Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Dinâmica de Veículos 2/2013 Profa. Suzana Moreira Avila AERODINÂMICA AULA 7 Aerodinâmica – DEFINIÇÃO A aerodinâmica é o estudo do movimento de fluidos gasosos, relativo às suas propriedades e características, e às forças que exercem em corpos sólidos neles imersos. Aerodinâmica – DEFINIÇÃO Relacionada com a capacidade que um determinado corpo tem para enfrentar a barreira de ar que se forma a sua frente durante um deslocamento em alta velocidade. Aerodinâmica Veicular Aerodinâmica Veicular • A primeira preocupação dos construtores foi justamente com o problema da resistência aerodinâmica, já que esta afeta sensivelmente a potência consumida pelo veículo. • Embora os primeiros estudos detalhados tenham sido iniciados em 1920,até o dia de hoje a maioria dos carros possuem uma forma que leva a um desperdício de potência da ordem de 30 a 40%. Fonte: Apostila Prof. Nicolazzi Forças Aerodinâmicas Forças Aerodinâmicas http://autoentusiastas.blogspot.com.br Arrasto Força gerada quando um objeto sólido se move através de um meio fluido como água ou ar. Ela aumenta com a velocidade. Arrasto 2 2 1 VACF AA ρ= • Força de arrasto • CA = coeficiente de arrasto 3/22557.1 mKgar =ρ Coeficiente de Arrasto • Quanto menor o coeficiente de arrasto CA melhor a aerodinâmica do veículo. •Superfícies suaves e arredondadas permitem que o ar flua melhor reduzindo o arrasto. Ex.: gota d’água. •Carros atuais tem um CA por volta de 0,3. Picapes “quadradonas” tem um CAem torno de 0,4. Fonte: www.howstuffworks.com Coeficiente de Arrasto • Veículo híbrido Toyota Prius, tem CA = 0,26. Uma redução no CA em 0,1 pode diminuir o consumo em 0,09 Km/l Fonte: www.howstuffworks.com Coeficiente de Arrasto Coeficiente de Arrasto Fonte: Apostila PUCRS/DEM Prof. Jorge V. Alé Desenvolvimento da camada limite • A equação de Bernoulli explica como pressão e velocidade devem variar em um fluxo de ar bruto ao longo de uma carroceria. • Na ausência de atrito o ar simplesmente flui sobre o capô e em seguida desce para a traseira do veículo, trocando pressão por velocidade como foi feito na parte dianteira. • Neste caso as pressões na traseira do veículo se balanceariam exatamente com as da parte dianteira e nenhum arrasto seria produzido. Desenvolvimento da camada limite • A formação da camada limite é função da viscosidade do fluido, da condição de aderência da parede (fricção na superfície) . • O desenvolvimento da camada limite inicia-se laminar mas eventualmente torna-se uma camada limite turbulenta. Desenvolvimento da camada limite • Devido a um gradiente de pressão adverso existe a separação da camada limite. • Este ponto age revertendo o escoamento, desta forma o escoamento deixa de estar “colado” a superfície do corpo. Desenvolvimento da camada limite • O fenômeno da separação da camada limite é instável, ou seja, o ponto de separação oscila sobre o corpo. • Vórtices são fomados e o fluxo é bastante irregular nesta região. Desenvolvimento da camada limite Desenvolvimento da camada limite Formas de baixa resistência aerodinâmica Fonte: Apostila Prof. Nicolazzi CA = 0,05 CA = 0,20 A presença do solo perturba as linhas de fluxo. A proximidade do solo torna o fluxo assimétrico Formas de baixa resistência aerodinâmica Fonte: Apostila Prof. Nicolazzi Os fusos apresentam bons resultados quando afastados do solo. Formas de baixa resistência aerodinâmica Fonte: Apostila Prof. Nicolazzi Meio fuso: forma eficiente quando o veículo fica bem próximo ao solo. O que na prática não é muito adequado pois em todos os veículos de passeio existe um vão entre o fundo e o solo da ordem de 250 mm. Formas de baixa resistência aerodinâmica Fonte: Apostila Prof. Nicolazzi De forma a possibilitar este espaço a forma indicada é a intermediária entre entre o fuso e o semi-fuso, ou seja um fuso assimétrico. CA = 0,13 Formas de baixa resistência aerodinâmica – Forma J Fonte: Apostila Prof. Nicolazzi Formas de baixa resistência aerodinâmica – Forma J CITROEN DS PORSCHE 911 Formas de baixa resistência aerodinâmica – Forma J • Carrocerias com este formato apresentam vantagem de que a camada limite conserva-se ligada até o final, o que implica em turbulência e CA baixos. • No entanto para que isto seja possível, o comprimento do carro deve ser grande, o que é uma desvantagem. Procurou-se contornar o problema encurtando a parte traseira do veículo. • Porém a camada limite não se mantém colada até o final, o que causa um aumento significativo da turbulência na traseira aumentando a resistência do ar. VW SEDAN Formas de baixa resistênia aerodinâmica – Forma K • Por volta de 1940, o Prof. Kamm apresentou sua concepção: a traseira do veículo cortada, apresentando uma superfície e não uma ponta ou aresta. Formas de baixa resistênia aerodinâmica – Forma K • A solução apresenta uma resistência superior à forma J original mas com comprimento de carro bem menor. Formas de baixa resistênia aerodinâmica – Forma K • Para as duas formas com o mesmo comprimento a forma de Kamm possui menor coeficiente de resistência pois a área de turbulência é sensivelmente menor. Formas de baixa resistência aerodinâmica – Estudos de Lay Meios de diminuir a resistência do ar Sucção da camada limite (refrigeração de motor traseiro Ex. Porsche 911 Meios de diminuir a resistência do ar Palhetas direcionais Meios de diminuir a resistência do ar Cantos auxiliares Distribuição de Pressão • O estudo de como se distribui a pressão, sobre a carroceria do veículo, permite uma previsão do seu comportamento. • O veículo pouco aerodinâmico apresenta distribuição de pressão bastante irregular, com picos acentuados. Essas irregularidades correspondem a flutuações bastante bruscas de velocidade do fluido e consequente formação de turbulência. Distribuição de Pressão Distribuição de Pressão Força de sustentação Força de sustentação • Princípios físicos fundamentais: Terceira lei de Newton e o Princípio de Bernoulli. • Se existir um ângulo positivo entre a asa e a direção do escoamento, o ar é forçado a mudar de direção, assim, a parcela de escoamento na parte inferior da asa é forçada para baixo e em reação a essa mudança de direção do escoamento na parte inferior da asa, a mesma é forçada para cima, ou seja, a asa aplica uma força para baixo no ar e o ar aplica na asa uma força de mesma magnitude no sentido de empurrar a asa para cima. • Essa criação da força de sustentação pode ser explicada pela terceira lei de Newton, ou seja, para qualquer força de ação aplicada existe uma reação de mesma intensidade, direção e sentido oposto. • O ângulo pelo qual o escoamento é defletido por uma superfície geradora de sustentação é chamado de ângulo de ataque induzido “downwash angle”. Força de sustentação • Princípios físicos fundamentais: Terceira lei de Newton e o Princípio de Bernoulli. • Se existir um ângulo positivo entre a asa e a direção do escoamento, o ar é forçado a mudar de direção, assim, a parcela de escoamento na parte inferior da asa é forçada para baixo e em reação a essa mudança de direção do escoamento na parte inferior da asa, a mesma é forçada para cima, ou seja, a asa aplica uma força para baixo no ar e o ar aplica na asa uma força de mesma magnitude no sentido de empurrar a asa para cima. • Essa criação da força de sustentação pode ser explicada pela terceira lei de Newton, ou seja, para qualquer força de ação aplicada existe uma reação de mesma intensidade, direção e sentido oposto. • O ângulo pelo qual o escoamentoé defletido por uma superfície geradora de sustentação é chamado de ângulo de ataque induzido “downwash angle”. Princípio de Bernoulli "Se a velocidade de uma partícula de um fluido aumenta enquanto ela escoa ao longo de uma linha de corrente, a pressão do fluido deve diminuir e vice-versa". Equação de Bernoulli ����Á���� + � �� ��� = ������ ����Á���� + 1 2 ��� = ������ ρ = densidade do ar V = velocidade do ar Princípio de Bernoulli • O principio de Bernoulli prediz que a energia total de uma partícula deve ser constante em todos os pontos de um escoamento. • Na parte superior de uma asa a velocidade do ar é maior (as partículas percorrem uma distância maior no mesmo intervalo de tempo quando comparadas à superfície inferior da asa), logo, a pressão estática na superfície superior é menor do que na superfície inferior, o que acaba por criar uma força de sustentação de baixo para cima. Princípio de Bernoulli Para o caso de um perfil inclinado de um ângulo positivo em relação à direção do escoamento, as partículas de ar terão uma maior velocidade na superfície superior do perfil quando comparadas a superfície inferior, desse modo, a diferença de pressão estática existente entre a superfície superior e inferior será a responsável pela criação da força de sustentação. Princípio de Bernoulli Variação da pressão ao longo do fluxo de ar sobre um cilindro Downforce Primeiro prototipo de competição com assas geradoras de downforce Downforce Assim como uma asa de avião, conforme o carro avança pelo ar parte dele escoa por cima do carro, enquanto outra parte passa por baixo dele. E da mesma forma que a asa de um avião, o ar que passa por cima é obrigado a fazer um percurso curvo, mais longo que o percurso reto do ar que passa por baixo do carro. Isto gera uma força de sustentação orientada de baixo para cima da mesma forma que a asa do avião, aliviando o contato entre os pneus e o solo. http://autoentusiastas.blogspot.com.br Downforce A aerodinâmica é focada não somente na redução do arrasto como também na geração de sustentação negativa passou a ser considerada uma ciência chave da indústria automobilística. Os aerofólios foram os primeiros dispositivos utilizados nos carros de corrida visando o aumento de peso aparente sobre os componentes pneumáticos. Confinamento da lâmina de ar sobre o carro Conforme o carro avança sobre a pista em alta velocidade, a parte superior da lâmina de ar sob o carro adere ao assoalho irregular e cheio de saliências do carro, e ao solo parado na parte inferior. Este processo, chamado de cisalhamento da lâmina de ar, gera um fluxo altamente turbulento entre o carro e o piso. Confinamento da lâmina de ar sobre o carro • O ar turbulento sob o carro se desloca como os rolos de um rolamento. Sendo o ar um fluido, a centrifugação tende a expandir estes rolos, mas como o fluxo encontra- se confinado entre o assoalho do carro e o piso, estes rolos geram uma pressão que tende a separar o carro do piso. Isto gera uma componente adicional de sustentação. • Outra propriedade da lâmina turbulenta sob o carro é a de formar um colchão de ar muito consistente. Conforme o nível da pista oscila, quando o piso sobe, o colchão empurra o carro para cima, e quando o piso desce, o colchão segura o carro elevado. Confinamento da lâmina de ar sobre o carro Podemos ter uma noção de quanto esse fluxo é turbulento e energético ao observar um carro andando em alta velocidade sobre uma pista molhada. O turbilhonamento é capaz de retirar água da pista além daquela projetada pelos pneus, mantê-la suspensa no fluxo, até ela ser ejetada na zona de baixa pressão atrás do carro. Confinamento da lâmina de ar sobre o carro A melhor forma de reduzir o cisalhamento da lâmina de ar é adotando um fundo o mais plano e liso possível. Assim, há pouca aderência da lâmina de ar ao assoalho do carro. Confinamento da lâmina de ar sobre o carro • O ar frontal que entra por baixo do carro está sob alta pressão, e esta pressão vai caindo até chegar na zona de baixa pressão atrás do carro. Embora a força de sustentação esteja distribuída ao longo de todo comprimento do carro, o gradiente decrescente de pressão alivia mais o contato do solo das rodas da frente que as rodas de trás. • O ângulo do assoalho do carro em relação ao solo é uma componente adicional ao fenômeno do confinamento. • Se o assoalho estiver mais alto na frente, uma grande quantidade de ar ficará presa sob o carro e será comprimida para sair pela estreita passagem traseira. Esta compressão cria uma considerável força de sustentação positiva indesejável. Confinamento da lâmina de ar sobre o carro • Nos automóveis, o ideal é usar o assoalho inclinado para a frente, coletando pouco ar na frente por uma passagem estreita, que acelera o fluxo e diminui dinamicamente a alta pressão desse ar, assim como num carburador, e este ar precisará se expandir para passar pela larga passagem traseira, gerando força vertical descendente (downforce). Resistência Aerodinâmica ACqD XA ⋅⋅= � pressão dinâmica ⇒ q = 0.5ρV² � coeficiente de arrasto ⇒C x � área frontal ⇒ A � densidade do ar⇒ ρ onde, ρ = 1.22557 kg/m³ (15ºC; 760mmHg) Resistência Aerodinâmica ACqD XA ⋅⋅= Referências � Gillespie T.D., Fundamentals of Vehicle Dynamics, SAE, 1992 � Nicolazzi L.C., Leal L.C.M. & Rosa E., Introdução a Teoria de Veículos, 2007. � http://autoentusiastas.blogspot.com.br
Compartilhar