No automobilismo o diferencial entre um carro grande e um carro vitorioso é o desempenho aerodinâmico. Hoje em dia isso é desenvolvido por túneis de vento, que junto com a dinâmica de fluidos computacional (CFD) se tornaram as ferramentas mais importantes para um construtor de automóveis.

Princípios do túnel de vento

O princípio básico do túnel de vento (WT) é a reciprocidade, o que significa que o fluxo sobre uma geometria tem as mesmas características de uma geometria que se move dentro do fluxo de ar com uma determinada velocidade. Isso é importante, pois nos túneis de vento ocorre uma situação inversa em relação ao autódromo. Neste caso, o carro está em movimento e o ar está parado, enquanto no túnel de vento o ar está em movimento e o carro está parado. Na verdade, na situação real, há vento e o perfil de velocidade não é totalmente conhecido, mas é razoável aproximar para uma situação em que o carro está rodando imerso em um ar parado. Outra suposição importante em testes de túnel de vento é o princípio da similaridade, isto significa que um ponto em uma determinada posição do fluxo terá características semelhantes a outros pontos do campo de fluxo. Além disso, as quantidades dessas características seguem uma razão constante. Essa semelhança pode ser geométrica ou física.

• Semelhança geométrica: A forma de um modelo de teste é equivalente à forma do modelo real e o modelo de teste deve ser colocado em uma posição compatível com a realidade.
• Similaridade física: Os parâmetros adimensionais (Reynolds, Mach e Froude) devem ser iguais ao problema real, juntamente com as características de turbulência.

No entanto, os túneis de vento não são capazes de atingir a semelhança total, pois é praticamente impossível atingir a semelhança física. Uma vez que apenas a semelhança geométrica é possível, os túneis de vento são qualitativamente bons para simular o campo de escoamento. Em outras palavras, separação, desprendimento de esteiras e vórtices. O motivo das limitações do WT é que para replicar Re, Ma e Fr, sua estrutura deve ser maior para produzir um campo de fluxo do dobro do tamanho, considerando que o modelo em escala é de 50%.

Re = (ρV_∞L)/μ = (V_∞L)/υ ; Ma = V_∞/a ; Fr = V_∞/√g∙l

Como resultado, não apenas as instalações do túnel de vento devem ser maiores, como o campo de fluxo deve sofrer efeitos de compressibilidade devido ao alto Ma. Felizmente, na indústria automotiva, a similaridade Ma não é necessária.

Problema de similaridade de turbulência

A intensidade da turbulência é outro tipo de problema para a similaridade de um túnel de vento, é dada por:

I = u’/U ; u’ = √[(u_x‘² + u_y‘² + u_z‘²)/3] ; U = √[(U_x‘² + U_y‘² + U_z‘²)/3]

Os efeitos da turbulência são impossíveis de reproduzir perfeitamente, pois existe uma certa intensidade de turbulência inerente ao próprio túnel de vento. Isso não só é diferente da turbulência do veículo, como atrapalha a reprodutibilidade do teste. Normalmente, os túneis de vento possuem redes e painéis alveolares para reduzir esse efeito. Um bom túnel de vento opera com flutuação turbulenta em torno de 1%.

Classificação do túnel de vento

WT são baseados em duas categorias principais, Ma e sua estrutura, assim, o regime de fluxo e topologia. O regime de fluxo descreve se o túnel de vento opera em regimes subsônicos supersônico, hipersônico, compressível ou incompressível. Estes são definidos de acordo com a faixa Ma descrita abaixo:

• Incompressível, subsônico → (0 < Ma < 0,3)
• Compressível, subsônico → (0,3 < Ma < 0,8)
• Supersônico → (1,2 < Ma < 5)
• Hipersônico → (Ma > 5)

A estrutura do WT é classificada em loop aberto e fechado, isso também é chamado de topologia. Os túneis de vento utilizados na indústria automotiva geralmente são os subsônicos.

Túneis de vento em circuito aberto

Para este tipo de túneis de vento, para que haja uma boa eficiência do sistema, o volume circundante deve ser grande o suficiente para permitir que o fluxo retorne da saída para a entrada. Daí é possível entender que esse tipo de WT é utilizado com uma grande atmosfera ao seu redor. Um ponto interessante sobre esse layout é que o motor é colocado ao longo do difusor. Desta forma, ele deve apenas superar as cargas devido ao atrito e as cargas de pressão são menores que o circuito fechado WT. Os principais componentes dos túneis de vento são a contração, o difusor, a seção de teste e o ventilador.

Túneis de vento em circuito fechado

Como pode ser visto na Figura 2, o ventilador é o único componente e parte do túnel de vento que a pressão é positiva. Todas as outras partes do WT têm quedas de pressão. Assim, é possível escrever o delta de pressão com todos os componentes. Depois disso, a equação é ajustada para fornecer a saída de pressão do ventilador. Esta equação é basicamente um balanço de energia para um circuito fechado WT:

ΔP_0testsection + ΔP_0diffuser1 + ΔP_0corner1 + ΔP_0corner2 + ΔP_0fan + ΔP_0diffuser2 + ΔP_0corner3 + ΔP_0corner4 + ΔP_0HC+grids = 0

ΔP_0fan = -(ΔP_0testsection + ΔP_0diffuser1 + ΔP_0corner1 + ΔP_0corner2 + ΔP_0fan + ΔP_0diffuser2 + ΔP_0corner3 + ΔP_0corner4 + ΔP_0HC+grids)

Com algumas manipulações, é fácil observar que a potência do motor do ventilador é determinada pela quantidade de perdas de pressão. Por isso é importante estudar essas perdas separadamente.

Perdas de pressão em um WT em malha fechada

Para as seções difusora e convergente de WT, as perdas de carga são proporcionais à constante K_fri vezes a pressão dinâmica q_∞. Isso é aplicado à equação de Darcy e é descrito da seguinte forma:

ΔP₀ = – K_fri ∙ q_∞ → Perdas de pressão no difusor e nas seções convergentes

K_fri = λ ∙ (L/Dh₁) = λ ∙ (L/l)

Onde λ é o fator de atrito, L é o comprimento do duto, Dh1 é o diâmetro hidráulico e l é o comprimento lateral do duto (quadrado). É importante notar que a segunda forma de Kfri só é aplicada se o teste de túnel de vento seção tem uma seção quadrada. O atrito pode ser estimado por L e l. Além disso, os dutos divergentes e convergentes apresentam diferenças na pressão total. O duto difusor tem uma queda de pressão maior, porque a velocidade é muito baixa que induz um gradiente de pressão adverso. Este efeito também é válido para dutos quadrados. Para as outras seções do WT, as perdas estão resumidas abaixo.

ΔP_0corner = – K_corner ∙ q_∞

ΔP_0rad = – K_rad ∙ q_∞

ΔP_0screen = – K_screen ∙ q_∞

ΔP_0honeycomb = – K_honeycomb ∙ q_∞

As seções de canto, radiadores e tela também induzem perdas de carga, estas são expressas em termos de uma constante K dada para cada caso. Os valores comuns para estes estão entre 0,15 e 0,20 para seções de canto com palhetas giratórias, 2 e 4 para seção de radiador, 0,5 e 1,0 para seção de tela e 0,1 para a seção com a tela colmeia.

A Figura 4 ilustra um esquema da seção de teste como um volume de controle. Para isso, o procedimento de cálculo não é mais realizado em função de uma constante. Normalmente, o balanço de momento é aplicado na seção de teste. Basicamente, o balanço de momento, ou a quantidade de movimento, é igual às forças que atuam sobre o volume. Neste caso deve-se considerar o arrasto do carro e as forças de pressão devido ao escoamento. Se a entrada e a saída da área da seção de teste forem iguais, essa contribuição será igual a zero. Assim, é possível inferir que p1∙A1 – p2∙A2 é igual ao arrasto D do carro vezes a constante Kobst, que é um fator de correção devido à obstrução do fluxo pela carroceria. A razão por trás dessa constante é devido ao fato de WT testar diferentes modelos, portanto, essa constante depende do tipo de modelo em teste. Após, explicado, o balanço de momento pode ser descrito abaixo:

ρv₂²A₂ – ρv₁²A₁ = -D∙K_obst + p₁∙A₁ – p₂∙A₂ → 0 = -D∙K_obst + p₁∙A₁ – p₂∙A₂ → D∙K_obst = p₁∙A₁ – p₂∙A₂ → ΔP = -(D∙K_obst)/A

D = q_∞∙C_x∙A∙SF² → ΔP = -(q_∞∙C_x∙S∙SF²∙K_obst)/A

Onde SF é o fator de escala do modelo (para 50%, SF = 0,5) e Kobst é o coeficiente de correção devido à presença do obstáculo (tipicamente entre 1 e 2,5). A pressão delta é igual à expressão com o arrasto vezes o coeficiente de correção. Esta é a constante K devido ao modelo, Kmod e juntamente com o coeficiente devido à presença da parede, Kfri, resultam no coeficiente do modelo dentro da seção de teste.

K_mod = D/(Aρv²) = (Cx∙S∙SF²∙K_obst)/A;

K_fri = λ ∙ (L/Dh₁) = λ ∙ (L/l)

K_tot = K_mod + K_fri

ΔP_ts = – K_tot ∙ q_∞

Por fim, as perdas totais de pressão dentro da seção de teste são iguais ao produto negativo do coeficiente de perda total e da pressão dinâmica, conforme descrito acima. A razão por trás do sinal negativo é devido à presença de uma perda. Não deve ser confundido com o sinal de pressão delta. O carro é uma espécie de obstáculo, portanto Kmod depende do tipo do carro. A questão é que o registro de pressão não deve ser confundido com o de perda. Eles estão relacionados, mas são diferentes, pois a contribuição de cada trecho do túnel de vento (WT) é o que realmente importa. A estimativa de potência do ventilador está relacionada ao fluxo de ar em massa através do duto e ao salto de pressão após o ventilador. Isso deve superar todas as perdas de pressão no WT. Além disso, esta equação é importante para verificar quanto é a velocidade que é possível atingir no túnel de vento, pois todas essas perdas são proporcionais ao campo de vento pelo termo da pressão dinâmica. Isso representa o valor ao quadrado da velocidade. Portanto, é dada a potência do ventilador, se houver uma velocidade muito alta no túnel de vento, provavelmente é porque em certo ponto essas perdas são maiores que a potência do ventilador. Portanto, esta equação é importante para verificar a velocidade máxima do vento no loop, dada a potência que o ventilador é capaz de produzir. Esta velocidade refere-se à velocidade dentro da seção de teste.

Principais componentes de túneis de vento para aplicações em carros de corrida

Como os WT usados para o desenvolvimento de carros de corrida são os de circuito fechado, a partir desta seção eles podem ser abordados como túneis de vento. Os principais componentes do WT em malha fechada são o ventilador, as aletas defletoras, o trocador de calor, a seção de amortecimento de turbulência, a contração, a seção de teste e o difusor.

Seção do moto-ventilador

O componente principal é o ventilador, pois ele cria o campo de fluxo dentro do loop. Ele é colocado no lado oposto da seção de teste, pois as perdas de pressão nesse ponto, portanto, a solicitação de energia no motor é menor. Além disso, esta configuração minimiza os efeitos de turbulência criados pelo ventilador. A perda de carga induzida pelo ventilador é menor se este for montado em uma região de baixa velocidade do WT. Assim, o difusor é usado para diminuir a velocidade do vento, que chega ao ventilador em baixa velocidade. Como há um difusor depois do ventilador, a diferença antes e depois será menor, então uma potência menor será necessária para o ventilador.

Aletas defletoras

As aletas defletoras estão localizadas nas curvas do WT, são introduzidas para reduzir as perdas devido à presença da curva. Considerando que a expressão da queda de pressão depende da pressão dinâmica q∞, existe o coeficiente K, que é o coeficiente de queda. Isso é usado para avaliar a eficiência das palhetas. Na verdade, sem palhetas, a queda de pressão é q∞, enquanto com as aletas defletivas, K oscila entre 0,15 e 02,0. Portanto, diminui drasticamente com as palhetas.

Trocadores de calor

Embora não haja geração significativa de calor dentro do WT, em algumas aplicações o trocador de calor é incluído. O principal motivo é o ventilador, ele aquece o ar devido a sua grande potência. Além disso, há o atrito devido à camada limite, que resulta em variação de temperatura, e a radiação do ambiente resulta em alguma transferência de calor para o fluxo de ar. A importância do controle de temperatura é não causar uma grande variação da densidade do ar ρ (kg/m³). Por exemplo, um aumento de temperatura de 10 °C resulta em uma redução de densidade que leva a uma variação das forças aerodinâmicas sobre o modelo de túnel de vento. Como suporte, alguns túneis de vento utilizam câmaras de decantação para ter maior controle sobre a temperatura de vazão após o grande difusor. Isso proporciona mais estabilidade na temperatura do fluxo de ar.

Seção de amortecimento de turbulência

A seção de amortecimento de turbulência é introduzida para manter a intensidade de turbulência (I) no WT o mais baixo possível, portanto, redes e painéis de favo de mel são usados. As redes reduzem a flutuação da velocidade na direção do fluxo, enquanto os painéis alveolares são usados para reduzir os componentes ortogonais da flutuação. Esses componentes são colocados em cascata e reduzem progressivamente a permeabilidade da direção do fluxo de ar. Consequentemente, a turbulência é progressivamente reduzida dentro do WT. A turbulência geralmente é medida para verificar se está dentro das tolerâncias.

Seção de contração

A seção de contração é deslocada após a tela de colmeia e imediatamente antes da seção de teste. O motivo é acelerar o fluxo diretamente para a seção de teste sem aumentar a potência do ventilador. Utiliza uma área de contração para aumentar a velocidade do fluxo antes da seção de teste. A relação de área usual (Ain/Aout) está entre 5 e 9, o que significa que a velocidade é aumentada por esta relação, enquanto as perdas de pressão são proporcionais ao quadrado da velocidade. Seções de contração típicas têm razões Ain/Aout variando entre 5 e 9 e semi-ângulos α/2 em torno de 12°.

Seção de teste

A seção de teste às vezes define o tipo de túnel de vento, devido ao formato de sua seção, que pode ser circular e quadrada. A primeira é usada principalmente para aplicações aeronáuticas, enquanto a seção de teste quadrado é usada para aplicações automotivas. A razão é porque em veículos terrestres, o movimento da superfície precisa ser contabilizado. Esta área de teste deve ser grande o suficiente para acomodar o modelo de túnel de vento (WTM) e não gerar efeito de bloqueio devido à parede. Basicamente, para trechos WT se for utilizado apenas um determinado tipo de WTM, estes costumam variar em termos de escala, ou seja, entre 40% e 60%.

Seção do difusor

A seção do difusor é onde ocorre a desaceleração do fluxo de ar que está saindo da seção de teste. Reduz a potência do ventilador e as quedas de pressão, pois são proporcionais a q∞, portanto ao quadrado da velocidade. Através do comprimento do difusor, o fluxo de ar é submetido a um gradiente advectivo de pressão. Isso impõe uma preocupação significativa no semi-ângulo e no comprimento do difusor, pois se ocorrer a separação, a queda de pressão aumenta, portanto, é solicitada mais potência ao motor do ventilador. Portanto, os difusores devem ser dimensionados para evitar a separação do fluxo, as dimensões típicas são um semi-ângulo α/2 ≤ 3,5 e uma relação comprimento-largura não superior a 4.

Túneis de vento de circuito fechado e circuito aberto

A principal vantagem de um WT de malha fechada é o melhor controle de fluxo, pois é possível controlar a temperatura, pois esse tipo de WT é equipado com trocadores de calor a montante da contração. Embora sejam WT muito caros e complexos, a variação de pressão é um ajuste possível. Basicamente, a pressão interna não é alterada, mas sendo o fluxo do túnel de vento fechado, é possível aumentar a pressão em direção ao ventilador. Devido à velocidade reduzida, a potência solicitada pelo motor do ventilador é reduzida, consequentemente, o ruído no edifício WT também é reduzido. Por outro lado, as desvantagens são que as edificações e montagens de WT do tipo malha fechada são volumosas, pois esta é maior que as de malha aberta. Outro ponto negativo é o custo, também devido ao maior número de componentes e ao sistema de auxiliares para resfriar. Isso aumenta os custos de projeto e produção desse tipo de túnel de vento.

Requisitos do túnel de vento

Os requisitos do túnel de vento dizem respeito às características do fluxo. A velocidade do escoamento varia entre 40 e 60 m/s e sua uniformidade espacial deve ser a maior possível, pois a distribuição de velocidade ao longo da seção WT deve ser a mais próxima possível da velocidade alvo. Isso só pode ser obtido com um fluxo uniforme. A direção do fluxo e a uniformidade direcional são características importantes do fluxo, porque os componentes da velocidade do fluxo são homogêneos tanto em magnitude quanto em direção. A Figura 10 ilustra um fluxo não uniforme, pois há um pico de velocidade no meio do fluxo. No entanto, é importante obter uma distribuição de velocidade uniforme para ter uma representação correta do comportamento aerodinâmico. Por esta razão, uma tela de favo de mel é usada, principalmente, antes da seção de teste. Durante o desenvolvimento aerodinâmico, é importante utilizar tanto o túnel de vento quanto o CFD, pois às vezes as limitações de um ambiente são compensadas pelo outro. Por exemplo, para avaliar o efeito da esteira da asa dianteira na asa traseira ou a esteira que um carro na frente do outro deixa na sua asa dianteira. Nestes casos, o túnel de vento é basicamente incapaz de emular esta condição, ou pelo menos financeiramente inviável. No entanto, no ambiente CFD, existem ferramentas adequadas para criar e avaliar esteiras. Nos túneis de vento não há instrumentos para avaliação da esteira.

Características gerais

As características gerais do WT são a repetibilidade, a prontidão operacional, a confiabilidade, a robustez e a praticidade. Estes são pontos-chave para alcançar a alta eficiência do túnel de vento. A repetibilidade é uma característica muito importante, pois para medir e comparar o desempenho é importante ter uma boa consistência nos resultados. Isso significa que é necessário repetir o teste de linha de base por 3 a 7 dias de testes de WT, pois é muito importante que os resultados medidos no dia seguinte sejam os mesmos. Portanto, a repetibilidade é muito importante para a confiabilidade do teste. A prontidão operativa é um parâmetro que caracteriza a rapidez com que um WT está pronto para iniciar um experimento assim que o anterior terminar. Isso otimiza o tempo de trabalho WT. A fiabilidade e robustez são características que se tornam importantes, pois trata-se de um equipamento muito requisitado, os seus componentes estão sujeitos a horas de utilização. Por exemplo, o Formula One WT pode ser operado 24 horas por dia. Um túnel de vento é útil quando existe uma espécie de sistema automatizado que facilita a operação e o monitoramento de experimentos.

Repetibilidade

É uma característica fundamental do túnel de vento. Para garantir a operação ideal do sistema, todos os parâmetros devem ser monitorados. Por exemplo, temperatura, pressão e umidade, que permitem calcular a densidade ρ, então a pressão dinâmica q∞. A velocidade do vento é um parâmetro importante, pois é a velocidade da corrente livre U∞. A velocidade da correia móvel é a mesma da velocidade do vento, é importante fazer o rodízio dos pneus para simular seus efeitos na aerodinâmica. A sucção da camada limite deve ser monitorada, pois o fluxo de massa entre a entrada e a saída do WT deve ser igual. A posição do modelo, pois entre um teste e outro a posição dele na mesma altura de rodagem deve ser mantida. Por exemplo, alguns erros são gerados porque os testes estão sendo executados em alturas muito estreitas. Por esse motivo, deve-se garantir a mesma posição durante esses testes. A leitura da célula de carga fornece sinais importantes para os componentes da suspensão, portanto eles devem medir corretamente e sem diferenças entre eles. A pressão e a temperatura dos pneus são importantes para simular a esteira produzida por eles. É fácil entender que sem a repetibilidade do WT e seus sistemas, sua operação seria muito demorada e custosa.

Prontidão operacional

A prontidão operacional é uma característica importante do túnel de vento. Uma vez que é reduzido o tempo dentro do túnel de vento, o custo do teste WT é reduzido. No entanto, algumas regras técnicas impõem o máximo de horas de uso dessa ferramenta cara. Portanto, este equipamento deve ser eficiente. Nesse caso, eficiência significa que o teste é realizado usando um número maior de opções. A fase de montagem do WTM também é importante. Por exemplo, durante a configuração do modelo dentro do WT, uma vez que o tempo do túnel de vento é definido pelas regras, esta configuração deve ser feita apenas uma vez, ou pelo menos o menor valor possível e o mais rápido possível. Portanto, existem características importantes que melhoram o tempo, o custo e a agilidade operacional. Além disso, isso também é aprimorado pela tecnologia de ponta, pela experiência do pessoal e pelos softwares avançados para análise de dados. A primeira delas define o nível de automação do WT. A experiência do pessoal é importante, porque a operação de WTM e WT requer profissionais muito habilidosos. Os softwares avançados são importantes para decidir se as modificações realizadas são viáveis durante o teste. Por exemplo, algumas instalações possuem softwares próprios, que permitem visualizar ao vivo os resultados do teste sem esperar o final do teste, assim é possível criticar se a opção testada é boa ou não. Este é um sistema que está sendo usado há 4-5 anos nas principais instalações dos túneis de vento. Todas essas características melhoram a agilidade operacional do túnel de vento. A quantidade de tempo gasto em testes de túnel de vento depende do regulamento da competição ou do orçamento dedicado ao projeto.

Referências

• Este artigo foi baseado nas notas de aula escritas pelo autor durante as aulas de Aerodinâmica Industrial na Dallara Academy.