TCC FINAL

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Lista de Símbolos
 – Pressão dinâmica [Pa]
 – Pressão estática [Pa]
 - Pressão total [Pa]
 – Velocidade média [m/s]
A – Área []
c – Velocidade do som local [m/s]
D – Diâmetro característico da geometria [m]
g – Gravidade [m/s]
ṁ – Vazão mássica []
P – Pressão [Pa]
V – Velocidade [m/s]
Z – Altura da coluna de fluido [m]
 – Viscosidade cinemática [/s]
 – Viscosidade 
 – Massa específica [Kg/]
Cl – Coeficiente de Sustentação [adimensional]
Cd – Coeficiente de Arrasto [adimensional]
Re – Número de Reynolds [adimensional]
M – Número de Mach [adimensional]
L – Força de Sustentação [N]
D – Força de Arrasto [N]
S – Envergadura do Perfil Aerodinâmico [m²]
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Equilíbrio de forças sobre uma cunha de fluido em repouso.	11
Figura 2 - Princípio da conservação de massa	12
Figura 3 - Representação gráfica de um tubo de Venturi	13
Figura 4 - Ilustração da camada limite em um duto	15
Figura 5 - Representação gráfica de camada limite em um túnel de vento.	16
Figura 6 - Forças presentes no movimento natural de um corpo sólido (representado por uma aeronave) em um ambiente gasoso (neste caso, a atmosfera).	17
Figura 7 - Turbilhonamento (vórtice) gerado devido ao encontro de massas de ar com diferentes leituras de pressão dinâmica.	19
Figura 8 - Característica da aerodinâmica de diferentes perfis geométricos..	21
Figura 9 - Túnel de vento de circuito aberto com ventilador de sucção	23
Figura 10 - Túnel de vento de circuito aberto com ventilador soprador	23
Figura 11 - Túnel de vento de circuito fechado. O tipo de ventilador indifere nesta classificação deste tipo de construção.	24
Figura 12 - Diâmetro hidráulico seção quadrada.	27
Figura 13 - Diâmetro hidráulico seção retangular.	27
Figura 14 - Vista do protótipo do Túnel de Vento.	28
Figura 15 - Representação gráfica da diferença de pressão no bocal de admissão devido ao afunilamento do fluxo de ar.	29
Figura 16 - Dimensões do bocal.	30
Figura 17 - Vista lateral cotada do bocal.	31
Figura 18 - Vistas frontal cotada do bocal	31
Figura 19- Vista em profundidade da seção de testes.	32
Figura 20 - Vistas frontal e lateral cotadas da seção de testes.	33
Figura 21 - Vista em profundidade do difusor final.	35
Figura 22 - Desenho da vista lateral do difusor com cotas.	35
Figura 23 - Vistas frontal e lateral do difusor com cotas.	37
Figura 24 - Exemplos de colmeias hexagonal, quadrada e circular, respectivamente.	38
Figura 25 - Vista em profundidade e lateral das colmeias instaladas no bocal.	39
Figura 26 - Vistas em profundidade e frontal cotadas da colmeia.	40
Figura 27 - Vista em profundidade do difusor ventilador-bocal.	41
Figura 28 - Vistas frontal e lateral cotadas do difusor ventilador-bocal.	42
Figura 29 - Esquema gráfico de um Tubo de Pitot.	45
Figura 30 - Exemplos de ventilador axial e centrífugo, respectivamente.	46
Figura 31 - Representação gráfica do fluxo de ar no túnel de vento.	48
Figura 32 - Vetores de força presentes no perfil aerodinâmico durante o teste.	49
Figura 33 - Representação gráfica do perfil NACA 6412.	50
Figura 34 – Valores aerodinâmicos característicos para o perfil NACA 6412.	50
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Custo dos componentes do protótipo do túnel de vento.	25
Tabela 2 - Parâmetros base usados no desenvolvimento do túnel de vento.	28
Tabela 3 - Dimensões do bocal.	30
Tabela 4 - Parâmetros obtidos através dos cálculos para o bocal.	32
Tabela 5 - Dimensões da seção de testes.	33
Tabela 6 - Parâmetros obtidos através de cálculos para seção de testes.	34
Tabela 7 - Dimensões do difusor.	37
Tabela 8 - Parâmetros obtidos através de cálculos para o difusor.	38
Tabela 9 - Dimensões da colmeia.	39
Tabela 10- - Parâmetros obtidos através de cálculos para colmeia.	40
Tabela 11 - Dimensões para o difusor ventilador-bocal.	42
Tabela 12 - Parâmetros obtidos através de cálculos para o difusor ventilador-bocal.	43
Tabela 13 - Porcentagem de perda de carga e de perda de pressão por componente.	43
Tabela 15 - Caracterísicas do ar à uma pressão de 1 atm..	54
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1. INTRODUÇÃO
	O túnel de vento é uma ferramenta que tem como objetivo simular situações reais (normalmente em escala) do movimento de corpos sólidos na atmosfera terrestre em ambiente controlado. O processo de desenvolvimento de um túnel de vento é complexo, visto que todos seus parâmetros devem ser controlados e atenderem especificações desejáveis para a realização de testes de outros pro-tótipos. A temperatura e velocidade do escoamento do ar são modificadas para simular condições reais do funcionamento dos corpos em teste. Atualmente, as indústrias automobilística e aeronáutica são as principais a utilizar este tipo de tecnologia. Graças aos testes em túneis de vento, estas empresas são capazes de aperfeiçoar seus projetos, trazendo maior segurança e desempenho dos modelos.
1.1 MOTIVAÇÃO
Desde o início da história moderna, o homem tenta entender e controlar a natureza. E, dentre tantas descobertas, aprendemos a importância dos fluidos em nosso cotidiano. Com o passar das gerações e descobertas de novas tecnologias, hoje utilizamos o estudo sobre fluidos para infinitas aplicações, desde a construção civil até para o desenvolvimento de foguetes e naves espaciais.
Junto com o desejo de explorar os céus e oceanos, o homem despertou o desejo de voar. Desde Arquimedes, os fluidos são explorados em escala por cientistas; porém foi com Leonardo Da Vinci que o homem deu os primeiros passos para voar, com seus desenhos de paraquedas e helicópteros que, apesar de rudimentares, serviram de base para projetos mais modernos.
Com o passar dos séculos fomos capazes de aprimorar as invenções do passado e, para isso, criamos ferramentas que nos auxiliam neste aperfeiçoamento. Entre estas ferramentas está o túnel de vento. O túnel de vento é uma instalação utilizada para ensaiar, em escala, perfis aerodinâmicos.
1.2 OBJETIVO
O objetivo deste trabalho é dimensionar e definir processos de construção de um túnel de vento subsônico de circuito aberto e do tipo soprador. Neste documento serão apresentadas as equações utilizadas com base nos requisitos de funcionamento predefinidos pelo grupo. Todos os conceitos apresentados neste trabalho têm como objetivo esclarecer todos os parâmetros controlados durante um teste em um túnel de vento; desenvolvimento de um túnel de vento e seu design. Também será apresentada a análise individual de cada componente que constitui o túnel de vento, assim como as justificativas destas escolhas.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Durante a graduação em engenharia mecânica, somos apresentados à conceitos sobre fluidos, suas características, o modo como se comportam em ambientes de diferentes pressões e como corpos sólidos se comportam movendo-se através dos fluidos. E, para o projeto deste túnel de vento, vários destes conceitos foram revisitados para que o dimensionamento fosse concluído. Teorema de Bernoulli, equação da conservação de massa, conceitos aerodinâmicos e conceitos fundamentais de mecânica dos fluidos são necessários para o entendimento do trabalho e foram retirados das obras de Çengel e Cimbala (Mecânica dos Fluidos; 2007) e Luiz Eduardo Miranda José Rodrigues (Fundamentos da Engenharia Aeronáutica; 2013).
2.1 FLUIDOS 
Fluidos são todas as substâncias que se encontram nos estados líquido ou gasoso da matéria. Os fluidos mais conhecidos são o ar e a água. Diferentemente dos sólidos que tem forma e volume definidos, os fluidos, tendem a se adaptar à forma do recipiente. Porém, como os líquidos possuem volume definido, eles assumem a forma do recipiente; já os gases, por não terem volume definido, ocupam todo o volume do recipiente.
Os fluidos apresentam uma resistência à deformação, ou ao escoamento, quando submetidos a uma determinada tensão, chamada de viscosidade. A viscosidade se deve às forças de atrito no interior dos fluidos que impedem diferentes porções dos fluidos de escorregarementre si livremente.
Para os gases, a viscosidade está relacionada com a transferência de impulso devido à agitação molecular. Já́ a viscosidade dos líquidos relaciona-se mais com as forças de coesão entre as moléculas.
Para os estudos apresentados neste trabalho, foram utilizados dados do ar à pressão 1 atm., apresentados no anexo A.
2.2 HIDRODINÂMICA
A hidrodinâmica é a parte da Mecânica de Fluidos que se dedica ao estudo dos fluidos em movimento. Ela é considerada como um dos ramos mais complexos da mecânica, pois embora cada gota de água ou partícula de fumaça tenha o seu movimento determinado pelas Leis de Newton, quando estas equações são aplicadas a todas as porções de um fluido elas resultam em equações que não podem ser resolvidas analiticamente.
Os tipos de escoamentos são definidos através de parâmetros físicos e pelo comportamento destes parâmetros ao longo do espaço e do tempo.
Quanto as características geométricas, das direções e coordenadas espaciais que descrevem os escoamentos, pode-se classificar os escoamentos em:
Unidimensional: quando as grandezas do escoamento variam em uma direção.
Bidimensional: quando as grandezas do escoamento variam em duas direções.
Tridimensional: quando as grandezas do escoamento variam em três direções. 
Quanto às características temporais dos escoamentos, pode-se classificá-los em:
Permanente ou estacionário: quando todas as grandezas características do escoamento são constantes no tempo.
Não permanente: quando ao menos uma grandeza do fluido muda no decorrer do tempo.
Uniforme: quando as grandezas características do fluido são as mesmas em todos os pontos em todos os instantes.
Variado: quando ao menos uma grandeza característica do fluido não assume o mesmo valor em todos os pontos.
Quanto as características do momento das partículas do fluido durante o escoamento, pode-se classificá-los em:
Rotacional: quando partículas do fluido possuem uma velocidade angular em relação ao seu centro de massa.
Irrotacional: quando as partículas do fluido se movimentam sem exibir movimento de rotação
Em um túnel de vento, é considerado um escoamento ideal para os testes o escoamento tridimensional, permanente, uniforme e irrotacional, onde os parâmetros medidos são controlados e não variam, interferindo nos valores medidos, porém este tipo de escoamento demanda um alto isolamento de todo o sistema, que é inviável para a construção de um protótipo, porém os valores alcançados devem ser próximos ao ideal.
2.3 PRESSÃO
Em nosso planeta, tudo que está inserido em nossa atmosfera está exposto e experimenta o efeito da pressão. Nossa pressão atmosférica é composta por duas componentes: pressão estática e pressão dinâmica.
2.3.1 Pressão Dinâmica:
A pressão dinâmica provém da energia cinética do movimento do fluido. Ela representa o aumento de pressão quando o fluido em movimento é parado de forma isentrópica. Ela é dada pela diferença entre a pressão total e a pressão estática, que representa a pressão real do fluido.
2.3.2 PRESSÃO ESTÁTICA
A pressão estática é a pressão “natural” exercida pelo fluido no ambiente. Ela é a pressão medida quando o fluido está em repouso. A pressão dinâmica é representada pela equação a seguir: 
Onde dF é o vetor de força exercida pelo fluido perpendicularmente à uma área unitária dA.
	Como demonstrado pela equação, a pressão estática descrita em termos de massa, comprimento e tempo. Segundo o Prof. Paulo Schneider, da UFRGS “Pressão é uma propriedade local do fluido, e para uma situação estática apresenta forte dependência da posição, apesar de não ser dependente da direção”.
 A figura que segue mostra uma porção de um fluido na forma de uma cunha, de tamanhos ∆x, ∆z e ∆s; e profundidade b, normal ao plano, em repouso.
Figura 1 - Equilíbrio de forças sobre uma cunha de fluido em repouso.
2.3.3 PRESSÃO TOTAL
	A pressão total de um fluido é a soma de sua pressão estática e sua pressão dinâmica, representada pela equação a seguir:
2.4 CONSERVAÇÃO DE MASSA
A vazão volumétrica (Q) de um fluido é o volume (V) do fluido que passa por uma seção (A) em um determinado espaço de tempo; representado pela equação:
A vazão mássica ( segue o mesmo conceito da vazão volumétrica, porém é uma determinada quantidade de massa que passa por uma área:
Para um escoamento permanente, a soma dos fluxos de massa que entram () e saem () de um volume de controle deve ser o mesmo, expressado pela equação abaixo:
Logo,
Figura 2 - Princípio da conservação de massa
Observa-se que, se a área da seção de saída for reduzida, há aumento da velocidade do fluido neste ponto, conceito muito utilizado nos componentes do túnel de vento, que veremos adiante.
2.5 TEOREMA DE BERNOULLI
Em 1738, na Suíça, o físico e matemático Daniel Bernoulli publicou sua mais grandiosa obra, a “Hidrodinâmica”. Neste estudo foi desenvolvido estudo sobre como a velocidade do fluido está relacionada à pressão total deste mesmo fluido em um escoamento linear.
Atualmente, para a reprodução do experimento de Bernoulli, podemos criar um fluxo de um fluido qualquer em um duto onde haja um estrangulamento deste fluxo (este estrangulamento é chamado de Venturi, pois o dispositivo para este experimento foi criado pelo inventor italiano Giovanni Venturi, em 1797; anos após a publicação de Bernoulli). Então, serão medidos dois valores de pressão: Um no maior diâmetro do duto e outro no menor, através de tubos de Pitot e um manômetro. Quando obtivermos estes valores de pressão, será possível então descobrir a velocidade do fluido no sistema através da equação de Bernoulli (desde que a velocidade inicial do fluido também seja conhecida). A Equação de Bernoulli é dada por:
Figura 3 - Representação gráfica de um tubo de Venturi
Assim, podemos concluir que, quanto menor for a pressão dinâmica de um fluido, maior será sua velocidade de escoamento. Este conceito é aplicado para o cálculo da força de sustentação de aeronaves, pois as asas de aeronaves funcionam como “tubos de Venturi”. (RODRIGUES, Luiz E.M.J.; Fundamentos da Engenharia Aeronáutica; pg. 25; 2013)
2.6 NÚMERO DE REYNOLDS
Um fluido escoando em um tubo pode ter um regime de escoamento laminar ou um regime turbulento. Essa transição depende da superfície do tubo, da temperatura, do tipo de fluido. No século XIX, o cientista Osborne Reynolds criou experimentos onde descobriu que o escoamento de fluidos depende da razão entre as forças viscosas e inerciais deste fluido. Esta razão é apresentada na equação abaixo:
Atualmente, o número de Reynolds (Re) é o valor adimensional utilizado para descrever quão laminar ou turbulento é um escoamento. Segundo Çengel e Cimbala (Mecânica dos Fluidos; 2007; pg. 280), temos que:
	
1. Se Re ≤ 2300; o escoamento é linear
2. Se 2300 < Re ≤ 4000; o escoamento é de transição
3. Se Re > 4000; o escoamento é turbulento.
No projeto de um túnel de vento, é importante que o escoamento da seção de testes seja laminar, pois assim os valores obtidos dos ensaios podem ser validados, já que foi possível manter as variáveis constantes. Para se obter a linearidade, a geometria das formas do túnel deve ser observada, visto que o fluxo de ar pode tur-bilhonar nas paredes de dutos.
2.7 CAMADA LIMITE
Quando um fluido escoa em uma superfície plana, ele automaticamente entra em contato com esta parede, e estes aderem-se. Esta camada de atrito formada pela parede e o fluido é chamada de camada limite. Para a definição da camada limite, temos que a velocidade do fluido no ponto de contato é nula e que, para fluidos com baixa viscosidade, quanto maior a velocidade do escoamento, menor a espessura da camada limite.
Figura 4 - Ilustração da camada limite em um duto
A propriedade física de um fluído, responsável pelo desenvolvimento da camada limite é a viscosidade, dada em kg/m.s ou Ns/m2. A viscosidade é, por definição, como a resistência de um fluido ao movimento, porém esta resistência interfere de maneira diferente entre os líquidos e gases. Paraos líquidos, quanto maior a viscosidade, menor será a temperatura durante o movimento; já os gases agem de forma inversa, aumentando a temperatura de acordo com o aumento de sua viscosidade. O atrito formado entre o fluido e a parede é dado por: 
	Onde t é o atrito; F é a força paralela à superfície e A é a área de contato entre fluido e a parede do duto. Porém, para fluidos Newtonianos (fluidos com viscosidade constante durante o período de tempo estudado), a deformação causada no fluido pode ser proporcional à esta tensão cisalhante. Assim, podemos escrever a tensão de cisalhamento como:
Sendo dU a velocidade. O ar, por definição, é um fluido Newtoniano; e também é o fluido de trabalho no túnel de vento aqui apresentado. No túnel de vento, a camada limite pode ser representada como na imagem a seguir:
Figura 5 - Representação gráfica de camada limite em um túnel de vento.
Na imagem acima, podemos observar a mudança da espessura da camada limite em diferentes setores do túnel de vento e que, junto com a espessura desta camada, a velocidade do fluxo também se altera.
Como descrito no Teorema de Bernoulli, podemos agora visualizar que na garganta do sistema há aumento da velocidade de escoamento e diminuição da pressão; e por se tratar de uma seção reta da construção, temos que sua pressão e velocidade são constantes. 
2.8 CONCEITOS DE AERODINÂMICA
Um túnel de vento, em conceito bruto, é utilizado para analisar a eficiência de um perfil aerodinâmico. Porém, alguns conceitos são necessários para que esta análise possa ser feita. 
Segundo o Prof. Luiz Eduardo Miranda José Rodrigues “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”. (RODRIGUES, Luiz E.M.J.; Fundamentos da Engenharia Aeronáutica; pg. 23; 2013)
Ou seja, quando um corpo sólido está inserido em um ambiente com fluxo composto por um fluido gasoso, este corpo sólido produzirá forças naturais à este movimento.
Figura 6 - Forças presentes no movimento natural de um corpo sólido (representado por uma aeronave) em um ambiente gasoso (neste caso, a atmosfera).
Na imagem acima podemos visualizar as quatro forças naturais do movimento de um corpo sólido em um ambiente gasoso. Sendo W a força peso (força resultante da inércia do corpo); L é a força de sustentação (força oposta à peso, responsável pelo voo do corpo demonstrado); D é a força de arrasto (força resultante do atrito entre a superfície exposta e o fluxo de ar) e T é a força de tração (força proveniente de uma fonte de energia mecânica responsável pelo movimento do corpo, neste caso, o motor da aeronave).
Destas quatro forças, apenas as forças de sustentação e arrasto são exclusivas da análise do movimento do corpo no fluido. A força peso está presente em todos os corpos com massa existentes; e a força de tração é proveniente da fonte de energia motriz do corpo.
2.8.1 FORÇA DE SUSTENTAÇÃO
Quando um perfil aerodinâmico está em movimento em um fluido, ele funciona como um tubo de Venturi no ambiente. Devido ao perfil assimétrico destes perfis, o fluxo cria uma diferença de pressão, tal qual a existente no estrangulamento de dutos. Quando traçamos uma linha mediana em um perfil aerodinâmico, percebemos que o dorso (parte superior da “asa”) possui maior extensão que o dorso (parte inferior da “asa”); essa diferença de extensão faz com que a velocidade de escoamento no dorso seja maior do que no dorso, reduzindo a pressão no dorso e criando a força de sustentação, demonstrada pela imagem abaixo:
Figura 7 - Representação gráfica da força de sustentação.
A força de sustentação pode ser representada matematicamente por:
2.8.2 FORÇA DE ARRASTO
A força de arrasto é derivada das fontes de tensões de cisalhamento e distribuição de pressão no comprimento do corpo sólido em movimento no ambiente gasoso. Existem dois tipos característicos de arrasto: Arrasto de pressão e o arrasto de atrito; e estes dois tipos característicos de arrasto derivam outras características.
2.8.2.1 FORÇA DE ARRASTO DE ATRITO
O arrasto de atrito representa a resultante das tensões de cisalhamento atuantes sobre a superfície do corpo. Ou seja, é o arrasto resultante do atrito na camada limite.
2.8.2.2 FORÇA DE ARRASTO DE PRESSÃO
O arrasto de pressão representa o arrasto gerado pelo desbalanceamento de pressão causado pela separação do escoamento. Quanto o corpo observado “corta” o fluxo de ar ele cria duas zonas com pressões distintas, como já dito em X.6.1, porém, quando estes fluxos se reencontram, a diferença de pressão causa turbilhonamento das massas de ar, gerando vórtices nas extremidades destes perfis, como demonstrado abaixo:
Figura 7 - Turbilhonamento (vórtice) gerado devido ao encontro de massas de ar com diferentes leituras de pressão dinâmica.
2.8.2.3 COEFICIENTES DE SUSTENTAÇÃO E ARRASTO
Quando os corpos em observação estão inseridos na câmara de teste do túnel de vento, podemos simular situações reais em escala. Durante os testes, diferentes perfis se comportam de diferentes formas, reagindo com o fluido de acordo com sua geometria e material. 
Durante um projeto, deve-se ser analisado o perfil com melhor desempenho para sua função. Para determinar este desempenho são calculados os coeficientes de sustentação e arrasto, que definem a eficiência do perfil aerodinâmico.
Para o cálculo do coeficiente de Sustentação temos:
Onde: L é a força de sustentação; V é a velocidade; A é a área do perfil e ρ a massa específica do fluido.
Para o cálculo do coeficiente de Arrasto, temos:
Onde Fd é a força de arrasto, ρ a massa específica do fluido, V a velocidade do escoamento e A é a área do perfil.
Porém, com o uso do túnel de vento podemos escrever esta fórmula como:
Onde q é o delta de pressão lido nos manômetros instalados no perfil aerodinâmico.
Para calcular a eficiência do perfil temos:
Onde: Cd é o coeficiente de arrasto; Cl é o coeficiente de sustentação; E representa a eficiência do perfil; s a envergadura da asa e A a área (m²) da asa.
Figura 8 - Característica da aerodinâmica de diferentes perfis geométricos. Fonte: http://www.apoioescolar24horas.com.br/antenado/especiais/Copa2014/fisica_arrasto.htm, acessado em 15/04/2017.
2.9 Número de Mach
O número (adimensional) de Mach (M) é a razão entre a velocidade de deslocamento do fluido (V) e a velocidade do som (c). Para Fox (et Al 1999) o número de Mach pode ser interpretado como a razão entre as forças de inércia e as forças devidas à compressibilidade. Para o escoamento ser classificado como incompressível, M deve ser menos que 0,3. Para expressar o número de Mach matematicamente temos:
Todo escoamento com M < 1,0 é classificado como subsônico.
3. CLASSIFICAÇÕES DOS TÚNEIS DE VENTO
Túneis de vento são dutos com fluxo interno de ar que simulam o desempenho de corpos sólidos em movimento. Neste duto, existe uma câmara de observação, para que, além da coleta de dados importantes para o estudo aerodinâmico do corpo, possa ser analisado o comportamento deste corpo de forma visual.
Na indústria, túneis de vento são utilizados em diversos ramos e projetos; desde construções civis até o desenvolvimento de foguetes. Para o uso da engenharia civil, um túnel de vento possui finalidade de simular o impacto de edifícios altos com o vento, pois uma construção deste porte pode sofrer rachaduras devido à alta velocidade do vento nesta altitude.
Na indústria automobilística e aeronáutica túneis de vento são usados para testar a aerodinâmica de veículos e reduzir ao máximo seu coeficiente de arrasto, turbulências das fuselagens e chassis, analisar o desempenho do movimento, e até mesmo para estudar o efeito Flutter (também conhecido como ressonância aero elástica, causadora da deformação de corpos sólidos devido a frequência de vibração que provém do movimento do corpo em um fluido) destes veículos.
Existe mais de um tipo de túnel de vento; para esta divisão podemos nos basear em doisfatores: Velocidade do fluxo e construtivo.
3.1 CLASSIFICAÇÕES DE UM TÚNEL DE VENTO
3.1.1 QUANTO A VELOCIDADE DO FLUXO
Os túneis de vento podem ser classificados de acordo com a velocidade atingida pelo fluxo de ar em seu interior expressa em número de Mach (SANTOS, 2002). A partir dos conceitos apresentados no capítulo 2.9, os túneis de vento subdividem-se em: subsônico (M<1), transônico (M=1), supersônico (1<M<5) e hipersônico (5<M<15) (SANTOS, 2002).
3.1.2 QUANTO A SUA CONSTRUÇÃO
De acordo com Barlow (1999), os túneis de vento podem ser construídos em circuito aberto ou fechado. O circuito aberto é caracterizado por puxar e devolver o ar da atmosfera, enquanto o circuito fechado mantém o mesmo ar em circulação continua por seu interior.
3.1.2.1 TÚNEL DE VENTO DE CIRCUITO ABERTO
O túnel de vento com circuito aberto puxa o ar através de seu ventilador e o devolve para a atmosfera no mesmo ciclo do fluxo. Além disso, tem como característica principal as possíveis variações de posição de seu ventilador; caso o ventilador seja posicionado no início do fluxo, será classificado como soprador; porém se for posicionado no final do ciclo, sua classificação será como de sucção. Abaixo é apresentado o esquema de construção dos tipos de túnel de vento de circuito aberto.
Figura 9 - Túnel de vento de circuito aberto com ventilador de sucção
Figura 10 - Túnel de vento de circuito aberto com ventilador soprador
3.1.2.2 TÚNEL DE VENTO DE CIRCUITO FECHADO
Circuito fechado: O modelo de túnel de vento de circuito fechado apresenta maior dificuldade em seu processo construtivo, porém apresenta resultados mais precisos por sua corrente ser mais facilmente estabilizada. Os túneis de circuito fechado utilizam a massa de ar de um fluxo em mais de um ciclo, reduzindo o gasto energético de seu ventilador e reduzindo a turbulência no duto. Neste tipo de construção a posição e tipo do seu ventilador indeferem seu processo construtivo, pois não há troca de massa de ar com o ambiente durante o teste. Abaixo é apresentado o esquema construtivo de um túnel de vento de circuito fechado.
Figura 11 - Túnel de vento de circuito fechado. O tipo de ventilador indefere nesta classificação deste tipo de construção.
3.2 CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO DE TÚNEL DE VENTO
	Para a construção do protótipo deste trabalho, várias considerações foram levadas em consideração, tais como: Facilidade de construção; investimento financeiro e prazos de construção.
	Quanto aos materiais utilizados, foram selecionados o aço SAE 1020 (APÊNDICE A) e o acrílico transparente, para os dutos e seção de teste, respectivamente (o detalhamento da função de cada componente está presente no próximo capítulo). Além destes materiais, a colmeia de aramida e o ventilador (com carenagem em aço médio carbono e hélices em nylon revestido com fibra de vidro). As fichas técnicas do ventilador e colmeia estão inseridas no anexo D e anexo E, respectivamente; os desenhos técnicos estão inseridos no apêndice B. Todas as decisões estão justificadas matematicamente no apêndice C. 
Para este trabalho foi escolhida a construção de um túnel de vento subsônico, de circuito aberto e com ventilador soprador.
	A extensão total do protótipo é de 2,8 metros e o duto da câmara de testes possui 500mm de largura e a forma quadrada. O ventilador escolhido foi o modelo EQ700T6 da marca Qualitas, que possui 1Hp de potência e atende a vazão de 15000m³/h.
4. Equações Necessárias para Construção de um Túnel de Vento
4.1 Equação de Haaland
Equação que nos permite calcular o fator de atrito () causado pelo contato entre o fluido e as paredes do túnel de vento. Calculado em função do número de Reynolds (), da rugosidade relativa do material empregado na construção () e do diâmetro hidráulico da seção em questão calculada ().
4.2 Equação de Darcy-Weisbach
Desenvolvida por Henry Philibert Gaspard Darcy e aprimorada por Julius Ludwig Weisbach no ano de 1840, a equação conhecida como Darcy-Weisbach é utilizada para calcular a perda de carga do escoamento do fluido no interior de uma tubulação. A perda de carga ( é obtida em função do fator de atrito (), calculado pela equação de Haaland, em função do comprimento (), do diâmetro (), a velocidade () e a gravidade ().
4.3 Equação de Perda de Pressão
Para saber o ventilador ideal a ser usado, é preciso calcular a perda de pressão nos elementos e, posteriormente, no túnel de vento todo, assim podemos definir um ventilador capaz de atender as necessidades do projeto. A perda de pressão é obtida pelo somatório das perdas de pressão em todos os elementos do túnel de vento. 
Para achar a perda de pressão em cada elemento, deve-se multiplicar a perda de carga obtida pela equação de Darcy-Weisbach (, pelo valor da pressão dinâmica (). Após determinarmos o valor em cada seção, somamos para achar a perda de pressão total no sistema.
4.4 Cálculo do Diâmetro Hidráulico
O cálculo do diâmetro hidráulico é usado para calcular o diâmetro efetivo em tubulações não circulares, que possuam seções transversais retangulares e quadradas.
Para uma tubulação de seção transversal retangular, o cálculo é feito através da seguinte equação. Onde “a” representa a altura e “b” a largura do objeto.
Para o caso em estudo, onde as seções transversais são predominantemente quadradas, se desenvolvermos a equação, achamos que o diâmetro hidráulico é igual a própria dimensão do objeto.
a
a
Figura 12 - Diâmetro hidráulico seção quadrada.
Figura 13 - Diâmetro hidráulico seção retangular.
a
b
 
4.5 Projeto do Túnel de Vento
O túnel de vento tem como objetivo análise de escoamentos nos perfis aerodinâmicos construídos em escala reduzida pela equipe de Aerodesign e, também, com fins didáticos para faculdade, em estudos de aerodinâmica e aula prática de mecânica dos fluidos. Foi escolhido um túnel de vento do tipo soprador, de circuito aberto, devido ao custo inferior de construção e espaço limitado disponível. Atendendo-se esses requisitos, primeiramente foi definido o tamanho da área de testes necessária e a velocidade de escoamento desejada, adaptando-se os outros componentes a esses pontos pré-definidos. Para garantir um funcionamento correto foi calculado o fator de atrito, de acordo com o material escolhido para cada região, a perda de carga, a pressão dinâmica e a perda de pressão em cada elemento do túnel de vento. Feito isso, podemos saber qual a perda total no túnel de vento, podendo assim, dimensionar um ventilador com potência adequado ao projeto. 
Parâmetros Utilizados
Tabela 2 - Parâmetros base usados no desenvolvimento do túnel de vento.
	Parâmetros
	Valores
	Temperatura
	Ambiente (± 25º Celsius)
	Pressão
	Atmosférica (101 325 Pa)
	Massa específica do ar
	1,225 Kg/
	Velocidade na seção de testes
	15 m/s
Figura 14 - Vista do protótipo do Túnel de Vento.
4.6 Componentes do Túnel de Vento
4.6.1 Bocal
Bocal ou Câmara de Contração é o componente responsável por aumentar a velocidade do escoamento do ar proveniente do ventilador, deixando-o com velocidade máxima na entrada da seção de testes. Diminuindo-se a área de saída do bocal em relação a área de entrada, isso faz com que ocorra uma diminuição da pressão e, consequentemente, o aumento da velocidade do escoamento na entrada da seção de testes. Essa relação de pressão e velocidade é importante pois nos permite usar um ventilador de potência inferior se comparado com tuneis de vento sem o bocal, onde a velocidade requerida na seção de ensaios tem que ser produzida pelo próprio ventilador. 
SAÍDA
MENOR PRESSÃO
MAIOR VELOCIDADE
ENTRADA
MAIOR PRESSÃO
MENOR VELOCIDADE
Figura 15 - - Representação gráfica da diferença de pressão no bocal de admissão devido ao afunilamento do fluxo de ar.
Muitos autores utilizam funções polinomiais para definir a contração ideal. Para um resultado mais satisfatório foi utilizada a função de quinto grau de Y em função de , a seguir. (Bell e Mehta (1988)).Sendo o valor da altura do bocal de entrada e a altura do bocal de saída, ambas medidas a partir do centro da figura. E é a distância de X a partir do bocal de entrada.
Figura 16 - Dimensões do bocal.
4.6.1.2 Dimensionamento e Perdas
Após determinarmos as dimensões necessárias para a seção de testes, determinamos as dimensões do bocal, descritas na tabela abaixo. E através das equações foi possível determinar a velocidade de entrada, para a determinada velocidade de saída, o atrito, a perda de carga e a perda de pressão gerados.
Após a contração, foram incluídas duas colmeias para tornar o escoamento laminar na entrada da seção de testes.
Para maior facilidade no transporte e montagem das peças, foi utilizado flanges, presas por parafusos, para a união entre o bocal e a seção de testes. 
Tabela 3 - Dimensões do bocal.
	Dimensões
	Valores
	Largura Entrada
	800 mm
	Largura Saída
	500 mm
	Altura Entrada
	800 mm
	Altura Saída
	500 mm
	Largura Flange
	40 mm
	Altura Flange
	40 mm
	Comprimento
	1200 mm
	Área de Entrada
	6400 
	Área de Saída
	2500 
Figura 17 - Vista lateral cotada do bocal.
Figura 18 - Vistas frontal cotada do bocal
Tabela 4 - Parâmetros obtidos através dos cálculos para o bocal.
	Parâmetros
	Valores
	Velocidade Entrada
	5,86 m/s
	Velocidade Saída
	15 m/s
	Pressão Dinâmica
	66,63 Pa
	Fator de Atrito
	0,025
	Perda de Carga
	0,84 Pa
	Perda de Pressão
	55,97 Pa
4.6.2 Seção de Testes
Seção de testes é a parte onde se faz a observação do experimento. É o elemento que determina as dimensões dos outros componentes do túnel de vento. Por sua vez, as dimensões da seção de teste devem respeitar o tamanho do objeto a ser estudado, que não deve exceder 80% do tamanho da seção de testes.
Essa área é construída por materiais transparentes como acrílico, policarbonato, vidro que permitam a observação clara do experimento. Também são instalados nessa região, instrumentos de medição como o Tubo de Pitot e sensores de força.
Na seção de testes o escoamento deve ser totalmente laminar, com mínimas interferências no corpo de prova. Normalmente possui formato retangular.
Figura 19- Vista em profundidade da seção de testes.
4.6.2.1 Dimensionamento e Perda de Carga
Primeira área desenvolvida para um projeto de túnel de vento, é projetada com a base no tamanho dos objetos a serem estudados. No caso em estudo, a seção de testes é planejada para a observação de perfis aerodinâmicos construídos em escala reduzida.
Foi utilizada uma razão de 0,75 entre o comprimento e o diâmetro hidráulico. Autores como Bradshaw e Metha (1979), recomendam essa razão fique entre 0,5 até 3. Uma seção de testes muito extensa pode causar um engrossamento da camada limite, o que pode ocasionar um turbilhonamento no início do difusor.
As dimensões utilizadas e as perdas estão descritas na tabela a seguir:
Tabela 5 - Dimensões da seção de testes.
	Dimensões
	Valores
	Largura Entrada
	500 mm
	Largura Saída
	500 mm
	Altura Entrada
	500 mm
	Altura Saída
	500 mm
	Largura Flange
	40 mm
	Altura Flange
	40 mm
	Comprimento
	375 mm
	Área de Entrada
	2500 
	Área de Saída
	2500 
Figura 20 - Vistas frontal e lateral cotadas da seção de testes.
4.6.3 DifusorTabela 6 - Parâmetros obtidos através de cálculos para seção de testes.
Parâmetros
Valores
Velocidade Entrada
15 m/s
Velocidade Saída
15 m/s
Pressão Dinâmica
137,8 Pa
Fator de Atrito
0,013 
Perda de Carga
0,112 Pa
Perda de Pressão
15,43 Pa
O propósito do difusor é reduzir a velocidade do escoamento na saída do ar do túnel de vento. Pode se dizer que possui a função contrária do bocal. Trabalham transformando a energia cinética em energia de pressão, em outras palavras, aumentando-se a área de saída do difusor, em relação a entrada, faz aumentar a pressão e, consequentemente, diminui a velocidade do escoamento. Tal transição deve ser feita com a mínima perda de carga possível, sem que ocorra a separação da camada limite, que pode causar oscilações no escoamento do ventilador, vibrações excessivas nas paredes do difusor, grande variação na velocidade do escoamento na seção de testes, o que torna- o instável. Essa instabilidade é conhecida como “SURGE”. 
Existem difusores com grandes ângulos de aberturas, que possuem um comprimento menor e difusores com ângulos menores e maior extensão. Os primeiros são mais usados quando há falta de espaço disponível e são mais suscetíveis a um turbilhonamento e rompimento da camada limite. Para isso podem ser utilizadas telas e colmeias nas saídas.
ENTRADA
MENOR PRESSÃO
MAIOR VELOCIDADE
SAÍDA
MAIOR PRESSÃO
MENOR VELOCIDADE
Figura 21 - Vista em profundidade do difusor final.
Para escoamentos mais laminares e uma eficiência maior na conversão de energia cinética para energia de pressão, segundo (Barlow et al, 1999), o ângulo α deve ter entre 3 e 6 graus. 
Para cálculo do ângulo é necessário levar em conta a razão entre as áreas AR, sendo , o comprimento L e o diâmetro de entrada . 
Outro caminho mais simplificado de calcular o ângulo, seria levando em conta os raios de entrada e saída, e o comprimento.
Figura 22 - Desenho da vista lateral do difusor com cotas.
Outra peculiaridade desse segmento do túnel de vento está no cálculo do coeficiente de perda de carga (). Além de levarmos em conta o coeficiente de atrito (), é preciso também somar o coeficiente de expansão (), ou seja: 
 	
Onde o pode ser calculado pela seguinte expressão, onde é previamente calculado através da Equação de Haaland.
Já o coeficiente de expansão obtém-se pela multiplicação da razão entre as razões de áreas (), com o fator , que é obtido em função do ângulo α.
A função , é embasada nos estudos de Eckert et a.l, (1976), que leva em consideração a forma da área da seção transversal e o ângulo de abertura. Para o caso em estudo, foi utilizado o para seção transversal quadrada e ângulo no intervalo de 1,5 a 4,5 graus.
4.6.3.1 Dimensionamento e Perda de Carga
A partir também da seção de testes, foi projetado o difusor. Foi estabelecido um ângulo de 3,8 graus, que garante a desaceleração do ar na saída do túnel de vento, sem que haja danos ao escoamento laminar. Parâmetro dentro do recomendado por (Barlow et al, 1999).
Para união entre o difusor e a seção de testes, também foi feito o uso de flanges, presas por parafusos. Abaixo seguem as dimensões do difusor e os valores das perdas calculadas.Figura 23 - Vistas frontal e lateral do difusor,com cotas.
Tabela 7 - Dimensões do difusor.
	Dimensões
	Valores
	Largura Entrada
	500 mm
	Largura Saída
	600 mm
	Altura Entrada
	500 mm
	Altura Saída
	600 mm
	Largura Flange
	40 mm
	Altura Flange
	40 mm
	Comprimento
	750 mm
	Área de Entrada
	2500 
	Área de Saída
	3600 
	Ângulo de Abertura
	3,8º
	Parâmetros
	Valores
	Velocidade Entrada
	15 m/s
	Velocidade Saída
	10,41 m/s
	Pressão Dinâmica
	98,87 Pa
	Fator de Atrito
	0,019
	Perda de Carga
	0,075 Pa
	Perda de Pressão
	5,19 Pa
	Tabela 8 - Parâmetros obtidos através de cálculos para o difusor.
4.6.4 Colmeia
A colmeia tem o objetivo de ordenar os filamentos do escoamento. Em outras palavras, tem a função de tornar o escoamento mais laminar possível. Normalmente são usadas colmeias hexagonais por apresentarem menor coeficiente de perda de carga, segundo Barlow et al., (1999), essa perda é de, em média, 0,2 Pa, em comparação com as quadradas e circulares, que possuem 0,22 Pa e 0,3 Pa, respectivamente.
Figura 24 - Exemplos de colmeias hexagonal, quadrada e circular, respectivamente.
Podemos calcular a perda de carga na colmeia pela seguinte expressão.
Onde e se referem ao comprimento (na direção do fluxo) e ao diâmetro hidráulico de uma célula, respectivamente, referente a porosidade do favo e , parâmetro do material, é calculado pela correlação:
Para:Para: 
Onde Δ é o valor da rugosidade do material da colmeia e é o número de Reynolds com base na rugosidade do material.
4.6.4.1 Dimensionamento e Perda de Carga
Devido ao valor próximo da perda de carga entre a colmeia hexagonal e a quadrada, levando em conta as dificuldades de construção e o custo mais elevado da hexagonal, foi optado pelo uso de colmeias quadradas.
Foram utilizadas duas colmeias para garantir um escoamento mais laminar possível. Ambas foram instaladas no bocal. A primeira instalada logo após a contração e a segunda pouco antes da junção com a seção de testes.
Figura 25 - Vista em profundidade e lateral das colmeias instaladas no bocal.
Depois de definidas as dimensões para construção da colmeia, foram calculadas suas perdas de carga e de pressão, demonstradas nas tabelas a seguir.
Tabela 9 - Dimensões da colmeia.
	Dimensões
	Valores
	Largura Total
	500 mm
	Altura Total
	500 mm
	Espessura do material
	1 mm
	Altura da Célula
	30,12 mm
	Largura da Célula
	31,12 mm
	Comprimento (Direção do Escoamento)
	100 mm
Figura 26 - Vistas em profundidade e frontal cotadas da colmeia.
	Parâmetros
	Valores
	Velocidade Entrada
	15 m/s
	Velocidade Saída0
	15 m/s
	Pressão Dinâmica
	137,8 Pa
	Perda de Carga
	0,085 Pa
	Perda de Pressão
	11,71 Pa
Tabela 10 - Parâmetros obtidos através de cálculos para colmeia.
4.6.5 Difusor Ventilador – Bocal
Devido ao tamanho da área de entrada do bocal, de 0,64 metros quadrados, não foi possível comprar um ventilador centrifugo compatível ao tamanho, que se encaixasse diretamente no bocal, primeiramente devido ao alto custo de um ventilador desse tamanho e, segundo que, a potência e a vazão fornecidas por esse ventilador seriam muito maiores que as necessárias para o projeto.
A solução encontrada foi adaptar um difusor na saída do ventilador até a entrada do bocal, garantindo que todo fluxo de ar gerado seja direcionado para o interior do túnel de vento e que o fluxo de ar percorra toda extensão do bocal, garantindo sua funcionalidade. 
Figura 27 - Vista em profundidade do difusor ventilador-bocal.
O cálculo da perda de carga e de pressão é o mesmo empregado para o difusor final, por se tratar de um componente idêntico, de mesma função. Já para o ângulo de abertura, como necessidade da construção de um túnel de vento compacto, precisou-se usar um grande ângulo de abertura, assim o comprimento total do difusor fosse pequeno. Logo o difusor possui o nome de grande angular. Segundo Barlow et al., (1999), uma grande abertura do ângulo deve ser próxima da metade de 45º, ou seja, 22,5º, mantendo a razão entre as áreas entre 2 e 4.
4.6.5.1 DIMENSIONAMENTO E PERDA DE CARGA
O difusor grande angular foi construído com chapas de aço e foi utilizado flanges para conexão com o bocal, seguindo o mesmo padrão dos outros componentes do túnel de vento. Para o cálculo da perda de carga e de pressão foram utilizadas as mesmas equações do difusor final.
A única exceção foram os parâmetros usados para o cálculo da função , usado para calcular o coeficiente de expansão. Foi usado a formula do para seção transversal quadrada e ângulos maiores que 5 graus.
Na tabela a seguir estão apresentados as dimensões e valores das perdas para o difusor ventilador – bocal.
Tabela 11 - Dimensões para o difusor ventilador-bocal.
	Dimensões
	Valores
	Largura Entrada
	500 mm
	Largura Saída
	800 mm
	Altura Entrada
	500 mm
	Altura Saída
	800 mm
	Largura Flange
	40 mm
	Altura Flange
	40 mm
	Comprimento
	360 mm
	Área de Entrada
	2500 
	Área de Saída
	6400 
	Ângulo de Abertura
	22,5º
Figura 28 - Vistas frontal e lateral cotadas do difusor ventilador-bocal.
Tabela 12 - Parâmetros obtidos através de cálculos para o difusor ventilador-bocal.
	Parâmetros
	Valores
	Velocidade Entrada
	15 m/s
	Velocidade Saída
	5,86 m/s
	Pressão Dinâmica
	66,63 Pa
	Fator de Atrito
	0,014
	Perda de Carga
	0,4892 Pa
	Perda de Pressão
	32,6 Pa
4.7 RELAÇÃO DE PERDAS NOS COMPONENTES
Para a construção de um túnel de vento eficaz, é importante realizar um mapeamento das perdas nos componentes, a partir do qual é possível identificar onde são as áreas mais suscetíveis a perdas grandes e trabalhar para diminui-las.
Abaixo foram feitos gráficos que nos mostram quais componentes mais influenciam para a perda de carga e perda de pressão, respectivamente.
Tabela 13 - Porcentagem de perda de carga e de perda de pressão por componente.
	Componente
	% Perda de Carga
	% Perda de Pressão
	Difusor Ventilador-bocal
	29,4
	24,58
	Bocal
	50,55
	42,20
	Colmeia 1
	5,11
	8,83
	Colmeia 2
	5,11
	8,83
	Seção de Testes
	6,73
	11,64
	Difusor final
	3,10
	3,92
Gráfico 1- Porcentagem de perda de carga por componente.
Gráfico 2- Porcentagem de perda de pressão por componente.
4.8 TUBO DE PITOT
As sondas de Pitot, também chamadas de Tubos de Pitot, são amplamente usadas para medir vazão. Possui uma tomada de pressão de estagnação no centro e várias tomadas de pressão estáticas em sua circunferência.
A sonda estática de Pitot mede a velocidade local, medindo a diferença a diferença de pressão, calculando junto a equação de Bernoulli. A sonda é formada por um tubo duplo fino, que deve ficar paralelo ao escoamento, conectado a um medidor de pressão diferencial. O tubo interno é aberto ao escoamento em seu orifício frontal de entrada, medindo assim a pressão de estagnação (ponto 1). O tubo externo é fechado em seu orifício frontal, mas possui aberturas nas laterais de sua parede externa, medindo a pressão estática (ponto 2).
‘Tubo Interno (Ponto 1)
Tubo Externo (Ponto 2)
Direção do Escoamento
Figura 29 - Esquema gráfico de um Tubo de Pitot.
Para um escoamento incompressível, de alta velocidade (de modo que o atrito entre os dois pontos seja desprezível), a equação de Bernoulli pode ser aplicada.
Sabendo que , já que os orifícios de entrada da pressão estática estão organizados em volta do tubo e , de acordo com as condições de estagnação, a velocidade de escoamento passa a ser , tem-se a equação conhecida como fórmula de Pitot
O tubo de Pitot é um instrumento simples, acessível e confiável, não atrapalha o escoamento devido ao seu tamanho pequeno e não ter partes móveis. Ela pode ser usada para medir a pressão tanto em líquidos, como em gases também.
4.9 VENTILADOR
Componente fundamental para um túnel de vento, o ventilador é responsável por gerar o escoamento. É fundamental que seja capaz de gerar e manter um fluxo de ar constante, que atenda às necessidades do túnel de vento. É preciso que o ventilador seja dimensionado para vencer as perdas de cargas existentes ao longo do túnel, provendo a velocidade necessária para a seção de testes.
Em tuneis subsônicos, é usado, normalmente, ventiladores do tipo axial ou centrífugo. Os primeiros, axiais, são usados em tuneis de sucção. Já os ventiladores centrífugos são usados em tuneis de vento sopradores, caso do túnel de vento em questão. 
Figura 30 - Exemplos de ventilador axial e centrífugo, respectivamente.
4.9.1 DETERMINAÇÃO DA POTÊNCIA DO VENTILADOR
Para calcular a potência total necessária que é preciso para manter o escoamento na seção de testes, é preciso multiplicar a vazão (), resultado da multiplicação entre velocidade e a área da seção transversal (, com o valor total da perda de pressão no túnel.
Para descobrir a potência efetiva que o ventilador terá que ter é preciso levar em consideração o fator de segurança (), normalmente de 10%. Além disso, levar em consideração a eficiência do motor e do ventilador.
5. OPERAÇÃO DE UM TÚNEL DE VENTO
Para o uso de ferramentas computacionais capazes de simular o teste aerodinâmico em diversas situações são utilizados conceitos matemáticos mais avançados dos que os apresentados anteriormente. Assim, é possível comparar os dadoscoletados no teste em túnel de vento com os coletados em softwares especializados. Portanto, neste capítulo serão apresentadas as equações utilizadas para a leitura de dados coletados do teste realizado no túnel de vento. 
5.1 COMO FUNCIONA UM TESTE EM TÚNEL DE VENTO
Para a realização de um teste em túnel de vento, deve-se posicionar o corpo a ser estudado na câmara e teste, em um ângulo de ataque predefinido (no caso de perfis de asas não se deve ultrapassar 22°, tanto positivos quanto negativos, devido ao efeito estol (perda da força de sustentação).
O fluxo de ar será contrário ao posicionamento do perfil, ou seja, o ar percorrerá o corpo. CORPO DE TESTE
Figura 31 - Representação gráfica do fluxo de ar no túnel de vento.
Quando o fluxo de ar atingir o corpo, ele se dividirá em suas extremidades, criando uma zona de diferentes pressões, causando um efeito Bernoulli no perfil. A diferença de pressão entre o dorso e o extradorso do perfil são medidos através de tubos de Pitot, assim podemos obter a pressão dinâmica no teste.
A velocidade do vento é controlada através de um potenciômetro instalado no seu circuito elétrico, e os dados referentes ao ar são considerados na pressão de 1atm e temperatura ambiente de 30°C (vide tabela 1).
5.2 VARIÁVEIS PRESENTES EM UM TESTE DE TÚNEL DE VENTO
Durante o teste, quase todos os parâmetros são modificáveis, com exceção daqueles relacionados às características do ar ambiente (viscosidade, massa específica do ar, temperatura); porém o ângulo “α” de ataque (ângulo formado entre o perfil e a linha perpendicular de fluxo de ar); velocidade do fluxo de ar e o perfil aerodinâmico podem ser alterados.
Figura 32 - Vetores de força presentes no perfil aerodinâmico durante o teste.
5.3 MODELO MATEMÁTICO
Para efeitos comparativos, é possível utilizar-se de ferramentas computacionais para prever os valores ideais que devem ser encontrados para cada teste prático. Para este estudo a ferramenta utilizada foi o simulador AIRFOILTOOLS (disponível online gratuitamente). 
O perfil aerodinâmico utilizado para esta simulação foi o NACA 6412, devido a seu perfil assimilar-se ao definido pela equipe SAE Aerodesign para o projeto. Trata-se de um perfil assimétrico, que proporciona melhor coeficiente de sustentação, devido seu extradorso ser mais extenso que o dorso, gerando a diferença de pressão e causando o efeito de Bernoulli. 
Sua concavidade limita sua velocidade, devido ao arrasto de atrito durante o voo, porém o seu coeficiente de sustentação é benéfico ao equipar o aeromodelo com a carga de transporte necessária.
Figura 33 - Representação gráfica do perfil NACA 6412.
Figura 34 – Valores aerodinâmicos característicos para o perfil NACA 6412.
No anexo B, estão presentes os gráficos obtidos à partir de simulação matemática em software que usa dados não variáveias para gerar gráficos que relacionam os coeficientes de sustentação, arrasto, ângulo de ataque e número de Reynolds.
6. CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO
6.1 PLANEJAMENTO
	Para o início do projeto, foi necessária a criação do conceito do túnel de vento que seria construído. Após ter suas características definidas (túnel de vento de circuito aberto, com ventilador centrífugo), o planejamento foi criado à partir dos recursos disponíveis e prazos definidos.
	Para a estrutura do bocal e do difusor, o material selecionado foi aço baixo Carbono (SAE 1020); tal escolha foi devido ao baixo custo do material em relação aos outros aços comerciais (SAE 1045 e ligas de Alumínio). Durante o processo de construção destes componentes, foi definido que quatro chapas de espessura de 2mm seriam cortadas para serem unidas através do apoio feito por cantoneiras de Alumínio e rebites, conforme foto abaixo.
	Para reduzir o impacto dos rebites expostos ao escoamento foi utilizada uma fita metálica de alto poder de fixação para encobrir os rebites e criar um perfil aerodinâmico nas arestas. Para evitar a oxidação do aço foi aplicada tinta azul nas áreas exteriores e, internamente, uma película de óleo lubrificante (derivado de petróleo).
	Para a câmara de testes, o material selecionado foi o acrílico, devido sua alta transparência, resistência (diante os outros materiais plásticos avaliados) e segurança (em relação aos tipos de vidro que foram analisados). Entre as conexões (flanges) das 3 partes que compõem o túnel de vento, borrachas nitrílicas foram utilizadas para garantir o isolamento do fluxo interno; também, para a câmara de testes, foi desenvolvida uma porta, para que seja possível acessar os objetos de estudo.
Figura 35- Detalhe dos rebites na construção do difusor do túnel de vento.
Figura 36- Detalhes dos rebites e cantoneiras utilizados na montagem do difusor do túnel de vento.
Também, para suportar o túnel de vento a uma altura satisfatória para a observação do objeto de estudos, foi construído um suporte, onde todos os componentes do túnel são apoiados e suas forças distribuídas, evitando o cisalhamento nos flanges. A bancada é construída de metalon (barra retangular de aço), que possui como características principais a durabilidade, versatilidade e baixo custo. Para acabamento, foi decidido utilizar tinta para a parte externa (como o metalon possui propriedades antioxidantes, não foi necessário nenhum tratamento ou acabamento na parte interna das barras (ocas) do metalon.
Figura 37- Túnel de vento instalado sobre a bancada de metalon.
	Os outros componentes (ventilador e colmeias) são itens comerciais e possuem a especificação disponível nos anexos D e E. 
6.2 CUSTOS DO PROTÓTIPO
Tabela 1 - Custo dos componentes do protótipo do túnel de vento.
	Componente
	Valor
	Ventilador Centrífugo
	 R$ 2.600,00 
	Colmeia e Aramida (x2)
	 R$ 260,00 
	Seção de Testes em Acrílico
	 R$ 160,00 
	Dutos em Aço (Incluso Valor da mão de Obra)
	 R$ 2.000,00 
	Parafusos Allen 8x10 e Porcas
	 R$ 10,00 
	Suporte Para Fixação em Aço
	 R$ 900,00 
	Potenciômetro e Equipamento Elétrico
	 R$ 200,00 
	Componentes de Isolamento
	 R$ 50,00 
	Total
	 R$ 6.180,00 
 
7. CONCLUSÕES
Neste trabalho foi realizado o projeto de um túnel de vento subsônico de circuito aberto do tipo soprador, visando atender as necessidades de testes da equipe de Aerodesign e melhorar a performance dos laboratórios de Mecânica dos Fluidos. Todo o projeto, desde o dimensionamento e parametrização do seu funcionamento, até a escolha dos componentes foi feita a partir do desenvolvimento deste documento, porém os métodos foram baseados na análise do túnel de vento semelhante (e de mesma classificação) do campi São José dos Campos da UNIP.
Durante a elaboração do projeto, uma das maiores dificuldades foi encontrar um ventilador ideal que não ultrapassasse o orçamento inicial de R$6000,00 do grupo. Após a troca do ventilador que seria usado inicialmente (um ventilador tipo exaustor centrífugo por um com hélices), foi possível redesenharmos o projeto e readaptarmos outros componentes para que este atendesse as expectativas do grupo.
Durante os testes iniciais, tanto de materiais quanto de montagem, o protótipo conseguiu satisfazer os requisitos mínimos de funcionamento previamente estabelecidos através do modelo matemático. Portanto o resultado do projeto é satisfatório para os fins de trabalho no qual será empregado, porém apresenta um quadro de melhorias que podem ser implementadas futuramente.
Uma perspectiva futura para as melhorias seria a implementação de canais de acesso para o Pito diretamente no perfil aerodinâmico, ao invés de sensores de contato por mola ou sensores eletrônicos; assim os dados de coleta de pressão dinâmica e estática poderão ser mais precisos. Outra melhoria para este documento seria a elaboração de um manual de uso e um manual de instruções, para que alunos e docentes que tiverem acesso ao túnel de vento possam usá-lo e preservá-lo de maneira adequada.
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ÇENGEL, Yunus A.; CIMBALA, John M. Mecânicados Fluidos: Fundamentos e Aplicações. 1. ed. [S.l.]: Bookman, 2013. 
RODRIGUES, Luiz Eduardo Miranda José. Fundamentos da Engenharia Aeronáutica. 1. ed. [S.l.]: Trilha, 2015. 
BARLOW J. B., RAE W. H., POPE A., 1999, “Low-Speed Wind Tunnel Testing”, 3rd edition; John Wiley &amp; Sons. 
FOX, R.W.; MCDDONALD, A. T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 5ª ed. LTC, 2001. 
Simões, A.C., Santos, F.J., Pelegrini, M. F., Carvalhal, R., Woiski, E. R. Modelagem matemática para a construção de um túnel de vento, in: Anais do IX Congresso Brasileiro de Estudantes de Engenharia Mecânica - CREEM, Itajubá-MG, agosto de 2002.
WATTENDORF, F.L. Factors Influencing the Energy Ratio of Return Flow Wind Tunnels. 5th International Congress for Applied Mechanics, Cambridge, Setembro 1938.
BELL, J. H; MEHTA, R. D. Contraction Design for Small Low-Speed Wind Tunnels. Stanford: 1988. Disponível em: < https://moodle.polymtl.ca/file.php /1047/ JERO-ME/Contractions/Bell_1988.pdf> Acesso em: 21 de março de 2017.
MEHTA, R. D.; BRADSHAW, P. Tecnichal Notes: Design Rules for Small Low Speed Wind Tunnels. The Aeronautical Journal of The Royal Aeronautical Society, November 1979.
ANEXO A – PROPRIEDADES DO AR À 1 ATM.
Tabela 15 - Características do ar à uma pressão de 1 atm. Fonte: Livro Mecânica dos fluidos, Çengel, Y.; Cimbala, J. 2007; pg. 779.
Nota: Para gases ideais, as propriedades cp, k, m e Pr são independentes da pressão. As propriedades r, n e a na pressão P (atm). As propriedades r, n e a a uma pressão P (em atm) diferentes de 1 atm são determinadas multiplicando os valores de r à temperatura dada por P e dividindo n e a por P.
ANEXO B – GRÁFICO DE DESEMPENHO AERODINÂMICO À PARTIR DO MODELO MATEMÁTICO.
Tabela 1 - Gráfico de desempenho aerodinâmico do perfil NACA 6412; para análise de criticidade dos coeficientes de arrasto e sustentação. Alpha é o ângulo de ataque (ângulo formado entre a inclinação do perfil e seu eixo perpendicular) do perfil em voo. Para as diferentes linhas, diferentes valores de Reynolds (ANEXO C).
ANEXO C – VALORES DE REYNOLDS E RAZÃO ENTRE LIMITES DE SUSTENTAÇÃO E ARRASTO PARA O PERFIL NACA 6412 EM MODELO MATEMÁTICO.
Tabela 1- Valores de Reynolds utilizados para a simulação em modelo matemático e razão de sustentação (Cl/Cd) máxima para a situação simulada. As cores são referentes às linhas dos gráficos do ANEXO B.
ANEXO D – FICHA TÉCNICA DA COLMÉIA
NOTA: Dados retirados do site do fornecedor
Figura 1 – Exemplo de colmeia de Aramida.
ANEXO E – FICHA TÉCNICA DO VENTILADOR CENTRÍFUGO
NOTA: Dados retirados do site do fornecedor
APÊNDICE A – RELATÓRIO DE DOBRA DE CHAPAS DE AÇO SAE 1020
Introdução
Com o avanço dos processos da engenharia, podemos considerar e ressaltar alguns processos que tem como fundamento a união de componentes ou a criação de geometria tridimensional em chapas. São eles: união por flange de arestas, soldagem e dobramento. Tais processos são vitais para o desenvolvimento de nosso túnel de vento, e, neste trabalho analisaremos o desempenho de cada para com a melhor construção de nosso trabalho.
Dobramento de chapas 
No dobramento de uma peça inicial na forma de uma tira, os esforços são aplicados em duas direções opostas para provocar a flexão e a deformação plástica consequente, mudando a forma de uma superfície plana para duas superfícies concorrentes, em ângulo, e formando, na junção, um raio de concordância. Os esforços de conformação se concentram na região de concordância das duas superfícies. Na parte interna da região de concordância, surgem esforços de compressão e, na externa, de tração. A eventual fratura da peça ocorre na parte externa e o possível enrugamento na parte interna 
Como a parte externa atua uma força num sentido (de tração) e na interna em outro sentido (de compressão), existe um ponto, ao longo de uma linha perpendicular à chapa - portanto, na direção do raio -, em que as tensões são nulas. Este ponto é denominado ponto neutro. A linha de união de todos os pontos neutros ao longo da chapa (em um corte feito pelo plano transversal e que contenha as forças e o raio de curvatura) é denominada linha neutra. O comprimento da linha neutra, antes e após o dobramento, é admitido permanecer o mesmo. As linhas correspondentes aos cortes, porém, entre as superfícies externa e interna e o plano transversal, não mantêm o mesmo comprimento inicial: a linha que correspondente à superfície externa tem seu comprimento aumentado após o dobramento e a correspondente à superfície interna diminuído. 
A linha neutra é utilizada como referência - pois o seu comprimento não varia na conformação, para a verificação do desenvolvimento da peça conformada, ou seja, para a determinação das dimensões do esboço inicial que atingem, depois de conformado, as dimensões da peça considerada. Antes da conformação, a posição da linha neutra coincide com a linha de simetria, que divide a espessura da chapa em duas partes iguais. Após a conformação, no entanto, a linha neutra se desloca em direção à superfície interna. 
A deformação plástica que surge na região do dobramento causa aí uma redução de espessura da chapa, devido à ação das tensões de tração; as tensões de compressão, por outro lado, tendem a aumentar a largura da chapa. Como a largura é muito maior que a espessura, o efeito de deformação plástica é desprezível num sentido, concentrando-se quase que somente ao longo da espessura, e causando pequenas distorções na secção transversal da chapa. 
A possibilidade do fissuramento na superfície externa existe se as tensões nessa região ultrapassam o limite de resistência à tração do material da chapa; na parte interna existe a possibilidade de surgimento de enrugamentos devido à ação dos esforços de compressão principalmente para as chapas de espessuras menores. Obtêm-se menores níveis de deformação plástica no dobramento da chapa quando se tem: maior raio de curvatura de dobramento, menor espessura de chapa e menor ângulo de dobramento. 
O ângulo de dobramento tem que ser maior na operação de conformação do que o determinado para a peça conformada, em virtude da recuperação da deformação elástica, que é tanto maior quanto maior for o limite de escoamento do material da chapa, quanto menor for o raio de dobramento, quanto maior for o ângulo de dobramento e quanto mais espessa for a chapa. 
O método usual de compensar a recuperação elástica, durante as operações de conformação, é a aplicação de uma intensidade de dobramento maior, ou seja, a adoção de um ângulo de dobramento maior. 
 
Figura 1. Exemplo de chapa dobrada
Ferramentas de dobramento 
O dobramento é realizado em ferramentas denominadas estampos de dobramento. Na figura (1) apresenta um desses estampos, que se compõe de uma parte superior (macho) e uma inferior (fêmea). As máquinas de conformação podem, nesse caso, ser prensa excêntrica ou prensa viradeira. 
Durante a operação de dobramento, deve-se evitar que a chapa sofra um alongamento excessivo, o que provocaria uma variação em sua espessura. Para que isso não ocorra, é necessário um controle rigoroso das ferramentas e uma regulagem exata do curso da prensa. 
Figura 2. Tipos de ferramentas usadas no processo de dobramento.
Obs.: As flechas indicam a direção dos esforços externos atuantes no esboço. 
- Ferramenta de dobramento adaptada à prensa excêntrica (a) ou à prensa viradeira (b). 
Para o dobramento deve-se levar em conta o raio de curvatura utilizado para a peça e a elasticidade do material. Deve-se, ainda, evitar os cantos-vivos, sendo, portanto necessário fixar os raios externos de curvatura, a fim de que não ocorra ruptura durante o dobramento. O raio de curvatura deve ser entre uma e duas vezes a espessura da chapa para materiais moles, e entre três e quatro vezes para materiais duros. 
Após a deformação, que provoca o dobramento, a peça tende a voltar a sua forma primitiva, em proporção tanto maior quanto mais duro for o material da chapa,devido à recuperação elástica. Portanto, ao se construir os estampos de dobramento, deve-se fixar um ângulo de dobramento mais acentuado, de modo que, uma vez cessada a pressão de conformação, possa se obter uma peça com o ângulo desejado. 
Para se conformar uma peça é muitas vezes necessário efetuar o dobramento por etapas, em diversos estampos. 
Figura 3. Exemplo de dobradeira de chapa
Soldagem de chapas
A soldagem é considerada como um processo de união e deposição de material, para construção e/ou recuperação de estruturas e equipamentos. 
Para a finalidade da solda ser alcançada, alguns recursos físicos e/ou metalúrgicos são necessários, como elevar a pressão e/ou o aquecimento até a fusão da junta a ser unida. 
No processo de soldagem por fusão, a união das chapas soldada sofre um brusco aumento de temperatura pela formação de um arco elétrico entre a peça e o eletrodo, devido à alimentação por energia elétrica do equipamento de soldagem. Esse aumento de temperatura é dissipado pela peça e provoca alterações na estrutura interna e externa da mesma, inclusive de forma prejudicial. Dentre estas alterações, pode-se citar as tensões internas, distorções, alteração da microestrutura e outros. 
Figura 4. Exemplo de solda coberta por pintura.
União por flange
 	A união por flange consiste em um sistema de união de arestas através da fixação das faces perpendiculares à geometria do componente central, em tese, cria-se uma “aba” no fim do componente a ser unido, e então o mesmo é fixado ao outro através da união desta “aba” por meio de parafusos ou fixadores. Deste modo a geometria interna do componente não se altera, as medidas continuam fieis ao projeto e a aerodinâmica do mesmo pouco se altera. 
Figura 5. Exemplo de flange aplicada ao protótipo.
jjojcpihxpicjjaoj
F
Figura 6. Exemplo de flange, vista interna da geometria do componente.
 
Conclusão
Concluímos que através dos testes realizados e da teoria encontrada utilizaremos em nossa construção dois dos métodos enumerados acima. São eles: dobramento e união por flange. Utilizaremos dobramento para a construção da câmara de teste, que terá três de suas arestas dobradas e uma ligada por flange, formando assim uma câmara de teste de formato retangular. As conexões que serão feitas entre o ventilador a câmera e a difusão utilizarão o método de união por flanges, deste modo poderemos ter uma diminuição das variáveis que podem alterar o resultado e o bom desempenho do equipamento, além de permitir uma fácil acessibilidade em casos de manutenção ou alterações do projeto. 
APÊNDICE B – DESENHOS TÉCNICOS DO PROTÓTIPO
APÊNDICE C – MEMORIAL DE CÁLCULOS
Bocal – Dimensões e Parâmetros Mínimos
Difusor hidráulico médio
Dh = = 
 
Equação da Continuidade
V1.A1 = V2.A2
V1.0,64 = 15.0,25
V1 = 5,86 M/s
Velocidade na entrada do Bocal é de 5,86 M/s
Velocidade Média
Vm = = 10,43 M/s
Reynolds
Re = = 148566,87
Equação de Haaland
= 
= 
= f = 6,285.
Equação de Darcy – Wisbach (Perda de Carga)
hf = f . 
hf = 0,025 . 
hf = 0,84 Pa
Equação Pressão dinâmica
Pd = 
Pd = 1,225 . 
Pd = 66,63 Pa
Equação Perda de Pressão
Trabalho do Difusor e Parâmetros Mínimos
Ângulo de Abertura
Para Ө = 45° (recomendado) = Descobrir o Comprimento (L)
Ө = ArcTg ( ) ( = Tg Ө
( ) = Tg 22,5° = 0,4142 L = 0,36m
Difusor hidráulico médio
Dh = = 
 Equação da Continuidade
V1.A1 = V2.A2
V1.0,25 = 5,86.0,64
V1 = 15 M/s
Obs. = v2 = Velocidade de entrada no bocal A2 = Área entrada no Bocal.
A velocidade entrada no difusor é de 15 m/s.
Velocidade Média
Vm = = 10,43 M/s
Reynolds
Re = = 482842,3
Equação de Haaland
= 
= 
= f = 0,014.
Coeficiente perda de carga
Kf = (
Kf = (
Kf = 0,004
Para seção transversal quadrada
 > 5°
Ke (
Ke (
Ke (
Kex = Ke ( . 
Kex = 1,30663 . 
Kex = 0,4852
Coeficiente de perda de carga
Kd = Kf + Kex
Kd = 0,004 + 0,4852
Kd = 0,4892
Equação Pressão dinâmica
Pd = 
Pd = 1,225 . 
Pd = 66,63 Pa
Equação Perda de Pressão
Seção de testes – Dimensões e Parâmetros Mínimos
 
Reynolds
Re = = 534156,98
Difusor hidráulico médio
Dh = = 0,5
Equação de Haaland
= 
= f = 0,013.
Coeficiente perda de carga (acrílico)
Equação Pressão dinâmica
Pd = 
Pd = 
Pd = 137,8 Pa
Equação Perda de Pressão
137,8
Difusor0,5
0,6
0, 66
0,75
0,5
0,5
 
Ângulo difusorR1
R2
L
 
Coeficiente perda de carga 
Portanto:
Equação Pressão Dinâmica 
Equação Perda de Pressão
Calculando Ke
Para o intervalo de 1,8° ≤ ≤ 4,5° com a forma retangular do difusor calculamos
Calcular o fator de atrito ()
- Diâmetro Hidráulico médio
Equação da Continuidade 
v1*A1 = v2*A2Velocidade de saída do difusor é de: 10,41 m/s
15*0,25 = v2*0,36
 v2 = 10,41 m/s
Velocidade Média:
Reynolds :
Equação de Haaland
Ventilador
- Vazão ( Vazão necessaria na seção de testes)
Q = V.A
Q = 15*0,25 = 3,75 m³/s
]
Perda de Pressão
- Converter Pa em mmca ( milimetro de coluna de água )
Obs.: Unidade utilizada pelos fabricantes de ventiladores
1 Pa --- 0,102 mmca
Portanto :
 
Potência necessária 
- Potência do Ventilador
 
Obs.: Adotando- se :
Fs( Fator de Segurança) = 10%
 ( eficiência motor) e ( efieciência ventilador) = 50%
- Converter Watts para Hp
Temos : Pventilador = 223,3 W = 0,30 Hp
Colméia (x2)
- Diametro Hidraulico da célula
Dh = 30,12 mm = 0,03012 m
- Reynolds com base no material (Re)
Rugosidade do Aluminio = = 0,0027 Kg/cm³
- Perda de Carga
Como (Re) = 70,92Obs.: = É a rugosidade do material
 
Então Calculamos o Kh
 = 0,085 Pa
 - Pressão Dinâmica