Na parte anterior desta série (consulte Recursos abaixo para obter o link), houve uma olhada nos livros de Martin Simons relacionados a aeromodelos e, em particular, como eles lidavam com o assunto do centro de gravidade. Este mês, nos voltamos para a discussão de Simons sobre outro assunto de interesse para a comunidade de vôo RC: turbuladores. Começamos com comentários do curador Peter Scott e depois seguimos com o texto e as imagens dos livros de Martin, salvo indicação em contrário. — Ed.

Este é mais material dos excelentes livros de Martin Simons, desta vez sobre turbuladores. O número de Reynolds é fundamental para o fluxo de fluidos e sempre foi um mistério para mim. Os projetistas de aeronaves usam modelos em escala em seus experimentos em túneis de vento, portanto, sua experiência é relevante para nós. Haverá mais sobre o número de Reynolds em um artigo futuro, mas como Martin menciona, citei um breve relato de BYJU (consulte Recursos , abaixo):

“O número de Reynolds é uma quantidade adimensional que é usada para determinar o tipo de padrão de fluxo como laminar ou turbulento enquanto flui através de um tubo. O número de Reynolds é definido pela razão entre as forças inerciais e as forças viscosas.

“Se o número de Reynolds calculado for alto (maior que 2.000), então o fluxo através do tubo é considerado turbulento. Se o número de Reynolds for baixo (menos de 2000), o fluxo é dito laminar.

“O número de Reynolds recebeu o nome do físico britânico Osborne Reynolds. Ele descobriu isso enquanto observava diferentes características de fluxo de fluido, como o fluxo de um líquido através de um tubo. Ele também observou que o tipo de fluxo pode passar de laminar para turbulento repentinamente.”

A partir daqui todos os textos e imagens são dos livros de Martin, neste caso apenas dois.

voo modelo

3.18 Escoamento Laminar e Turbulento

Em busca de menor arrasto, muita atenção tem sido dada, nos últimos tempos, ao fluxo de ar dentro da camada limite, a camada de ar que é arrastada pelo atrito com a pele da asa, em vez de simplesmente fluir por ela. A camada limite é muitas vezes decisiva para decidir quando uma asa estola, já que a separação começa primeiro nesta camada. Dentro da camada limite, ocorrem dois tipos muito diferentes de fluxo, laminar e turbulento (Figura 3.23).

Uma camada limite laminar é aquela em que o fluxo próximo à pele da asa é organizado em folhas ou lâminas muito finas que deslizam suavemente umas sobre as outras com muito pouca resistência ao atrito. Uma camada limite laminar cria pouco arrasto de pele. Uma camada limite turbulenta é muito perturbada, as partículas se movem para cima, para baixo e para os lados rapidamente. Isso cria mais arrasto de fricção na superfície da asa. A camada limite turbulenta também é mais espessa do que a laminar, de modo que o fluxo aerodinâmico geral fora da camada limite tem que passar sobre o que é, com efeito, uma forma mais espessa do que se a camada limite fosse totalmente laminar. Isso aumenta o arrasto de forma.

Em aeronaves de tamanho normal, a camada limite sobre uma asa geralmente começa laminar, mas depois de uma distância muito curta, o fluxo de deslizamento suave é interrompido e a camada limite torna-se turbulenta (Figura 3.24).

Uma impressão visual aproximada do que acontece pode ser obtida observando a forma como a água se espalha sobre uma superfície lisa, como o fundo de uma banheira ou pia, quando uma torneira é aberta. O escoamento é inicialmente laminar, mas a certa distância do ponto onde o jato de fluido atinge ocorre a transição de superfície e o escoamento turbulento, com aumento da profundidade, prevalece. A camada limite sobre uma asa, embora invisível, se assemelha a isso. Uma vez que a transição ocorre, o processo não pode ser revertido, então o alto arrasto da superfície continua em uma asa à ré da transição, até o bordo de fuga. (Tem sido feitos experimentos com sucção através de pequenos orifícios na asa, para remover a camada limite turbulenta após sua formação. Isso pode restaurar o fluxo laminar, mas logo muda novamente para turbulento. A sucção deve continuar até o bordo de fuga.)

Defeitos muito pequenos, como cabeças de rebites e ondulações quase imperceptíveis na pele da asa, manchas de moscas e lascas de tinta, podem estragar até mesmo a pequena quantidade de fluxo laminar existente. Portanto, aeronaves de tamanho normal geralmente voam com camadas limite totalmente turbulentas.

3.19 Efeitos de escala

Alguns centímetros atrás do bordo de ataque de um grande avião, a camada limite geralmente se torna turbulenta. Embora o arrasto superficial seja alto, pelo menos o fluxo de ar principal não é forçado para fora da superfície. As asas dos modelos se comportam de maneira diferente das de tamanho real a esse respeito. Em uma asa modelo, os poucos centímetros de fluxo laminar podem se estender desde o bordo de ataque até algum ponto bem atrás da asa, dependendo da corda da asa em cada ponto e da velocidade de vôo. A princípio, isso soa como se um modelo devesse ter uma vantagem em termos de arrasto de perfil.

Infelizmente, esse não é o caso. Uma camada limite laminar em uma asa de modelo, apenas porque cria menos arrasto da pele e tem menos transferência de energia de fluxo para a asa, tende a se separar da superfície assim que o ponto de pressão mínima (velocidade máxima de fluxo) é ultrapassado . No pior dos casos, essa separação é total. A asa estola muito cedo. Modelos de voo livre lento com asas grossas e cordas pequenas sofrem com esse estol prematuro e apresentam desempenho ruim. Nos modelos rádio controlados, se a asa não for muito grossa, o que normalmente ocorre é a formação de bolhas de separação (Figura 3.25).

Quando a camada limite laminar deixa a pele da asa, após um curto atraso, ela geralmente se divide em uma camada turbulenta, que é mais espessa. Este aumento de espessura permite que ele seja reconectado à asa. Abaixo da área separada existe uma 'bolha' de ar estagnado que não se move a jusante com o fluxo, mas permanece na asa, com circulação própria. A bolha de separação pode ter vários centímetros de comprimento na direção da corda e, em um modelo pequeno, pode cobrir a maior parte da superfície superior da asa. Geralmente haverá uma bolha de superfície inferior também.

Quanto maior a asa e mais rápido ela voa, menos importantes se tornam essas bolhas de separação. Eles ocorrem em planadores de tamanho normal, mas em uma asa grande em alta velocidade de vôo, uma pequena bolha de separação tem pouca influência. Em uma asa de modelo, voando lentamente com corda pequena, tal bolha pode causar uma deterioração muito séria no desempenho. Ele cria uma perturbação efetiva no fluxo de ar principal e isso cria um arrasto de forma adicional. O efeito de uma bolha de separação pode ser comparado à abertura de um pequeno freio aerodinâmico, com alguns milímetros de altura, de ponta a ponta de asa, no modelo. Asas de modelo, portanto, nunca são tão eficientes quanto as de tamanho normal.

3.20 Turbuladores

Às vezes, melhora o desempenho de um pequeno acorde, modelo de vôo lento se a formação de uma bolha de separação puder ser evitada acionando a transição da camada limite antes que o ponto de pressão mínima seja alcançado na asa. Às vezes, isso pode ser feito usando turbuladores (Figura 3.26).

Estas são tiras muito finas de fita adesiva estreita, presas à asa no sentido da envergadura, a uma pequena distância à frente do ponto onde se espera que a bolha de separação se desenvolva. O turbulador não deve ser muito espesso, pois se for, pode ter um efeito pior no desempenho do que a própria bolha de separação. Há algumas evidências que sugerem que colocar a fita em um dente de serra fino ou em ziguezague produz um efeito maior. Também é considerado por alguns pilotos modelo que usar um material de cobertura de asa ligeiramente áspero, como tecido levemente dopado, em vez de filme muito brilhante ou acabamento de pintura, ajuda a trazer a transição da camada limite. Muito pouca informação definitiva está disponível aqui como um guia, mas vale a pena tentar os turbuladores se houver alguma dúvida sobre o desempenho de um modelo específico.

As tiras de fita podem ser colocadas em posição e removidas com bastante facilidade, e a mudança resultante no comportamento do modelo pode ser observada. A ideia de usar vários turbuladores ou revigoradores de camada limite um atrás do outro também merece investigação. A intenção não é promover o fluxo turbulento sobre toda a asa, mas preservar a camada limite laminar sobre a parte dianteira da pele até onde for seguro fazê-lo, para então causar a transição imediatamente antes do ponto de separação laminar. Os turbuladores podem valer a pena tanto nas superfícies das asas superiores quanto nas inferiores e a experiência é, no momento, o melhor meio de descobrir onde eles devem ser colocados.

O problema da bolha de separação é apenas um aspecto do efeito de escala. Outro problema é causado pela viscosidade inerente do ar. O movimento através de fluidos viscosos, como melaço, é muito mais difícil do que através de substâncias menos viscosas como água ou ar. Embora o ar não seja muito viscoso, ainda assim tem uma certa viscosidade. Para um avião muito grande, isso é relativamente sem importância, mas para criaturas pequenas, como mosquitos e pernilongos, voar é extremamente difícil. Para asas tão pequenas, o ar parece quase melaço. Para compensar, pequenos insetos batem suas asas em taxas extremamente altas, de modo que a taxa de fluxo de ar sobre suas superfícies é bastante alta. Os aeromodelos estão entre esses extremos, não tão pequenos quanto os insetos, mas não tão rápidos quanto os aviões de tamanho normal. Em relação ao tamanho da asa e velocidade, a viscosidade relativa do ar aumenta o arrasto o tempo todo. O modelo de vôo rápido com grande corda de asa sempre tem uma vantagem sobre o pequeno e lento com corda estreita por este motivo, além dos efeitos de bolha de separação mencionados acima. Os efeitos da viscosidade são sentidos mais fortemente pelas asas grossas, o que é outra razão para usar aerofólios finos em modelos, quando o arrasto mínimo é necessário.

O efeito de escala é frequentemente expresso em termos do número de Reynolds ou Re . Aviões leves motorizados de tamanho normal voam em números Re superiores a 1.000.000, planadores e aviões ultraleves um pouco menos que isso em suas velocidades mais baixas. Modelos de corrida de pilão e planadores multitarefa atingem Re cerca de 500.000 em suas velocidades máximas e cordas de asa mais largas. A maioria dos modelos esportivos voa em Re cerca de 100.000 até 300.000. Os mosquitos e outros pequenos insetos estão na faixa de 5 a 10.000 Re.

Aerodinâmica de Aeromodelismo

8.4 O Raio da Borda de Ataque

A razão para o baixo Re crítico desses perfis foi, argumentou Schmitz, sua combinação de nariz muito pequeno ou raio de borda de ataque e curvatura de superfície superior relativamente pequena. O ponto de estagnação do fluxo de ar próximo ao bordo de ataque de uma asa em um ângulo de ataque positivo está sempre ligeiramente abaixo do bordo de ataque geométrico. A camada limite começa sua jornada sobre a superfície superior fluindo em torno da própria borda de ataque. Em altos ângulos de ataque, o fluxo nesta vizinhança é ligeiramente ascendente (Fig. 8.7).

Da quase estagnação, a camada limite se move em direção a uma região de baixa pressão na superfície superior e acelera. Se o perfil tiver uma borda de ataque suavemente arredondada de grande raio, como geralmente fazem os aerofólios espessos, a camada limite pode seguir essa curva facilmente e permanecer laminar. Se o raio do bordo de ataque for pequeno, a camada limite é compelida a fluir em torno de uma curva muito acentuada ou até mesmo de uma borda em forma de faca, mudando de direção de forma muito acentuada enquanto acelera rapidamente em direção ao ponto de baixa pressão que, em perfis desse tipo inicial, se encontra apenas uma pequena distância atrás da borda de ataque. Pode-se esperar que a inércia da camada limite supere as forças viscosas nessa mudança repentina de direção e se separe da superfície da asa. Ele recoloca imediatamente o canto é passado, mas uma bolha de separação muito pequena, o que Schmitz chamou de 'vórtice enrolado', se forma na camada limite. O pequeno raio do bordo de ataque introduz alguma turbulência artificial no fluxo de ar, encorajando a transição precoce. A recolocação não é instantânea. Uma bolha de separação se forma e a camada limite é recolocada a alguma distância atrás do bordo de ataque.

8.5 Turbuladores

O efeito do bordo de ataque agudo é muito semelhante ao de um fio de turbulação no fluxo principal à frente do bordo de ataque. Um efeito semelhante é obtido montando, sobre ou logo atrás do bordo de ataque, uma 'faixa de manobra' elevada ou um turbulador de bordo de ataque, que pode ser de várias formas e tamanhos. Em cada caso, o que é necessário é uma breve bolha de separação seguida de um reatamento turbulento a jusante. Um turbulador muito pequeno não alcançará a transição precoce, mas um muito grande pode causar a separação do fluxo.

Uma vez que a camada limite tenha sido forçada à turbulência, é importante que ela não se separe da superfície superior. Um perfil com um turbulador ou borda de ataque afiada ainda requer que o ar flua contra um gradiente de pressão adverso depois de passar do ponto de pressão mínima. Um perfil fino apresenta uma tarefa menos formidável para a camada limite, portanto, a separação pode ser evitada na superfície superior. No lado inferior, em altos ângulos de ataque, a separação do fluxo é improvável, pois uma vez que o ponto de estagnação é ultrapassado, o fluxo tende a seguir a superfície de um perfil fino de perto. Em ângulos de ataque baixos, a separação do lado de baixo é muito provável atrás do bordo de ataque, mas a religação ainda é provável antes do bordo de fuga.

8.6 Bolhas de Separação

Schmitz não investigou em detalhes o tamanho das bolhas de separação sobre seus aerofólios e, como mostrado na Fig. 8.3, elas podem ser muito extensas. O perfil Go 801 testado por Kraemer tem espessura menor que o N60 (10% contra 12,6%). Tem um raio de nariz ligeiramente menor, mas maior curvatura (7% a 35% em comparação com 4% a 40%). Assim, aproxima-se um pouco do perfil da placa curva fina e seu Re crítico é ligeiramente inferior ao do N60. Algumas medições detalhadas feitas por Charwat na Universidade da Califórnia em 1956-57 mostraram que um perfil da forma mostrada na Figura 8.8, com o pequeno raio de ponta de 0,7%, também exibia bolhas de separação muito semelhantes às do perfil 801. O aerofólio neste caso, desenhado por Seredinsky seguindo uma das sugestões de Schmitz, foi baseado em um perfil de tipo ortodoxo, mas a parte inferior do bordo de ataque foi cortada para produzir um perfil com espaço para longarinas de asa, mas com as vantagens de um pequeno raio de bordo de ataque. Nesses testes, formou-se uma bolha de separação em cerca de 35 a 40% da corda. Acima de 7° de ângulo de ataque, a bolha avançava. A separação do fluxo turbulento ocorreu na parte traseira antes do estol, mas o perfil funcionou bem.

O efeito da formação e movimento das bolhas de separação é de considerável significância. A bolha é suficientemente grande para desviar o fluxo de ar principal sobre a superfície superior em um caminho mais longo, como se o perfil fosse mais curvo. Foi estabelecido que um perfil com o ponto máximo de curvatura bem à frente desenvolve um alto coeficiente de sustentação máximo. O resultado desse aumento efetivo da curvatura junto com o movimento da bolha para frenteem altos ângulos de ataque, é aumentar a inclinação da curva de sustentação acima do previsto pela teoria. As evidências existentes nas operações do modelo tendem a confirmar que alguns aerofólios em pequenos modelos de voo livre se comportam de maneira irregular. Isso pode ser atribuído ao deslocamento da bolha de separação e seu efeito de achatamento na curva de pressão no sentido da corda, para frente e para trás na asa conforme o ângulo de ataque varia ligeiramente. As pressões flutuantes sobre o perfil causam mudanças bruscas no momento de arfagem que já é grande por causa da alta curvatura dessas asas. O loop de histerese é causado pelo estouro e re-formação da bolha de separação. Um modelo nesta região crítica de Re, capaz de voar estável em ar calmo, pode se tornar incontrolável em condições adversas. Esses fatores vêm junto com as qualidades inerentemente sensíveis à inclinação da asa de alta relação de aspecto para tornar as dificuldades dos operadores de planador modelo mais severas. Desde que esses problemas possam ser superados, não há dúvida de que, para alto desempenho em Re de asa muito baixo, perfis finos e de pequeno raio de ataque, com curvatura adequada, são excelentes.

Ao adicionar turbuladores a perfis mais espessos, o desempenho de baixa velocidade pode ser melhorado. Os turbuladores usados ​​por Schmitz e outros eram geralmente fios montados à frente do bordo de ataque em estabilizadores leves. Para modelos práticos, os fios podem ser substituídos por fios elásticos ou plásticos finos. Estes são, no entanto, um incômodo na operação e a 'faixa de viagem' de ponta é mais fácil de gerenciar. Essas tiras têm a vantagem de poderem ser levemente fixadas ou "coladas" em várias posições para teste e movidas ou alteradas em tamanho para dar melhores resultados. Se o Re crítico do perfil escolhido já for baixo, os turbuladores não podem ter muita influência no desempenho do ar parado. No entanto, ao desencadear a separação em um ponto fixo da asa, eles provavelmente estabilizam a posição da bolha de separação, reduzindo as flutuações do coeficiente de momento.

8.7 Os Efeitos da Estrutura e Superfície

Os modelos construídos em linhas tradicionais podem, na verdade, ter turbuladores embutidos. A curvatura do tecido ou outra cobertura fina atrás da longarina do bordo de ataque entre as nervuras cria uma protuberância no perfil. Isso pode ter um efeito benéfico na transição, e o bom desempenho de alguns modelos pequenos e leves pode ser explicado apenas dessa maneira. Entre seus testes no Go 801, Kraemer incluiu testes de um modelo coberto de papel que mostrou que o fluxo subcrítico prevalecia até Re 42.000, comparável com o mesmo aerofólio com um fio turbulador. Resultados do túnel de vento em várias asas cobertas de madeira balsa e tecido, realizadas na Universidade de Stuttgart e relatadas pelo Dr. D Althaus (Profilpolaren fur den Modelflug, Vol.2) mostraram o mesmo efeito em tamanhos e velocidades de asa de modelo de voo livre. Isso sugere que as tentativas dos modeladores de preservar perfis muito precisos sobre a parte frontal de asas baixas de modelos pequenos às vezes são equivocadas. O bordo de ataque simples coberto de tecido ou filme pode ser mais eficiente do que um com uma superfície perfeita, especialmente se o perfil da asa usado estiver no lado grosso com um raio de bordo de ataque grande. Deve-se enfatizar, no entanto, que quando o modelo é grande o suficiente ou rápido o suficiente para evitar problemas de Re subcríticos, turbulações e irregularidades de superfície no bordo de ataque causam o aumento do arrasto e a queda do clmax [coeficiente de sustentação ] . Isso pode ser confirmado pelo estudo de muitos outros resultados de testes de túnel de vento agora disponíveis.

O tipo de asa Seredinsky (Fig. 8.8) se assemelha ao perfil da asa de alguns pássaros maiores que voam alto. Embora difícil de construir, pode ser eficaz em modelos menores ou modelos com proporção muito alta e pequenos acordes de vida. O bordo de ataque é semelhante ao de uma placa curva simples, mas o espessamento do perfil na parte inferior oferece espaço para uma longarina principal forte sem muito efeito no fluxo da superfície superior.

8.8 Revigoradores da Camada Limite

A pesquisa de Martyn Presnell em um túnel de vento em Hatfield mostrou que melhorias no desempenho de planadores modelo de voo livre e aviões movidos a borracha podem ser alcançadas pelo uso de várias 'tiras de viagem' ou, na terminologia de Presnell, 'revigoradores'.

As asas de teste usando o Benedek 6356b foram construídas a partir de materiais como os usados ​​em um modelo típico de planador FI A (A2). Foram utilizadas nervuras e mastros de asa de madeira de balsa, sendo a estrutura revestida com papel de seda, dopado. Em um caso, o terço dianteiro da asa foi revestido com balsa fina. Não só foram levantadas e

forças de arrasto medidas, mas alguns testes de visualização de fluxo foram feitos. Isso envolve revestir a asa de teste com querosene pigmentado para revelar a natureza da camada limite. Onde a camada limite é turbulenta, o querosene evapora rapidamente, deixando uma película de pigmento. Dentro da bolha de separação laminar, a evaporação é menos rápida, então o fluxo de ar mais próximo da pele da asa pode ser visto conforme o líquido se move a montante {}. Nas regiões de fluxo totalmente laminar, o querosene permanece líquido por mais tempo e flui na direção normal a jusante. O ponto de separação do fluxo e a reconexão a jusante da bolha podem então ser descobertos para cada ângulo de ataque. (Os modeladores às vezes notaram que, ao voar no final da tarde ou no início da noite na queda do orvalho, o orvalho depositado em uma asa antes do voo ainda estará presente após o voo nos bordos de ataque onde o fluxo é laminar, mas evapora das partes traseiras da asa onde camadas limite turbulentas são esperadas.) Nos testes de Presnell, a adição de um único turbulator em 5% da corda da asa melhorou os valores medidos de sustentação e arrasto, como esperado, em números de Reynolds abaixo de 40.000, embora a bolha de separação ainda estivesse presente. O turbulador consistia em uma tira fina de fita plástica adesiva com 0,15 mm de espessura e 0,75 mm de largura, correndo no sentido da envergadura. 000, embora a bolha de separação ainda estivesse presente. O turbulador consistia em uma tira fina de fita plástica adesiva com 0,15 mm de espessura e 0,75 mm de largura, correndo no sentido da envergadura. 000, embora a bolha de separação ainda estivesse presente. O turbulador consistia em uma tira fina de fita plástica adesiva com 0,15 mm de espessura e 0,75 mm de largura, correndo no sentido da envergadura.

Verificou-se então que a adição de mais tiras da mesma fita fina em várias posições na corda de popa do turbulador resultou em melhorias adicionais nas figuras de sustentação e arrasto. Os melhores resultados em Re abaixo de 70.000 foram encontrados com cinco desses revigoradores nas posições mostradas na Figura 8.9. O turbulador original de 5% permaneceu no lugar o tempo todo.

Presnell observou que colocar um revigorante dentro da bolha de separação, conforme revelado pelo querosene, não fez nenhuma diferença detectável. O primeiro revigorador deve ser colocado logo atrás do ponto de recolocação e os demais espaçados sobre a parte traseira da asa na camada limite turbulenta. O mecanismo exato dos revigoradores não é totalmente compreendido no momento. Pode ser que eles ajudem a já turbulenta camada limite a permanecer presa à asa após a passagem da bolha. Presnell apontou que vários pilotos de modelos de concursos líderes usaram revigoradores com sucesso.

©1978, 1988 Martin Simons

Recursos

• Desktop Wind Tunnel por Mark Waller no YouTube - “Não sei por que fiz isso. Apenas um pouco de diversão durante o bloqueio e para satisfazer minha curiosidade natural! É uma oportunidade de tentar fotografar algumas imagens legais de fluxo de ar em diferentes situações…”
• O que é um número de Reynolds? por BYJU. — “uma quantidade adimensional que é usada para determinar o tipo de padrão de fluxo como laminar ou turbulento enquanto flui através de um tubo. O número de Reynolds é definido pela razão entre as forças inerciais e as forças viscosas…”

• Redescobrindo Martin Simons: Parte IV — Centro de gravidade conforme discutido nos livros de aeromodelismo do notável autor.

• Planando com controle de rádio
• voo modelo
• Aerodinâmica de Aeromodelismo