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TRABALHO DE ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA – APS
PROPULSÃO DE CARRO À AR COMPRIMIDO
MAIO DE 2013
TRABALHO DE ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA – APS
PROPULSÃO DE CARRO À AR COMPRIMIDO
	Nome
	R.A.
	Thiago Ricci dos Santos
Douglas Eduardo Costa Gomes
Fernando Norberto Vicente Campos
Wilke Marques
	B3873G-7
B46GHJ-9
B22DDG-5
B206ED-9
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
MAIO DE 2013
Introdução
Até hoje não se sabe ao certo quem descobriu primeiro os princípios da propulsão a jato. Os historiadores afirmam que Heron, sábio matemático egípcio inventou um aparelho chamado copilia, constituído por uma esfera rotativa, movida por vapor d’ água, saindo através de bocais presos a referida esfera. A água era colocada numa bacia e depois de vaporizada, passava para a esfera, escapando pelos bocais fazia a esfera girar.
Propulsão é o processo de alterar o estado de movimento ou de repouso de um corpo em relação a um dado sistema de referência. Este processo pode ser realizado por vários meios, usando-se fontes de energia diversas, por exemplo, a energia das ligações químicas moleculares, a energia elétrica armazenada em baterias ou proveniente de painéis solares, a energia nuclear de reações de fissão nuclear e a energia do decaimento de radioisótopos. Um corpo pode ser acelerado através de fontes de energia internas, isto é, transportadas junto com ele, como é o caso de combustíveis armazenados em tanques, ou por fontes externas, como é o caso da pressão de radiação solar. Os meios de propulsão são utilizados para mover aviões, veículos espaciais, automóveis, trens, navios, submarinos, etc.
1.1 Estágios iniciais de desenvolvimento
Devido à corrida armamentista na segunda guerra mundial, houve uma busca desenfreada pelo melhor sistema de propulsão a jato, já que os motores a foguete eram ineficientes para serem usados na aviação. Em seu lugar, por volta dos anos da década de 1930, o motor a combustão internaem suas diversas formas (rotativos, radiais, ar-refrigerados e refrigerados a água em linha) eram os únicos tipos de motores viáveis para o desenvolvimento de aviões. 
Esses motores eram aceitáveis em vista das baixas necessidades de desempenho então exigidas, dado o menor desenvolvimento dos meios técnicos.
Entretanto, os engenheiros estavam já a prever, conceitualmente, que o motor a pistão era auto-limitado em termos de desempenho; o limite era e é dado essencialmente pela eficiência da hélice. Isto se dá quando as lâminas da hélice aproximam-se da velocidade do som.
 Se a desempenho do motor, assim como a do avião, aumentasse sempre, mesmo com essa barreira, ainda assim haveria a necessidade de se melhorar radicalmente o desenho do motor a pistão ou um tipo completamente novo de motor teria que ser desenvolvido.
O princípio da propulsão baseia-se na terceira lei de Newton, a lei da ação e reação, que diz que "a toda ação corresponde uma reação, com a mesma intensidade, mesma direção e sentidos contrários".
1.2 Revolução NACA
A NACA foi criada pelo governo dos Estados Unidos em 1915. Após um início tímido chegou à década de 1930 com quatro grandes laboratórios, 500 funcionários e sendo considerada uma referência na solução de todo tipo de problema relacionado ao vôo e à fabricação de aviões.
 Sua importância cresceu durante a Segunda Guerra Mundial, e em 1947 desenvolveu o X-1, o primeiro avião a quebrar a barreira do som.
Em outubro de 1957, a URSS pôs em órbita o Sputnik, o primeiro satélite artificial, e o governo norte-americano temeu ficar para trás na exploração espacial. 
Em julho de 1958, a NACA trocou o C de conselho pelo S de space e surgiu a NASA. A nova agência começou a funcionar em outubro do mesmo ano, com três laboratórios 8 mil funcionários e um orçamento de 100 milhões de dólares, com a missão de colocar os EUA na liderança do que mais tarde ficaria conhecido como a corrida espacial.
Objetivo
O intuito do presente projeto é estudar o comportamento da mecânica de fluidos com relação ao desenvolvimento de um carro movido a ar comprimido. Assim, utilizando os conceitos fundamentais de estática dos fluidos e dinâmica dos fluidos.
A elaboração do projeto deve contar com a confecção da parte textual e prática do modelo funcional do carro à jato de modo aos alunos utilizarem os conhecimentos iniciais da engenharia no conceito prático e desenvolverem o poder de trabalho em grupo.
3. Bibliografia Básica
3.1. Motivação do desenvolvimento de turbinas
Quando se pensa em propulsão a ar comrpimido deve-se levar em conta o desenvolvimento e estudo da aerodinâmica a indústria aeronáutica. 
Esta é a motivação que está por trás do desenvolvimento da turbina a gás (figura 1), comumente chamada apenas por "motor a jato", a qual poderia ser quase tão revolucionária para a aviação quanto o primeiro vôo de Santo Dumont.
Figura 1: Motor turbojato.
3.1.1 Motor Turbojato
Um motor turbojato é um tipo de motor de combustão interna normalmente usado para impulsionar aviões. O ar é sugado por um compressor rotativo e é comprimido, em sucessivos estágios para maiores pressões antes de passar pela câmara de combustão. O combustível é misturado ao ar comprimido e é queimado na câmara de combustão com o auxílio de ignitores. 
O processo de combustão eleva significativamente a temperatura do gás, fazendo com que os gases expelidos expandam-se através da turbina, na qual a força é extraída para movimentar o compressor. Embora este processo da expansão reduza a temperatura e a pressão do gás na saída da turbina, ambas estão ainda muito acima das condições naturais. 
O gás de em expansão sai da turbina através dos bocais de saída do motor, produzindo um jato de alta velocidade. Se a velocidade do jato exceder a velocidade de vôo do avião, existirá uma pressão de aceleração sobre a fuselagem.
Sob condições normais, a ação bombeadora do compressor impede a existência de qualquer contra-fluxo, facilitando o fluxo contínuo do motor. O processo inteiro é similar ao motor de quatro tempos, mas a admissão, compressão, explosão e exaustão se dão ao mesmo tempo em diferentes seções do motor. A eficiência mecânica do motor dependerá fortemente da razão de compressão (pressão de combustão/pressão de entrada) e da temperatura da turbina no ciclo.
A comparação entre motores a jato e motores a hélice é instrutiva. Um turbojato acelera intensivamente uma pequena quantidade de ar, enquanto um motor a hélice move uma relativamente grande quantidade de ar a uma velocidade significativamente menor. 
Os gases de exaustão rápidos de um motor a jato os fazem mais eficientes em altas velocidades, especialmente em velocidades supersônicas e em grandes altitudes. Em aviões mais lentos, requeridos para vôos curtos, um avião equipado com uma turbina a gás que move uma hélice, comumente conhecido como turbo-hélice, é mais comum e muito mais eficiente. 
Aviões muito pequenos normalmente usam motores convencionais, a pistão, para mover a hélice, mas motores turbo-hélice pequenos estão ainda menores com o surgimento de melhorias na engenharia.
O turbojato descrito acima é um turbo jato de eixo simples, no qual um único eixo conecta a turbina ao compressor. Projetos que atingem altas pressões possuem dois eixos concêntricos, que melhoram a estabilidade durante a aceleração do motor.
 O eixo de alta pressão externo liga-se ao eixo da turbina. Este, com o pós-combustor, formam o núcleo ou gerador de gás da turbina. O eixo interno conecta-se ao compressor de baixa pressão da turbina. Ambos ficam livres para operar em velocidades ótimas.
3.1.2 Motor Turbofan
Grande parte dos aviões comerciais atuais são equipados com motores turbofans (figura 2), nos quais um compressor de baixa pressão age como um ventilador, levando ar não apenas para o centro do motor, mas também para um duto secundário. O fluxo de ar secundário passar por um "bocal frio" ou é misturado comgases de exaustão à baixa pressão da turbina antes de se expandir com os gases do fluxo principal.
Figura 2: Motor turbofan.
Quarenta anos atrás havia pouca diferença entre motores a jato civis e militares, aparte o uso de pós-combustores em algumas aplicações (supersônicas).
Turbofans de uso civil dos dias atuais possuem um baixo empuxo específico (empuxo líquido dividido pelo fluxo de ar) para manter o barulho do jato a um mínimo aumentar a eficiência do de combustível. Conseqüentemente a relação de permeabilidade (fluxo de ar secundário dividido pelo fluxo do núcleo) é relativamente alta (relações de 4:1 a 8:1 são comuns). Um único ventilador é necessário, dado que o baixo empuxo específico implica uma baixa pressão do ventilador.
Os turbofans atuais, no entanto, têm um empuxo específico relativamente alto, para maximizar o empuxo para uma dada àrea frontal, e o barulho sendo uma pequena conseqüência. Os fans multi-estágio são requeridos normalmente para alcançar um índice de pressão do fan relativamente alto necessário para um empuxo específico. Apesar de altas temperaturas na entrada da turbina são freqüentemente empregadas, o índice de passagem de ar secundário (bypass) tende a ser baixo (normalmente significativamente inferior a 2.0).
3.1.3 Motor a jato
O motor a jato é um motor feito para empurrar, usando a terceira lei de Newton. A ação de forçar massa em forma de gases quentes para uma direção gera uma força em sentido contrário.
Todas as peças que estão dentro do motor a jato têm a finalidade de captar o ar e expulsá-lo com a maior velocidade possível.
Todos os motores a jato e turbinas a gás são motores de calor que convertem energia térmica em trabalho útil. O trabalho pode ser útil na forma de energia mecânica, a partir de um eixo que pode ser usado para acionar uma hélice, um veículo, uma bomba, um gerado elétrico, ou qualquer outro dispositivo mecânico.
3.2. Considerações Iniciais da propulsão
	As entradas de ar submersas tipo NACA, tal como mostrada na figura 3, têm sido amplamente usadas como fonte de ar externo para os sistemas de ar condicionado, ventilação e refrigeração. 
Figura 3: Detalhe da entrada de NACA com defletores.
	Os critérios de projeto deste tipo de entradas foram estabelecidos entre os anos 1940 e 1960. Os principais objetivos dos trabalhos experimentais desenvolvidos nestes anos, os quais foram conduzidos pela NACA, National Advisory Committee for Aeronautics, foram determinar a influência sobre o desempenho deste tipo de entradas de ar dos parâmetros aerodinâmicos e geométricos.
	Os parâmetros aerodinâmicos que foram avaliados foram: o número de Mach (M), o ângulo de ataque, a vazão mássica e a espessura da camada limite.
	O posicionamento da entrada, o ângulo do bordo da entrada, a forma da rampa da entrada e dos defletores de escoamento, foram os principais parâmetros geométricos das entradas de ar, cuja influência sobre seu desempenho foi avaliada.
	Dentre as referências analisadas, apenas uma pequena quantidade contém informações sobre o escoamento a montante da entrada de ar. Estas informações são indispensáveis quando se deseja realizar comparações entre resultados experimentais e aqueles obtidos através de simulações numéricas. Além disto, os procedimentos experimentais adotados nem sempre são detalhados.
	A maior parte dos trabalhos recentes empregam técnicas de CFD para a modelagem do escoamento em entradas de ar para o motor da aeronave, tanto em condições de escoamento subsônico como em condições de escoamento supersônico.
	Diversas tentativas foram realizadas a fim de melhorar o desempenho das entradas de ar submersas, as quais utilizam diferentes técnicas. Sendo elas:
Geradores de vórtices;
Defletores de escoamento;
Otimização de parâmetros geométricos, e
Jatos pulsantes.
No que tange ao uso de geradores de vórtices especificamente, dois trabalhos se destacam: o primeiro usa um gerador de vórtices tipo asa delta, e o segundo usa uma técnica de geração de vórtices.
Os autores não mostram os detalhes do gerador de vórtices utilizado, mas a característica comum às técnicas usadas com a finalidade de aumentar o desempenho das entradas de ar submersas, e cujos resultados foram satisfatórios, é a modificação do conteúdo da energia da camada limite que se desenvolve à montante da entrada.
	A maneira clássica de avaliar o desempenho das entradas de ar leva em conta três parâmetros. O primeiro é a vazão mássica de ar que ingressa na entrada, ou mais precisamente, a razão entre esta vazão mássica e a vazão mássica teórica que ingressaria na entrada em condições de escoamento não perturbado. O segundo é a eficiência de recuperação de pressão dinâmica da entrada, a qual é definida como a razão entre a pressão dinâmica na garganta da entrada e a pressão dinâmica no escoamento não perturbado. O terceiro parâmetro é o coeficiente de arrasto na entrada.
3.2.1 Primeiros Trabalhos
	Hall e Barclay reportaram os resultados de um trabalho experimental utilizando entradas de ar submersas tipo NACA, as quais foram posicionadas em quatro diferentes locais da fuselagem de um modelo de avião de caça, para números de Mach de 0,30 a 0,875. 
	As medições da camada limite sobre a fuselagem indicaram que a espessura de camada limite cresce com o aumento do número de March. Este resultado foi atribuído ao deslocamento à montante do ponto de transição de escoamento laminar/turbulento ao longo da fuselagem com o incremento do número de Reynolds.
	As conclusões mais importantes dos trabalhos foram que a eficiência de recuperação de pressão dinâmica é grandemente afetada pelas variações na vazão mássica na entrada, e que em geral a influência das variações do número de Mach é pequena.
	Posteriormente Hall e Frank complementaram este trabalho experimental, incluindo o estudo da influência do ângulo do bordo da entrada (lip angle) e do uso de defletores de escoamento. Os detalhes são mostrados na figura 4 a seguir.
Figura 4: Detalhes dos defletores e o escoamento do ar.
	Os autores concluíram que os maiores valores de eficiência de recuperação de pressão dinâmica são obtidos nas posições mais próximas ao nariz da aeronave, que, ao incrementar a espessura de camada limite a eficiência diminui. Além disto, a presença dos defletores de escoamento resultou em um aumento do valor máximo da eficiência de recuperação de pressão dinâmica e a vazão mássica onde este valor ocorreu.
	Delany testou um modelo de avião caça em escala 1:4 equipado com entradas NACA. Neste trabalho foram testados diferentes comprimentos do duto que une as entradas e o motor, e também foram consideradas entradas NACA com defletores, conforme mostrado na figura 5.
Figura 5: Teste geral de Delany.
	Os testes foram realizados nas duas posições longitudinais da entrada NACA ao longo da fuselagem. A primeira localizada a montante da asa do modelo, e a segunda situada sobre o ponto de espessura máxima da asa, onde a camada limite é mais espessa do que na primeira posição. 
	Os resultados obtidos indicaram maiores valores de eficiência de recuperação de pressão dinâmica nas posições dianteiras do modelo, como era esperado.
	Por outro lado, os estudos das características do escoamento indicaram a formação de regiões de baixa velocidade perto das paredes de rampa da entrada NACA. Testes com fumaça mostraram que o escoamento de ar ao longo da rampa seguia a direção das paredes divergentes da rampa, enquanto que o escoamento de ar ao longo da fuselagem era praticamente paralelo ao escoamento não perturbado. Consequentemente, na parte superior da rampa ocorria uma mudança repentina na direção do escoamento de ar, o que finalmente originava a formação de escoamento rotacional.
	Duas entradas de ar submersas foram testadas por Mossman, as quais possuíam uma razão largura/altura de 4/2 e ângulo de inclinação da rampa de 7o. A diferença entre estas duas entradas consistia na forma das paredes da rampa: paralelas ou divergentes. Os testes foram feitos variando o número de Mach entre 0,2e 0,9. Os resultados mostraram que a entrada com rampa de paredes divergentes possui melhor desempenho em altos números de Mach, quando comparada à entrada com rampa de paredes paralelas.
Isto foi atribuído às diferenças nas características da camada limite sobre a entrada. Para ambas as entradas, a diminuição da eficiência de recuperação de pressão dinâmica com a diminuição da vazão mássica foi atribuída ao espessamento da camada limite, como consequência dos gradientes de pressão adversos ao longo da rampa da entrada.
	Para números de Mach entre 0,8 e 0,9; ondas de choque ocorreram em ambas às entradas, o que sugere que modificações das geometrias das entradas deveriam ser feitas a fim de deslocar a onda de choque para o mais próximo possível do início da rampa inclinada. 
	Frank e Taylor compararam as características transônicas de uma entrada de ar tipo scoop e uma entrada de ar tipo NACA através de testes de túnel de vento. Os testes foram feitos variando-se o número de Mach entre 0,79 e 1,12; para os ângulos de ataque de 0, 3, 6 e 9o. A fim de prover diferentes vazões mássicas, restrições na área de saída do duto foram impostas. Para valores da razão entre esta vazão mássica que ingressa na entrada e vazão mássica teórica que ingressaria na entrada em condições de escoamento não perturbado menores do que 0,5; a eficiência da entrada NACA foi superior que a correspondente da entrada scoop, para todos os números de Mach e ângulos de ataque testados. 
	Para baixos ângulos de ataque e números de Mach subsônicos as entradas submersas apresentaram eficiência maior ou igual do que as entradas scoop. Porém, incrementos do ângulo de ataque originaram efeitos negativos maiores sobre a eficiência da entrada submersa do que sobre a eficiência da entrada scoop. 
	O efeito do número de Mach foi pequeno em ambos os tipos de entradas. Testes realizados com camadas limites mais espessos mostraram que as perdas na eficiência e vazão mássica foram maiores para a entrada scoop.
3.2.2 Incrementos da propulsão
	Taylor apresenta uma análise comparativa das medições do arrasto e eficiência de recuperação de pressão dinâmica para uma entrada NACA e outras duas configurações resultantes de modificações das paredes laterais da mesma. Este trabalho foi conduzido em um túnel de vento, para uma faixa de números e Mach entre 0,8 e 1,11. Resultados anteriores mostraram que os vórtices formados sobre as paredes divergentes da rampa, os quais permitiam uma maior ingestão de ar quando comparado ao caso de uma rampa com paredes paralelas, também induziam ar de baixa energia proveniente da camada limite para dentro da entrada NACA, afetando assim negativamente os valores da eficiência de recuperação de pressão dinâmica na entrada. 
	A fim de verificar a possibilidade de reduzir a intensidade dos vórtices nas paredes laterais da rampa, deslocando-os da região central, o ângulo entre o chão e as paredes laterais da rampa da entrada NACA foi aumentando, conforme mostrado na figura 6 a seguir.
Figura 6: Representação de uma entrada NACA modificada.
	Os resultados obtidos mostraram que para o valor mais alto de vazão mássica testada as versões modificadas da entrada geralmente levaram a maiores 
	Os resultados obtidos mostraram que para o valor mais alto de vazão mássica testado as versões modificadas da entrada geralmente levaram a maiores valores de eficiência de recuperação de pressão dinãmica do que a entrada não modificada. Esta melhoria na eficiência foi atribuida ao efeito conjunto do deslocamento lateral dos vórtices gerados nas paredes da rampa e pela fuga da camada limite acumulada nas paredes da rampa, parte da qual deixa de ser ingerida pela entrada.
	Com relação aos efeitos do número de Mach e ângulo de ataque, as comparações realizadas indicaram que, para todos os casos testados, as duas entradas modificadas resultaram em valores iguais ou maiores de eficiência de recuperação de pressão dinâmica. No que diz respeito ao arrasto, as mudanças não foram significativas para números de Mach menores do que um (M< 1).
	Demard testou várias formas de entradas de ar auxiliares em um túnel de vento para números de Mach na faixa de 0,55 a 1,3. Os testes foram feitos usando duas formas diferentes de entrada submersa, uma com rampa de paredes paralelas, e a outra com rampa de paredes divergentes. A inclinação do duto de saída foi variada entre 15 e 90o. A entrada com 15o levou aos melhores resultados, em termos de eficiência, para números de Mach menores do que um (M⩽ 1).
	A pesquisa bibliográfica realizada a fim de estabelecer o estado da arte das entradas NACA mostrou que existe uma enorme lacuna entre a metade dos anos 1950 e o final dos anos 1990, durante a qual aparentemente não foram realizados trabalhos relacionados às entradas submersas, razão pela qual não se encontraram referências disponíveis para consulta. Se os trabalhos feitos durante os anos de 1940 e 1950, como é esperado, envolveram experimentos, com o advento das técnicas de Dinâmica dos Fluídos Computacional (CFD) e o incremento da potência computacional, os trabalhos mais recentes aliam frequentemente esforços experimentais aos numéricos. Este capítulo apresenta um resumo das publicações recentes mais importantes e, especificamente, as desenvolvidas entre os anos 1994 e 2004.
	Farokhi discute o conceito dos geradores de vórtices inteligentes e suas variantes, os geradores de vórtices inteligentes tetraédricos (STVG), mostrados na figura 7, e sua aplicação ao projeto de componentes de turbinas a gás usadas nas aplicações aeronáuticas.
Figura 7: Estrutura do escoamento a jusante o gerador de vórtices doublet e wishbone (a) e (b) Doublet VG em camada limite laminar e turbulenta, respectivamente; (c) e (d) Wishbone VG em camada limite laminar e turbulenta, respectivamente.
O principal objetivo deste trabalho foi estudar como os geradores de vórtices inteligentes poderiam evitar as perdas que comumente afetam o desempenho da entrada de ar do motor. Os testes usando STVG foram realizados sobre um aerofólio e uma nacele (suporte do avião). 
	Geradores de vórtices inteligentes tetraédricos, STVGs, são geradores de vórtices tipo rampa e equipados com um controlador pneumático que ajusta a altura do gerador de vórtices através de um sistema de controle fechado. Estes STVGs foram testados sobre um aerofólio de perfil NACA 4415. As medições de arrasto indicaram uma diminuição muito pequena do coeficiente de arrasto, porém o coeficiente de sustentação aumentou significativamente para ângulos de ataque do aerofólio maiores que 8,7o.
Um gerador de vórtices com uma cavidade de abertura de 60o e ângulo de inclinação da rampa de 8o foi posicionado sobre uma nacele supersônica bidimensional tipo convergente-divergente e a razão de pressão no bocal.
NPR (Nozzle Pressure Ratio) foi variada de 2 até 10, os resultados obtidos mostraram que, para baixos valores de NPR, ondas de choque ocorrem e que a interação dos vórtices com a onda de choque afasta a onda em direção à montante dos vórtices.
Rodriguez apresenta um método usado para o projeto de entradas de ar para o motor, o qual integra um modelo numérico baseado nas equações de Navier-Stokes, um simulador de motor e um otimizador não linear. A ingestão de camada limite, BLI (Boundary Layer Ingestion) é um conceito de projeto para um sistema de propulsão que poderia melhorar a eficiência propulsiva. Ao ingerir escoamento com baixa quantidade de movimento, proveniente da camada limite, reduz-se o arrasto de pressão do motor. Este conceito é utilizado para o projeto do chamado Blended-Wing-Body (BWB), um exemplo do qual é mostrado na figura 8, que é uma configuração de aeronave prevista para o transporte de passageiros.
Figura 8: Projeto conceitual do BWB.
Para todos os casos testados no trabalho de Rodriguez, a função objetivo adotada foi à quantidade de combustível a ser utilizada. O conjunto de variáveis de projeto incluiu variáveis geométricas da entrada e sua configuração, o ângulo de ataque para controlara sustentação, e os valores de pressão de saída para garantir compatibilidade entre o simulador do motor e do fluido.
Os resultados obtidos indicaram que o método é efetivo para a otimização deste tipo de configuração, e também permite identificar que o espaçamento lateral entre as naceles é a maior fonte de arrasto. 
	Uma análise computacional de uma entrada tipo NACA, inicialmente projetada com o objetivo de maximizar a eficiência de pressão de recuperação dinâmica, à qual foi adicionado um gerador de vórtices tipo asa delta, é descrita no trabalho de Faria e Oliveira. A geometria considerada foi de uma placa plana com 10 m de comprimento no centro da qual uma entrada NACA é posicionada. O domínio de cálculo foi limitado por um hemisfério com 10 m de raio, onde condições de escoamento não perturbado foram estabelecidas. Tanto a entrada NACA convencional como a entrada NACA com gerador de vórtices foram simuladas usando CFD. Modificações da configuração básica do gerador de vórtices, mostrado na figura 9, também foram testadas.
	De uma maneira geral, a inclusão do gerador de vórtices nas diversas configurações não foi benéfica, já que foram reportadas perdas na eficiência de recuperação de pressão dinâmica da ordem de 5 a 23%, quando comparado à entrada NACA sem gerador de vórtices, e aumento de arrasto de 25 e 53%.
Figura 9: Entrada NACA com gerador de vórtices.
	Devine et al., pesquisaram experimental e numericamente, a influência de um par de geradores de vórtices tipo aleta, cuja geometria não é detalhada, posicionados a montante de uma entrada submersa com rampa de paredes paralelas. Os resultados correspondentes à entrada sem o gerador de vórtices mostram que a eficiência de recuperação de pressão dinâmica é baixa, quando comparada à outras publicações. Acredita-se que isto tenha ocorrido devido à alta razão entre a espessura da camada limite e a profundidade da entrada 1,42. Com o uso dos geradores de vórtices, a espessura da camada limite parece ter diminuído e o ar com alta energia forçado a ingressar na entrada como consequência do downwash gerado pelos vórtices produzidos a montante da entrada. Este aspecto foi constatado tanto nos resultados numéricos como nos experimentais, nos quais a eficiência de recuperação de pressão dinâmica mostrou aumentos de 34 a 37%.
	Taskinoglu et al., estudaram o comportamento do escoamento do ar em uma entrada de ar submersa através de simulações numéricas. O trabalho considerou uma configuração de entrada genérica, mostrada na figura 10.
Figura 10: Entrada de ar submersa genérica.
 As condições de escoamento não perturbado corresponderam a uma pressão de 73kPa, a uma temperatura de 273K, e a um número de Mach de 0,7. Dois valores diferentes de pressão estática na saída do duto foram considerados: 73 e 80kPa.
Dos resultados foi observado que, quando a pressão estática na saída do duto é baixa o suficiente para o escoamento acelerar até velocidades supersônicas, uma onda de choque ocorre na parede superior da entrada, a qual cria distorção do escoamento e perdas de pressão total de cerca de 30% a jusante da garganta da entrada. Por outro lado, se a pressão estática na saída é aumentada a fim de manter o escoamento em velocidades subsônicas, estas altas pressões provocam uma desaceleração do escoamento nas partes inferiores do duto e o escoamento “escapa” para as regiões de baixa pressão, criando turbilhões ao longo das paredes do duto. Isto origina problemas de separação da camada limite e distorção do escoamento.
Taskinoglu et al., aplicaram um processo de otimização da forma de uma entrada de ar submersa subsônica, cuja representação esquemática é mostrada na figura 11, a fim de obter alta qualidade do escoamento de ar a montante do compressor. As variáveis escolhidas para medir a qualidade do escoamento foram a distorção do mesmo e o índice de turbilhonamento (swirl index). Para uma ampla faixa de possíveis deformações da configuração geométrica básica (a altura, o comprimento e o ângulo de incidência da aleta), a mudança das dimensões da aleta retangular posicionada na entrada do canal levou a uma baixa distorção do escoamento e/ou índice de turbilhonamento na seção de saída do canal.
Figura 11: Parâmetros usados na otimização da entrada.
	Os resultados das simulações numéricas para a entrada convencional, sem a aleta, mostraram que as variações na pressão total na seção de saída são da ordem de 1%. Porém, as variações em termos de velocidade são da ordem de 60%, indicando uma alta distorção do escoamento. O estudo de otimização levou à escolha de duas entradas ótimas, para as quais a altura e comprimento das aletas encontravam-se na faixa de 9 a 12 e 18 a 24 mm, respectivamente. Também foi determinado que o ângulo de incidência da aleta é o principal parâmetro que determina o valor do índice de turbilhonamento. 
3.2.3 Projeto atual das entradas NACA
	Como foi mencionado no capitulo anterior, um dos recursos pelos quais se tem procurado aumentar a eficiência das entradas tipo NACA é a utilização de geradores d vórtices. Sabe-se também que algumas indústrias aeronáuticas já têm utilizado esta tecnologia com resultados desconhecidos. Em particular, alguns modelos de Boeing 737 contam com este tipo de entrada de ar para alimentar o gerador auxiliar (APU, Auxiliary Power Unit) situado na cauda do avião. Porém, muito pouca, ou quase nenhuma, informação encontra-se disponível na literatura aberta sobre a influência dos principais parâmetros geométricos que determinam curvas de eficiência e arrasto destes tipos de entradas de ar.
	O pouco conhecimento que atualmente encontra-se disponível é referente às entradas de ar convencionais, conhecimento este oriundo de resultados empíricos, os quais se encontram publicados no ESDU (Engineering Sciences Data Unit).
	Esta base de dados resultou da compilação de um grande número de resultados experimentais, os quais foram obtidos entre os anos de 1940 e 1950. Os trabalhos realizados durante este período concluíram que a eficiência de recuperação de pressão dinâmica é fortemente influenciada por variações de vazão mássica, um aumento da espessura da camada limite acarreta uma diminuição da eficiência e que escoamento uniforme e permanente na garganta da entrada é requerido para se obter entradas de ar mais eficientes.
	Atualmente, o projeto de uma entrada de ar tipo NACA com rampa curvada divergente e operando em máxima eficiência de recuperação de pressão dinâmica é realizado seguindo as metodologias preconizadas pelo ESDU. 
Para uma determinada condição de vôo, e baseado em parâmetros pré-estabelecidos, tais como a geometria da entrada (forma da rampa, alongamento da garganta da entrada e outros), são determinados através de ábacos à espessura de camada limite, a eficiência e recuperação de pressão dinâmica, a vazão mássica, e o arrasto.
	Na figura 12 é mostrada uma representação esquemática em corte transversal de uma entrada NACA convencional, na qual se indicam as condições no escoamento não perturbado ou de corrente livre, assim como também a seção da garganta da entrada de ar. (ATH).
Figura 12: Representação esquemática em corte transversal e uma entrada NACA convencional.
	Um dos parâmetros chave para o projeto da entrada de ar é a sua eficiência de recuperação de pressão dinâmica, a qual pode ser definida como a razão entre a pressão dinâmica na garganta da entrada de ar e a pressão dinâmica no escoamento não perturbado, onde pt é a pressão total e p é a pressão estática. A equação 1 mostra a relação matemática.
	
	Equação 1
	A variação de eficiência da entrada é usualmente expressa em função da razão entre a vazão mássica que ingressa na entrada de ar e o valor de referência (mo), que corresponde ao valor máximo teórico que atravessaria a garganta da entrada de ar em escoamento não perturbado, ou de corrente livre. A equação 2 retrata a relação das variáveis.
	
	Equação 2
	Onde ρo é a massa especifica (ou densidade) do ar, Vo é a velocidade do escoamento e ATHé a área da garganta da entrada de ar.
	O coeficiente de arrasto total (cDfl) de uma entrada de ar, definido pela equação 3 como:
	
	Equação 3
	A equação 3 é decorrente da soma de dois termos: um termo de arrasto de pressão (ram drag), proporcional à vazão mássica que ingressa na entrada de ar, e um termo de arrasto viscoso (spillage drag), função da razão entre as vazões mássicas m/mo. Nesta equação, D é o arrasto total, componente da força na direção da velocidade do escoamento não perturbado, e (pto – po) é a pressão dinâmica no escoamento não perturbado.
4. Material e Método
A pesquisa de atividade prática supervisionada (APS) utilizou como material geral de montagem, o uso de garrafas PETs (utilizadas em refrigerantes de 2 litros) para reservatório de ar comprimido, suporte de madeira (compensado) para as garrafas PETs, rodas para movimento, mangueiras para armazenagem do ar comprimido e válvula para passagem de ar.
Alguns dos itens serão mencionados a seguir em detalhes referentes a montagem de um protótipo experimental utilizado pelos autores.
4.1 Reservatório de ar
Por regra deveremos utilizar garrafas PETs de 2 litros, assim sendo, para obter melhor rendimento, levamos em consideração alguns parâmetros fundamentais.
4.1.1 Resistência do vasilhame
Testou-se várias marcas e a que apresentou melhor resultado foi a de refrigerante da marca Dolly, sendo ainda utilizado um engate tipo rápido instalado na tampa do vasilhame, podendo ser observado pela figura 13 à seguir.
Figura 13: PET de Dolly (a) e detalhe em zoom do bico engate rápido (b) instalado na tampa.
4.1.2 Formato do vasilhame
Procurou-se aquelas vasilhames que possuíam formato mais regular, que mais se aproximassem do cilindro, ou seja, corpo paralelo ou que proporciona-se melhor aproveitamento de espaço interior do carrinho e, como as de refrigerante da marca Dolly apresentaram melhor resistência, foram as selecionadas.
O formato paralelo, inclusive, em tese, proporciona melhor interação entre o conjunto, bem como, ao esvaziar um dos reservatórios paralelos, o reservatório seguinte será “pressionando” por outro a esvaziar mais, pois, a intenção não é fixar uma (garrafa) a uma e, sim, através da criação de uma malha elástica, do tipo utilizado por motociclistas, haveria uma compressão de umas contra as outras, causando maior volume de expulsão de ar comprimido se comparado simplesmente ao retorno ao estado inicial.
Para melhor rendimento, ainda, pode-se utilizar a instalação pelo lado externo, de pedaços de câmara de pneu de motocicleta, criando uma espécie de luva, que quando liberada a saída de ar pelo propulsor, fará com que um volume extra de ar seja expelido, o que teoricamente vai significar mais metros à frente durante o deslocamento do carrinho.
Comparando um vasilhame que ao esvaziar-se para seu estado original com um que vai ser comprimido e expulsando maior volume de ar, podemos analisar que há uma relação de proporção entre o volume de ar expelido e a distância percorrida, ou seja:
	MAIOR VOLUME
	=
	MAIOR DISTÂNCIA
 Ainda, visando ter tolerâncias dimensionais favorecidas, pode-se optar por instalar 3 fileiras de 4 vasilhames na posição horizontal, paralela aos chassis (em madeira). 
O fluxo de descarga também fica favorecido, pois não há cotovelos e consequentes perdas de carga.
4.2 Chassi
O chassi é uma parte importante no dimensionamento de modo a permitir a união de harmonia da estética e praticidade e agilidade do carrinho, pois se deve garantir o melhor desempenho possível no veículo durante os testes drives.
Por regra as dimensões máximas do carrinho são 800 mm (para o comprimento) X 600 mm (na largura) X 400 mm (de altura útil). A figura 14 mostra um esquema geral das dimensões genéricas do chassi.
Figura 14: Vista generalizada de um modelo de chassi nas dimensões máximas.
Há restrição de massa, que segundo as normas do manual de APS ficou em 2,0 kg. Assim, para obter a melhor relação de resistência mecânica, massa total, facilidade de moldagem e junção das partes e custo, sugere-se a opção para construir o chassi em madeira do tipo compensado (material usual em armários embutidos na indústria de móveis).
Dentre os tipos de madeira, pode-se escolher um compensado especial que tem uma densidade menor e resistência mecânica maior do que os comuns. 
A figura 15 apresenta uma montagem de tiras de compensado, unidas com junção de pregos e madeira selante, com as travas de apoio, onde serão alocadas as garrafas PETs.
Figura 15: Montagem geral do chassi em madeira compensado.
A montagem do chassi em madeira compensado ultraleve em média acaba gerando uma massa de 1.030 gramas em média.
4.3 Rodas de rolamento
A utilização do equipamento de rolamento via de regra fica a cargo da equipe de montagem, mas como exemplo pode-se utilizar rodas em nylon torneadas como as da figura 16.
Figura 16: Foto das rodas de nylon.
A figura 16 apresenta os modelos torneados em nylon, cujo diâmetro externo vale 100 mm, com rolamento 6.000, marca NSK (1ª linha), eixo independente para cada roda, fixada individualmente diretamente nos chassis. A espessura é de 20 mm, que se trata de uma espessura suficiente para manter o carro em trajetória reta.
A questão do escorregamento, importante para a concepção do protótipo em engenharia, não ocasiona preocupação visto que não há tração positiva nas rodas. O empuxo originado pelo jato de ar vai exercer uma força no eixo e o atrito será entre as capas e as esferas do rolamento, que desprovido de sua graxa original e de suas blindagens, oferece assim menor resistência. 
A lubrificação, por se tratar de pequena rotação, pode ser substituída por um óleo fino, em spray, a ser reaplicado no dia da competição acadêmica entre as equipes da atividade prática supervisionada (APS). 
O procedimento de eliminar as blindagens tem a finalidade de eliminar atrito na peça, e com isso obter maior deslocamento. 
O rolamento tem diâmetro externo de 22 mm, interno de 10 mm e espessura de 8 mm.
4.4 Pneumática e propulsor
Trata-se de um assunto de muita discussão, uma opção aplicável é a utilização de conexões largamente utilizadas na indústria de automação, mangueiras do tipo PU de 8 mm com conexões de engate rápido. 
Uma aplicação de conexão na tampa da garrafa (figura 13b), com uma porca no interior e um anel de vedação entre a conexão e a tampa. Na outra ponta, para ganhar-se espaço no receptor de ar do propulsor, utiliza-se conexões de engate rápido do tipo “Y”, assim cada um recebe o fluxo de ar de duas garrafas (conforme figura 14 geral). 
Uma boa opção ainda são as peças hidráulicas de PVC marrom, devido à classe de pressão de trabalho ser compatível com a do projeto de APS, que atende a recepção do ar enviado pelas garrafas, bem como, pela válvula geral.
No lado da calota arredondada, fura-se e cria-se uma rosca para instalação de uma válvula de PVC marrom, tipo esfera de fecho rápido e no outro lado usina-se uma tampa, de maneira que se preenche o interior para cola e, ainda, se necessário, insere-se 3 ou 4 parafusos Allen M4 com cabeça, para garantir a vedação (figura 17). 
Figura 17: Placa (a) com os conectores tipo Y (b) de engate rápido PU 8 
(exemplo a adotar-se).
Nessa mesma tampa serão fixados os conectores tipo Y, num total de 6, que conduzem o ar comprimido entre as mangueiras e as garrafas de armazenagem de ar.
A figura 18 mostra o conjunto de módulo de recepção montando de modo a permitir a próxima etapa que será a junção dos reservatórios de ar.
Figura 18: Módulo de recepção montado 
Vista frontal e lateral.
A ponta com rosca da válvula de esfera receberá um dispositivo que será responsável pela descarga de ar e consequentemente o movimento do carro.
4.5 Segurança
Deve-se procurar por um profissional da área de Segurança do Trabalho e verificar as possíveis implicações de segurança nessa empreitada.
A primeira ação é consultar a Norma NBR-13, norma que regulamenta os vasos de pressão, onde se verifica que um vaso depressão está sujeito a certas normas se o produto da pressão e o volume (P.V) forem maiores do que 8, sendo P a pressão expressa em kPa (quilo-pascal) e V o volume em expresso em m³ (metro cúbico).
5. Resultados (memorial de cálculo)
	A parte referente aos cálculos utilizados nesse protótipo experimental eles são apresentados numa forma diferente da adotada pela norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), uma vez que se podem mostrar os cálculos de forma direta na seção II – Anexos.
	É importante salientar que os cálculos são referentes a um protótipo de ensaio diferenciado do modelo proposto para os alunos, mas que pode servir de ferramenta complementar para o auxílio dos alunos de engenharia.
6. Conclusões
	O projeto de APS tem uma função primordial de fornecer ao aluno de engenharia os conhecimentos recém-adquiridos das disciplinas de fluidos de modo a visualizar de forma prática a contribuição real para a carreira de engenheiro.
	O fato de trabalhar em parceria faz com que o aluno acabe aprendendo a lidar em grupo e definir tarefas para cada participante, bem como estudar formas de melhoria do protótipo construído.
	O projeto traz uma importante informação quanto ao uso de materiais e possíveis junções das peças de modo a criar outros modelos viáveis de protótipos de carros movidos a ar comprimido. 
	Sem dúvida é através de praticas acadêmicas como as do APS que o aluno cria gosto pelo estudo, uma vez que acaba usando os conhecimentos teóricos em um material final prático – protótipo.
7. Bibliografia
ACEVEDO DIAZ, J. A. Análises de algunos critérios para diferenciar entre ciência y tecnologia. Enseñanza de las ciências, 1998.
BAIRRAL, M. A. Natureza do conhecimento profissional do professor: Contribuições teóricas para a pesquisa em educação matemática. Boletim GEPEN, Rio de Janeiro. N. 41, p. 11-33. 2003.
BARBETTA, P. A. Estatística aplicada às ciências sociais. 5. Ed. Floriánopolis, UFSC. 2003.
BARBIERE, M. R. A construção do conhecimento do professor. Uma experiência de parceria entre professores do ensino fundamental e médio da rede pública e a universidade. Ribeirão Preto. 2001.
 CARLEIAL, A. B. Uma breve história da conquista espacial. Revista Parcerias estratégicas, v. 7, 1999.
CANIATO, R. O céu. UNICAMP. V. 1, 1975. 
DUNKIN, S, K, Using space Science and technology as an educational tool: two diferent approaches. Adv. Space Res. Vol 20, n. 7, 1997.
I- ANEXOS
1. Desenhos Esquemáticos 
1.1 Vistas 3D
Figura 1.1.1 – Perspectiva traseira
Figura 1.1.2 – Perspectiva frontal
Figura 1.1.3 – Vista traseira
Figura 1.1.4 – Vista frontal
Figura 1.1.5 – Vista Superior
Figura 1.1.6 – Vista inferior
Figura 1.1.7 – Vista lateral
Figura 1.1.8 – Vista lateral
Figura 1.1.9 – Desenho esquemático do Propulsor 
1.2 Vista 2D
Figura 1.2.1 – Vista geral do Propulsor
II- ANEXOS
2. Cálculos gerais
Conclusão
Aprendemos que com esse trabalho forças, tão insignificantes, podem ser bem fortes envolvidas em pressão ou em grandes quantidades.
Conseguem mover determinadas quantias de pessoas somente com algo simples que é o AR.
Foi também mais um aprendizado de trabalho de equipe, determinação e conquista.
Fotos da Montagem
Fotos da Montagem