Aerodinâmica

Da Wikipédia, a enciclopédia livre.
Ir para a navegação Ir para a pesquisa

Aerodinâmica é o ramo da dinâmica dos fluidos que estuda a dinâmica dos gases , em particular do ar , e sua interação com os corpos sólidos. Resolver um problema aerodinâmico geralmente envolve resolver equações para calcular diferentes propriedades do ar, como velocidade , pressão , densidade e temperatura , em função do espaço e do tempo .

Classificação e campos de aplicação

Geralmente, os problemas aerodinâmicos são classificados de acordo com o ambiente em que o fluxo é definido.

Estudos externos de aerodinâmica fluem em torno de corpos sólidos. Os campos de aplicação típicos incluem, por exemplo, a determinação da sustentação e arrasto de um aerofólio no domínio aeronáutico e da mesma forma no automotivo.

Outros campos de aplicação podem ser encontrados mais geralmente no projeto de qualquer tipo de veículo , bem como em aplicações navais . A engenharia civil também lida com aerodinâmica e, em particular, com aeroelasticidade para a determinação de cargas de vento em pontes ou grandes estruturas.

Já a aerodinâmica interna estuda os fluxos dentro de corpos sólidos, como, por exemplo, os fluxos em um motor ou nos canais de condicionamento.

Outras classificações

Os problemas de aerodinâmica são classificados com base nas mesmas características que podem ser vistas de forma mais geral na dinâmica dos fluidos , e às quais é feita referência para uma discussão detalhada

A classificação com base nas velocidades de fluxo é muito importante para aplicações aerodinâmicas típicas. Em particular, um problema aerodinâmico é dito:

  • subsônico se todas as velocidades dentro do campo de movimento forem menores que a velocidade do som ;
  • transônico se houver velocidades tanto menores quanto maiores que a velocidade do som (geralmente quando a velocidade assintótica é ligeiramente menor que este valor);
  • supersônico se a velocidade assintótica for maior que a velocidade do som;
  • hipersônico quando as velocidades de fluxo são muito maiores do que a velocidade do som (geralmente um valor convencional de 5 vezes essa velocidade é escolhido).

Forças aerodinâmicas

Forças atuando em uma aeronave

Uma das conquistas mais importantes da aerodinâmica é a determinação das forças aerodinâmicas que atuam sobre um corpo. Seu cálculo preciso é de fundamental importância no projeto de uma aeronave , um veleiro ou um carro de corrida ( Fórmula 1 , por exemplo).

Em particular, três forças atuam em uma aeronave em condições de voo horizontal reto e uniforme:

  • o peso da aeronave “W” (do inglês Weight), devido à força da gravidade;
  • o impulso dos motores "T" (do inglês Thrust);
  • a força aerodinâmica resultante "R".

Por convenção, para simplificar os cálculos, a força aerodinâmica resultante é decomposta em um componente perpendicular à velocidade da aeronave ( velocidade assintótica ) e em um componente paralelo à velocidade da aeronave; respectivamente:

(Observação: a notação em inglês é de uso comum na aeronáutica)

Para que haja um vôo reto e uniforme essas forças devem estar em equilíbrio, ou seja, deve haver:

  • L = W
  • D = T

Elevar

Forças atuando em um aerofólio

A sustentação é definida como a força aerodinâmica que atua em uma direção perpendicular à direção do vento que atinge o perfil e permite a decolagem da aeronave. É positivo se for orientado para cima.

A sustentação é gerada pela diferença de pressão entre a parte inferior e superior de uma aeronave. Toda a aeronave pode contribuir para o desenvolvimento da sustentação, mas a principal contribuição se deve à asa. [1] A forma particular do aerofólio permite uma diferença na velocidade do fluido entre o extradorso ou traseiro (parte superior da asa) e o intradorso ou barriga (parte inferior da asa). Conhecendo o coeficiente de sustentação de um perfil (ou corpo), é possível traçar a sustentação:

onde ρ indica a densidade do ar, sendo V a velocidade de vôo; S a superfície de referência (no caso de aviões, é a superfície da asa ). é um coeficiente adimensional denominado coeficiente de sustentação . Varia de acordo com a forma geométrica da asa, o ângulo de ataque, o número de Reynolds e o número de Mach . Em particular, para ângulos de ataque mais baixos do que o ângulo de estol, é possível expressar o coeficiente de sustentação como:

onde α indica a incidência do perfil (ângulo formado pela corda do perfil com a direção do vento não perturbado que o atinge). Além do ângulo de estol, esta relação linear não é mais válida e uma diminuição acentuada no coeficiente de sustentação é observada.

Resistência

Tendência típica dos coeficientes C L e C D de uma asa finita

O arrasto é definido como a força aerodinâmica que atua em uma direção paralela (e com direção oposta) à direção do movimento. Consiste basicamente em quatro termos:

  • resistência ao atrito
  • resistência de forma
  • resistência induzida (ou resistência a vórtice)
  • resistência de onda

A resistência ao atrito é devida à viscosidade do fluido (consulte a entrada da camada limite ). Em um avião, representa cerca de 60% da resistência total

A resistência da forma deve-se à forma particular do corpo e ao desprendimento da camada limite. Os corpos são divididos em aerodinâmicos, onde o desprendimento ocorre no máximo em áreas limitadas e a esteira é mínima, e corpos atarracados, onde a camada limite não permanece presa ao corpo e a esteira é muito grande. Consequentemente, a resistência também é maior em corpos agachados.

O arrasto induzido é devido à presença de sustentação . Na superfície superior do aerofólio, a pressão é menor do que na superfície inferior. As equações de Navier-Stokes estabelecem que em tais condições o fluxo de ar tenderá a passar do intradorso para o extradorso, onde isso for possível. Em uma asa de comprimento finito, isso ocorre nas pontas das asas.

A resistência das ondas está presente apenas ao voar em velocidades próximas ou superiores às do som. Nessas condições, são geradas ondas de choque que aumentam a resistência. O efeito dessa resistência também começa a se manifestar para Ma > 0,85, ou seja, ao voar em velocidades subsônicas e o fluxo acelera localmente para velocidades supersônicas, retornando subsônico através de uma onda de choque. [2]

Conhecendo o coeficiente de arrasto, a resistência pode ser obtida como:

onde ρ é a densidade do ar, V é a velocidade de voo, S é a superfície de referência (no caso de aviões é uma superfície de asa , no caso de carros é usada a superfície frontal do veículo).

C D (também conhecido como C X no campo automotivo) é um coeficiente adimensional denominado coeficiente de arrasto . Varia de acordo com a forma geométrica da asa, o ângulo de ataque, o número de Reynolds e o número de Mach . [3]

Os avanços feitos na dinâmica dos fluidos computacional , juntamente com o desempenho cada vez mais alto dos computadores eletrônicos , hoje nos permitem fazer uma estimativa muito precisa dos vários coeficientes aerodinâmicos ( , e outros). No entanto, dado o considerável custo computacional ( teoria da complexidade computacional) deste tipo de simulações, a complexidade matemática dos problemas aerodinâmicos e o conhecimento incompleto dos fenômenos físicos que os regem, esses coeficientes ainda são frequentemente determinados empiricamente, por medição (dentro do túnel de vento ou por testes de voo) as forças que atuam em aviões ou em modelos de pequena escala ou escala natural.

Observação

  1. ^ "Aerodynamics, Aeronautics and Flight Mechanics" por Barnes W. McCormick, Ed. John Wiley & sons, Inc., 1995.
  2. ^ Carlo Casarola, mecânico de vôo . Ed. Plus, 2004.
  3. ^ John D. Anderson, Fundamentos da Aerodinâmica, 5a edição , McGraw-Hill Education, 2011

Itens relacionados

Outros projetos

links externos

Controle de autoridade Tesauro BNCF 19849 · LCCN (EN) sh85001295 · GND (DE) 4000589-6 · BNF (FR) cb11930830m (data) · NDL (EN, JA) 00.566.027