Aerodinâmica - Aerodynamics

Um estudo de turbulência da NASA em Wallops Island em 1990. Um vórtice é criado pela passagem de uma asa de aeronave, revelada pela fumaça. Os vórtices são um dos muitos fenômenos associados ao estudo da aerodinâmica.

Aerodinâmica , do grego ἀήρ aero (ar) + δυναμική (dinâmica), é o estudo do movimento do ar, principalmente quando afetado por um objeto sólido, como a asa de um avião. É um subcampo da dinâmica dos fluidos e da dinâmica dos gases , e muitos aspectos da teoria aerodinâmica são comuns a esses campos. O termo aerodinâmica é freqüentemente usado como sinônimo de dinâmica de gás, a diferença é que "dinâmica de gás" se aplica ao estudo do movimento de todos os gases, e não se limita ao ar. O estudo formal da aerodinâmica começou no sentido moderno no século XVIII, embora observações de conceitos fundamentais como o arrasto aerodinâmico tenham sido registradas muito antes. A maioria dos primeiros esforços em aerodinâmica foram direcionados para alcançar voos mais pesados ​​que o ar , o que foi demonstrado pela primeira vez por Otto Lilienthal em 1891. Desde então, o uso da aerodinâmica por meio de análises matemáticas , aproximações empíricas, experimentação em túnel de vento e simulações de computador tem formou uma base racional para o desenvolvimento de voos mais pesados ​​que o ar e uma série de outras tecnologias. Trabalhos recentes em aerodinâmica enfocaram questões relacionadas a fluxo compressível , turbulência e camadas limite e tornaram-se cada vez mais de natureza computacional .

História

A aerodinâmica moderna remonta ao século XVII, mas as forças aerodinâmicas foram aproveitadas por humanos por milhares de anos em veleiros e moinhos de vento, e imagens e histórias de voo aparecem ao longo da história registrada, como a lenda da Grécia Antiga de Ícaro e Dédalo . Conceitos fundamentais de continuum , arrasto e gradientes de pressão aparecem na obra de Aristóteles e Arquimedes .

Em 1726 , Sir Isaac Newton se tornou a primeira pessoa a desenvolver uma teoria da resistência do ar, tornando-o um dos primeiros aerodinamicistas. Holandês - matemático suíço Daniel Bernoulli seguiu em 1738 com Hydrodynamica em que descreveu uma relação fundamental entre pressão, densidade e velocidade de fluxo para fluxo incompressível conhecido hoje como princípio de Bernoulli , que fornece um método para calcular sustentação aerodinâmica. Em 1757, Leonhard Euler publicou as equações de Euler mais gerais que podiam ser aplicadas a fluxos compressíveis e incompressíveis. As equações de Euler foram estendidas para incorporar os efeitos da viscosidade na primeira metade do século 19, resultando nas equações de Navier-Stokes . As equações de Navier-Stokes são as equações governantes mais gerais do fluxo de fluido, mas são difíceis de resolver para o fluxo em torno de todas as formas, exceto as mais simples.

Uma réplica do túnel de vento dos irmãos Wright está em exibição no Virginia Air and Space Center. Os túneis de vento foram fundamentais no desenvolvimento e validação das leis da aerodinâmica.

Em 1799, Sir George Cayley se tornou a primeira pessoa a identificar as quatro forças aerodinâmicas de vôo ( peso , sustentação , arrasto e empuxo ), bem como as relações entre elas, e com isso delineou o caminho para alcançar mais peso que vôo aéreo para o próximo século. Em 1871, Francis Herbert Wenham construiu o primeiro túnel de vento , permitindo medições precisas das forças aerodinâmicas. As teorias de arrasto foram desenvolvidas por Jean le Rond d'Alembert , Gustav Kirchhoff e Lord Rayleigh . Em 1889, Charles Renard , um engenheiro aeronáutico francês, tornou-se a primeira pessoa a prever razoavelmente a potência necessária para um vôo sustentado. Otto Lilienthal , a primeira pessoa a ter muito sucesso com voos de planadores, também foi o primeiro a propor aerofólios finos e curvos que produziriam alta sustentação e baixo arrasto. Com base nesses desenvolvimentos, bem como nas pesquisas realizadas em seu próprio túnel de vento, os irmãos Wright pilotaram o primeiro avião motorizado em 17 de dezembro de 1903.

Durante o tempo dos primeiros voos, Frederick W. Lanchester , Martin Kutta e Nikolai Zhukovsky criaram teorias independentes que conectavam a circulação de um fluxo de fluido à elevação. Kutta e Zhukovsky desenvolveram uma teoria de asa bidimensional. Expandindo o trabalho de Lanchester, Ludwig Prandtl é creditado por desenvolver a matemática por trás das teorias de aerofólio fino e linhas de levantamento, bem como trabalhar com camadas de fronteira .

À medida que a velocidade da aeronave aumentava, os projetistas começaram a encontrar desafios associados à compressibilidade do ar em velocidades próximas à velocidade do som. As diferenças no fluxo de ar sob tais condições levam a problemas no controle da aeronave, aumento do arrasto devido a ondas de choque e ameaça de falha estrutural devido a flutter aeroelástico . A relação da velocidade de fluxo para a velocidade do som foi nomeado o número Mach depois de Ernst Mach , que foi um dos primeiros a investigar as propriedades do supersônico fluxo. Macquorn Rankine e Pierre Henri Hugoniot desenvolveram independentemente a teoria das propriedades de fluxo antes e depois de uma onda de choque , enquanto Jakob Ackeret liderou o trabalho inicial de cálculo da sustentação e arrasto de aerofólios supersônicos. Theodore von Kármán e Hugh Latimer Dryden introduziram o termo transônico para descrever as velocidades de fluxo entre o número Mach crítico e Mach 1, onde o arrasto aumenta rapidamente. Este rápido aumento no arrasto levou aerodinamicistas e aviadores a discordar sobre se o vôo supersônico era possível até que a barreira do som foi quebrada em 1947 usando a aeronave Bell X-1 .

Quando a barreira do som foi quebrada, a compreensão dos aerodinamicistas do fluxo subsônico e supersônico baixo havia amadurecido. A Guerra Fria levou ao design de uma linha em constante evolução de aeronaves de alto desempenho. A dinâmica de fluidos computacional começou como um esforço para resolver as propriedades de fluxo em torno de objetos complexos e cresceu rapidamente ao ponto em que aeronaves inteiras podem ser projetadas usando software de computador, com testes de túnel de vento seguidos de testes de vôo para confirmar as previsões do computador. A compreensão da aerodinâmica supersônica e hipersônica amadureceu desde 1960, e os objetivos dos aerodinamicistas mudaram do comportamento do fluxo de fluido para a engenharia de um veículo de forma que ele interaja previsivelmente com o fluxo de fluido. Projetar aeronaves para condições supersônicas e hipersônicas, bem como o desejo de melhorar a eficiência aerodinâmica das aeronaves e sistemas de propulsão atuais, continua a motivar novas pesquisas em aerodinâmica, enquanto o trabalho continua a ser feito em problemas importantes na teoria aerodinâmica básica relacionados à turbulência de fluxo e a existência e exclusividade de soluções analíticas para as equações de Navier-Stokes.

Conceitos fundamentais

Forças de voo em um aerofólio

Compreender o movimento do ar em torno de um objeto (geralmente chamado de campo de fluxo) permite o cálculo das forças e momentos que atuam sobre o objeto. Em muitos problemas de aerodinâmica, as forças de interesse são as forças fundamentais do vôo: sustentação , arrasto , empuxo e peso . Destas, a sustentação e o arrasto são forças aerodinâmicas, ou seja, forças devidas ao fluxo de ar sobre um corpo sólido. O cálculo dessas quantidades é freqüentemente baseado na suposição de que o campo de fluxo se comporta como um continuum. Os campos de fluxo contínuo são caracterizados por propriedades como velocidade de fluxo , pressão , densidade e temperatura , que podem ser funções de posição e tempo. Essas propriedades podem ser medidas direta ou indiretamente em experimentos de aerodinâmica ou calculadas a partir das equações para conservação de massa, quantidade de movimento e energia em fluxos de ar. Densidade, velocidade de fluxo e uma propriedade adicional, viscosidade , são usadas para classificar campos de fluxo.

Classificação de fluxo

A velocidade do fluxo é usada para classificar os fluxos de acordo com o regime de velocidade. Fluxos subsônicos são campos de fluxo nos quais o campo de velocidade do ar está sempre abaixo da velocidade local do som. Os fluxos transônicos incluem regiões de fluxo subsônico e regiões nas quais a velocidade do fluxo local é maior do que a velocidade local do som. Fluxos supersônicos são definidos como fluxos nos quais a velocidade do fluxo é maior do que a velocidade do som em todos os lugares. Uma quarta classificação, fluxo hipersônico, refere-se a fluxos em que a velocidade do fluxo é muito maior do que a velocidade do som. Aerodinamicistas discordam sobre a definição precisa de fluxo hipersônico.

O fluxo compressível é responsável pela variação da densidade dentro do fluxo. Os fluxos subsônicos são frequentemente idealizados como incompressíveis, ou seja, a densidade é considerada constante. Os fluxos transônicos e supersônicos são compressíveis e os cálculos que negligenciam as mudanças de densidade nesses campos de fluxo produzirão resultados imprecisos.

A viscosidade está associada às forças de atrito em um fluxo. Em alguns campos de fluxo, os efeitos viscosos são muito pequenos e as soluções aproximadas podem negligenciar os efeitos viscosos com segurança. Essas aproximações são chamadas de fluxos inviscid. Os fluxos para os quais a viscosidade não é negligenciada são chamados de fluxos viscosos. Finalmente, os problemas aerodinâmicos também podem ser classificados pelo ambiente de fluxo. A aerodinâmica externa é o estudo do fluxo em torno de objetos sólidos de várias formas (por exemplo, em torno de uma asa de avião), enquanto a aerodinâmica interna é o estudo do fluxo através de passagens dentro de objetos sólidos (por exemplo, através de um motor a jato).

Suposição contínua

Ao contrário dos líquidos e sólidos, os gases são compostos de moléculas discretas que ocupam apenas uma pequena fração do volume preenchido pelo gás. Em um nível molecular, os campos de fluxo são compostos de colisões de muitas moléculas individuais de gás entre si e com superfícies sólidas. No entanto, na maioria das aplicações aerodinâmicas, a natureza molecular discreta dos gases é ignorada e o campo de fluxo é considerado como um contínuo . Essa suposição permite que as propriedades do fluido, como densidade e velocidade de fluxo, sejam definidas em qualquer lugar dentro do fluxo.

A validade da suposição do continuum depende da densidade do gás e da aplicação em questão. Para que a suposição do continuum seja válida, o comprimento médio do caminho livre deve ser muito menor do que a escala de comprimento do aplicativo em questão. Por exemplo, muitas aplicações aerodinâmicas lidam com aeronaves voando em condições atmosféricas, onde o comprimento médio do caminho livre é da ordem de micrômetros e onde o corpo é ordens de magnitude maior. Nesses casos, a escala de comprimento da aeronave varia de alguns metros a algumas dezenas de metros, que é muito maior do que o comprimento médio do caminho livre. Para tais aplicações, a suposição de continuum é razoável. A suposição de continuum é menos válida para fluxos de densidade extremamente baixa, como aqueles encontrados por veículos em altitudes muito altas (por exemplo, 300.000 pés / 90 km) ou satélites em órbita baixa da Terra . Nesses casos, a mecânica estatística é um método mais preciso de resolver o problema do que a aerodinâmica contínua. O número de Knudsen pode ser usado para orientar a escolha entre a mecânica estatística e a formulação contínua da aerodinâmica.

Leis de Conservação

A suposição de um contínuo de fluidos permite que problemas em aerodinâmica sejam resolvidos usando as leis de conservação da dinâmica de fluidos . Três princípios de conservação são usados:

Conservação de massa
A conservação da massa requer que a massa não seja criada nem destruída dentro de um fluxo; a formulação matemática desse princípio é conhecida como equação de continuidade de massa .
Conservação de momento
A formulação matemática deste princípio pode ser considerada uma aplicação da Segunda Lei de Newton . O momento dentro de um fluxo só é alterado por forças externas, que podem incluir forças de superfície , como forças viscosas (de fricção ) e forças do corpo , como peso . O princípio de conservação do momento pode ser expresso como uma equação vetorial ou separado em um conjunto de três equações escalares (componentes x, y, z).
Conservação de energia
A equação de conservação de energia afirma que a energia não é criada nem destruída dentro de um fluxo e que qualquer adição ou subtração de energia a um volume no fluxo é causada por transferência de calor ou por trabalho dentro e fora da região de interesse.

Juntas, essas equações são conhecidas como equações de Navier-Stokes , embora alguns autores definam o termo para incluir apenas a (s) equação (ões) de momento. As equações de Navier-Stokes não têm solução analítica conhecida e são resolvidas na aerodinâmica moderna usando técnicas computacionais . Como os métodos computacionais usando computadores de alta velocidade não estavam historicamente disponíveis e o alto custo computacional de resolver essas equações complexas agora que estão disponíveis, as simplificações das equações de Navier-Stokes foram e continuam a ser empregadas. As equações de Euler são um conjunto de equações de conservação semelhantes que negligenciam a viscosidade e podem ser usadas em casos onde se espera que o efeito da viscosidade seja pequeno. Outras simplificações levam à equação de Laplace e à teoria do fluxo potencial . Além disso, a equação de Bernoulli é uma solução em uma dimensão tanto para as equações de momentum quanto para as de conservação de energia.

A lei dos gases ideais ou outra equação de estado é freqüentemente usada em conjunto com essas equações para formar um determinado sistema que permite a solução para as variáveis ​​desconhecidas.

Ramos da aerodinâmica

modelagem computacional

Os problemas aerodinâmicos são classificados pelo ambiente de fluxo ou propriedades do fluxo, incluindo velocidade de fluxo , compressibilidade e viscosidade . Aerodinâmica externa é o estudo do fluxo em torno de objetos sólidos de várias formas. Avaliar a sustentação e o arrasto de um avião ou as ondas de choque que se formam na frente do nariz de um foguete são exemplos de aerodinâmica externa. Aerodinâmica interna é o estudo do fluxo através de passagens em objetos sólidos. Por exemplo, a aerodinâmica interna engloba o estudo do fluxo de ar através de um motor a jato ou através de um tubo de ar condicionado .

Os problemas aerodinâmicos também podem ser classificados de acordo com se a velocidade do fluxo está abaixo, próxima ou acima da velocidade do som . Um problema é denominado subsônico se todas as velocidades no problema forem menores que a velocidade do som, transônico se as velocidades abaixo e acima da velocidade do som estiverem presentes (normalmente quando a velocidade característica é aproximadamente a velocidade do som), supersônico quando o a velocidade característica do fluxo é maior do que a velocidade do som e hipersônica quando a velocidade do fluxo é muito maior do que a velocidade do som. Aerodinamicistas discordam sobre a definição precisa de fluxo hipersônico; uma definição aproximada considera fluxos com números de Mach acima de 5 como hipersônicos.

A influência da viscosidade no fluxo dita uma terceira classificação. Alguns problemas podem encontrar apenas efeitos viscosos muito pequenos, caso em que a viscosidade pode ser considerada insignificante. As aproximações desses problemas são chamadas de fluxos invíscidos . Os fluxos para os quais a viscosidade não pode ser desprezada são chamados de fluxos viscosos.

Aerodinâmica incompressível

Um fluxo incompressível é aquele em que a densidade é constante no tempo e no espaço. Embora todos os fluidos reais sejam compressíveis, um fluxo é frequentemente aproximado como incompressível se o efeito das mudanças de densidade causar apenas pequenas mudanças nos resultados calculados. É mais provável que isso seja verdade quando as velocidades do fluxo são significativamente mais baixas do que a velocidade do som. Os efeitos da compressibilidade são mais significativos em velocidades próximas ou superiores à velocidade do som. O número de Mach é usado para avaliar se a incompressibilidade pode ser assumida, caso contrário, os efeitos da compressibilidade devem ser incluídos.

Fluxo subsônico

A aerodinâmica subsônica (ou de baixa velocidade) descreve o movimento do fluido em fluxos que são muito mais baixos do que a velocidade do som em todos os pontos do fluxo. Existem vários ramos do fluxo subsônico, mas um caso especial surge quando o fluxo é invíscido , incompressível e irrotacional . Este caso é denominado fluxo potencial e permite que as equações diferenciais que descrevem o fluxo sejam uma versão simplificada das equações da dinâmica dos fluidos , disponibilizando ao aerodinamicista uma gama de soluções rápidas e fáceis.

Ao resolver um problema subsônico, uma decisão a ser tomada pelo aerodinamicista é se deve incorporar os efeitos da compressibilidade. Compressibilidade é uma descrição da quantidade de mudança de densidade no fluxo. Quando os efeitos da compressibilidade na solução são pequenos, a suposição de que a densidade é constante pode ser feita. O problema é então um problema incompressível de aerodinâmica de baixa velocidade. Quando a densidade pode variar, o fluxo é denominado compressível. No ar, os efeitos da compressibilidade são geralmente ignorados quando o número Mach no fluxo não excede 0,3 (cerca de 335 pés (102 m) por segundo ou 228 milhas (366 km) por hora a 60 ° F (16 ° C)). Acima de Mach 0.3, o fluxo do problema deve ser descrito usando aerodinâmica compressível.

Aerodinâmica compressível

De acordo com a teoria da aerodinâmica, um fluxo é considerado compressível se a densidade muda ao longo de uma linha de fluxo . Isso significa que - ao contrário do fluxo incompressível - as mudanças na densidade são consideradas. Em geral, esse é o caso onde o número de Mach em parte ou todo o fluxo excede 0,3. O valor de Mach 0,3 é bastante arbitrário, mas é usado porque os fluxos de gás com um número de Mach abaixo desse valor demonstram mudanças na densidade de menos de 5%. Além disso, essa mudança máxima de 5% na densidade ocorre no ponto de estagnação (o ponto no objeto onde a velocidade do fluxo é zero), enquanto as mudanças de densidade em torno do resto do objeto serão significativamente menores. Os fluxos transônicos, supersônicos e hipersônicos são todos fluxos compressíveis.

Fluxo transônico

O termo Transônico se refere a uma faixa de velocidades de fluxo logo abaixo e acima da velocidade local do som (geralmente considerada como Mach 0,8-1,2). É definida como a faixa de velocidades entre o número de Mach crítico , quando algumas partes do fluxo de ar sobre uma aeronave se tornam supersônicas , e uma velocidade mais alta, normalmente próxima a Mach 1,2 , quando todo o fluxo de ar é supersônico. Entre essas velocidades, parte do fluxo de ar é supersônico, enquanto parte do fluxo de ar não é supersônico.

Fluxo supersônico

Problemas aerodinâmicos supersônicos são aqueles que envolvem velocidades de fluxo maiores do que a velocidade do som. O cálculo da sustentação do Concorde durante o cruzeiro pode ser um exemplo de problema aerodinâmico supersônico.

O fluxo supersônico se comporta de maneira muito diferente do fluxo subsônico. Os fluidos reagem às diferenças de pressão; as mudanças de pressão são como um fluido é "instruído" a responder ao seu ambiente. Portanto, como o som é, na verdade, uma diferença de pressão infinitesimal que se propaga através de um fluido, a velocidade do som nesse fluido pode ser considerada a velocidade mais rápida que a "informação" pode viajar no fluxo. Essa diferença se manifesta mais obviamente no caso de um fluido atingir um objeto. Na frente desse objeto, o fluido acumula uma pressão de estagnação quando o impacto com o objeto faz com que o fluido em movimento pare. No fluido viajando em velocidade subsônica, esse distúrbio de pressão pode se propagar rio acima, mudando o padrão de fluxo à frente do objeto e dando a impressão de que o fluido "sabe" que o objeto está ali, aparentemente ajustando seu movimento e fluindo ao redor dele. Em um fluxo supersônico, entretanto, o distúrbio de pressão não pode se propagar rio acima. Assim, quando o fluido finalmente atinge o objeto, ele o atinge e o fluido é forçado a alterar suas propriedades - temperatura , densidade , pressão e número de Mach - de uma forma extremamente violenta e irreversível chamada de onda de choque . A presença de ondas de choque, junto com os efeitos de compressibilidade dos fluidos de alta velocidade (ver número de Reynolds ), é a diferença central entre os regimes aerodinâmicos supersônicos e subsônicos.

Fluxo hipersônico

Na aerodinâmica, as velocidades hipersônicas são velocidades altamente supersônicas. Na década de 1970, o termo geralmente passou a se referir a velocidades de Mach 5 (5 vezes a velocidade do som) e acima. O regime hipersônico é um subconjunto do regime supersônico. O fluxo hipersônico é caracterizado pelo fluxo de alta temperatura por trás de uma onda de choque, interação viscosa e dissociação química de gás.

Terminologia associada

Diferentes tipos de análise de fluxo em torno de um aerofólio:
  Teoria do fluxo potencial
  Teoria do fluxo da camada limite
  Análise de esteira turbulenta

Os regimes de fluxo incompressível e compressível produzem muitos fenômenos associados, como camadas limites e turbulência.

Camadas de limite

O conceito de camada limite é importante em muitos problemas de aerodinâmica. A viscosidade e o atrito do fluido no ar são considerados significativos apenas nesta camada fina. Essa suposição torna a descrição de tal aerodinâmica muito mais tratável matematicamente.

Turbulência

Na aerodinâmica, a turbulência é caracterizada por mudanças caóticas nas propriedades do fluxo. Isso inclui difusão de baixo momento, convecção de alto momento e variação rápida de pressão e velocidade de fluxo no espaço e no tempo. O fluxo que não é turbulento é chamado de fluxo laminar .

Aerodinâmica em outros campos

Design de engenharia

A aerodinâmica é um elemento significativo do design de veículos , incluindo carros de estrada e caminhões, onde o objetivo principal é reduzir o coeficiente de arrasto do veículo , e carros de corrida , onde, além de reduzir o arrasto, o objetivo é também aumentar o nível geral de força descendente . A aerodinâmica também é importante na previsão de forças e momentos que atuam em embarcações à vela . Ele é usado no projeto de componentes mecânicos, como cabeças de disco rígido . Os engenheiros estruturais recorrem à aerodinâmica, e particularmente a aeroelasticidade , ao calcular as cargas do vento no projeto de grandes edifícios, pontes e turbinas eólicas

A aerodinâmica das passagens internas é importante em aquecimento / ventilação , tubulação de gás e em motores automotivos, onde padrões de fluxo detalhados afetam fortemente o desempenho do motor.

Design Ambiental

A aerodinâmica urbana é estudada por planejadores e designers de cidades que buscam melhorar a comodidade em espaços ao ar livre ou na criação de microclimas urbanos para reduzir os efeitos da poluição urbana. O campo da aerodinâmica ambiental descreve as maneiras pelas quais a circulação atmosférica e a mecânica de vôo afetam os ecossistemas.

Equações aerodinâmicas são usadas na previsão numérica do tempo .

Controle de bola nos esportes

Esportes nos quais a aerodinâmica é de importância crucial incluem futebol , tênis de mesa , críquete , beisebol e golfe , nos quais a maioria dos jogadores pode controlar a trajetória da bola usando o " efeito Magnus ".

Veja também

Referências

Leitura adicional

Aerodinâmica geral

Aerodinâmica subsônica

Aerodinâmica transônica

Aerodinâmica supersônica

Aerodinâmica hipersônica

História da aerodinâmica

Aerodinâmica relacionada à engenharia

Veículos terrestres

Aeronave de asa fixa

Helicópteros

  • Leishman, J. Gordon (2006). Principles of Helicopter Aerodynamics (2ª ed.). Cambridge University Press. ISBN 0-521-85860-7. OCLC  224565656 .
  • Prouty, Raymond W. (2001). Desempenho, estabilidade e controle do helicóptero . Krieger Publishing Company Press. ISBN 1-57524-209-5. OCLC  212379050 .
  • Seddon, J .; Newman, Simon (2001). Aerodinâmica básica de helicópteros: uma explicação dos primeiros princípios na mecânica dos fluidos e dinâmica de vôo do helicóptero de rotor único . AIAA. ISBN 1-56347-510-3. OCLC  47623950 .

Mísseis

Aeromodelismo

Ramos relacionados da aerodinâmica

Aerotermodinâmica

Aeroelasticidade

Camadas de limite

Turbulência

links externos