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

Fonte: Jose Roberto Moreto, Gustaaf Jacobs e Xiaofeng Liu, Departamento de Engenharia Aeroespacial, Universidade Estadual de San Diego, San Diego, Califórnia

A asa delta, mostrada na Figura 1D, é um design popular em aviões de alta velocidade devido ao seu excelente desempenho em regimes de voo transônicos e supersônicos. Este tipo de asa tem uma pequena proporção e ângulo de alta varredura, o que reduz o arrasto em regimes de voo subsônicos, transônicos e supersônicos. A proporção é definida como o comprimento da asa dividido pelo acorde médio .

Uma vantagem importante da asa delta é seu ângulo de cabine alta. A cabine de uma asa delta está atrasada em comparação com a parada de uma asa de alta proporção. Isso ocorre porque o elevador de uma asa delta é reforçado pelo vórtice de borda superior sobre a asa.

Uma maneira eficaz de observar esse fenômeno de fluxo de vórtice e estudar a quebra do vórtice em uma asa delta é visualizando o fluxo em um túnel de água. Ao injetar corante no fluxo em torno de um modelo de portas de corante na borda principal, o desenvolvimento e a quebra do vórtice podem ser observados e sua posição medida. Os dados também podem ser usados para estimar o ângulo da cabine.

Figura 1. Formas típicas de planform de asa: A) Retangular, com acordes constantes ao longo do vão, B) elíptico, C) afilado, com acordes variáveis ao longo do vão, e asa delta D, uma asa varrida à popa com razão zero taper.

Quando uma asa delta é submetida a ângulos de ataque ligeiramente mais altos, geralmente ângulos superiores a 7°, uma separação de fluxo ocorre na borda superior. Em vez da separação de fluxo que ocorre rio abaixo perto da borda de arrasto, como aconteceria em uma asa retangular, o rolo para cima dos vórtices de borda superior, como mostrado na Figura 2, induz baixa pressão na superfície superior da asa e melhora o elevador. Este fenômeno é chamado de elevação de vórtice e contribui para um ângulo de cabine alto atrasado em comparação com o ângulo de uma asa retangular.

Figura 2. Formação de vórtice sobre uma asa delta em um ângulo moderado de ataque. A) Vista superior com uma linha de listras azul mostrando o núcleo e o vórtice formando no ápice da asa, e a linha verde mostrando o vórtice rollup da borda principal em meio acorde. B) Vista lateral com o rolo do vórtice. O vórtice originário do ápice (corante azul) interage com o vórtice gerado a meio acorde (corante verde).

Estes vórtices começam no ápice da asa e progridem rio abaixo onde em algum momento eles explodem (quebra do vórtice) devido a um gradiente de alta pressão adversa. Uma vez que a quebra do vórtice ocorre, o vórtice não pode mais induzir baixa pressão. Para ângulos de ataque relativamente baixos, a quebra do vórtice ocorre rio abaixo da borda de arrasto. No entanto, quando o ângulo de ataque aumenta, a localização da quebra do vórtice se move rio acima, a um ponto onde a quebra ocorre sobre a maior parte da superfície da asa. Isso reduz o elevador e faz com que a asa pare.

Esses padrões de vórtice podem ser observados usando visualização de fluxo com corante em um túnel de água. Um fluxo constante de corante é liberado através de portas em locais apropriados no modelo perto da borda principal. O corante se mistura com a água e segue o fluxo permitindo a visualização de linhas de listras. O fluxo tingido é rastreado, e a formação, desenvolvimento e interação com outros vórtices e estruturas de fluxo são observados até que o vórtice se desfaça.

O corante e a água do túnel devem ter propriedades físicas semelhantes, e a pressão de liberação na abertura do porto deve ser a mesma que a pressão de fluxo local para minimizar os distúrbios ao fluxo. As linhas de traço, formadas pelo corante, destacam diversas estruturas de fluxo, como vórtices, regiões laminar, regiões turbulentas e regiões de transição. Essas estruturas podem ser observadas e utilizadas para comparar os efeitos de diferentes geometrias ou modelar atitudes no fluxo.

Figura 3. Configuração experimental da asa Delta. A) Asa Delta montada no suporte C dentro de uma seção de teste de túnel de água. B) Conexão C-Strut com as paredes do túnel de água. C) Recipientes de corante, fonte de ar pressurizada e três válvulas para controlar a vazão de corante.

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.

A partir do experimento, podemos identificar a quebra do vórtice, como ilustrado na Figura 4. A distância do ápice da asa até a quebra do vórtice pode ser medida usando a escala desenhada na asa (Figura 4B). Durante o experimento, o ângulo de ataque da asa foi aumentado gradualmente, e o local de quebra do vórtice, l_b, em relação ao ápice da asa, foi medido. O local de decomposição, x/c, com relação à borda de trailing da asa foi grafado contra o ângulo de ataque, como mostrado na Figura 5. Quando α ≈ 10°, a posição média de tempo da quebra do vórtice de borda principal está localizada na borda da ala delta. Juntamente com um aumento no ângulo de ataque, a localização da quebra do vórtice gradualmente se moveu rio acima. Quando α ≈ 40°, a quebra do vórtice ocorreu em 96% de localização de acordes a partir da borda de trilha, quase no ápice da asa delta. Com essa atitude, a asa delta experimenta uma parada completa, uma perda total de elevador.

Figura 4. Identificação de colapso do vórtice. A) Visão lateral da quebra do vórtice e a distância de quebra do vórtice do apex l_bda asa . B) Visão superior da quebra do vórtice e da distância do ápice da asa l_b.

Figura 5. Localização de decomposição do vórtice. Para ângulos de ataque < 10°, a quebra do vórtice ocorreu rio abaixo da asa. Para ângulos de ataque >40°, o fluxo se separa na ponta da asa.

Usando a visualização de fluxo em um túnel de água, foram identificados os locais de decomposição do vórtice para vários ângulos de ataques em uma asa delta. A visualização de fluxo em um túnel de água é realizada injetando corante em locais específicos do campo de fluxo. O corante segue o fluxo, o que nos permite observar as linhas de fluxo. Este método é semelhante à técnica de visualização da fumaça que é usada em um túnel de vento. No entanto, a capacidade de usar múltiplas cores de corante diferentes permitiu uma visualização fácil das estruturas de fluxo e interações. Outra vantagem desse método é que é uma técnica de baixo custo que fornece informações 3D do campo de fluxo.

A injeção de corante para visualização de fluxo é um método clássico com inúmeras aplicações. Por exemplo, o famoso experimento reynolds sobre turbulência no fluxo de tubos foi executado usando corante para a visualização, e identificou regiões de fluxo laminar e turbulentas em tubos circulares. Essa técnica pode ser usada não só para identificar as regiões turbulentas, mas também pode ser usada para estudar a mistura que é promovida pela turbulência para estudar outras estruturas de fluxo.

Estruturas de fluxo, como vórtices e bolhas de separação, fornecem informações importantes sobre os fenômenos que regem a física, incluindo o elevador de vórtice. Portanto, este método pode ser usado para visualização de fluxo para auxiliar na concepção e otimização de dispositivos afetados por campos de fluxo, como automóveis, navios, edifícios altos e pontes longas.