OriginsEditar
Engenheiro militar e matemático inglês Benjamin Robins (1707-1751) inventou um braço giratório para determinar o arrasto e fez algumas das primeiras experiências na teoria da aviação.
Sir George Cayley (1773-1857) também usou um braço giratório para medir o arrasto e a elevação de vários aerofólios. Seu braço giratório tinha 1,5 m de comprimento e alcançava velocidades entre 3 a 6 m/s (10 a 20 pés por segundo).
Otto Lilienthal usou um braço giratório para medir com precisão os aerofólios das asas com ângulos de ataque variáveis, estabelecendo seus diagramas polares de relação de elevação/deslocamento, mas faltavam as noções de arrasto induzido e números de Reynolds.
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No entanto, o braço giratório não produz um fluxo de ar fiável com impacto na forma de ensaio a uma incidência normal. As forças centrífugas e o facto de o objecto estar a mover-se na sua própria esteira significam que o exame detalhado do fluxo de ar é difícil. Francis Herbert Wenham (1824-1908), membro do Conselho da Sociedade Aeronáutica da Grã-Bretanha, abordou estas questões inventando, desenhando e operando o primeiro túnel de vento fechado em 1871. Uma vez alcançado este avanço, dados técnicos detalhados foram rapidamente extraídos pelo uso desta ferramenta. Wenham e seu colega John Browning são creditados com muitas descobertas fundamentais, incluindo a medição das relações l/d, e a revelação dos efeitos benéficos de uma relação de aspecto elevada.
Konstantin Tsiolkovsky construiu um túnel de vento de secção aberta com um ventilador centrífugo em 1897, e determinou os coeficientes de arrasto de placas planas, cilindros e esferas.
O inventor dinamarquês Poul la Cour aplicou túneis de vento em seu processo de desenvolvimento e refinamento da tecnologia de turbinas eólicas no início da década de 1890.Carl Rickard Nyberg usou um túnel de vento ao projetar seu Flugan a partir de 1897.
Em um conjunto clássico de experimentos, o inglês Osborne Reynolds (1842-1912) da Universidade de Manchester demonstrou que o padrão de fluxo de ar sobre um modelo em escala seria o mesmo para o veículo em escala real se um determinado parâmetro de fluxo fosse o mesmo em ambos os casos. Este fator, agora conhecido como o número Reynolds, é um parâmetro básico na descrição de todas as situações de fluxo de fluido, incluindo as formas dos padrões de fluxo, a facilidade de transferência de calor e o início da turbulência. Isto compreende a justificação científica central para o uso de modelos em túneis de vento para simular fenómenos da vida real. Contudo, existem limitações nas condições em que a semelhança dinâmica é baseada apenas no número Reynolds.
O uso dos irmãos Wright de um simples túnel de vento em 1901 para estudar os efeitos do fluxo de ar sobre várias formas enquanto desenvolvia o seu Wright Flyer foi, de certa forma, revolucionário. Pode-se ver, no entanto, pelo exposto acima, que eles estavam simplesmente usando a tecnologia aceita da época, embora esta ainda não fosse uma tecnologia comum na América.
Na França, Gustave Eiffel (1832-1923) construiu seu primeiro túnel de vento de retorno aberto em 1909, movido por um motor elétrico de 50 kW, em Champs-de-Mars, perto do pé da torre que leva seu nome.
Entre 1909 e 1912 Eiffel realizou cerca de 4.000 testes no seu túnel de vento, e a sua experimentação sistemática estabeleceu novos padrões para a investigação aeronáutica. Em 1912 o laboratório de Eiffel foi transferido para Auteuil, um subúrbio de Paris, onde o seu túnel de vento com uma secção de teste de dois metros ainda hoje está operacional. Eiffel melhorou significativamente a eficiência do túnel de vento de retorno aberto fechando a seção de teste em uma câmara, projetando uma entrada de ar com um endireitador de fluxo em forma de colméia e adicionando um difusor entre a seção de teste e o ventilador localizado na extremidade jusante do difusor; este foi um arranjo seguido por uma série de túneis de vento construídos posteriormente; de fato, o túnel de vento de baixa velocidade de retorno aberto é freqüentemente chamado de túnel de vento do tipo Eiffel.
Uso generalizadoEditar
Subsequente uso dos túneis de vento proliferou à medida que a ciência da aerodinâmica e a disciplina da engenharia aeronáutica foram estabelecidas e as viagens aéreas e a energia foram desenvolvidas.
A Marinha dos EUA em 1916 construiu um dos maiores túneis de vento do mundo naquela época no estaleiro naval de Washington. A entrada tinha quase 11 pés (3,4 m) de diâmetro e a parte de descarga tinha 7 pés (2,1 m) de diâmetro. Um motor elétrico de 500 hp impulsionava as pás do ventilador tipo pá.
Em 1931 a NACA construiu um túnel de vento de 30 pés por 60 pés em escala real no Langley Research Center em Langley, Virgínia. O túnel era alimentado por um par de ventiladores acionados por motores elétricos de 4.000 hp. O layout era de duplo retorno, formato de circuito fechado e podia acomodar muitas aeronaves reais em tamanho real, bem como modelos em escala. O túnel foi eventualmente fechado e, apesar de ter sido declarado um Marco Histórico Nacional em 1995, a demolição começou em 2010.
até a Segunda Guerra Mundial, o maior túnel de vento do mundo, construído em 1932-1934, estava localizado num subúrbio de Paris, Chalais-Meudon, França. Foi projetado para testar aeronaves de tamanho normal e tinha seis grandes ventiladores acionados por motores elétricos de alta potência. O túnel de vento Chalais-Meudon foi utilizado pela ONERA sob o nome S1Ch até 1976 no desenvolvimento, por exemplo, dos aviões Caravelle e Concorde. Hoje, este túnel de vento é preservado como um monumento nacional.
Ludwig Prandtl foi professor de Theodore von Kármán na Universidade de Göttingen e sugeriu a construção de um túnel de vento para testes dos dirigíveis que eles estavam projetando.:44 A rua vortex de turbulência a jusante de um cilindro foi testada no túnel.:63 Quando mais tarde ele se mudou para a Universidade de Aachen, lembrou-se do uso desta instalação:
Lembrei-me que o túnel de vento em Göttingen foi iniciado como uma ferramenta para estudos do comportamento do Zeppelin, mas que tinha provado ser valioso para tudo o resto, desde determinar a direcção da fumaça da pilha de um navio, até se um determinado avião iria voar. O progresso em Aachen, eu sentia, seria virtualmente impossível sem um bom túnel de vento.:76
Quando von Kármán começou a consultar a Caltech ele trabalhou com Clark Millikan e Arthur L. Klein.:124 Ele objetou ao design deles e insistiu num fluxo de retorno tornando o dispositivo “independente das flutuações da atmosfera externa”. Foi concluído em 1930 e usado para testes Northrop Alpha.:169
Em 1939 o General Arnold perguntou o que era necessário para avançar a USAF, e von Kármán respondeu, “O primeiro passo é construir o túnel de vento certo.”:226 Por outro lado, depois dos sucessos do Sino X-2 e da perspectiva de pesquisas mais avançadas, ele escreveu, “Eu era a favor da construção de tal avião porque eu nunca acreditei que você pudesse obter todas as respostas de um túnel de vento”:302-03
World War IIEdit
Em 1941 os EUA construíram um dos maiores túneis de vento daquela época em Wright Field em Dayton, Ohio. Este túnel de vento começa aos 14 m (45 pés) e se reduz a 6,1 m (20 pés) de diâmetro. Dois ventiladores de 12 m (40 pés) foram acionados por um motor elétrico de 40.000 hp. Modelos de aeronaves de grande escala poderiam ser testados a velocidades do ar de 400 mph (640 km/h).
O túnel de vento usado por cientistas alemães em Peenemünde antes e durante a Segunda Guerra Mundial é um exemplo interessante das dificuldades associadas com a ampliação do alcance útil dos grandes túneis de vento. Ele usou algumas grandes cavernas naturais que foram aumentadas em tamanho por escavação e depois seladas para armazenar grandes volumes de ar que poderiam então ser encaminhados através dos túneis de vento. Esta abordagem inovadora permitiu a pesquisa de laboratório em regimes de alta velocidade e acelerou muito o ritmo de avanço dos esforços de engenharia aeronáutica da Alemanha. No final da guerra, a Alemanha tinha pelo menos três túneis de vento supersônicos diferentes, com um deles capaz de fluxos de ar Mach 4,4 (aquecido).
Um grande túnel de vento em construção perto de Oetztal, Áustria, teria dois ventiladores acionados diretamente por duas turbinas hidráulicas de 50.000 cavalos de potência. A instalação não foi concluída no final da guerra e o equipamento desmontado foi enviado para Modane, França, em 1946, onde foi reerjetado e ainda é operado pela ONERA. Com sua seção de teste de 8m e velocidade do ar até Mach 1, é a maior instalação de túnel de vento transônico do mundo.
Em 22 de junho de 1942 a Curtiss-Wright financiou a construção de um dos maiores túneis de vento subsônico do país em Buffalo, N.Y. O primeiro concreto para construção foi derramado em 22 de junho de 1942 em um local que eventualmente se tornaria Calspan, onde ainda opera o maior túnel de vento de propriedade independente dos Estados Unidos.
Até o final da Segunda Guerra Mundial, os EUA tinham construído oito novos túneis de vento, incluindo o maior do mundo em Moffett Field, perto de Sunnyvale, Califórnia, que foi projetado para testar aeronaves de tamanho completo a velocidades inferiores a 250 mph e um túnel de vento vertical em Wright Field, Ohio, onde o fluxo de vento é para cima para o teste de modelos em situações de spin e os conceitos e projetos de engenharia para os primeiros helicópteros primitivos voados nos EUA.
After World IIEdit
>Túnel de vento NACA num sujeito humano, mostrando os efeitos das altas velocidades do vento na face humana
Pesquisa posterior sobre os fluxos de ar próximos ou acima da velocidade do som utilizada uma abordagem relacionada. Foram utilizadas câmaras de pressão de metal para armazenar ar de alta pressão que era então acelerado através de um bico projetado para fornecer um fluxo supersônico. A câmara de observação ou de instrumentação (“secção de teste”) foi então colocada no local apropriado na garganta ou no bocal para a velocidade do ar desejada.
Nos Estados Unidos, a preocupação com o atraso das instalações de pesquisa americanas em comparação com as construídas pelos alemães levou ao Unitary Wind Tunnel Plan Act de 1949, que autorizou gastos para construir novos túneis de vento nas universidades e em locais militares. Alguns túneis de vento alemães em tempo de guerra foram desmantelados para envio para os Estados Unidos como parte do plano de exploração dos desenvolvimentos tecnológicos alemães.
Para aplicações limitadas, a dinâmica dos fluidos computacional (CFD) pode complementar ou possivelmente substituir o uso de túneis de vento. Por exemplo, o foguete experimental SpaceShipOne foi concebido sem qualquer uso de túneis de vento. Entretanto, em um teste, as roscas de vôo foram fixadas à superfície das asas, realizando um tipo de teste de túnel de vento durante um vôo real, a fim de refinar o modelo computacional. Onde há fluxo turbulento externo, o CFD não é prático devido a limitações nos recursos computacionais atuais. Por exemplo, uma área que ainda é muito complexa para o uso do CFD está determinando os efeitos do fluxo sobre e ao redor de estruturas, pontes, terrenos, etc.
A maneira mais eficaz de simular um fluxo turbulento externo é através do uso de um túnel de vento de camada limite.
Existem muitas aplicações para modelagem de túnel de vento de camada limite. Por exemplo, compreender o impacto do vento em edifícios altos, fábricas, pontes, etc., pode ajudar os projectistas a construir uma estrutura que resista aos efeitos do vento da forma mais eficiente possível. Outra aplicação significativa para a modelagem de túneis de vento de camada de contorno é a compreensão dos padrões de dispersão de gases de escape para hospitais, laboratórios e outras fontes emissoras. Outros exemplos de aplicações de túnel de vento de camada de contorno são avaliações do conforto dos peões e da deriva da neve. A modelagem de túneis de vento é aceita como um método para auxiliar no projeto de edifícios verdes. Por exemplo, o uso de modelagem de túnel de vento de camada limite pode ser usado como crédito para certificação de Liderança em Energia e Design Ambiental (LEED) através do U.S. Green Building Council.
Testes de túnel de vento em camada limite permitem simular o arrasto natural da superfície da Terra. Para maior precisão, é importante simular o perfil de velocidade média do vento e os efeitos da turbulência dentro da camada limite atmosférica. A maioria dos códigos e padrões reconhece que os testes em túneis de vento podem produzir informações confiáveis para os projetistas, especialmente quando seus projetos estão em terrenos complexos ou em locais expostos.
Nos Estados Unidos, muitos túneis de vento foram desativados nos últimos 20 anos, incluindo algumas instalações históricas. A pressão é exercida sobre os túneis de vento remanescentes devido ao declínio ou uso errático, altos custos de eletricidade e, em alguns casos, o alto valor do imóvel sobre o qual a instalação está situada. Por outro lado, a validação do CFD ainda requer dados de túneis eólicos, o que provavelmente será o caso num futuro próximo. Foram feitos estudos e outros estão em curso para avaliar as futuras necessidades militares e comerciais de túnel de vento, mas o resultado permanece incerto. Mais recentemente, o uso crescente de veículos não tripulados a jacto, equipados com instrumentos, substituiu alguns dos usos tradicionais dos túneis eólicos. O túnel de vento mais rápido do mundo a partir de 2019 é o LENS-X, localizado em Buffalo, Nova York.