Túnel de Vento_DEM

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UEM

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARING

Engenharia Mecnica

PROJETO E CONSTRUO DE UM TNEL DE VENTO SUBSNICO DE CIRCUITO ABERTO PARA UTILIZAO EM LABORATRIO DIDTICO

Autores: Lucas Leggi Arrias Frederico Oliveira Uemura Adriana Feiden Rodolpho Raphael Bilha Gonalves Ricardo Esteves Marrafo

Maring JULHO/2008

LUCAS LEGGI ARRIAS 36616 FREDERICO OLIVEIRA UEMURA 36625 ADRIANA FEIDEN 36605 RODOLPHO RAPHAEL BILHA GONALVES 36632 RICARDO ESTEVES MARRAFO 36602

TCC- DEQ3945

PROJETO E CONSTRUO DE UM TNEL DE VENTO SUBSNICO DE CIRCUITO ABERTO PARA UTILIZAO EM LABORATRIO DIDTICO

Trabalho de Concluso de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Qumica, curso de Engenharia Mecnica, Universidade Estadual de Maring, como requisito parcial para obteno do ttulo de Engenheiro Mecnico.

Orientador: Prof.Dr. Jlio Csar Dainezi de Oliveira Co-Orientador: Prof. Dr. Fbio Lcio Santos

Maring JULHO/2008

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem os professores orientadores, o Departamento de Engenharia Mecnica, o SENAI, a Marcenaria e Serralheria da UEM, o Departamento de Fsica, a Casa do Soldador, a Aggi Txteis, Mig Maquinas, a Split Ar, o professor Dr. Jorge Villar Ale da PUC-RS, o professor Zacarias Martin Chamberlain Pravia do Laboratrio de Ensaios em Sistemas Estruturais (LESE) da Universidade de Passo Fundo, a todos que nos ajudaram de alguma forma na concluso desse trabalho e principalmente a Deus, a quem acima de todas as coisas buscamos Glorificar e Exaltar na realizao do mesmo.

RESUMOARRIAS, Lucas Leggi; UEMURA, Frederico Oliveira; FEIDEN, Adriana; GONALVES, Rodolpho Raphael Bilha; MARRAFO, Ricardo Esteves. Projeto e construo de um tnel de vento subsnico de circuito aberto para utilizao em laboratrio didtico. Maring: Universidade Estadual de Maring, 64 p. Trabalho de Concluso de Curso. A aerodinmica o estudo dos movimentos e interaes de corpos com fluidos, relativo s suas propriedades, caractersticas e foras exercidas em contornos nele imersos. Na arquitetura, engenharia civil, agrcola e mecnica, tal tecnologia tem sido largamente empregada, devido maior segurana, confiabilidade e eficincia dos projetos e a reduo de custos. Para um estudo detalhado da dinmica de fluidos em corpos utilizado um tnel de vento, aparelho que verifica por meio de testes e simulaes a ao do ar sobre objetos, que os atinge com diferentes velocidades. A Universidade Estadual de Maring (UEM) e regio no possuem o equipamento tnel de vento para estudo de dinmica de fluidos em corpos slidos. Desta forma o presente trabalho descreve o projeto, dimensionamento e a construo de um tnel de vento subsnico de circuito aberto e seus instrumentos de medida, dinammetro de mola e tubo de pitot, para a realizao de experimentos tais como a visualizao do escoamento, escoamento em placa plana e clculo da fora de arrasto usando objetos de escala reduzida. O equipamento foi construdo em madeira flexvel com uma base suporte de metalon. Possui cmara de estabilizao, com 500mm de comprimento, e favo de mel com clulas de seo quadrada de 50x50x300mm, bocal com razo de contrao prxima a 3:1 e 725mm de comprimento, seo de teste de 250x250x650mm, com duas janelas e uma porta corredia de acrlico, difusor com 900mm de comprimento e exaustor com trs velocidades, 800, 950 e 1100rpm, totalizando 3,15m de comprimento e aproximadamente 80cm de largura e altura mxima, a um custo de R$380,00. Palavras Chave: Dinmica dos fluidos, Tnel de vento, Dinammetro de mola, Tubo de Pitot.

SUMRIOLista de Ilustraes Lista de Tabelas Lista de Abreviaturas e Siglas 1 Introduo 2 Objetivo 3 Justificativas 4 Reviso bibliogrfica 4.1 Escoamento 4.2 Nmero de Reynolds 4.3 Fora de arrasto 4.4 Escoamento em placa plana 4.4.1 Escoamentos Uni, Bi e Tridimensionais 4.5 Ventiladores 4.6 Tnel de vento 4.6.1 Tipos de Tneis de vento 4.6.1.1 Tnel de circuito aberto 4.6.1.2 Tnel de circuito fechado 4.6.2 Partes do tnel de vento 4.6.2.1 Bocal 4.6.2.2 Difusor 4.6.2.3 Cmara de Testes 4.6.2.4 Cmara de estabilizao e favo de mel 4.6.2.5 Visualizao do escoamento 4.7 Tubo de Pito 4.8 Dinammetro de Mola 5 Desenvolvimento 5.1 Escolha do modelo de tnel de vento 5.2 Determinao das praticas didticas 5.3 Corpos de prova 5.4 Instrumentos de medida 5.4.1 Tubo de Pito 5.4.2 Dinammetro de mola 12 13 14 15 15 16 17 18 19 20 21 22 22 23 23 23 25 26 27 28 29 31 33 33 33 34 34 34 35

5.5 Visualizao do escoamento 5.6 Dimensionamento 5.6.1 Bocal 5.6.2 Seo de Teste 5.6.3 Difusor 5.6.4 Exaustor 5.7 Prottipo 5.7.1 Tubo de Pito 5.7.2 Tnel de vento 5.7.2.1 Resultados Obtidos 5.8 Construo e Materiais 5.8.1 Tnel de vento 5.8.1.1 Corpo do tnel 5.8.1.2 Base do tnel de vento 5.8.1.3 Instalao de porta e janelas 5.8.1.4 Favo de mel 5.8.2 Instrumentos de medida 5.8.2.1 Tubo de Pito 5.8.2.2 Dinammetro de mola 6 Custos do projeto 7 Funcionamento e utilizao 7.1 Visualizao do escoamento 7.2 Medidas de velocidade 7.3 Fora de arrasto 8 Consideraes Finais 9 Referncias Bibliogrficas

35 36 36 37 37 38 39 39 40 41 42 42 42 47 50 51 52 52 54 56 57 57 57 58 59 60

LISTA DE ILUSTRAESFIGURA 4.1 FIGURA 4.2 FIGURA 4.3 FIGURA 4.4 FIGURA 4.5 FIGURA 4.6 FIGURA 4.7 FIGURA 4.8 FIGURA 4.9 FIGURA 4.10 FIGURA 4.11 FIGURA 4.12 FIGURA 4.13 FIGURA 4.14 FIGURA 4.15 FIGURA 4.16 FIGURA 4.17 FIGURA 4.18 FIGURA 5.1 FIGURA 5.2 FIGURA 5.3 FIGURA 5.4 FIGURA 5.5 FIGURA 5.6 FIGURA 5.7 FIGURA 5.8 FIGURA 5.9 FIGURA 5.10 FIGURA 5.11 FIGURA 5.12 Foras e momentos atuantes em um corpo genrico submerso em um fluido. Perfil de velocidade em placa plana Perfil de velocidade em dutos Escoamento em duto reto, considerado como sendo unidimensional, na seo divergente se torna bidimensional Perfil de velocidade real e hipottico. Exemplo de ventilador axial Tnel de cmara aberta Tnel de vento de circuito fechado Bocal de contrao Aplicao da relao de Morel modificada por Yao-xi Suo Tipo de difusor Cmara de estabilizao Favo de mel Visualizao do escoamento sobre um automvel Estrutura do tubo de Pito clssico em dutos Foras solicitadas Esquema da Relao Ilustrao de um dinammetro de mola. Formato das paredes do bocal convergente Seo de teste e suas dimenses Dimenses e caractersticas do difusor Posicionamento do exaustor e dimenses do prolongado Modelo do tubo de Pito Processo de construo da haste em forma de L Esquema de montagem Fotos do Prottipo confeccionado Prottipo do favo de mel e cmara de estabilizao Peas do corpo do tnel de vento Disposio das peas na folha de compensado flexvel Dimenses e unidades das peas de madeira que formam 20 21 22 23 24 25 26 27 27 28 30 31 31 32 36 37 38 38 39 39 40 41 42 43 44 45 18 19 19 17

o quadro de sustentao FIGURA 5.13 FIGURA 5.14 FIGURA 5.15 FIGURA 5.16 FIGURA 5.17 FIGURA 5.18 FIGURA 5.19 FIGURA 5.20 FIGURA 5.21 FIGURA 5.22 FIGURA 5.23 FIGURA 5.24 FIGURA 5.25 FIGURA 5.26 FIGURA 5.27 FIGURA 5.28 FIGURA 5.29 FIGURA 5.30 FIGURA 5.31 Peas de madeira do quadro e moldura interna da porta fixados nas partes do corpo do tnel de vento Aberturas para porta e janelas Corpo do tnel de vento finalizado Peas de metalon constituintes da base do tnel de vento Base de metalon formada pelas peas Posio das peas Base de metalon do tnel de vento finalizada Fixao do motor na base de metalon Encaixe do corpo do tnel de vento na base de metalon Dimenses, disposies, caractersticas e encaixe de porta e janelas Tnel de vento pintado com as portas e janelas fixadas Dimenses e caractersticas do favo de mel e das peas que o formam Encaixe do favo de mal na cmara de estabilizao Dimenses das hastes do tubo de Pito Disposio das hastes do tubo de Pito. Dimenses do manmetro. Dimenses finais Projeto Dinammetro de Mola Dinammetro de mola fixado no tnel de vento 52 52 53 53 54 54 56 51 51 47 48 48 49 49 49 50 46 45

LISTA DE TABELASTABELA 6.1 Custos dos materiais referentes ao corpo do tnel de vento TABELA 6.2 Custos dos materiais referentes ao tubo de Pito TABELA 6.3 Custos dos materiais referentes ao dinammetro de mola TABELA 6.4 Custos totais dos materiais do projeto 56 56 57 57

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

Letras Latinas A CD D F(x) Fel g h K L m Re U V x, y, z t x rea caracterstica do corpo, m coeficiente de arrasto fora de arrasto, N frmula da relao Morel modificado por Yao-xi Suo fora elstica, N acelerao da gravidade, m/s diferena de altura no manmetro, m constante elstica da mola, N/m comprimento caracterstico descrito da geometria do campo de escoamento, m massa, kg nmero de Reynolds velocidade de corrente livre, m/s velocidade do escoamento do fluido, m/s coordenadas espaciais tempo deformao elstica da mola, m

Letras Gregas 1 2 massa especfica do fluido escoando no duto, kg/m massa especfica do fluido no manmetro, kg/m viscosidade absoluta do fluido, kg/s.m densidade do fluido, kg/m viscosidade cinemtica do fluido, m/s, freqncia de radiao, 1/s

Abreviaturas prof. Dr. professor Doutor

Siglas DEQ TCC UEM Departamento de Engenharia Qumica Trabalho de Concluso de Curso Universidade Estadual de Maring

12

1 INTRODUOA aerodinmica o estudo dos movimentos e interaes de corpos com fluidos, relativo s suas propriedades, caractersticas e foras exercidas em contornos nele imersos, que podem ser superfcies slidas ou interfaces com outros fluidos. O estudo da aerodinmica surgiu com a necessidade de melhorar o desempenho de avies e carros no incio do sculo 20, no perodo entre guerras. A inteno era de se obter o menor atrito possvel com o ar, proporcionando altas velocidades e menor consumo de combustvel (MATOS et al, 2008). Na arquitetura, engenharia civil, agrcola e mecnica, tal tecnologia tem sido largamente empregada, devido maior segurana, confiabilidade e eficincia dos projetos e a reduo de custos. Hoje h uma ligao direta entre tneis de vento e projetos de aeronaves, navios, carros, antenas, pontes, silos, prdios e outros. Para um estudo detalhado da dinmica de fluidos em corpos utilizado um tnel de ve