Estudo em Túnel de Vento do Arrasto Aerodinâmico Sobre Torres ...
EM974 SUSTENTAÇÃO, ARRASTO E PERFIL DE ESCOAMENTO DE ÁGUA ATRAVÉS DO CORPO DE UMA ARRAIA
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1 EM974 SUSTENTAÇÃO, ARRASTO E PERFIL DE ESCOAMENTO DE ÁGUA ATRAVÉS DO CORPO DE UMA ARRAIA Rodrigo O. Barbosa Thiago K. Hanashiro
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EM974
SUSTENTAÇÃO, ARRASTO E PERFIL DE
ESCOAMENTO DE ÁGUA ATRAVÉS DO
CORPO DE UMA ARRAIA
Rodrigo O. Barbosa
Thiago K. Hanashiro
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Introdução – Apresentação GeralIntrodução – Apresentação Geral
As arraias são peixes cartilaginosos marinhos classificados na
superordem Bathoidea (ou Rajomorphii) dos Elasmobranchii, que
agrupa também os tubarões.
Vivem normalmente no fundo do mar, embora algumas, como a
jamanta, sejam pelágicas, e outras, habitem rios de água doce
(América Central e do Sul).
Além da natureza curiosa sob o ponto de vista evolutivo e biológico,
é notável que seu aspecto achatado e alongado lhe oferece certas
vantagens aerodinâmicas em comparação com outras espécies.
Dentre as inúmeras espécies de arraias existentes no mundo, será
utilizada as características da espécie arraia-cravadora (Dasyatis
americana) como base para o estudo, que se trata de uma “arraia
gigante”.
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Introdução – Apresentação GeralIntrodução – Apresentação Geral
Arraias da espécie Dasyatis americana, também conhecidas como Arraias-Cravadoras ou Southern-Stingrays
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ObjetivosObjetivos
O principal objetivo deste projeto é apresentarmos resultados
computacionais, gerados a partir do PHOENICS 2006, para o modelo
simplificado do escoamento de água através do corpo de uma arraia,
interpretando-os e obtendo seu respectivo coeficiente de arrasto e
sustentação.
De posse do modelo, iremos definir as condições de escoamento,
bem como as condições do contorno do problema, para a partir daí
conseguirmos rodar uma simulação do respectivo escoamento, obtendo
seus gráficos de escoamento, coeficiente de arrasto e sustentação.
Outro fato é que iremos considerar o escoamento através deste
modelo como se a arraia estivesse parada “plainando” sobre a água, ou
seja, evitaremos entrar em detalhes no complexo mecanismo de
movimentação das arraias através da movimentação constante de suas
bordas laterais.
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Considerações Iniciais - GeometriaConsiderações Iniciais - Geometria
Durante todo o projeto (simulações e cálculos), utilizaremos uma
aproximação simples da geometria de uma arraia real encontrada na
natureza.
66 cm
80 cm
90 cm
Dimensões médias de uma Dasyatis americana
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Considerações Iniciais - GeometriaConsiderações Iniciais - Geometria
Sua secção transversal possui espessura máxima 10 cm e a arraia
possui um ângulo de ataque de 0º na sua borda a montante.
As arraias gigantes podem atingir até 90 kg no seu maior tamanho,
porém adotamos seu peso como sendo aproximadamente 50 kg, pois
ela não possui as maiores dimensões..
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p
LL
AV
FC
²2
1
Revisão da LiteraturaRevisão da Literatura
ARRASTO
:AV
FC DD
²2
1
SUSTENTAÇÃ
O:
EMPUXO: gVgmE fff
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Cálculos TeóricosCálculos Teóricos
EMPUXO:
PESO:
FORÇA DE SUSTENTAÇÃO:
NEEgVE corpof 60,10381,9.0103239,0.95,1022
NPPgmP corpo 5,49081,9.50.
NF
FEPFFEPFF
sust
sustsustsustparacimaparabaixo
90,386
60,1035,490
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Pré-SimulaçãoPré-Simulação
O perfil da arraia foi aproximado como um perfil de aerofólio NACA
23015 (errado!).
Vistas da arraia no ambiente ProEngineer
Inlet
BlockageOutlet
Inlet: água do mar à 5 m/s.
Outlet: padrão do PHOENICS
Blockage (arraia): sólido com atrito na parede suave.
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Pré-SimulaçãoPré-Simulação
O perfil da arraia foi aproximado como um perfil de aerofólio NACA
23015 (errado!).
Malha em X = 22 e Y = 22 (3 regiões)
Malha em Z = 52 (3 regiões)
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Pré-SimulaçãoPré-Simulação
RESULTADOS OBTIDOS:
Perfil de velocidade em Z
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Pré-SimulaçãoPré-Simulação
RESULTADOS OBTIDOS:
Perfil de velocidade em Y
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Pré-SimulaçãoPré-Simulação
RESULTADOS OBTIDOS:
Perfil de velocidade em X
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Pré-SimulaçãoPré-Simulação
Segundo o arquivo de saída do PHOENICS:
Força de Sustentação (FL) = 900,821 N
Força de Arrasto (FD) = 170,5197 N
FL Teórica = 813 N
FD Teórica = 4,77 N
FL Numérica = 900,821 N
FD Numérica = 170,51 N
CL = 0,2501
CD = 0,1329
Comparando-se com a teoria:
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Pré-SimulaçãoPré-Simulação
Conclusões:
Assim, podemos concluir que o modelamento da arraia aproximado
pelo perfil de aerofólio NACA 23015 não poderá ser utilizado na
simulação final do escoamento, pois as forças de arrasto não são
condizentes.
Isto se deve ao fato de o perfil NACA ser bidimensional, enquanto a
simulação da arraia (como foi feita) era tridimensional. Se por acaso
realmente quisermos aproximar para algum perfil de asa, devemos
aproximar por um perfil de asa finita (3D).
Para a simulação final, apresentaremos outra proposta teórica
condizente com o aqui observado na pré-simulação.
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Simulação FinalSimulação Final
Vamos comparar os resultados de Força de Sustentação obtida
teoricamente com os resultados numéricos conseguidos através do
PHOENICS e, infelizmente, não iremos comparar os resultados da força de
arrasto com nenhuma teoria, pois não foi encontrado nenhum modelo válido
que pudesse representar essa força, neste caso.
Foi feito um estudo de malha para encontrar a malha mais adequada para
o problema: uma que não tivesse o seu refinamento superestimado mas que
não deixasse de fora os aspectos da camada limite do escoamento.
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Simulação FinalSimulação Final
Outra alteração, é que nesta etapa foram exploradas as simetrias da
arraia.
Vistas da arraia simétrica no ambiente ProEngineer
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Simulação FinalSimulação Final
Dados inseridos no PHOENICS:
Vistas do modelamento no PHOENICS
Inlet Blockage
Outlet
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Simulação FinalSimulação Final
Nova Malha: a malha foi refinada através da inserção de NULL points
antes e depois do perfil da arraia, o que nos deu a garantia de
considerar a camada limite do escoamento.
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Simulação FinalSimulação Final
RESULTADOS OBTIDOS:
Perfil das velocidades Vx
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Simulação FinalSimulação Final
RESULTADOS OBTIDOS:
Perfil das velocidades Vy
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Simulação FinalSimulação Final
RESULTADOS OBTIDOS:
Perfil das velocidades Vz
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Simulação FinalSimulação Final
RESULTADOS OBTIDOS:
Perfil de velocidade de escoamento
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Simulação FinalSimulação Final
Segundo o arquivo de saída do PHOENICS:
Força de Sustentação (FL) = 423,64 N
Força de Arrasto (FD) = 981,60 N
FL Teórica = 386,90 N FL Numérica = 423,28 N
CL = 0,1428
CD = 2,2768
Comparando-se com a teoria:
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Simulação FinalSimulação Final
Conclusões:
Portanto, conclui-se que o experimento numérico no PHOENICS
consiste em uma ferramenta poderosa no modelamento e aproximação
de casos reais encontrados no dia-a-dia. Mas vale ressaltar que esta
aplicação não deve ser meramente ilustrativa, e sim com
embasamento teórico para comparar e suportar os resultados
encontrados.
Modelamento correto
Embasamento teórico
Refinamento de malha
Aspectos geométricos da natureza
Dificuldades encontradas:
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Dúvidas ?
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SUSTENTAÇÃO, ARRASTO E PERFIL DE
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