Aerodinâmica Básica Grupo 7 78135, Rafael José Costa Freitas 78435, Tiago Duarte Martins Dias 78487, José Maria Pinto Basto Cyrne de Castro 78525, Ana Micaela Lopes Correia e Ferro Nunes 78654, Henrique Manuel Botelho Ferreira 81370, Pedro André dos Santos Pregitzer Seminário Aeroespacial II MEAero Professor: Fernando Lau Realizado em Março de 2015
18
Embed
Aerodinâmica Básica - fenix.tecnico.ulisboa.pt · Aerodinâmica Básica Grupo 7 78135, Rafael José Costa Freitas 78435, Tiago Duarte Martins Dias 78487, José Maria Pinto Basto
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Aerodinâmica Básica
Grupo 7
78135, Rafael José Costa Freitas
78435, Tiago Duarte Martins Dias
78487, José Maria Pinto Basto Cyrne de Castro
78525, Ana Micaela Lopes Correia e Ferro Nunes
78654, Henrique Manuel Botelho Ferreira
81370, Pedro André dos Santos Pregitzer
Seminário Aeroespacial II
MEAero
Professor: Fernando Lau
Realizado em Março de 2015
Aerodinâmica Básica
Março de 2015
1/17
Resumo
O seguinte relatório, elaborado no âmbito da Unidade Curricular de Seminário Aeroespacial II do
Mestrado Integrado em Engenharia Aeroespacial do Instituto Superior Técnico de Lisboa, tem como
objetivo apresentar uma breve introdução à aerodinâmica. Numa primeira abordagem são
apresentadas informações gerais em relação ao conceito de perfil alar, passando a seguir a uma
breve descrição da aerodinâmica deste. Seguidamente estende-se a análise a asas tridimensionais
ideais e reais, fazendo ainda uma breve discussão acerca de escoamentos compressíveis a altas
velocidades.
É concluído que, devido ao seu comportamento caótico e importância tecnológica, a investigação e a
compreensão da aerodinâmica é fundamental para a Física da atualidade.
O ramo da aerodinâmica está a ganhar cada vez mais importância no mundo atual. Na globalização
em que se vive, o transporte de alta velocidade entre pontos distantes na Terra torna-se cada vez
mais procurado. Como consequência é necessário perceber melhor como aumentar a eficiência dos
veículos transportadores, sejam estes aéreos ou terrestres, e os seus sistemas de propulsão. Para
além disso, para que se possam efetuar missões espaciais cada vez mais ambiciosas, é necessário
desenvolver e aperfeiçoar a tecnologia dos sistemas intervenientes nestas operações, que são, em
parte, altamente dependentes deste ramo da Física.
Este contexto motivou a elaboração de um trabalho que apresentasse, de forma resumida e sucinta,
os conceitos mais básicos da aerodinâmica, como uma iniciação nesta área. São também
apresentadas as considerações a ter no desenho de perfis alares e asas, assim como que cuidados ter
quando se trabalha a altas velocidades.
No final do relatório podem-se encontrar as conclusões retiradas desta pesquisa e as referências
consultadas.
2. Perfis Alares
2.1 O que são
Asas, estabilizadores, caudas, pás de turbina, rotores e quaisquer outros objetos usados em
aerodinâmica têm um perfil alar especificamente concebido para a função que desempenham. O
perfil alar de um componente aerodinâmico é obtido através de um corte efetuado num plano
paralelo ao plano de movimento desse componente, de onde se conclui que um perfil alar é
representado a duas dimensões.
O perfil alar é responsável por conferir às asas, complementado pela geometria tridimensional, a
sua capacidade de voar, pelo que se torna importante estudar as suas características e como
estas dependem das dimensões do perfil. Para tal estuda-se uma asa de perfil uniforme e de
envergadura infinita, exceto quando se pretende calcular os valores de sustentação e resistência
aerodinâmica gerados, caso esse em que se toma para a envergadura o valor unitário,
desprezando os efeitos tridimensionais derivados de se considerar uma asa finita. Tendo em
conta que todos os resultados desta análise dependem da geometria do perfil, é necessário
estabelecer uma nomenclatura para as medidas que definem completamente a forma de um
perfil alar e para as forças que neles atuam.
2.2 Nomenclatura
Define-se os bordos de ataque e de fuga como sendo os pontos respetivamente mais à frente e
mais atrás do perfil, quando colocado na horizontal, como ilustrado na figura 2. A linha de corda
é a linha reta que une estes dois pontos (figura 1) e é a distância entre eles ao longo desta que
define a corda c do perfil. Perpendicularmente à linha de corda é medida a espessura do perfil. A
linha de flecha é a linha que se encontra a igual distância do intra- e do extradorso da asa, e a
flecha em si é a distância entre a linha de flecha e a linha de corda. Conclui-se então que as
Aerodinâmica Básica
Março de 2015
4/17
linhas de flecha e de corda só coincidem no caso de um perfil simétrico relativamente à sua linha
de corda, ou seja quando a flecha é nula.
O ângulo de ataque geométrico de um perfil é o ângulo entre o escoamento do ar e a linha de
corda (figura 1). Contudo, nos casos de flecha não nula, a sustentação gerada pelo perfil não é
nula para um ângulo de ataque geométrico nulo, o que complica as equações que descrevem a
relação entre estas duas variáveis. Embora dependam linearmente uma da outra (como se verá
mais à frente), é mais conveniente ter uma equação em que a sustentação é nula para um ângulo
de ataque nulo. Este facto levou a que se definisse a linha de sustentação nula (l.s.n.), que, como
o nome indica, é a linha para a qual a sustentação gerada é nula. Deste modo define-se o ângulo
de ataque como o ângulo entre a l.s.n. e o escoamento, simplificando as equações.
De modo a poder-se discutir a aerodinâmica de perfis alares, é necessário definir as grandezas
que são mais significativas para este efeito. Os coeficientes de sustentação e de resistência
aerodinâmica são muito utilizados nesta área, pois permitem relacionar as diversas variáveis que
condicionam essas duas forças presentes numa aeronave. Assim, as fórmula destes coeficientes
são dadas por (1) e (2):
(
corresponde à pressão dinâmica - )
Analisando as fórmulas expostas é fácil
verificar que o valor destes coeficientes
depende da forma do objeto, neste
caso, do perfil alar, da velocidade do ar
e, portanto, da viscosidade,
compressibilidade e densidade do ar.
Além disso, há outros fatores que
condicionam este coeficiente, como o
ângulo de ataque e o fenómeno de flap
deflection. Em seguida, mostra-se uma
figura que ilustra a variação do
coeficiente de sustentação, no caso
geral, com o ângulo de ataque.
Como se pode ver, existe uma gama de valores para os quais a relação é linear.
Figura 2: Nomenclatura das dimensões características de um perfil alar
Figura 1: Nomenclatura das dimensões características de um perfil alar com ângulo de ataque não nulo
Figura 3: Relação entre o coeficiente de sustentação e o ângulo de ataque (Anderson, 1991)
Aerodinâmica Básica
Março de 2015
5/17
Estes coeficientes são facilmente determinados se estivermos perante um ambiente controlado
(túnel de vento), onde se possa manipular todas as variáveis e medir as forças de sustentação e
de resistência. Conhecer os valores destes coeficientes é de grande utilidade, uma vez que
podem ser utilizados para calcular os valores das forças noutras situações com condições
diferentes. No entanto, as condições de teste devem-se aproximar o mais possível às condições
reais, caso contrário o valor do coeficiente determinado pode ter uma grande variação. É
necessário verificar que os efeitos de viscosidade e de compressibilidade do ar são semelhantes
entre o caso medido e o previsto. Para velocidades baixas (<0,3M) os efeitos de
compressibilidade são desprezíveis. Para velocidades mais elevadas torna-se importante fazer
corresponder números de Mach entre os dois casos. Para além disso, os efeitos de viscosidade
do ar são determinantes, sendo por isso fundamental ter em conta o número de Reynolds.
Mostra-se de seguida um gráfico que ilustra a relação existente entre o coeficiente de resistência
de uma esfera e o número de Reynolds:
2.3 Aerodinâmica aplicada a perfis alares
O fenómeno de sustentação despertou o interesse e atenção de diversas gerações e assumiu-se
como um caso paradigmático de divulgação de erros de Física. Contrastando com a utilização
abusiva do Princípio de Bernoulli, com a aplicação inapropriada das Leis de Newton e outros
tantos exemplos falaciosos enraizados no saber geral do cidadão comum, pretende-se nesta
secção expor de forma simples e muito resumida – devido à extensão do assunto - o mecanismo
por detrás do fenómeno de sustentação aerodinâmica, e é nesta palavra que reside a origem das
deturpações: mecanismo, e não efeitos ou quantificação.
Para um correto entendimento deste fenómeno, é necessário encarar as propriedades do ar
como ponto de partida. O ar tem massa e, consequentemente, pode exercer força, divisível,
principalmente, em dois tipos: a força estática, que se forma dentro do campo gravitacional
terrestre e se desenvolve verticalmente num gradiente normal à superfície terrestre, e a força
dinâmica, que resulta da interação do fluido com um corpo ou perfil e que pressupõe uma
condição: o movimento. Esta última é a que está profundamente relacionada com a sustentação,
onde temos interação entre ar em movimento e um perfil alar.
Figura 4: Relação entre o coeficiente de resistência de uma esfera e o número de Reynolds (Anderson, 1991)
Aerodinâmica Básica
Março de 2015
6/17
O ar tem ainda massa volúmica, ou massa específica, que varia inversamente com a altitude,
proporcionando uma diminuição da pressão atmosférica com o aumento desta última.
É fundamental ainda constatar-se que o ar é um fluido. Como tal apresenta viscosidade (embora
relativamente reduzida comparativamente a outros fluidos), isto é, tende a escoar colado a uma
superfície (como quando se aproxima uma colher de um fluxo de água). Entre as moléculas de
fluido há forças de atração que as mantêm unidas, frequentemente designadas de Forças de van
der Walls. Denominam-se forças de adesão as que ocorrem entre moléculas diferentes e forças
de coesão as interações que ocorrem entre moléculas iguais, como acontece, por exemplo, entre
moléculas dum mesmo fluido em escoamento. O fenómeno da adesão de um fluido com
escoamento em contorno de uma superfície é tradicionalmente chamado de Efeito Coanda,
numa definição abrangente.
Desta forma, é fruto da viscosidade do ar o facto de as moléculas do mesmo aderirem à
superfície do dorso de um perfil alar, propriedade que possibilita o mecanismo de sustentação.
As massas de ar afetadas pelos efeitos da viscosidade à superfície do corpo sólido presente na
interação vão sendo desaceleradas. As camadas de ar mais afastadas da superfície do dorso
escoam a uma velocidade maior que as mais próximas até um limite a partir do qual a velocidade
do escoamento não é reduzida pelos efeitos da viscosidade que atuam nas proximidades da
superfície alar. Esta camada de escoamento víscido, perturbado, junto à superfície dorsal, chama-
se camada-limite, cuja dinâmica é extremamente importante na sustentação e nos fenómenos
de perda (stall), entre outros.
Adicionalmente tem-se ainda que o ar, sendo um fluido, é compressível. No entanto, para efeitos
práticos, considera-se o ar como sendo incompressível para voos em baixa velocidade, como já
referido anteriormente.
O mecanismo físico do processo de sustentação é, na sua base, muito simples. A força de
sustentação é, de facto, uma força de reação. O mecanismo reside na aceleração radial de fluido.
Ora, sendo que o ar é um fluido, há uma força de adesão entre o mesmo e o perfil envolvido.
Desta forma, o ar em escoamento vai sofrer uma mudança na sua direção, uma vez que circula
em torno do perfil. Assim, conclui-se que é necessária a existência de uma aceleração radial nos
elementos do volume de ar, com um determinado raio r:
(3)
Pela 2ª Lei de Newton, se existe uma aceleração de uma massa, então existe uma força
associada, i.e., associada à aceleração radial centrípeta da massa de ar em torno do perfil está
uma força centrípeta aplicada nessa massa. Por sua vez, a 3ª Lei de Newton pressupõe um par
ação-reação, ou seja, existe uma força de igual módulo e direção oposta – centrífuga - exercida
no perfil, que é igual às forças de adesão intermoleculares entre fluido e perfil. A força centrífuga
é igual ao produto da massa volúmica dos elementos do volume de fluido com a aceleração
centrípeta supracitada:
(4)
A força centrífuga numa unidade de volume de fluido equivale à força de sustentação produzida
pelo escoamento dessa mesma unidade de volume de fluido.
Aerodinâmica Básica
Março de 2015
7/17
Tendo em conta a equação (4), conclui-se que se pode aumentar a força de sustentação de 3
formas:
aumentando a velocidade v de escoamento (forma especialmente eficiente devido à
dependência quadrática);
aumentando a massa volúmica ρ do fluido: zonas de alta pressão, de ar mais frio ou em
altitudes mais baixas;
reduzindo o raio de curvatura do escoamento: reduzindo o raio de curvatura do perfil
e/ou aumento do ângulo de ataque α com o escoamento.
Desta forma é possível haver força de sustentação num perfil plano, simétrico e sem curvatura,
desde que seja mantido um ângulo de ataque com o ar que leve a que o escoamento contorne o
perfil. No entanto, um perfil simétrico não produz sustentação em ângulo nulo, uma vez que as
forças produzidas nos dois dorsos são iguais em módulo mas de sentido oposto.
Note-se que, na figura 5, na passagem do escoamento inicial para o “upwash” (ascensão das
massas de ar), o escoamento alar segue uma linha côncava, originando uma força contra o perfil,
contrária à força de sustentação. Na parte convexa do perfil, por sua vez, a força é centrífuga,
favorável à sustentação.
Dois conceitos importantes a introduzir neste ponto são os de centro de pressão e centro
aerodinâmico. O primeiro é o ponto em que a força resultante da distribuição de pressões do
perfil alar seria exercida. Este ponto pode ser calculado matematicamente ou obtido
experimentalmente através de testes em túnel de vento, mas não é constante e desloca-se
consoante a distribuição de pressões. Isto torna a sua utilização extremamente inconveniente,
pelo que se definiu o conceito de centro aerodinâmico. Este é o ponto do perfil alar em que o
momento causado pelas forças envolventes resultantes da distribuição de pressão é constante
para qualquer ângulo de ataque. O cálculo deste ponto é essencial na determinação dos efeitos
aerodinâmicos num perfil alar, já que permite facilmente determinar as forças aerodinâmicas
para qualquer ângulo de ataque.
Os dispositivos aerodinâmicos designados flaps, colocados nos bordos de ataque e de fuga,
aumentam a curvatura (diminuem o raio) do escoamento, aumentando a força de sustentação.
Muitas vezes, os flaps têm uma fenda, slot, passando a chamar-se de slat. Um slot é um canal de
ar que serve de controlo da camada-limite do extradorso, transferindo-lhe energia e atrasando a
sua separação e consequente perda (stall), permitindo aumentar o ângulo de ataque.
Figura 5: Forças e reações no escoamento (Magalhães, 2008)
Aerodinâmica Básica
Março de 2015
8/17
Relativamente ao intradorso, este também tem influência na sustentação, embora menos
importante e eficiente. Para a generalidade de ângulos de ataque positivos, o escoamento nesta
parte do perfil produz força de sustentação pela deflexão do escoamento, ou seja, pela alteração
da direção deste.
Os gradientes de pressão são um efeito da produção de forças na direção radial. Durante a
aceleração radial, pela reação centrífuga, as moléculas de fluido exteriores são comprimidas no
exterior da curvatura, provocando um aumento da pressão p com a distância r ao centro c, o que
se pode traduzir como:
(5)
Assim, a variação da pressão na direção radial forma-se em gradiente normal à superfície do
dorso, sendo a pressão mais baixa à superfície do que a uma maior distância. Como a produção
de força centrífuga varia ao longo da linha do perfil consoante o raio das trajetórias, então a
pressão estática também varia à superfície do extradorso em gradiente tangencial.
Como efeito da diminuição da pressão estática no extradorso, a velocidade do escoamento tende
a aumentar, num gradiente de pressão favorável. Desta forma, a diminuição da pressão estática
causa uma aceleração do escoamento inicial. Conclui-se então que existem duas acelerações: a
aceleração normal (radial), a que produz maioritariamente a sustentação e os gradientes de
baixas-pressões, e a aceleração tangencial, que surge como consequência da diminuição da
pressão estática, ou seja, esta ultima é como que uma consequência do mecanismo em si.
O Princípio de Bernoulli, que exprime a conservação da energia mecânica, é comummente
associado ao mecanismo de sustentação aerodinâmica e traduz-se tradicionalmente por:
(6)
Esta expressão é válida em escoamento presumido incompressível, invíscido, irrotacional e ao
longo de uma linha de corrente (uma linha tangente ao vetor velocidade do escoamento em
todos os pontos), desprezando a diferença de elevação. A equação (6) mostra que a diferença da
pressão estática entre dois pontos de um fluido situados ao mesmo nível é simétrica da diferença
de pressão dinâmica entre eles.
Então, sabendo-se a variação de pressão, consegue-se calcular a variação de velocidade, e vice-
versa. Não obstante, no que diz respeito à relação de causalidade, em escoamento livre uma
Figura 6: Distribuição da força de pressão num perfil alar Eppler E 64, sendo o ângulo de ataque 2°. Fonte: http://www.mh-aerotools.de/airfoils/velocitydistributions.htm
Aerodinâmica Básica
Março de 2015
9/17
maior velocidade não causa diminuição da pressão estática. Se a velocidade aumenta, não é
pressuposto que a pressão estática diminua, uma vez que esta é igual à pressão atmosférica
envolvente. Todavia, o inverso já é verdade, isto é, se a pressão é menor a jusante do
escoamento livre, a velocidade aumenta.
Em suma, o Princípio de Bernoulli serve para quantificar o efeito, mas não como explicação da
causalidade do mecanismo de sustentação, uma vez que não explica a diminuição da pressão.
Compreendido o mecanismo responsável pela sustentação aerodinâmica, perpassa a ideia de
que, para que seja produzida força de sustentação, a direção do escoamento tem de ser alterada.
É essencial distinguir-se mecanismo de produção, efeitos da produção e quantificação da
produção de sustentação, esta última feita recorrendo a conceitos como momento linear ou
outros, que exponham, por equivalência, a matemática do problema de forma simples.
Note-se também que não será necessário considerar as diferenças de pressão no extradorso
referidas anteriormente para se compreender o mecanismo da sustentação, sendo que estas são
consequência da aceleração radial responsável pelo processo.
Sintetizando este mecanismo numa só frase, pode-se dizer que “A Força de sustentação dinâmica
é igual à Força de reação centrífuga gerada na aceleração (radial) do volume de fluido viscoso
escoado em torno de um perfil” (Magalhães, 2008).
2.4 Perfis NACA
Devido ao elevado número de variáveis geométricas envolvidas na conceção de um perfil alar,
existe uma infinidade de formas possíveis. Por esta razão era comum desenhar perfis recorrendo
a conhecimentos empíricos e tendo por base experiências passadas, verificando-se depois se o
respetivo desempenho servia as necessidades, o que obrigava a refazer o processo em caso de
resultados negativos. De modo a aumentar a eficácia e a eficiência do processo de
desenvolvimento de perfis alares, a NACA (National Advisory Committee for Aeronautics),
antecessora da atual NASA, decidiu, na década de 1930, elaborar a priori diversos perfis,
estudando-os depois em túnel de vento de modo a obter todas as suas propriedades. A partir
deste programa foi possível criar um catálogo de asas pré-elaboradas analítica- e
geometricamente, permitindo a projetistas escolher um perfil adequado às suas necessidades.
Desde então surgiram várias séries de perfis NACA, que são referenciadas com um certo número
de algarismos após a sigla “NACA”.
A primeira série desenvolvida, a Série 4, tem a forma NACA XYZW, em que X representa a flecha
máxima em percentagem da corda, Y representa a localização ao longo da corda (a partir do
bordo de ataque) da flecha máxima em décimas da corda, e ZW representa a espessura máxima
em percentagem de corda.
As outras séries têm outras regras, embora em geral se foquem em definir coeficientes de
sustentação, localização do ponto de flecha máxima e a espessura máxima.
De acordo com Anderson (1991), a Série 6 é uma das séries mais usadas atualmente. É dedicada
a escoamento laminar e tem a forma NACA 6X-YZW, sendo 6 usado para representar a série. X é
a localização (a partir do bordo de ataque) do ponto de menor pressão, para sustentação nula,
Aerodinâmica Básica
Março de 2015
10/17
em décimas da corda. Y representa o coeficiente de sustentação, em décimas, para um ângulo de
ataque ideal e os últimos dois têm o mesmo significado que tinham na Série 4.
Existem várias outras séries NACA, algumas delas, como as séries 7 e 8, para aplicações muito
específicas (a série 8, por exemplo, é para perfis a velocidades supercríticas), mas a sua discussão
detalhada transcende o propósito deste relatório. É de notar que existem bases de dados muito
extensas com vários perfis alares já estudados e disponíveis (como por exemplo http://m-
selig.ae.illinois.edu/ads/coord_database.html).
3. Asas
3.1 Geometria das asas
A análise das asas é muito importante aquando da análise de um avião pois são estas que geram
sustentação e permitem ao avião voar. Esta análise já foi abordada anteriormente neste trabalho
com a análise do perfil alar, porém, para se avaliar completamente a capacidade de sustentação
de um avião, é necessário também recorrer a uma análise tridimensional das suas asas e
respectiva geometria.
Para a análise da geometria das
asas é necessário introduzir novos
conceitos, para além dos já
apresentados anteriormente. Como
se observa na figura 7, define-se a
raiz de uma asa como a sua
extremidade junto á fuselagem e o
seu bordo marginal como a
extremidade do lado oposto à
anterior. Outro conceito importante a apresentar é ainda a envergadura s, que consiste na
distância entre estes dois bordos, medida em linha reta. Assim, a envergadura de uma asa pode
ser entendida como o comprimento desta.
A partir destes novos conceitos, e recorrendo também aos anteriormente conhecidos do perfil
alar, podemos estabelecer novas relações que nos permitem analisar a geometria das asas. Um
desses casos é o alongamento (AR):
(7)
Em (7) s representa a envergadura da asa e A a área da mesma. A equação (7) mostra que o
alongamento relaciona o comprimento da asa com a sua área, permitindo concluir quão longa e
fina esta é. Assim, quanto maior o alongamento da asa, maior é a envergadura em relação á
corda média.
Outra relação que podemos definir é o afilamento da asa, que estabelece uma relação entre a
corda no bordo marginal, cBM, e a corda na raiz, cR, da asa e estabelece assim um indicador do
quanto a corda da asa varia:
Figura 7: Nomenclatura das dimensões características de uma asa. Fonte: [20]