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

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.

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, R_eff, 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, Re_c, 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 C_D = 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 Re_c é bem definido por C_D 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, Re_c = 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:

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.

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, P_t, e pressão estática, P_s,da seção de teste, que são utilizadas para determinar a pressão dinâmica do teste, q = P_t - P_s, 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, o_testede ρe viscosidade, μ_teste. 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 Re_C,porque um valor médio é usado. Com a estimativa_dotúnel 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.

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].

1. Barlow, Rae and Pope. Low speed wind tunnel testing, John Wiley & Sons, 1999.
2. Crawford T.L. and Dobosy R.J. Boundary-Layer Meteorol. 1992. 59; 257-78.
3. Eckman R.M., Dobosy R.J., Auble D.L., Strong T.W., and Crawford T.L. J. Atmos. Ocean. Technol. 2007; 24; 994-1007.