Para
a melhor eficiência aerodinâmica, a escolha do perfil ideal é imprescindível. No
enteando, o conhecimento de conceitos e metodologias para o desenvolvimento do
mesmo é essencial. Por isso, a seguir mostraremos da melhor forma como
desenvolvemos o perfil e asa do planador.
1.
Conceitos
Número de Reynolds
O número de Reynolds se constitui como um importante fator na
aerodinâmica, pois é através do mesmo que será estabelecida a classificação de
uma das características do escoamento: se este é laminar ou turbulento. Este
valor apresenta-se como uma grandeza adimensional capaz de conceber um limite
para que um fluido seja considerado laminar ou turbulento, ou seja, se o fluxo
de partículas que escoa por sobre um corpo possui trajetória bem
definida ou irregular. O cálculo do número de Reynolds para a realização de
análises de um perfil aerodinâmico requer a medida da corda raiz do aerofólio,
a massa específica do ar atmosférico, a velocidade inicial do planador e a viscosidade
dinâmica do ar.
Sustentação
No projeto, a sustentação pode ser definida como a força de reação
decorrente da diferença de pressão entre as partes inferior e superior da asa
de um planador, sendo esta a responsável por fazer com que o mesmo levante voo
e consiga se manter no ar.
Arrasto
Já o arrasto pode ser definido como a força exercida pelo fluido, que
oferece resistência ao movimento do planador através do ar, sendo este, segunda
a ANAC, a componente paralela ao vento relativo da força aerodinâmica total
sobre um aerofólio.
Estol
O ângulo de estol pode ser definido como o ângulo em que a a força
de sustentação e a velocidade do planador caem vertiginosamente em decorrência
da interrupção do escoamento por sobre a superfície superior do aerofólio,
devido ao alcance de um ângulo de ataque superior ao que gera a máxima
sustentação na aeronave.
2.
Fatores Decisivos para Escolha do Perfil
Após
a seleção de alguns perfis com base em literatura, fez-se o cálculo do número
de Reynolds para análise do escoamento. Para chegar a um valor, precisa-se da
velocidade do planador, comprimento da corda do perfil, viscosidade e densidade
do ar.
Primeiramente,
para a velocidade do planador, a equipe simulou o lançamento com um saco de
arroz vedado em outro saco para evitar rompimento da embalagem. A equipe fez a medição,
em quilos, do material, resultando em 1,16kg. Posteriormente, gravou-se os testes
e fez-se a análise em um programa denominado Tracker.
Imagem 1: Logo do programa de simulação de vídeos.
Fonte: Imagens Google.
Nos
lançamentos, encontramos erros devido a inexperiência dos membros. No arremesso,
não houve a devida projeção horizontal do corpo de prova. Cita-se ainda que durante a gravação também obtiveram
erros de posicionamento e foco. Na tentativa de reprodução dos novos testes, não
houve sucesso, encontrando empecilhos mais agravantes que dificultaram mais
ainda descoberta do valor da velocidade. Desse modo, a simulação do lançamento foi
feita com base no primeiro vídeo.
O
resultado encontra-se na tabela e gráfico abaixo:
Gráfico 1: Gráfico de velocidade e tempo do lancamento.
Fonte: Tracker.
Tabela 1: Dados obtidos a paritr do gráfico de lançamento.
Fonte: Tracker.
Posteriormente, com o valor da velocidade,
para os coeficientes de viscosidade do ar (m) e densidade do
ar (r),
utilizamos o dado da viscosidade com base no Miranda e para densidade optamos
por buscas na internet, escolhendo a estima para o ar atmosférico em temperatura
ambiente.
Para
maior precisão de cálculo, utilizamos a ferramenta MathCad, programamos a fórmula
de Reynolds e inserimos cada valor, como segue imagem abaixo:
Imagem 2: Captura do MathCad do cálculo do número de Reynolds.
Fonte: MathCAD.
A
velocidade foi de 3 m/s apesar deste valor não ter sido encontrado no resultado
da simulação do programa, já que como citado anteriormente, a equipe reconheceu
diversos problemas no lançamento. Assim, estimou-se com base em buscas,
conversas com estudantes experientes, os quais compõem a equipe de Aero Design
do Centro Universitário Senai CIMATEC, Prometheus, chegando a este dado. O
valor é baixo devido ao fato de considerarmos a pior situação para o planador,
que seria o momento do estol.
Com
o Reynolds definido, para analisar cada perfil, simulamos com o valor mínimo e
máximo dessa variável, ou seja, um intervalo de Reynolds, sendo ele 60000 e 100000.
Desse modo, fez-se uma análise mais precisa de cada modelo, onde visualizou-se melhor como o perfil se comporta com a pior e melhor exposição. Em vista disso,
suscitou-se os seguintes gráficos:
Imagem 3: Conjunto dos gráficos de Cl/Cd x ângulo de ataque.
Fonte: XFlr5.
Imagem 4: Conjunto dos gráficos Cl x ângulo de ataque.
Fonte: XFlr5.
Imagem 5: Conjunto dos gráfico Cd x ângulo de ataque.
Fonte: XFlr5.
Outros
perfis também foram selecionados para análise, contudo por razões não
identificadas, o programa não fez a simulação dos perfis. Foram eles:
·
HQ 3512
·
HQ 3514
·
Eppler 423
Todos
os perfis, analisados e não analisados, foram escolhidos com base em leitura de
artigos e relatórios referentes à aerodinâmica de perfis e projetos de
planadores e Aero Design. Todas as pesquisas utilizadas estarão disponíveis nas
referências.
Entretanto,
com os gráficos elaborados, fez-se a análise e comparação de cada comportamento
do perfil e percebeu-se que o Clark Y mostrou-se mais ideal para as condições
de voo previstas, sabendo que deve-se existir a melhor proporção
Cl/Cd, ou seja, a razão com alto índice, coeficiente de sustentação (Cl) mais alto possível e coeficiente (Cd) de
arrasto mais baixo possível.
1.1. Cálculo da Área da Asa
Com a
escolha do perfil, obteve-se o valor máximo da relação Cl/Cd, onde calculamos o
ângulo de planeio com máximo alcance, dada pela fórmula:
Obs.: o
L/D é o mesmo que Cl/Cd
Posteriormente,
com o valor do ângulo encontrado, pode-se fazer o cálculo da área pela fórmula:
Onde:
·
v é a
velocidade do perfil;
·
L é o peso
do planador;
·
r densidade do ar;
·
Cl coeficiente
de sustentação;
·
S área da
asa.
Com a substituição
dos valores de cada incógnita e com a manipulação de fórmula, utilizamos novamente
o programa MathCad para calcular a área da asa. Abaixo, captura da demonstração:
Imagem 6: Captura do MathCad do cálculo da área em planta.
Fonte: MathCAD.
Por
meio da literatura e sabendo sobre alongamento, na qual é um fator que pode
melhorar significativamente o desempenho da asa. Com seu ideal aumento, pode-se
reduzir o arrasto induzido. Desse modo, com base em pesquisas mais aprofundadas
e comunicação com equipes anteriores, decidimos optar pelo máximo tamanho de
asa.
4. Modelo CAD
Após
toda estruturação do modelo de perfil e asa, partiu-se para modelagem 3D do
projeto. Abaixo, a representação da asa:
Imagem 7: Modelo CAD da asa.
Fonte: Própria equipe.
Imagem 8: Modelo CAD da asa.
Fonte: Própria equipe.
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