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Protótipo de um canal para ensino e pesquisa em fluidodinâmica utilizando solução de fluoresceína e água como fluido de trabalho e solução de fenolftaleína e amônia na visualização, sob a incidência de luz negra

Resumo

A visualização do escoamento em perfis aerodinâmicos é utilizada para aferir os resultados obtidos pelos métodos numéricos, normalmente resultados alcançados em softwares de simulação. A geração de um escoamento laminar é imprescindível para a visualização das linhas de corrente, pertencentes ao campo de escoamento de forma que num dado instante, são tangentes à direção do escoamento em cada ponto do campo (Fox, 2001).
O centro de Pesquisas em Mecânica dos Fluidos da NASA (NASA’s Ames Research Center), em pesquisas recentes para a FIFA (Fédération Internationale de Football Association) testou a aerodinâmica do novo design da bola de futebol desenvolvida pela Adidas para a Copa do Mundo de Futebol no Brasil em 2014, denominada Brazuca, dentro de um canal, cujo fluido de trabalho adotado foi a água e a técnica de visualização das imagens através de tinta verde fluorescente dispersada no fluxo e realçada por luz negra (NASA, 2016).
Com base na experiência da NASA, o presente trabalho desenvolveu um canal que permite a visualização de fenômenos reais à volta de corpos rígidos, sendo, no entanto, utilizada solução de água e fluoresceína como fluido de trabalho. Com a utilização dessa solução associada à luz negra, obteve-se a visualização de escoamentos sobre perfis aerodinâmicos de grande importância para o entendimento do comportamento físico das linhas de corrente e de emissão, objeto da Mecânica dos Fluidos, bem como na conferência e a calibração dos métodos numéricos aplicados ao escoamento dos fluidos.

Introdução

Um corpo de qualquer forma, quando imerso em um fluido em escoamento, fica sujeito a forças e momentos (Fox, 2001). Estas forças são três: o arrasto, que age numa direção paralela à direção da corrente livre, e duas forças de sustentação, que agem em direções ortogonais. A atuação destas forças nesse corpo causa momentos, cuja visualização é importante na compreensão desses fenômenos.

Conforme a teoria dos Regimes de Escoamentos, em escoamentos com velocidade baixa à volta de um corpo, o coeficiente de arrasto é função exclusivamente do número de Reynolds. Sendo o número de Reynolds definido em termos da velocidade da corrente livre (U), e do comprimento característico do corpo(L). Esta dimensão característica do corpo pode ser, tanto a dimensão transversal, como o comprimento do corpo, definido paralelamente à corrente livre.

Dessa forma, pode-se observar que a utilização de dados experimentais sobre arrasto ou outras forças exercidas pelo escoamento em corpos submersos implica no conhecimento das dimensões lineares e de áreas utilizadas na determinação do número de Reynolds do coeficiente de arrasto e de sustentação.

A determinação analítica ou numérica do escoamento no entorno de alguns corpos ainda é um desafio à teoria da mecânica dos fluidos, exceto em placas planas ou corpos muito delgados. Isto se deve ao fenômeno da separação do escoamento.

Nesse sentido, pode-se introduzir a teoria da camada limite para a determinação do ponto de separação do escoamento, mas, mesmo assim, não há definição suficiente da pressão na região de separação, pois esse ponto pode causar uma perturbação significativa no escoamento livre. Nestes casos, a teoria da camada limite pode ser aplicada somente se a distribuição de pressão no corpo for previamente conhecida, sendo usualmente determinada experimentalmente.

Em escoamentos subsônicos com número de Reynolds elevado, o arrasto de forma pode superar em várias ordens de grandeza o arrasto de atrito. Entretanto, não se pode generalizar, pois a proporção dependerá da forma do corpo, isto é, se ela favorecerá ou não a separação hidrodinâmica.

É usual que o aspecto aerodinâmico de vários corpos seja estudado em modelos reduzidos ensaiados em túneis de vento do tipo camada limite. No entanto, a implantação desse equipamento é muito onerosa e só permite a avaliação de escoamentos externos, não permitindo que todos os cursos de engenharia, a princípio, tenham condições de adquiri-lo e, também, de aproveitá-lo.

O centro de Pesquisas em Mecânica dos Fluidos da NASA (NASA’s Ames Research Center), em pesquisas recentes para a FIFA (Fédération Internationale de Football Association) testou a aerodinâmica do novo design da bola de futebol desenvolvida pela Adidas para a Copa do Mundo de Futebol no Brasil, denominada Brazuca, dentro de um canal cujo fluido de trabalho adotado foi a água e tinta verde fluorescente dispersada no fluxo e realçada por luz negra, como técnica de visualização do comportamento das linhas de corrente, facilitando significativamente a captura de imagens.

Com base na experiência da NASA, o presente trabalho desenvolveu um canal que permite a compreensão e visualização de fenômenos reais à volta de corpos rígidos, sendo utilizada solução de água, fluoresceína e álcool como fluido de trabalho, associada ao emprego de incidência de luz negra.

Para a visualização do escoamento a volta dos corpos, empregou-se solução de fenolftaleína, água, álcool e amônia, cuja cor púrpura permitiu a visualização de escoamentos sobre perfis aerodinâmicos, de grande importância para o entendimento do comportamento físico das linhas de corrente e de emissão, objeto da Mecânica dos Fluidos.

Autores: Maria da Glória Braz; Davi Moiseyev Dias da Costa; Daniel Lobato Bernardes; Guilherme Morelli Faria; Juliana Silva Gonçalves de Moura e Marco Túlio Cota Caldeira.