Os ensaios em túnel de vento
Os ensaios em túnel de vento foram largamente utilizados para as aplicações industriais e de investigação ao longo das cinco últimas décadas.
Um ensaio em túnel de vento é um teste aerodinâmico realizado num túnel de vento onde se estuda o comportamento de um objeto exposto a um fluxo de ar que simula as condições reais.
Os ensaios em túnel de vento exigem uma instalação dispendiosa e instrumentos sofisticados para medir uma gama de variáveis de campo (velocidade do vento, cargas de pressão, intensidade da turbulência, etc.).
A sua principal limitação reside no facto de tais medições só serem obtidas em alguns pontos precisos da secção de ensaio, o que restringe consideravelmente a compreensão global dos processos evolutivos ou transitórios de fenómenos complexos não estacionários (tais como o desprendimento de vórtices, as esteiras de turbulência e a estratificação térmica).
As diferentes etapas de um ensaio em túnel de vento
Da definição do objetivo à análise dos resultados, um ensaio em túnel de vento segue seis etapas metódicas :
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Definição do objetivo
Antes de realizar um ensaio em túnel de vento, é importante definir claramente o objetivo do ensaio. Pode ser o estudo da resistência de um veículo, a otimização da sustentação de uma asa de avião, ou ainda a avaliação da estabilidade de um edifício face ao vento.
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Conceção do modelo
Um modelo reduzido do objeto a estudar é geralmente fabricado a uma escala reduzida para poder ser testado no túnel de vento. O modelo pode ser fabricado a partir de diversos materiais como o plástico, a madeira ou mesmo a impressão 3D.
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Instalação do modelo no túnel de vento
Uma vez o modelo pronto, é posicionado no túnel de vento de modo a ficar exposto ao fluxo de ar. Suportes e sistemas de medição são utilizados para manter o modelo no lugar e recolher os dados pertinentes durante o ensaio.
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Ajuste das condições do ensaio
Antes de começar o ensaio, as condições devem ser ajustadas, tais como a velocidade do vento, a temperatura e a pressão. Estas condições são geralmente determinadas em função das especificações técnicas específicas do objeto a testar.
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Recolha de dados
Durante o ensaio, diversas medições e observações são efetuadas para avaliar o comportamento do objeto no fluxo de ar. Isto pode incluir a medição da força exercida sobre o objeto (resistência, sustentação), a visualização dos fluxos de ar com recurso a técnicas de visualização (fumo, partículas), ou ainda a medição das pressões na superfície do objeto.
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Análise dos resultados
Uma vez recolhidos os dados, são analisados a fim de tirar conclusões quanto ao comportamento aerodinâmico do objeto. Os resultados são frequentemente apresentados sob a forma de relatórios técnicos, de gráficos ou de imagens para comunicar as conclusões do estudo e as eventuais recomendações para a otimização do objeto testado.
Modelação numérica dos ensaios em túnel de vento
A CFD oferece numerosas vantagens face aos ensaios em túnel de vento.
Além de gerar simulações à escala real (em vez de modelos à escala reduzida para muitas simulações físicas), fornece também dados complementares e permite comparar, para um dado vento, as velocidades de vento simultaneamente entre dois pontos.
É possível realizar estudos de hidrologia, aeráulica ou térmica a diferentes escalas: da microeletrónica aos estudos de edifícios e de cidades.
Da microeletrónica à escala de uma cidade
Um mesmo método CFD cobre estudos de hidrologia, de aeráulica e de térmica a todas as escalas, do componente eletrónico de alguns milímetros até ao bairro urbano, uma amplitude difícil de cobrir com maquetes físicas.
Os resultados podem ser visualizados de forma mais clara e explicados ao maior número.
Túnel de vento ou CFD : o que escolher ?
Sobre as mesmas problemáticas aerodinâmicas, as duas abordagens não jogam no mesmo campeonato. Síntese das diferenças :
| Critério | Ensaio em túnel de vento | Simulação CFD |
|---|---|---|
| Escala do modelo | Maquete à escala reduzida (plástico, madeira, impressão 3D) | Simulação à escala real, sem maquete |
| Cobertura das medições | Alguns pontos precisos da secção de ensaio | Campo completo ; comparação simultânea das velocidades entre dois pontos para um dado vento |
| Fenómenos não estacionários complexosvórtices, esteiras turbulentas, estratificação térmica | Compreensão global restrita | Processos evolutivos e transitórios restituídos |
| Instalação & instrumentação | Instalação dispendiosa, instrumentos sofisticados | Estudo numérico : alternativa eficaz e económica |
| Restituição & pedagogia | Relatórios técnicos, gráficos, visualizações pontuais | Resultados visualizados de forma mais clara e explicáveis ao maior número |
| Aeroacústicaruído de origem aerodinâmica | Geralmente mais pertinente : medição direta do ruído aerodinâmico | Simulação possível mas pesada e muito dispendiosa |
| Clima & intempérieschuva, neve, gelo | Túneis de vento climáticos sofisticados : capacidade de projeção de chuva e reprodução de um clima | Modelável, mas complexo de reproduzir fielmente |
A CFD: um leque muito vasto de aplicações
Estes métodos permitem resolver um leque muito vasto de problemáticas. A CFD desdobra-se como uma verdadeira caixa de ferramentas, do escoamento dos fluidos às trocas térmicas, passando pela multifísica e pela hidrologia.
Caixa de ferramentas
- Simular o escoamento de um fluido em torno ou no interior de um corpo
- Estudar o conforto ao vento
- Estudo das cargas de vento
Caixa de ferramentas térmica
- Estudar as trocas convectivas
- Estudar as trocas condutivas
- Estudar as trocas radiativas
Caixa de ferramentas multifísica
- Visualizar a dispersão de poluentes
- Estudar o controlo de fumos
- Estudar o deslocamento de poeira, areia…
- Estudar o deslocamento de objetos, ventiladores…
Estudo de hidrologia
- Escoamento de fluidos
- Risco de submersão
- Risco de chuva ou de neve
Malha, condições de fronteira, modelo de turbulência : descubra os fundamentos de um estudo CFD.
É mesmo preciso abandonar o túnel de vento ?
A questão merecia melhor do que um slogan. Eis uma resposta ponderada, à luz de tudo o que precede.
Ensaios em túnel de vento obsoletos ? Não totalmente, mas a CFD tornou-se o reflexo.
O túnel de vento conserva o seu valor de ensaio físico de referência para calibrar um modelo ou validar um caso crítico. Mas na grande maioria das problemáticas aerodinâmicas, térmicas e multifísicas do edifício e da indústria, a simulação CFD impõe-se como a alternativa eficaz e económica : trabalha à escala real, restitui o campo completo em vez de alguns pontos de medição, e permite explorar tantas variantes quantas as necessárias sem refabricar maquetes.
Sem modelo reduzido
A geometria real do edifício ou da cidade é simulada diretamente, sem efeito de escala a corrigir.
Todo o domínio, não algumas sondas
Velocidade, pressão, temperatura e turbulência são conhecidas em toda a parte, incluindo nos fenómenos não estacionários.
Iterar sem refabricar
Cada variante de conceção relança-se em cálculo, ao passo que o túnel de vento impõe uma nova maquete.
