Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Integradora IV
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Ensaio em Túnel de Vento – Grupo 1
Universidade do Minho
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Índice
Introdução..............
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Introdução
Tal como se encon...
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  1. 1. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Integradora IV 1 Ensaio em Túnel de Vento – Grupo 1 Universidade do Minho Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica 2008/2009 Integradora IV – Relatório de Ensaio em Túnel de Vento Grupo 1
  2. 2. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Integradora IV 2 Ensaio em Túnel de Vento – Grupo 1 Índice Introdução................................................................................................................................ 3 Procedimentos......................................................................................................................... 4 Cálculo da massa volúmica (ρ) do ar........................................................................................ 5 Dados obtidos no ensaio do túnel de vento ............................................................................ 6 Cálculo da velocidade do ar ..................................................................................................... 6 Cálculo do momento flector .................................................................................................... 7 Cálculo da carga ....................................................................................................................... 9 Cálculo do coeficiente de arrasto (Cd).................................................................................... 10 Resultados obtidos................................................................................................................. 11 Conclusão e Discussão de resultados..................................................................................... 11
  3. 3. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Integradora IV 3 Ensaio em Túnel de Vento – Grupo 1 Introdução Tal como se encontrava planificado no guia da unidade curricular Integradora IV, foi realizado um ensaio em túnel de vento. O objectivo deste trabalho é a determinação da massa volúmica, para diferentes potências, calcular a velocidade do ar no túnel de vento, os momentos flectores, as cargas impostas pela força do ar e os coeficientes de arrasto. Para tal foi utilizado uma placa de aço encastrada com uma secção de 750× 300 mm e de espessura de 1 mm, sujeita a diferentes velocidades impostas pelo ar do túnel aerodinâmico subsónico do Laboratório de Aerodinâmica Industrial do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho (LaInd). Secção de ensaio Fig. 1 – Túnel aerodinâmico subsónico
  4. 4. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Integradora IV 4 Ensaio em Túnel de Vento – Grupo 1 Procedimentos 1) Após arrancar com o túnel de vento será necessário medir a velocidade do ar, para tal utilizou-se um tubo de Pitot total, uma tomada de estática e um manómetro diferencial. Casa este aparelho não funciona-se correctamente, o professor Amaral Nunes disponibilizou um gráfico que relaciona a posição de potência consumida pelo ventilador com a velocidade do ar do túnel; 2) Através do extensómetro pertencente ao grupo 1, colado à placa a uma distância de 225 mm desde o encastramento, irá obter-se as diferentes deformações para uma potência de 100%, 90%, 80%, 70% e 60%. Para esta gama de potências, medir-se-á a velocidade do ar através do manómetro diferencial; 3) Efectuar medições ao ar do laboratório para determinar a temperatura, humidade relativa e pressão atmosférica.
  5. 5. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Integradora IV 5 Ensaio em Túnel de Vento – Grupo 1 Cálculo da massa volúmica (ρ) do ar Através de medições feitas ao ar do laboratório foram obtidos os seguintes resultados: = Temperatura – 230 C (23 + 273 = 296K) = Humidade relativa – 65% = Pressão atmosférica – 751 mmHg Para o cálculo da massa volúmica vamos usar a equação dos gases ideais: ܸܲ = ݉ ܴ ‫ܯ‬ ܶ Para o cálculo vamos ter de converter a pressão de mmHg para Pa através da relação: 760 ݉݉‫݃ܪ‬ = 101325 ܲܽ Logo 751 mmHg são 100125,1 Pa. Substituindo os valores na função vem: 100125,1 × ܸ = ݉ × 8314,4 28,9 × 296 → ݉ ܸ = 1,18 ‫.݃ܭ‬ ݉ିଷ Como ρ = ௠ ௏ a massa volúmica é ρ=1,18 Kg.m-3 .
  6. 6. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Integradora IV 6 Ensaio em Túnel de Vento – Grupo 1 Dados obtidos no ensaio do túnel de vento Experiência Potência Pdinâmica Deformação Unidades % Pa Adim (10-6 ) 1 100 16 260 2 90 12 197 3 80 10 143 4 70 7 89,6 5 60 5 56 Cálculo da velocidade do ar Para calcular a velocidade do ar vamos recorrer à equação: ‫ݑ‬ = ඨ 2 × ܲ݀݅݊â݉݅ܿܽ ߩ Experiência Potência Pdinâmica Velocidade Unidades % Pa m.s-1 1 100 16 5,21 2 90 12 4,51 3 80 10 4,12 4 70 7 3,44 5 60 5 2,91 Tabela 2 – Velocidades do ar Tabela 1 – Dados obtidos no ensaio do túnel de vento
  7. 7. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Integradora IV 7 Ensaio em Túnel de Vento – Grupo 1 Cálculo do momento flector Para calcular o momento flector vamos usar a equação: ߪ = ‫ܯ‬௙ × ℎ 2 ܾ × ℎଷ 12 Para o cálculo é necessário conhecer a tensão (σ), a espessura (h) e a largura (b). Para calcular a tensão usamos a equação: ߪ = ߝ × ‫ܧ‬ O módulo de elasticidade do material é E=200 GPa. A espessura é h=1 mm. A largura é b=300 mm. Fig. 2 – Medidas da placa
  8. 8. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Integradora IV 8 Ensaio em Túnel de Vento – Grupo 1 Substituindo em ambas as equações pelos valores obtidos vem: Experiência Potência Deformação Tensão Momento flector Unidades % Adim (10-6 ) MPa N.m 1 100 260 52 2,6 2 90 197 39,4 1,97 3 80 143 28,6 1,43 4 70 89,6 17,92 0,896 5 60 56 11,2 0,56 Tabela 3 – Momentos flectores Fig. 3 – Chapa encastrada para ensaio
  9. 9. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Integradora IV 9 Ensaio em Túnel de Vento – Grupo 1 Cálculo da carga Para calcular a carga (w) imposta pela força do ar usamos a equação: ‫ܯ‬௙ = ‫ݓ‬ × ‫ݔ‬ଶ 2 Para o cálculo é necessário conhecer o momento flector, que foi previamente calculado, e o valor de x. Este valor é obtido pela diferença entre a altura da chapa (750 mm) e a distância ao encastramento (225 mm). Isto vem ‫ݔ‬ = 750 − 225 → ‫ݔ‬ = 525 ݉݉. Substituindo na equação obtemos: Experiência Potência Momento flector Carga Unidades % N.m N.m-1 1 100 2,6 18,87 2 90 1,97 14,29 3 80 1,43 10,38 4 70 0,896 6,50 5 60 0,56 4,06 Tabela 4 – Valores da carga
  10. 10. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Integradora IV 10 Ensaio em Túnel de Vento – Grupo 1 Cálculo do coeficiente de arrasto (Cd) Para se calcular o coeficiente de arrasto recorre-se a seguinte equação: ‫ܥ‬ௗ = ‫ܦ‬ 1 2 ߩ‫ݑ‬ଶ‫ܣ‬ Para o cálculo é necessário conhecer a força (D), a massa volúmica do ar (ρ), a velocidade do ar (u), e a área da chapa (A). A massa volúmica já é conhecida, ρ=1,18 Kg.m-3 . A velocidade para cada experiencia também é conhecida. A área da chapa é ‫ܣ‬ = 0,300 × 0,750 → ‫ܣ‬ = 0,225 ݉ଶ Para se determinar a força em cada experiencia usamos a equação: ‫ܦ‬ = ‫ݓ‬ × ‫ܮ‬ Onde w é a carga e o L é a altura da chapa (L=750 mm) Substituindo as equações obtemos os seguintes resultados: Experiência Potência Velocidade Carga D Cd Unidades % m.s-1 N.m-1 N Adim 1 100 5,21 18,87 14,15 3,93 2 90 4,51 14,29 10,72 3,97 3 80 4,12 10,38 7,79 3,46 4 70 3,44 6,50 4,88 3,11 5 60 2,91 4,06 3,05 2,71 Tabela 5 – Coeficientes de arrasto
  11. 11. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Integradora IV 11 Ensaio em Túnel de Vento – Grupo 1 Resultados obtidos Os resultados obtidos através dos cálculos foram: Experiência Potência Velocidade Pdinâmica Deformação Momento flector Carga Cd Unidades % m.s-1 Pa Adim (10-6 ) N.m N.m-1 Adim 1 100 5,21 16 260 2,6 18,87 3,93 2 90 4,51 12 197 1,97 14,29 3,97 3 80 4,12 10 143 1,43 10,38 3,46 4 70 3,44 7 89,6 0,896 6,50 3,11 5 60 2,91 5 56 0,56 4,06 2,71 Conclusão e Discussão de resultados 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 velocidade no túnel velocidade real velocidade calculada Velocidadem/s Tabela 6 – Resultados obtidos Potência (% no reóstato) Velocidade no Túnel Gráfico 1 – Velocidades no túnel
  12. 12. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Integradora IV 12 Ensaio em Túnel de Vento – Grupo 1 O gráfico mostra-nos a relação entre a potência no reóstato e a velocidade no túnel. A linha a azul representa essa relação depois de a máquina ter sido calibrada em 2000, segundo o professor Amaral Nunes, sendo essa relação expressa por ‫ݕ‬ = 0,0705‫ݔ‬ + 0,1177. A linha a preto representa as velocidades obtidas através dos cálculos efectuados, e fazendo uma aproximação linear obtemos a linha a vermelho que representa essa mesma relação mas na actualidade, pois a máquina foi sofrendo desgaste ao longo do tempo, sendo expressa por ‫ݕ‬ = 0,0567‫ݔ‬ − 0,498. Em suma, como a área de ensaio do túnel de vento é constante, aumentando a potência no reóstato, o caudal vai aumentar, logo a velocidade dentro do túnel também. Uma vez que a chapa se encontra encastrada, sendo sujeita a diferentes caudais de ar, as deformações irão variar. O valor da deformação é tanto maior, quanto mais distante estiver o extensómetro do encastramento. Tal como a deformação, o momento flector, a carga e o coeficiente de arrasto vão variar com o caudal. Quanto mais próximo estiver o extensómetro do encastramento maior será o momento flector. A carga e o coeficiente de arrasto vão ser constantes para uma determinada potência. Como não foi possível ser usado o pórtico para o ensaio em túnel de vento, pois a deformação que iria sofrer era pouco significativa. Posto isto foi usada uma chapa de dimensões 300x750x1 para se fazer o ensaio. Nessa chapa foram colocados 8 extensómetros, um para cada grupo, no entanto como o extensómetro que estava destinado ao nosso grupo não estava a funcionar nas melhores condições tivemos de utilizar outro extensómetro. Este estava colado na chapa a uma distância de 225 mm do encastramento

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