmetros 4", 4,987", 6" | |
| Scanner de pressão em miniatura | Scanivalve | ZOC33 | |
| Módulo de Serviço Digital | Scanivalve | DSM4000 | |
| Barômetro | |||
| Manómetro | Meriam Instrument Co. | 34FB8 | Manômetro de água com alcance de 10". |
| Termômetro |
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References
- Barlow, Rae and Pope. Low speed wind tunnel testing, John Wiley & Sons, 1999.
- Crawford T.L. and Dobosy R.J. Boundary-Layer Meteorol. 1992. 59; 257-78.
- Eckman R.M., Dobosy R.J., Auble D.L., Strong T.W., and Crawford T.L. J. Atmos. Ocean. Technol. 2007; 24; 994-1007.
