Introdução ao Projeto Aer...utico - Prof. Edison Rosa - mod2 cap4 5 6 7

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(Parte 3 de 5)

Os geradores de vórtice devem ser muito bem dimensionados para que produzam umresultadopositivo.Assim, se o GV for muitoalto,ao invés de induzir a uma transição, ele provoca diretamente uma separação, com resultados pioresque o original,sem Gv.

lOb ao

GRUPO 2: Elementos especiais na superfície superior do perfil. GRUPO 1: Elementos que se projetam da superfície superior do perfil.

Rk para um perfil 1140

Rk para placa plana 570

Tipo deGV Linha de esferas

Rugosidades (lixa)

Vareta redonda ou arame

Vareta quadrada Elementos triangulares

Tabela 5.5 - Valores de Reynolds crítico, [36]

~if)~~d-dl"~ -===>-~ ~ A~'m'",~ , ,m,", . ~ Figura 5.12- Controleda camadalimiteporaspiração.

Dados experimentais mostram que a posição de maior efeitodo GV é quando a camada limitetem uma espessura 25% maior que a altura do GV. Como o GV está na CLL, a espessura desta é que deve ser usada.

Para dimensionar um GV é necessário primeiro calcular a altura do

GV para a velocidade desejada, usando Rk. A posição do GV na superfície superior do perfil é obtida pela espessura da CL. Esta espessura da camada limiteé calculada a partirdo ponto de estagnação, pontoS na Figura 5.12,que para grandes ângulos de ataque pode ser considerado no ponto de tangência do raio do bordo de ataque com a superficie inferior.

É usadoo próprioarparaevitara separação.Istopodeserfeitoaspirando para dentro da asa a camada limitede baixa energia, propensa a se separar. Pode serfeitotambémuminsuflamentodearcomelevadavelocidade,nosentido do fluxo,acelerando a camada limitee impedindoque as moléculas venham a perdervelocidadeeofluxoseparar.São técnicasemqueocorretoposicionamento dosorifícioseasvazõesevelocidadesdevemsermuitoestudadaseos resultados são dependentes do ângulo de ataque e do Re,

Se o Re criticodo perfilé baixo, o uso de GV não será muitoefetivoem melhorara performance do perfil.Pode no entantodeixar esta mais constante, poiso pontodetransiçãoCLL paraCLT ficafixo,naposiçãodo GV, independente do ângulo de ataque ou da velocidade, Re.

Se o perfil trabalha com baixo Re, as irregularidades próprias da construçãopodemser benéficas,funcionandoempartecom GV, gerandoassim uma CLT, melhorando o desempenho do perfil.

Varetasobrea superficie ~

~CJ= Linha de retângulos

Tela na frente do perfil

ReduçãodoraionobordodeataquePerfil comressalto r Linha de aletasverticais ê o

Linha deesferasna superficie

Perfilchanfrado

~ Fio ou arame, na frentedo perfil

<l Linha de ~iângulos

6<l

Perfil rebaixo

~é.:~.::;~:.. Rugnsidadenasuperfieie

Figura 5.1- Diferentestiposde geradoresde vórtice. GRUPO 4: Modificações na geometria do perfil.

GRUPO 3: Elementos àfrente do perfil.

o GV faz com que o ponto de transição se mova para frente do perfil, em direção ao GV. Aumentando o tamanho do GV o ponto de transição se move mais para frente, até que coincide com a posição do GV. O GV com tamanho suficiente para causar a transição imediatamente após sua posição é dito ter uma "rugosidade" crítica. O tamanho desta "rugosidade" é normalmente definida por um Re crítico, chamado Rk, sendo k a altura do GV.

108 EdisondaRosa

Figura 5.13- Desempenhodo perfilDavís3R paraRe de39 800a 299200,[19].

Tabela5.6- EfeitodoGV,[19]

Tabela5.7- Efeitodegeradoresdevórticemúltiplossobreasustentação,[19] Airfoil:

Davia 3R.Builder:H.Cole - Multiple plain tripa (h/c = 0.15%;

Reynolds: 39800 alpha I

Tabulatedfile

TabulatedfileTabulatedfileTabulatedfileTabulatedfileCL00751.DAT CL00753.DATCL00755.DATCL00871.DATCL00873.DAT

Go 803 Re 75000Re 150000C1máx

CdminC1máxCdmin Sem GV

Emcertoscasos a literaturarecomendausarumacombinaçãode váriosGV emseqüência,deformaa manteraolongodetodaa superfície doperfilcontrolesobrea camadalimite.Estasituaçãoocorreporexemplo comRe muitobaixos,sendonecessárioenergizara CL maisde umavez.

O exemplo a seguir ilustra uma aplicação com 5 GV em diferentes posições. É evidentea uniformidadedas curvasde sustentação,mesmo para Re tão baixos como 39 800, com um comportamentobastante confiáveldo perfil.

ParaperfisqueoperamcomRe acimadocrítico,a presençadeGV ouirregularidadesnobordodeataqueaumentamaresistênciaaerodinâmica e baixamo C1máx doperfil.Assim,porexemplo,parao perfilGo 803,testado comesemGV,paradoisvaloresdeRe,ficaclarooefeitodistintodoGV para diferentesRe.

Estes dispositivos têm a função de aumentar a sustentação máxima do perfil, na maioria das vezes às custas de um aumento na resistência aerodinâmica. Estes dispositivos podem ser estáticos ou acionados mecanicamente,agindomudandoageometriadobordodefuga,o maiscomum, do bordo de ataque, ou ainda atuando em conjunto.

Perfil UA 79-SF-187 com flap. Figura 5.14-Alguns exemplosdeflaps.

l~t,"-o~u~ij()_§()i='-,"oj<=t()"'~!()r1~~ti(;() EdisondaRosa c//~==---~-=-~

5.5DISPOSITIVOS DE ALTA SUSTENTAÇÃO 110

"Split"flap.

"Plain" flap. --------_.------~

C·~----_.------- , Fowler flap.

Um conceito pouco difundido é o do chamado Gurney flap, GF, muito utilizado na aerodinâmica de automóveis de competição. Este tipo de flap é umapequena superficie montadajunto ao bordode fuga, na superfície inferior do perfil,perpendicularmentea esta.Aaltura do GF está situadaemgeralentre 1% e 5% da corda. A aplicação do GF leva a um aumento relevante de C, e também de Cm. Desde que o GF esteja dentro da Cl, não ocorre acréscimo substancial do Cd• O funcionamento do GF está baseado no desenvolvimento de umsistema de dois vórtices estacionários que se formam, umlogoantes do GF, nasuperfície inferior,e outroapós o GF. Este sistema de vórticestemcomo efeito líquido defletíro fluxo de ar para baixo, agindo da mesma formaque um flap mecânico. A Figura 5.15 ilustra esta situação. A Figura 5.16 compara os resultados de sustentação para Re 200 0 do perfil S 1223, na condição limpo, com GF de 1% e com Gv. Pode-se ver que o GV não é uma boa alternativa,diminuindo o C, e introduzindo uma histerese que não existia. No caso do GF1, ocorre umaumento constante do C, para todos os valores de a, desde -2°,com umcomportamentodeestoligualao perfillimpo.

"Sloted"flap. L//----~--~-~---=~-~~Gurneyfiapde3% ~

Figura 5.15- GurneyflapaplicadonoperfilWortmannFX 72MS 150A.

2.0~ _I

'~IT CI 1.0 l-I

Cd Figura 5.17- Efeitodo GF sobrea resistênciaaerodinâmica,[19J.

Quanto ao coeficientede momento, alguns resultados indicam que a relaçãoentreo coeficientede momentoe o desustentaçãoficapróximade 0,2.

Interpretandoos dados de outraforma, o aumentodo coeficientede momento, pelouso do GF, é 0,97doacréscimodo coeficientedesustentação.A Figura5.17 mostrao efeitodo GF1 sobrea curvapOlardo perfilS1223. É visívelqueparaC1 > 1,6não existeaumentona resistênciaaerodinâmicado perfil.

Os flaps podem ter seu desempenho melhorado se puderem operar com maiores ângulos de ataqueda asa, sem que ocorra separação. Para tal,o uso deslots no bordo de ataqueé bastanteeficiente.O sloté umcanal formado

porumapartedaasa, quecontémo bordode ataque,chamado slat,eo restanteda asa, Figura 5.18.

Figura 5.18- Slataplicadoem umaasa.

Os slatsfuncionamatravésdo redirecionandodo arincidentenasuperficie inferiorda asa, acelerando-o através do canal do slot e direcionando o ar

tangencialmenteàsuperficiesuperiorda asa. Istoacelera o ar prevenindoo estol atéumângulomuitomaior,garantindomaiorcoeficientedesustentaçãoe redução da velocidadenas condições criticas de pousoe decolaaem.

Edisonda Rosa

Efeito do GF no perfil RIS0 A1-24, C1 = 1,0.

Efeito do GF no perfil RIS0 A1-24, a =0°. h/c, % 0,0 1,0

Efeito do GF no perfil RIS0 A1-24, a =5°. h/c, % 0,0 1,0

Efeito do GF no perfilOU 93.w.210. h/c, % 0,0 1,0 h/c, % f"CI

Tabela 5.8 - Resultados com o uso de Gurney flap

Inúmeros resultados experimentais e de simulação indicam que a aplicação de umGF de 1%da cordajá apresenta efeitossignificativos.A Tabela 5.8 mostra alguns resultados.

Figura 5.16- Comparaçãodas curvasde sustentaçãodo perfilS 1223.nas condições de perfillimpo,com GF de 1%e comVG, [19],

114 Edisonda Rosa Aeronáutico

A desvantagem do slat é que o ar acelerado requer energia, o que significamaisarraste.Por isso grande partedas aeronaves utilizaeste sistema de maneira retrátil.

odiagramaseguinte ilustrao uso de slats paraaumentaro coeficiente de sustentação de uma asa.

u Ângulode ataque

Perfilliso, sem sla! e flap ~

Figura 5.19- Comparaçãodo coeficientede sustentaçãoentredispositivos. Figura 5.21 - Slat fixo e invertidono bordo de ataque do estabilizadorhorizontaldo Piper EMB 711STCorisco2.

CL Perfil com slat e fiap

--~, Perfil com fiap

Perfil liso. sem slat e flap

~ Co

Figura 5.20_Comparaçãode curvaspolaresde asas comdispositivosaplicados.

Pelos dados bibliográficos encontrados, a utilização de slats pode ser de grande vantagem, principalmente para aeronaves AeroDesign, nas quais

I' há maior preocupação justamente nas etapas de melhor rendimento destedisDositivo,a decolaqem e pouso. ! i

6.ESCOAMENTO SOBRE A ASA

6.1GEOMETRIADA ASA

A geometriade umaasa nasua concepção geralédada porumafunção fe(y,z)que definea posição do centroaerodinâmicode cada seção da asa, mais uma função f,(y) que caracteriza a seção transversal em qualquer posição transversal.Nos casos maisusuaisambas as funçõessão simétricas,sendo que fe(y)é linear,caracterizandoumaasa trapezoidalretaouenflechada.

Figura 6.1- Representaçãogéraldeumageometriade asa.

PARA UMA ASAGERAL: v+

cma =S L_c2(y)dy

S=-cr(l+À) 2

Ycma =S L-y, c(y)Dy

À=~=c(y+) cr c(O) b 2 =~ AR =Z-'l+À Sr b 1+2À

Ycm3 =6' l+À

C(y) =Cr À=1 ê =Cm, =Cr AR =b/c

118 Edisonda Rosa ao 119

: o{ds~

<2 -:-~-=-~~-.J s ~ Forma \"istafrontal Elementosadicionais FonllJ navistasuperior

6.2 DESENVOLVIMENTO DA SUSTENTAÇÃO

Conformediscutidono Capitulo 4, a sustentaçãode um perfil,e portanto de umaasa, éconseqüênciade umfluxorotacionalque se sobrepõe ao fluxode translação,provenientedomovimentorelativofluido/ perfil.Esteefeitoénoentanto diferenteno caso do perfil,fluxo20 e no caso de umaasa, fluxo3D. Neste ponto umaformaútildeentenderasustentaçãoéconsideraraconservaçãodaquantidade de movimentodo ar que passa pela asa. Devido à circulação o fluxode ar tem umacomponentevertical,subindojuntoao bordodeataqueedescendo,nobordo defuga.Estacomponentevertical,gerao chamadoupwash,no bordodeataque, e o downwashno bordodefuga,ondevale2w.

Desta forma o ar ao se aproximar do bordo de ataque édirigido para cima e ao sair pelo bordo de fuga, édirigidopara baixo Este efeito ocorre tanto parao fluxo20 do perfil,como no fluxo 3D da asa, embora nesta última,outros efeitos vão afetar o upwash e o downwash. Em termos de conservação da quantidade de movimento,o ar édefletido para baixo de um ângulo E, ângulo de downwash, que por sua vez impulsiona o perfilpara cima. O volume de ar que édefletido corresponde ao de um cilindro cujo diâmetro éa envergadura da asa. Após a passagem pelo bordo de fuga o ar continua seu movimento,

gerando a chamada esteira, de fluxo normalmenteturbulentoprovocado pelos vórtices gerados, em especial nas pontas de asa.

Figura 6.2- Diferentestiposde geometriada pontade asa. L~=--=,j~~~.: .~ ~=},

L";._-----_._-~----------------------------------.

Figura 6.5- Efeitoda circulação.Ângulosde upwashe dowl1wash.

Downw"sh v ') 2w l:

Figura 6.3- Variáveisquedefinema geometriada plantada asa trapezoidal.

Figura 6.6- Desenvolvimentoda sustentação.

Sendo A a área da seção do cilindro de diâmetro b, a massa de ar defletida,por unidade de tempo, é:

Cr ~

Ycrna

Figura 6.4 - Determinaçãoda cordamédiae do centroaerodinilmico,asa trapezoidal. c(y) =c, À=1 c =Cma =c, AR b/c

E como a mudança de direção é dada pela componente vertical, 2w =sen E .v~,e para pequenos ângulos, 2w =l'. V~,logo:

Esta expressão inçlica que para a mesma pressão dinâmica e sustentação, o produto b~.E deve ser constante, ou seja, uma asa com grande envergadura induz um ângulo de downwash muitomenor do que uma asa de pequena envergadura. No caso de um perfil,com fluxo 2D, é como se fosse umaasa com envergadura infinita,ou seja, o ângulo de downwash tende azero. Considerando agora a definição do coeficiente de sustentação da asa e da relação deaspecto,

Figura 6.7- Determinaçãoda sustentaçãopelaintegralda distribuiçãode pressão.

A sustentação é dada pela diferença de pressão entre as duas superfícies, como:

e como as superfícies são inclinadas, o ângulo O da superfície em relação à horizontaldeve ser considerado, assim:

combinando as equações acima,vem

L =CL q S; b2

2 CLE==-'-- . 1t AR

L==CL·q·AR dL q' f:(C1'1•cosel - Cpu.coseu)db·dx

Quanto ao arrasto, se a análise for de um fluido ideal, terá zero como resultado.

6.3EFEITOS DO DOWNWASH

Esta expressão torna claro o fato de ocorrer um downwash zero com relação de aspecto infinita.. No estudo de estabilidade uma função importante é a derivada do ângulo de downwash em relação ao ângulo de ataque, que se pode escrever como:

sendo "a"a declividadeda curva deCl.

Por outrolado, raciocinando com relação àdistribuiçãode pressão nas superficies do perfil,a sustentação tambémpode ser obtida como segue, para umsegmentodaasa de larguradb:

Considérando que asustentaçãoemumaseção da asa sejaconhecida, esta depende do coeficiente de sustentação do perfil, para aquele ângulo de ataque,eda corda. Se considerarmos que não estamos trabalhando na região de estol do perfil,o Cl deste é proporcíonal ao ângulo de ataque efetivo,a - ao' de igual forma portanto para dL:

Se aofor constante em toda a envergadura, ou seja, asa sem torção aerodinâmica,entãOdl édiretamenteproporcionalàcorda.Considerando agora o efeito do downwash, este altera o ângulo de ataque do perfil, sendo considerado que o fluxo, junto ao perfil, forma um ângulo igual à metade do ângulodedownwash após o bordodefuga.Este éochamado ângulode ataque induZido,ai'

122 Edisonda Rosa

Um efeito importante do downwash é o ângulo de ataque induzido, que define o fluxo sobre o perfil. Desta forma as forças geradas pelo perfil e caracterizadas pelos seus coeficientes C1 e Cd,estão orientadas segundo este fluxolocal. Ocorre que para a asa e parao avião como umtodo, a referênciaé o fluxo afastado, não o local. Assim, é necessário corrigir os valores de sustentaçãoe de arrastoparaesta referência.Sendo L1e 01 os valoressegundo ofluxolocale L e O os valoressegundoofluxoafastado,considerandopequenos ângulos:

Assim a sustentação em um trecho da asa passa a ser dada por: dL =q a ( a - a; - ao) c db

O ângulo de ataque induzido depende como que a circulação atua sobre a asa e isto é fortemente influenciado pela geometria da asa. No caso particularde uma asa elíptica o ângulo de downwash é constante ao longo de toda a envergadura, com a; portantoconstante. Podemos dizer de uma forma geral que todo o efeito da geometria de uma asa sobre suas caracteristicas aerodinâmicas está relacionado como que o downwash se distribui ao longo da envergadura e portantoo ângulo de ataque induzido.

L =L1COS ai - 01 sen ai;

O =01 COS ai +L1sen ai; ou OU

L"" L1;

O"" 01+L1 ai;

A distribuiçãoda sustentaçãosobre a envergadurada asa é afetadapelo ângulodeataqueinduzido,quemodificalocalmenteo valordeCI"Sem este efeito, a sustentaçãoseriadiretamenteproporcionalàcordae portantoa distribuiçãoda sustentaçãoseguiriaexatamenteaformadaasa. No caso daasa elíptica,comoC, é constante,a sustentaçãopassa a teruma distribuiçãotambémelípticasobre a asa. No caso de uma outrageometria,a distribuiçãorealé intermediáriaentrea distribuiçãosemdownwasheadistribuiçãoelíptica,sendonapráticatomadacomo a médiaentreas duas, conhecida como aproximaçãode Schrenk.As curvas da

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