Visualização do escoamento utilizando fios de lã

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO 
FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS 
FACULDADE DE ENGENHARIA 
 
 
 
SISTEMA DE ENSINO PRESENCIAL CONECTADO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DOURADOS-MS 
2018 
 
 
 
 
FABIAN YUITIRO OHARA 
FELIPE GALILEU MARTINS 
GABRIEL ALVES FANALI 
MATHEUS HENRIQUE CAVALHEIRO GARROS 
MAYARA FRANCISCA DE SOUZA REIS 
VINICIUS ZANARDO RODRIGUES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CURSO DE ENGENHARIA DE ENERGIA - UFGD 
VISUALIZAÇÃO DO ESCOAMENTO UTILIZANDO FIOS DE 
LÃ 
Análise de uma asa 
 
 
 
Dourados 
2018 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VISUALIZAÇÃO DO ESCOAMENTO UTILIZANDO FIOS DE 
LÃ 
Análise de uma asa 
 
Relatório Experimental apresentado ao Curso de 
Engenharia de Energia da UFGD - Universidade Federal da 
Grande Dourados, para a disciplina Mecânica dos Fluidos 
Experimental referente ao experimento “VISUALIZAÇÃO 
COM FIOS DE LÃ DO ESCOAMENTO SOBRE UMA ASA 
MODELO AA-TVA06 NA SEÇÃO DE ENSAIO DE UM 
TÚNEL DE VENTO” realizado dia 03/05/2018. 
 
 
Prof. Dr. Orlando M. Jr. 
 
FABIAN YUITIRO OHARA 
FELIPE GALILEU MARTINS 
GABRIEL ALVES FANALI 
MATHEUS HENRIQUE CAVALHEIRO GARROS 
MAYARA FRANCISCA DE SOUZA REIS 
VINICIUS ZANARDO RODRIGUES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
1 RESUMO .................................................................................................................. 3 
2 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 4 
3 DESENVOLVIMENTO/ MATERIAL E MÉTODOS .................................................. 5 
3.1 MATERIAL ............................................................................................................ 5 
3.2 MÉTODO ............................................................................................................... 6 
4 ANÁLISE DOS DADOS ........................................................................................... 7 
4.1 CÁLCULO DO NÚMERO DE REYNOLDS ........................................................... 8 
4.1.1 GRÁFICO 1 ........................................................................................... 11 
4.2 VARIÁVEIS QUE INFLUENCIAM NO ESCOAMENTO DE UM FLUIDO ............ 11 
5 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 13 
REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 14
3 
 
1 RESUMO 
Na execução deste experimento com asa foram fixadas fios de lã para observar 
o escoamento do ar dentro da seção de ensaio do túnel de vento. 
Assim se podem definir as variáveis que interferem no escoamento do fluxo de 
ar dentro da seção de ensaio, sendo notadas as interferências causadas pelo aumento 
do número de Reynolds e do ângulo de ataque da asa. Quanto maior o ângulo de 
ataque da asa, o escoamento se torna mais turbulento para uma velocidade 
constante. Para uma inclinação constante, quanto for maior o número de Reynolds, 
maior será a turbulência. 
4 
 
2 INTRODUÇÃO 
A partir da equação de Bernoulli, quanto maior for a velocidade de escoamento 
de um fluido, menor será sua pressão. Isso pode ser observado manipulando a 
equação a seguir: 
𝑝0 +
1
2
𝜌𝑣0
2 + 𝜌𝑔ℎ0 = 𝑝 +
1
2
𝜌𝑣2 + 𝜌𝑔ℎ (𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝐵𝑒𝑟𝑛𝑜𝑢𝑙𝑙𝑖) 
No escoamento dentro do túnel de vento as diferenças de altura são 
desprezíveis, os únicos termos restantes da equação são os termos de pressão e 
velocidade, e como o valor da equação é constante, aumentos de velocidade geram 
quedas de pressão, e vice-versa, efeito chamada de fenômeno de Venturi, que ocorre 
durante o estrangulamento do fluido (aceleração) dentro do túnel. 
Essa variação de pressão em relação a velocidade do fluido em escoamento 
sobre um perfil qualquer é o causador de turbulências e vórtices (para escoamentos 
com alto número de Reynolds ou corpos não aerodinâmicos), e da força de 
sustentação. 
Para o caso de um perfil inclinado de um ângulo positivo (fenômeno 
experimentado em laboratório) em relação à direção do escoamento, as partículas de 
ar terão uma maior velocidade na superfície superior do perfil quando comparadas a 
superfície inferior, desse modo, a diferença de pressão estática existente entre a 
superfície superior e inferior será a responsável pela criação da força de sustentação 
(RODRIGUES, Luiz Eduardo Miranda J.). 
 
 
Figura 1. Regiões de baixa e alta pressão sobre um perfil de asa. 
https://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwjKh7bX0-_aAhUBhZAKHS3KDigQjRx6BAgBEAU&url=http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1806-11172014000400007&psig=AOvVaw0Mnt8ctZodB9qeVZwJymbY&ust=1525646816819203
5 
 
3 DESENVOLVIMENTO / MATERIAL E MÉTODOS 
Durante a aula prática o objetivo foi analisar o comportamento de fios de lã 
fixadas sobre um perfil de asa, conforme foi variado o ângulo de inclinação, e as 
rotações do motor do túnel de vento. 
3.1 MATERIAL 
Para a realização do experimento foi necessário a utilização de diversos 
materiais, são eles: 
- Túnel de vento subsônico, modelo AA – TVSH1 (Figura 1); 
- Anemômetro com tubo de Pitot, modelo HD350 da Extech (Figura 2); 
- Perfil de asa, modelo AA-TV A06 (Figura 3, 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑑𝑎 = 0,18 𝑚). 
 
 
Figura 2. Túnel de vento subsônico, modelo AA – TVSH1. (Fonte própria). 
 
 
Figura 3. Anemômetro, motor ventilador e painel de controle 
do túnel de vento, respectivamente. (Fonte própria). 
6 
 
 
Figura 4. Perfil de asa, modelo AA-TV A06. (Fonte própria). 
3.2 MÉTODO 
 As medidas foram realizadas para dois valores de rotação do motor do túnel de 
vento distintos, sendo o primeiro em 1000 rpm e o segundo a 1500 rpm, aumentando 
assim a velocidade de escoamento. 
 Em ambas as configurações o ângulo de ataque da asa foi variado 3 vezes, 
começando em 0º, indo para 10º e por último 20º de inclinação, sendo anotados as 
velocidades na esteira para cada um desses ângulos. Foi utilizado um anemômetro 
conectado a um Tubo de Pitot para medir a velocidade do escoamento na esteira da 
asa. 
 Foi possível perceber um alto aumento na agitação dos fios de lá quanto mais a 
asa foi inclinada, e quando o mesmo teste foi realizado com o aumento das rotações, 
a agitação se tornou ainda maior. 
7 
 
4 ANÁLISE DOS DADOS 
Com os dados obtidos experimentalmente, foi possível montar tabelas para 
facilitar a análise do comportamento do escoamento. 
Tabela 1: Rotação do Túnel de Vento - 1000 rpm 
Ângulo de Ataque do Perfil de Asa (graus) Velocidade (m/s) Temperatura (°C) 
0° 17,33 32,0 
10° 17,27 32,0 
20° 17,38 32,1 
 
No qual, têm-se uma figura ilustrativa (figura 5) do qual estava sendo visualizado 
no momento exato da configuração em questão 
 
Figura 5. Comparação dos três estágios de estudo do perfil de asa no túnel de vento a 1000 RPM. 
 
O que se pode concluir visualmente a partir análise realizada é que as 
perturbações se tornam maiores conforme a região de baixa pressão aumenta, ou 
seja, conforme a asa se torna mais inclinada 
De uma forma semelhante, a segunda configuração empregada no experimento 
foi com o motor ventilador à 1500 rpm e com diferentes ângulos de ataque do perfil de 
asa variando em 0°, 10°, 20º. 
Tabela 2: Rotação do Túnel de Vento - 1500 rpm 
Ângulo de Ataque do Perfil de Asa (graus) Velocidade (m/s) Temperatura (°C) 
0° 26,21 32,0 
10° 26,20 32,0 
20° 27,08 32,0 
 
Da mesma forma, têm-se uma figura ilustrativa (figura 6) do qual estava sendo 
visualizado no momento exato da configuração em questão 
8 
 
 
 
 
Figura 6. Comparação dos três estágios de estudo do perfil de asa no túnel de vento a 1500 RPM. 
 
 Analogamente a primeira situação, as perturbações ocorreram da mesma 
maneira, mas com maior intensidade conforme o ângulofoi sendo aumentado e 
também devido ao salto na velocidade de escoamento sobre o perfil de asa (um salto 
de um pouco mais que 17,0 m/s para 27,0 m/s). 
4.1 CÁLCULO DO NÚMERO DE REYNOLDS 
O número de Reynolds (abreviado como 𝑅𝑒) é um número adimensional usado 
em mecânica dos fluídos para o cálculo do regime de escoamento de determinado 
fluido sobre uma superfície. É utilizado, por exemplo, em projetos de tubulações 
industriais e asas de aviões. O seu nome vem de Osborne Reynolds, um físico e 
engenheiro irlandês. O seu significado físico é um quociente entre as forças de inércia 
(𝑣𝜌) e as forças de viscosidade (𝜇 𝑐̅⁄ ). Para aplicações em perfis aerodinâmicos, o 
número de Reynolds pode ser expresso em função da corda média aerodinâmica do 
perfil da seguinte forma: 
 
𝑹𝒆 =
𝝆 . 𝒗 . �̅� 
𝝁
 
(1.1 
 Onde: 𝑣 representa a velocidade do escoamento, 𝜌 é a densidade do ar, 𝜇 a 
viscosidade dinâmica do ar e 𝑐̅ a corda média aerodinâmica do perfil. 
Desta forma, com os parâmetros em mãos torna-se possível o cálculo do Número de 
Reynolds para as configurações analisadas a rotações de 1000 rpm e 1500 rpm na 
sessão de ensaio do túnel de vento. O cálculo foi feito para as três posições do perfil 
de asa, e também para a média das velocidade para condições de atmosfera padrão 
ao nível do mar (𝜌 = 1,225 𝑘𝑔/𝑚3), a corda média do perfil de asa como 𝑐̅ = 0,18 𝑚 e 
a viscosidade dinâmica do ar 𝜇 = 1,868𝑥10−5 𝑁 . 𝑠/𝑚2 (dado tabelado – FOX, R.W.; 
MCDONALD, A.T.; PRITCHARD, P.J., 2014), temos que, para a primeira 
9 
 
configuração: 
 𝑅𝑒1 =
1,225
𝑘𝑔
𝑚3
 . 17,33
𝑚
𝑠 . 0,18 𝑚 
1,868𝑥10−5
𝑁 . 𝑠
𝑚2
→ 𝑹𝒆𝟏 = 𝟐, 𝟎𝟒𝟔𝒙𝟏𝟎
𝟓, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜃 = 0°. 
 𝑅𝑒2 =
1,225
𝑘𝑔
𝑚3
 . 17,27
𝑚
𝑠 . 0,18 𝑚 
1,868𝑥10−5
𝑁 . 𝑠
𝑚2
→ 𝑹𝒆𝟐 = 𝟐, 𝟎𝟑𝒙𝟏𝟎
𝟓, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜃 = 10°. 
 𝑅𝑒3 =
1,225
𝑘𝑔
𝑚3
 . 17,38
𝑚
𝑠 . 0,18 𝑚 
1,868𝑥10−5
𝑁 . 𝑠
𝑚2
→ 𝑹𝒆𝟑 = 𝟐, 𝟎𝟒𝟑𝒙𝟏𝟎
𝟓, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜃 = 20°. 
 E assim, para o Número de Reynolds para a velocidade média da primeira 
configuração, têm-se: 
 𝑅𝑒𝑚é𝑑 =
1,225
𝑘𝑔
𝑚3
 . (17,33 ± 0,06)
𝑚
𝑠 . 0,18 𝑚 
1,868𝑥10−5
𝑁 . 𝑠
𝑚2
→ 𝑹𝒆𝒎é𝒅 = (𝟐, 𝟎𝟒𝟔 ± 𝟎, 𝟎𝟑𝟗)𝒙𝟏𝟎
𝟓, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑣𝑚é𝑑. 
E para a segunda configuração: 
 𝑅𝑒1 =
1,225
𝑘𝑔
𝑚3
 . 26,21
𝑚
𝑠 . 0,18 𝑚 
1,868𝑥10−5
𝑁 . 𝑠
𝑚2
→ 𝑹𝒆𝟏 = 𝟑, 𝟎𝟗𝟒𝒙𝟏𝟎
𝟓, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜃 = 0°. 
 𝑅𝑒2 =
1,225
𝑘𝑔
𝑚3
 . 26,2
𝑚
𝑠 . 0,18 𝑚 
1,868𝑥10−5
𝑁 . 𝑠
𝑚2
→ 𝑹𝒆𝟐 = 𝟑, 𝟎𝟗𝟑𝒙𝟏𝟎
𝟓, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜃 = 10°. 
 𝑅𝑒3 =
1,225
𝑘𝑔
𝑚3
 . 27,08
𝑚
𝑠 . 0,18 𝑚 
1,868𝑥10−5
𝑁 . 𝑠
𝑚2
→ 𝑹𝒆𝟑 = 𝟑, 𝟏𝟗𝟔𝒙𝟏𝟎
𝟓, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜃 = 20°. 
E assim, para o Número de Reynolds para a velocidade média da segunda 
configuração, têm-se: 
 𝑅𝑒𝑚é𝑑 =
1,225
𝑘𝑔
𝑚3
 . (26,5 ± 0,51)
𝑚
𝑠 . 0,18 𝑚 
1,868𝑥10−5
𝑁 . 𝑠
𝑚2
→ 𝑹𝒆𝒎é𝒅 = (𝟑, 𝟏𝟐𝟖 ± 𝟎, 𝟑𝟑𝟓)𝒙𝟏𝟎
𝟓, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑣𝑚é𝑑. 
Com o valor do Número de Reynolds obtido é possível destacar a eficiência 
aerodinâmica de uma asa de um avião, pois a eficiência de um perfil em gerar 
sustentação e arrasto está intimamente relacionada ao número de Reynolds obtido. 
Geralmente no estudo do escoamento sobre asas de aviões o fluxo se torna turbulento 
para números de Reynolds da ordem de 1𝑥107, sendo que abaixo desse valor, 
10 
 
geralmente, o fluxo é laminar (FOX, R.W.; MCDONALD, A.T.; PRITCHARD, P.J., 
2014). 
Contudo, um parâmetro de extrema relevância nesta situação é o ângulo de 
ataque em o perfil de asa realiza com o fluxo de ar, no qual, normalmente, o aumento 
do ângulo de ataque proporciona um aumento da força de sustentação até um certo 
ponto no qual está diminui bruscamente, este ponto é conhecido como estol. 
Normalmente o ângulo de ataque crítico é em torno de 15° para a maioria dos 
perfis aerodinâmicos, porém com a utilização de uma série de dispositivos 
hipersustentadores adicionais, consegue-se aumentar esse valor para ângulos que 
podem variar de 20° até 45° (RODRIGUES, Luiz Eduardo Miranda J.). No qual, é 
notável nas figuras 5 e 6 as diferenças significativas no comportamento dos fios de lã, 
postos ao longo do corpo do perfil de asa, em relação a variação da angulação da 
mesma. 
Essa situação mostra a mudança abrupta de um comportamento laminar para 
uma perca total de sustentação, fenômeno que em uma situação real a aeronave em 
questão teria perdido completamente sua sustentação em voo e teria entrado em 
colapso. 
 Na segunda configuração nota-se um aumento de 52,9% no Número de 
Reynolds de uma situação para outra, o que mostra que a relação entre o Número de 
Reynolds e a velocidade são diretamente proporcionais, além de mostrar a 
dependência do número de Reynolds (e logo, a velocidade) e a turbulência. 
11 
 
4.1.1 GRÁFICO 1 
 
 O gráfico 1 permite notar que o ângulo de inclinação do perfil de asa não causou 
grandes alterações de velocidade no ponto medido (11 cm abaixo do teto da seção 
de ensaio). A maior variação ocorreu durante a maior rotação do motor, e maior 
velocidade de escoamento por consequência, demonstrando que quanto maior o 
número de Reynolds mais suscetível o escoamento é a turbulência. 
4.2 VARIÁVEIS QUE INFLUENCIAM NO ESCOAMENTO DE UM FLUIDO 
 Sendo assim, com os parâmetros já destacados torna-se possível a seleção do 
melhor perfil a ser utilizado para a fabricação das superfícies sustentadoras de uma 
aeronave é influenciada por uma série de fatores que envolvem diretamente os 
requisitos necessários para um bom desempenho da nova aeronave. Algumas 
características importantes que devem ser consideradas para a seleção de um novo 
perfil são: 
a) influência do número de Reynolds; 
b) características aerodinâmicas do perfil; 
c) dimensões do perfil; 
d) escoamento sobre o perfil; 
e) velocidades de operação desejada para a aeronave; 
f) eficiência aerodinâmica do perfil; 
g) limitações operacionais da aeronave. 
12 
 
Todo perfil possui características aerodinâmicas próprias, que dependem 
exclusivamente da forma geométrica do perfil, de suas dimensões, do arqueamento, 
em como da sua espessura e do raio do bordo de ataque. As principais características 
aerodinâmicas de um perfil são o coeficiente de sustentação, o coeficiente de arrasto, 
o coeficiente de momento, a posição do centro aerodinâmico e a sua eficiência 
aerodinâmica. 
Coeficiente de sustentação de um perfil aerodinâmico: o coeficiente de 
sustentação é usualmente determinado a partir de ensaios em túnel de vento ou em 
softwares específicos que simulam um túnel de vento. O coeficiente de sustentação 
representa a eficiência do perfil em gerar a força de sustentação. Perfis com altos 
valores de coeficiente de sustentação são considerados como eficientes para a 
geração de sustentação. O coeficiente de sustentação é função do modelo do perfil, 
do número de Reynolds e do ângulo de ataque. 
Coeficiente de arrasto de um perfil aerodinâmico: tal como o coeficiente de 
sustentação, o coeficiente de arrasto representa a medida da eficiência do perfil em 
gerar a força de arrasto. Enquanto maiores coeficientes de sustentação são 
requeridos para um perfil ser considerado eficiente para produção de sustentação, 
menores coeficientes de arrasto devem ser obtidos, pois um perfil como um todo 
somente será considerado aerodinamicamente eficiente quando produzir grandes 
coeficientes de sustentação aliados a pequenos coeficientes de arrasto. Para um 
perfil, o coeficiente de arrasto também é função do número de Reynolds e do ângulo 
de ataque. 
13 
 
5 CONCLUSÃO 
Após a análise cuidadosa dos dados experimentais, é possível concluir que, a 
fluidez de um escoamento não necessariamente é dependente apenas do número de 
Reynolds, pois no experimento, para mesma velocidade de escoamento (e logo, 
mesmo Reynolds), a turbulência variou com a inclinação da asa. 
Quanto mais inclinado um perfilaerodinâmico está, maior será a região de baixa 
pressão e mais suas características que permitem um bom escoamento do fluido são 
perdidas. O que foi determinado com a visualização dos fios de lã fixadas na asa para 
os ângulos maiores. 
Assim torna-se extremamente necessário ter o controle das diversas variáveis 
que interferem nos perfis de velocidade. Pois o real causador da turbulência pode 
variar para cada caso, dependendo das características da montagem experimental e 
do corpo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
14 
 
REFERÊNCIAS 
ÇENGEL; BOLES, Yunus A.; Michael A. TERMODINÂMICA. 7 Edição. Cidade: New 
York. Editora AMGH Ltda., 2013. 
RODRIGUES, Luiz Eduardo Miranda J. Fundamentos da Engenharia Aeronáutica 
- Aplicações ao Projeto SAE-AeroDesign. Disponível em: 
http://www.engbrasil.eng.br/livro/cap2.pdf. 
FOX, R.W.; MCDONALD, A.T.; PRITCHARD, P.J. Introdução à Mecânica dos 
Fluidos. 8 ed. – Rio de Janeiro: LTC, 2014.