e Performances détaillées

DIMENSIONAMENTO DE UM TÚNEL DE VENTO SUBSÔNICO
Augusto Vincensi
Acadêmico do curso de Engenharia Mecânica na Universidade Regional do Noroeste do
Estado do Rio Grande do Sul
[email protected]
Roger Schildt Hoffmann
Professor/Pesquisador do curso de Engenharia Mecânica na Universidade Regional do
Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul
[email protected]
Resumo. O presente trabalho tem por
objetivo o projeto de um túnel de vento
subsônico soprador de circuito aberto para
utilização com fins acadêmicos. Uma
extensa revisão bibliográfica foi pesquisada,
a qual contempla desde princípios básicos
da mecânica dos fluídos até o conhecimento
necessário para o dimensionamento dos
elementos do túnel de vento. Após
dimensionamento destes componentes, as
perdas de carga para os mesmo são
calculadas, uma vez que são necessárias
para a seleção do ventilador. Um ventilador
centrífugo é escolhido o qual sopra o vento
para a seção de testes. Utiliza-se de uma
análise computacional por meio de
Computer Fluid Dynamics (CFD) para
validação do projeto proposto sendo
desconsideradas as telas e a colmeia. Os
cálculos teóricos são comparados com CFD
obtendo-se resultados com variações
inferiores a 0,7% para as velocidades das
seções do túnel enquanto a pressão
dinâmica chega a uma variação de 8,87%. A
perda de pressão total tem 7,81% de
diferença enquanto a potência requerida
pelo ventilador varia 2,5%. Os resultados
encontrados são satisfatórios e uma futura
análise de CFD considerando as telas e a
colmeia é de grande valia.
Palavras-chave: Túnel de vento.
Circuito aberto. Dinâmica dos Fluídos
Computacional.
1. INTRODUÇÃO
O primeiro túnel de vento (TDV) é
datado pela NASA (2014) como sendo de
1871 e até hoje seu uso é indispensável no
estudo do escoamento de fluidos ao redor de
corpos sólidos, o que se comprova através de
sua utilização por competidores de alto nível
da Fórmula 1 (NOBLE, 2014).
Equações da conservação de massa, de
Bernoulli e do número Reynolds são as
principais utilizadas na determinação da
velocidade, vazão e pressão do TDV. O
conceito de camada limite também é
importante. Estas são encontradas nas obras
de Çengel e Cimbala (2006) e White (2002).
As classificações dos diferentes tipos de
TDV consideram o fluído utilizado, a
velocidade máxima, geometria do túnel entre
outros (BARLOW; POPE; RAE, 1999)
O TDV a ser dimensionado utilizará o ar
como fluido. A velocidade de operação será
abaixo da velocidade do som, portanto um
túnel subsônico. Considerando a geometria,
o túnel será de circuito aberto.
O TDV de circuito aberto possui
inúmeras vantagens como o baixo custo de
fabricação;
menor
espaço
ocupado;
facilidade de construção; o acesso à seção de
testes. Como ponto negativo tem-se o
desperdício da energia cinética produzida.
Para fins acadêmicos as conveniências de
seu uso superam as desvantagens
(BARLOW; POPE; RAE, 1999)
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EM ENGENHARIA – CRICTE 2014
8 a 10 de outubro de 2014 – Alegrete – RS – Brasil
O TDV de circuito aberto obtém o ar do
ambiente e o lança no mesmo. Um TDV
soprador possui um ventilador centrifugo à
frente da seção de testes.
O projeto de um túnel de vento inicia-se
pela determinação da velocidade na seção de
testes, local onde as experimentações serão
realizadas (BARLOW; POPE; RAE, 1999).
O ventilador deve aumentar a pressão
compensando as perdas no trajeto para
atender a vazão necessária. Após o
ventilador se instala um difusor, com o
intuito de reduzir a velocidade do ar,
diminuindo as perdas na câmara de
estabilização. Nesta câmara são instaladas
telas e também uma colmeia, visando
melhorar a qualidade do escoamento,
tornando-o mais paralelo e com uma
velocidade
média
mais
homogênea.
Também se evita o descolamento da camada
limite, que pode provocar recirculações.
A contração é utilizada para acelerar o
fluído até desenvolver sua velocidade
máxima na câmara de testes. Após a seção
de testes pode-se utilizar um difusor.
A potência necessária para operar o
túnel de vento, , é igual ao produto da
vazão, , pela potência total requerida,
(VAN DOMMELEN, 2013):
(1)
Onde
é o somatório das perdas de
cargas de cada elemento do circuito. Essas
perdas são um produto da pressão dinâmica
do elemento pelo coeficiente de perda de
carga do elemento ( .
∑
Para
potência
demandada
pelo
ventilador,
, considera-se ainda o
rendimento do ventilador,
, e o
rendimento do motor,
, podendo-se
aplicar um fator de segurança, :
(4)
Este trabalho tem como objetivo
principal o dimensionamento de um túnel de
vento subsônico para posterior construção e
utilização com fins didáticos na UNIJUI.
2.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para o dimensionamento do TDV
buscou-se o conhecimento na literatura.
Cálculos analíticos foram realizados bem
como a simulação do modelo com Computer
Fluid Dynamics (CFD) para verificação do
escoamento do fluído. As telas e a colmeia
não foram incluídas.
A análise em CFD foi feita utilizando-se
o software ANSYS FLUENT com uma
malha hexaedral. Como condições de
contorno foram escolhidas: velocity-inlet
para a entrada do túnel, igual a 12,31m/s;
outlet-vent para a saída da seção de testes e
wall para as demais paredes do túnel.
Na entrada, Turbulence intensity e
Turbulent Viscosity Ratio foram de 5% e 10
respectivamente. Nas paredes, adotou-se
também 0,5 para Roughness Constant. O
modelo de turbulência adotado foi o
Realizable k- . Escolheu-se 500 iterações
Figura 1 - Locais de medição no modelo de CFD
(2)
A pressão dinâmica, , é encontrada
utilizando-se a velocidade média na entrada
de cada elemento:
(3)
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3.
RESULTADOS
Escolheu-se uma seção quadrada de lado
igual a 0,375m, uma velocidade de na seção
de testes igual a 41,67m/s, número de Mach
0,14, produzindo um número de Reynolds de
1,11X106. A vazão correspondente foi de
5,86m³/s. Na Figura 2 pode-se visualizar o
túnel e suas dimensões.
Sabendo-se que a maior perda de carga
será na saída do túnel, pois ela é igual à
pressão dinâmica neste ponto (MEHTA;
BRADSHAW, 1979). Assim, com este
valor, de 1066,84 Pa, encontra-se o
ventilador RLD 560 da OTAM (2011).
Utilizaram-se diferentes tamanhos de
malha para a simulação em CFD os quais
estão na Tabela 1.
As simulações utilizando malhas de 50 e
37,5mm apresentaram resíduos abaixo de 105
enquanto as com malhas de 25 e 12,5mm
tiveram resíduos da ordem de 10-2.
Entretanto, compararam-se as três maiores
malhas e para comparação com os valores
calculados pelas equações da literatura
utilizou-se a malha de 37,5mm.
Tabela 1 - Dimensões das malhas utilizadas
Largura da Nº de Nós
malha
[mm]
19.440
50
44.938
37,5
140.875
25
1.110.900
12,5
Nº
de
Elementos
22.667
50.390
152.412
1.155.480
A Figura 3 apresenta a distribuição das
pressões ao longo do TDV. Nota-se uma
transformação da pressão estática em
pressão dinâmica.
Figura 3 – Pressão dinâmica e estática no TDV
1250
1000
Pressão [Pa]
para avaliação de cada malha. Os valores de
referência adotados foram: densidade do ar
constante
ρ=1,225kg/m³;
viscosidade
absoluta μ=1,802x10-5Ns/m² e temperatura
T=288,16K (ÇENGEL; CIMBALA, 2006).
Medições de velocidade e das pressões
dinâmica e estática foram realizadas no túnel
conforme a Figura 1.
750
500
250
0
0
1
Pressão Dinâmica
2
3
X [m]
4
5
Pressão Estática
Figura 2 - Dimensões gerais do túnel de vento proposto
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Na Tabela 2 pode-se verificar os
resultados obtidos por cálculo utilizando as
equações da literatura em comparação com
as simulações em CFD.
Tabela 2 - Comparativo
calculados e obtidos por CFD
entre
REFERÊNCIAS
BARLOW, B. J.; POPE, A; RAE, W. H.
Low Speed Wind Tunnel Testing. 3. ed.
New York: John Wiley & Sons, 1999.
resultados
Ressaltam-se as pequenas diferenças
encontradas com exceção da pressão
dinâmica na câmara de estabilização, onde
ocorre um crescimento da camada limite.
A potência calculada necessária para
operação do TDV foi de 6,821 KW.
Considerando um rendimento de 80% para o
ventilador, 90% para o motor e FS =1, a
potência demandada pelo ventilador seria de
9,47kW.
O ventilador RLD560 atenderia a vazão
solicitada consumindo 9,22kW apresentando
2,5% de diferença entre os dois valores.
4.
2.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Obteve-se um bom resultado através da
utilização da metodologia proposta, tendo-se
como resultado final o túnel de vento
dimensionado.
Determinou-se a potência do ventilador
com boa precisão e pode-se observar o
comportamento das pressões no túnel.
As diferenças encontradas entre os
cálculos teóricos e o CFD foram pequenas
com exceção da região da câmara de
estabilização. Esta deve ser analisada
cuidadosamente e futuramente a inclusão
das telas e da colmeia na simulação do CFD
seria de grande utilidade.
Além disso, uma futura construção do
túnel e medições permitiria uma analise mais
detalhada dos resultados obtidos por CFD.
ÇENGEL, A. Y.; CIMBALA, M. J. Fluid
Dynamics: Fundamentals and Applications.
New York: McGraw-Hill, 2006.
MEHTA, R. D; BRADSHAW, P. Design
Rules for Small Low-Speed Wind Tunnels.
The Aeronautical Journal of the Royal
Aeronautical Society. v. 73, p. 443 nov.
1979. Disponível em: <http://navier.stanfo
rd.edu/bradshaw/tunnel/LowSpeedTunnels.
pdf> Acesso em: 21 de março de 2014.
NASA Aerodynamics 2014. Disponível em:
<https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/air
plane/shortt.html> Acesso em: 1 de maio
de 2014.
NOBLE, J. Ferrari boosted by wind tunnel
results following first F1 test of 2014.
Autoesport.com Disponível em: <http://
www.autosport.com/news/report.php/id/
112397> Acesso em: 21 de maio de 2014.
OTAM. Ventiladores centrífugos Tipo
Limit Load: RLS/RLD. Catálogo. Porto
Alegre, 2011. Disponível em: <http://www
.solerpalau.com.br/public/files/folders/c99c1
pt_rls_rld_ind_024_2011_j.pdf> Acesso em
1 de maio de 2014.
VAN DOMMELEN, R. Design of an
Atmospheric Boundary Layer Wind
Tunnel. Dissertação (Mestrado em Ciência
e Física das Construções), Universidade de
Eindhoven. Eindhoven, 2013. 132p.
Disponível em: <http://www.rinkavando
mmelen.nl/WindtunnelThesisRinka.pdf>
Acesso em: 19 de maio de 2014
WHITE, F. M. Mecânica dos Fluídos.
Tradução de José Carlos Cesar Amorim;
Nelson Manzanares Filho e Waldir de
Oliveira. 4ª. ed. Rio de Janeiro: McGrawHill, 2002.
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