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SIMULAÇÃO DA CAMADA LIMITE ATMOSFÉRICA EM TÚNEL DE VENTO UTILIZANDO TUBOS E CONEXÕES DE PVC

Edson Matsumoto(1); Lucila Chebel Labaki(2)

(1) FEC/Unicamp, e-mail: [email protected] (2) FEC/Unicamp, e-mail: [email protected]

ResumoO objetivo deste trabalho foi desenvolver um sistema para simulação da camada limite atmosférica, utilizando tubos e conexões de PVC, para túneis de vento com seções de ensaios curtas. A forma convencional de simulação da camada limite atmosférica, utilizando obstáculos e blocos espalhados ao longo do piso do túnel de vento, requer um comprimento que muitas vezes ultrapassa o disponível na seção de ensaios do túnel. Um painel utilizando luvas de PVC foi construído e diferentes tipos de conexões encaixados. Este painel é fixado no início da seção de ensaios, perpendicular ao escoamento, ocupando toda a seção transversal, formando um sistema que desvia o fluxo de ar gerando os perfis de velocidade e de turbulência. Utilizando um sistema de anemômetro de fio quente (Multichannel da Dantec) foram medidas as velocidades e as intensidades de turbulência calculadas para cinco posições ao longo da largura da seção de ensaios do túnel de vento e em nove alturas diferentes. Os perfis de velocidade e de turbulência obtidos possuem boa concordância quando comparados com dados da literatura.Palavras-chave: Túnel de vento, Simulação da camada limite atmosférica, Conexões de PVC.AbstractThe objective of this work was develop a system for simulation of the atmospheric boundary layer, using tubes and connections of PVC, for wind tunnels with sections of short essays. The conventional form of simulation of the atmospheric boundary layer, using obstacles and blocks spread through the floor of the wind tunnel, requires a length that many times exceeds the available in the test section of the tunnel. A panel using connections of PVC was constructed and different types of connections were embedded. This panel is fixed in the beginning of the test section, perpendicular to the flow, occupying all the transversal section, forming a system that deviates the air flow generating the profiles of speed and turbulence. Using a system of hot wire anemometer (Dantec Multichannel) were measured the speeds and the intensities of turbulence calculated for the five positions along the width of the test section of wind tunnel and in nine different height. The profiles of speed and turbulence obtained have good concordance when compared with the literature’s data.Keywords: Wind tunnel, Simulation of atmospheric boundary layer, Connections of PVC.

1. INTRODUÇÃOA camada limite atmosférica, que compreende a faixa da atmosfera na qual a velocidade varia desde zero, na superfície, até a velocidade da corrente livre, na parte superior, deve ser simulada, na seção de ensaio do túnel de vento, com a construção e instalação de obstáculos geradores de turbulência no piso que simulam a rugosidade do solo, composta pelas árvores, colinas, muros, edificações, etc, e produzem um perfil de velocidades semelhante ao que ocorre no ambiente atmosférico (TAKAHASHI, 2005). Estes obstáculos aceleram a formação dos perfis de velocidade e de turbulência, fazendo com que os perfis adequados sejam obtidos utilizando-se uma distância menor da seção de ensaios.

XIV ENTAC - Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído - 29 a 31 Outubro 2012 - Juiz de Fora

2906

Neste trabalho foi simulado na seção de ensaios do túnel de vento do Laboratório de Conforto Ambiental e Física Aplicada (LaCAF/FEC/Unicamp) uma camada limite atmosférica com rugosidade média.

2. METODOLOGIAUm esquema típico de distribuição de obstáculos geradores de turbulência pode ser visto na Fig.1a e, na Fig.1b, a montagem desta distribuição em um túnel de vento (ANDRADE JUNIOR, 2004).

(a) (b)

Figura 1 – Obstáculos geradores de turbulência: (a) Esquema típico de distribuição dos obstáculos; (b) Montagem dos obstáculos em um túnel de vento (ANDRADE JUNIOR, 2004).

A distribuição da intensidade de turbulência com a altura depende da rugosidade da superfície. Davenport sugeriu três categorias típicas de terreno:A – Terreno aberto com poucos obstáculos.B – Terreno uniformemente coberto com obstáculos de 10 a 15 m de altura.C – Terreno com obstáculos grandes e irregulares.

A Fig.2 mostra a variação da intensidade de turbulência com a altura, para as três categorias de terreno (BLESSMANN, 1995).

Figura 2 – Intensidade local da turbulência longitudinal Iu para os três terrenos típicos, conforme Davenport(BLESSMANN, 1995).


2907

Na realização de ensaios no túnel de vento, existe a necessidade de simular os perfis de velocidade e de turbulência que ocorre na atmosfera, de acordo com a rugosidade da superfície onde está inserida a edificação. Isto exige a construção e instalação de diferentes configurações de obstáculos geradores de turbulência, uma para cada tipo de rugosidade, para acelerar a formação da camada limite e ela seja totalmente desenvolvida ao longo do comprimento da seção de ensaio. O perfil de velocidade na camada limite atmosférica, para diferentes tipos de rugosidades, pode ser expressa pela lei da potência (BARLOW, RAE, POPE, 1999),

α

=

refzz

refUU

[Eq.01]

onde U é a velocidade média na altura z e Uref, a velocidade média na altura de referência. O expoente α varia de acordo com a rugosidade que se deseja simular. A Fig.3 mostra perfis de velocidades que simulam superfícies com rugosidade baixa (α=0,1), média (α=0,25) e alta (α=0,4) (BARLOW, ERA, POPE, 1999).

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Z/Zref

U/Uref

alfa=0,1

alfa=0,25

alfa=0,4

Figura 3 – Perfis de velocidade para superfícies com rugosidades baixa (α=0,1), média (α=0,25) e alta (α=0,4)(BARLOW, RAE, POPE, 1999).

Outro fator importante nos ensaios em túnel de vento com área da seção transversal de pequenas dimensões é utilizar modelos físicos (maquetes) com a máxima dimensão possível, sabendo-se que a obstrução máxima que o modelo pode produzir é de 5% da área da seção transversal do túnel. Para isto, a camada limite dentro do túnel, além de apresentar as características de velocidade e de turbulência adequadas para a rugosidade a ser ensaiada,deve apresentar uma altura maior do que a do modelo físico.

Para simular os perfis de velocidade e de turbulência dentro da seção de ensaio do túnel de vento do Laboratório de Conforto Ambiental e Física Aplicada/FEC/Unicamp, que possui largura de 90 cm, altura de 80 cm e comprimento de 450 cm, foi construído e instalado na seção de ensaio do túnel, um painel de luvas de PVC de 40 mm de diâmetro interno, que ocupa toda a área transversal da seção de ensaio, como mostrado na Fig.4.


2908

(a) (b)Figura 4 – Painel construído com 340 luvas de PVC de 40 mm de diâmetro interno instalado no interior da seção

de ensaio do túnel de vento; (a) Vista lateral; (b) Vista frontal, a partir da posição onde é instalado o modelo físico (maquete).

Como este painel produz turbulência, mas não o perfil de velocidade desejado, foi utilizado uma combinação de conexões de PVC instalados no painel. Estas conexões desviam o escoamento e podem produzir perfis de turbulência e de velocidade adequados para cada tipo de rugosidade. Foram utilizados os seguintes tipos de conexões de PVC: curva longa de 90o, curva curta 90o, “joelho” 90o, junção “T”. As conexões de PVC foram fixadas no painel utilizando-se pedaços de tubo de PVC de 40 mm de diâmetro e 4 cm de comprimento. O painel com as conexões montadas são mostradas na Fig.5.

(a) (b)Figura 5 – Painel de conexões de PVC na configuração 1. (a) Vista lateral; (b) Vista frontal, a partir da posição

onde é instalado o modelo físico.

Para verificar a qualidade do escoamento no túnel de vento, foram avaliadas a intensidade de turbulência e a uniformidade do escoamento médio no tempo utilizando-se, para isto, um posicionador manual para os sensores de fio quente juntamente com o módulo Multichannel da Dantec e uma placa de aquisição de dados da National Instruments. As figuras 6a e 6b mostram o posicionador manual, com os sensores de fio quente instalados, utilizado para a realização das medidas de velocidade em várias alturas na seção de ensaio do túnel de vento. A Fig.6c mostra o sensor de velocidade utilizado para fazer a calibração dos sensores de fio quente e a Fig.6d, o módulo Multichannel da Dantec, onde os sensores são conectados.


2909

(a) (b)

(c) (d)Figura 6 – (a) Sistema posicionador manual com os seis sensores de fio quente instalados na seção de ensaio; (b) Vista lateral do posicionador; (c) Sensor de velocidade para calibração dos sensores de fio quente; (d) Módulo

Multichannel da Dantec.

A uniformidade do escoamento médio no tempo, na seção de ensaio, foi avaliada medindo-se a velocidade com o anemômetro de fio quente em vários pontos, ao longo da largura e da altura da seção de ensaio (CARRIL JR, 1995).

A turbulência foi analisada estatisticamente através da descrição da velocidade como um somatório entre a parcela invariável no tempo (média) e a flutuação de seu valor instantâneo em torno do valor médio (BLESSMANN, 1995). A intensidade de turbulência foi o parâmetro utilizado para descrever a turbulência na seção de ensaio do túnel de vento. A intensidade de turbulência longitudinal Iu é definida como (BURTON, 2001):

U

UuNU

zIN

ii

uu

1.)(.1)(1

2∑=

−==σ

[Eq.02]

onde uσ é o desvio padrão da componente flutuante da velocidade na direção da velocidade média U a uma altura z e ui é a componente flutuante da velocidade longitudinal.

3. ANÁLISE DOS RESULTADOSOs perfis horizontais para as três velocidades ensaiadas no túnel de vento são mostrados nos gráficos das figuras 7, 8 e 9. Nos gráficos à esquerda tem-se uma vista tridimensional das variações dos perfis horizontais da velocidade com a altura do túnel e à direita, os gráficos mostram as sobreposições dos perfis horizontais de velocidade para as diferentes alturas.

Os perfis mostram a formação da camada limite nas laterais devido à presença das paredes, sendo que do lado direito do gráfico a queda é mais acentuada porque deste lado a parede do túnel é de madeira, cuja rugosidade é maior que a do acrílico, que compõe a parede do outro lado.


2910

0,020,05

0,10,25

0,40,55

0,70,75

0,78

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0,050,45

0,85

Altura da Seção de

Ensaio (m)

Velocidade(m/s)

Largura da Seção de Ensaio (m)

Perfil Horizontal da Velocidade - 124 rpm

0,02

0,05

0,1

0,25

0,4

0,55

0,7

0,75

0,780

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Velocidade(m/s)



0,02

0,05

0,1

0,25

0,4

0,55

0,7

0,75

0,78

(a) (b)Figura 7 – Perfis horizontais da velocidade para 124 rpm em 9 alturas diferentes na seção de ensaio.

0,020,05

0,10,25

0,40,55

0,70,75

0,78

0

2

4

6

8

0,050,45

0,85


Ensaio (m)

Velocidade(m/s)



0,02

0,05

0,1

0,25

0,4

0,55

0,7

0,75

0,780

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Velocidade(m/s)



0,02

0,05

0,1

0,25

0,4

0,55

0,7

0,75

0,78


0,020,05

0,10,25

0,40,55

0,70,75

0,78

02468

10121416

0,050,45

0,85


Ensaio (m)

Velocidade(m/s)



0,02

0,05

0,1

0,25

0,4

0,55

0,7

0,75

0,780

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Velocidade(m/s)



0,02

0,05

0,1

0,25

0,4

0,55

0,7

0,75

0,78



2911

Os gráficos com os perfis verticais para as três velocidades ensaiadas no túnel de vento são mostrados nos gráficos das figuras 10, 11 e 12. Uma vista tridimensional das variações dos perfis verticais da velocidade com a posição ao longo da largura do túnel é mostrada à esquerda e à direita, os gráficos mostram as sobreposições dos perfis verticais de velocidade para as diferentes alturas.

Os gráficos dos perfis sobrepostos mostram uma boa concordância para os perfis das posições, ao longo da largura do túnel, que estão fora da camada limite das paredes laterais. Os dois perfis correspondentes às posições próximas das paredes laterais apresentam valores inferiores, principalmente a posição próxima à parede de madeira, que possui rugosidade maior que as portas de acrílico do túnel.

0,05

0,21

0,450,69

0,85

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0,02 0,1 0,4 0,7 0,78

Largura da Seção de

Ensaio (m)

Velocidade(m/s)

Altura da Seção de Ensaio (m)

Perfil Vertical da Velocidade - 124 rpm

0,05

0,21

0,45

0,69

0,85

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Velocidade(m/s)



0,05

0,21

0,45

0,69

0,85

(a) (b)Figura 10 – Perfis verticais da velocidade para 124 rpm em 5 posições na largura da seção de ensaio.

0,05

0,21

0,450,69

0,85

0

2

4

6

8

0,02 0,1 0,4 0,7 0,78


Ensaio (m)

Velocidade(m/s)



0,05

0,21

0,45

0,69

0,85

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Velocidade(m/s)



0,05

0,21

0,45

0,69

0,85



2912

0,05

0,21

0,450,69

0,85

02468

10121416

0,02 0,1 0,4 0,7 0,78


Ensaio (m)

Velocidade(m/s)



0,05

0,21

0,45

0,69

0,85

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Velocidade(m/s)



0,05

0,21

0,45

0,69

0,85


Os perfis adimensionalizados das três velocidades ensaiadas e medidas na direção do eixo central da seção de ensaio são mostrados na Fig.13. Observa-se que existe uma boa concordância entre os perfis, principalmente para entre as velocidades maiores (456 rpm e 830 rpm). Apesar de alguns pontos discordantes, o perfil para a 124 rpm segue a mesma tendência dos outros perfis. Quando comparados com os perfis da lei da potência, observa-se que possuem a mesma tendência de crescimento.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

h/href

Vm/Vref

124 rpm

456 rpm

830 rpm

Lei da Potência

Figura 13 – Configuração 1. Perfis adimensionais na direção do eixo central da seção de ensaio para as três velocidades ensaiadas (href=0,7 m e Vref=velocidade na altura de referência), comparadas com a curva da lei da

potência, para α=0,2.

Os perfis adimensionalizados para a intensidade de turbulência na direção do eixo central da seção de ensaio, mostrados na Fig.14, apresentam discordâncias mas possuem comportamentos semelhantes para as três velocidades ensaiadas. Quando comparados com os perfis obtidos por Davenport observa-se que há uma grande semelhante com a curva B, para rugosidade média.


2913

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

h/href

Intensidade de Turbulência Iu

124 rpm

456 rpm

830 rpm

curva A

curva B

curva C

Figura 14 – Perfis da intensidade de turbulência longitudinal (Iu) na direção do eixo central do túnel de vento para as três velocidades ensaiadas (href=0,70 m), comparadas com as curvas para três diferentes rugosidades descritas por Davenport.

4. CONCLUSÃOOs resultados obtidos mostram que os perfis de velocidade e da intensidade de turbulência estão de acordo com os resultados da literatura para simular uma superfície com rugosidade média, que é caracterizada por um terreno uniformemente coberto com obstáculos de 10 a 15 m de altura, em um túnel de vento com seção de ensaios de 4,5 m de comprimento.

REFERÊNCIASANDRADE JÚNIOR, L.J.; CALIL JÚNIOR, C. Comportamento aerodinâmico e efeito de enrijecimento externo em silos cilíndricos sob a ação do vento. Eng. Agríc., v.24, n.3, 2004. p. 512.

BARLOW, J. B.; RAE JR., W. H.; POPE, A. Low-Speed Wind Tunnel Testing. John Wiley & Sons, New York, 3. ed., 1999. 713 p.

BLESSMANN, J. O vento na engenharia estrutural. Editora da Universidade, Porto Alegre, 1995.166 p.

BURTON, W. V. Wind tunnel simulation of an atmospheric boundary layer. Master of Science in Mechanical Engineering, Faculty of Texas Tech University, USA, 2001. 73 p.

CARRIL JR, C. F. Projeto, Construção e Calibração de um Túnel de Vento. Mestrado – Escola Politécnica -Universidade de São Paulo, São Paulo, 1995. 100 p.

TAKAHASHI, T.; et al. Wind tunnel tests of effects of atmospheric stability on turbulent flow over a three-dimensional hill. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., 93, 2005. p. 155.

AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo financiamento deste projeto de pesquisa.


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