Análise qualitativa e quantitativa do coeficiente de arrasto através das linhas de corrente e por regressão polinomial em função do número de Reynolds.

Abstract

RESUMO: A aerodinâmica é a área da mecânica dos fluidos na qual é observado o comportamento do fluido ao redor de geometrias a serem estudadas e dentro do estudo da aerodinâmica, a força de arrasto é desenvolvida, sendo provocada pela variação da pressão do fluido à montante e jusante da geometria submetida a estudo. Além disso, de modo a auxiliar os cálculos, é exposto o coeficiente de arrasto, que relaciona a força de arrasto para uma geometria específica em análise, em outras palavras, cada objeto de estudo tem seu coeficiente de arrasto distinto. Tal coeficiente de arrasto varia de acordo com alguns parâmetros, assim, não é tão trivial indicar o coeficiente de arrasto de uma geometria que represente a esquemática do problema. Desse modo, o presente trabalho de conclusão de curso realiza, através de simulações computacionais utilizando o software Ansys Fluid Flow Fluent, a obtenção de equações de coeficiente de arrasto utilizando regressões polinomiais para estimar o coeficiente de arrasto dependendo unicamente do número de Reynolds bem como expor o erro associado. As geometrias 3D de estudo abordadas foram a esfera, o cubo, o cone, o elipsoide, o cilindro com escoamento no sentido axial e o cilindro com escoamento no sentido radial que foram confeccionadas através de manufatura aditiva. Em paralelo, foi dimensionado e desenvolvido um túnel de vento, que é um equipamento que auxilia a visualizar as linhas de corrente em torno dos corpos de prova. Assim, foram obtidas fotografias para ser possível comparar qualitativamente as linhas de corrente do túnel e das simulações computacionais. Dessa maneira, o método qualitativo obtido com o túnel de vento forneceu embasamento para o método quantitativo obtido computacionalmente pois verificou se as linhas obtidas com o Ansys eram as esperadas a partir do experimento com o túnel de vento.

ABSTRACT: Aerodynamics is the area of fluid mechanics which observes the behavior of the fluid around the geometry analyzed and, inside aerodynamics, the drag force is developed, which is induced by the fluid pressure gradient around the geometry. In order to help the calculations, the drag coefficient is exposed, it relates the drag force to a specific geometry under analysis, in summary, each object of study has a distinct drag coefficient. The drag coefficient varies according to some parameters; thus, it is not trivial to indicate the drag coefficient of a geometry that represents the mathematics of the problem. Thereby, this work realizes, using computational simulations with Ansys Fluid Flow Fluent software, the obtaining of drag coefficient equations applying polynomial regressions to estimate the drag coefficient depending only of the Reynolds Number and expose the associated error. The 3D geometries studied were the sphere, the cube, the cone, the ellipsoid, the cylinder with the flow in the axial direction and the cylinder with flow in the radial direction, that were made of additive manufacturing. In parallel, a wind tunnel was designed and developed, which is an equipment that aims to help the visualization of the streamlines around the geometries. Hence, pictures were taken to compare the streamlines between the tunnel and the computer simulations. Therefore, the qualitative method obtained with the wind tunnel supported the answer for the quantitative method obtained computationally because verified if the streamlines obtained with Ansys were the expected using the wind tunnel experiment.