Gerador de vórtice

Um gerador de vórtice (GV) é uma superfície aerodinâmica consistindo de uma pequena pá ou ressalto que produz um vórtice.[1, pag. 23][2] Geradores de vórtice podem ser encontrados em muitos dispositivos, mas o termo é mais frequentemente usado no projeto de aeronaves.[1, pag. 23][3]

Geradores de vórtice Micro Dynamics montados sobre a asa de um Cessna 182K.

Modelo Cessna 182K 1967 em vôo mostrando geradores de vórtice na parte frontal da asa.

TA-4SU Super Skyhawk mostrando a linha de geradores de vórtice sobre os “slats”.

O Symphony SA-160 foi projetado com dois geradores de vórtice incomuns em sua asa para garantir a eficácia do aileron durante stall.[Nota 1]

www.microaero.com

Geradores de vórtice retardam a separação de fluxo e a estagnação aerodinâmica, melhorando assim a eficácia das asas e superfícies de controle.[2][3] (e.g., no Embraer 170 e Symphony SA-160). Para projetos transônicos swept-wing, eles aliviam problemas choques de stall potenciais (e.g., Harrier, Blackburn Buccaneer, Gloster Javelin).

Método de operação

A camada limite de um objeto começa como laminar, suave e ordenada. A medida que o objeto continua a deslocar-se num gás, ou mistura gasosa, como o ar, como no vôo, pequenas perturbações criam instabilidades e, acima de um valor crítico, ocorrem transições de regime de fluxo laminar para turbulento, ocorrendo separações de fluxo. A transição pode facilmente resultar em aumento de uma ordem de magnitude no arrasto de atrito de superfície numa aeronave.

Geradores de vórtices são utilizados mais frequentemente para retardar a separação do fluxo. Para resolver este problema, são muitas vezes colocados sobre as superfícies exteriores dos veículos.[4] Em aviões nos quais são instalados no terço dianteiro de uma asa de modo a manter constante o fluxo de ar sobre as superfícies de controle, no bordo de fuga.[2] Eles são geralmente retangulares ou triangulares, com cerca de 80% da altura da camada limite, e executados em linhas do espaço mais amplo perto da parte mais grossa da asa.[1] Podem ser vistos sobre as asas e as caudas verticais de muitos aviões. Geradores vórtice são posicionados obliquamente de modo a terem um ângulo de ataque em relação ao fluxo de ar local.[1, pag. 23]

Editado de aviationglossary.com

Um gerador de vórtice cria um vórtice numa extremidade no qual o ar que se move rápida e energeticamente fora da camada limite, de movimento lento, em contato com a superfície da aeronave. A camada limite normalmente torna-se espessa na medida que se move ao longo da superfície da aeronave, reduzindo a eficácia de superfícies de controle de fuga das extremidade. Geradores de vórtice podem ser utilizados para resolver este problema, entre outros, pela "re-energização da camada limite".[1][2]

www.aerospaceweb.org

Instalações adicionais posteriores (after-market)

Muitos aviões levam geradores de vórtice de palhetas já quando de sua fabricação, mas também há fornecedores pós-venda que vendem conjuntos de geradores de vórtice para melhorar o desempenho STOL de alguns aviões leves.[Nota 2][5] Fornecedores de conjuntos afirmam que que GVs reduzem a velocidade de stall e reduzem a velocidade de decolagem e de pouso, e que aumentam a eficácia dos ailerons, profundores e lemes, melhorando assim a capacidade de controle e segurança em velocidades baixas.[6] Para aeroplanos construídos em casa e experimentais, VGs são baratos, eficazes em custo e podem ser instalados rapidamente, mas para instalações em aeronaves certificadas, os custos de certificação podem ser elevados, tornando os kits relativamente caros.[5][7]

Geradores de vórtices para instalação posterior em aeronaves. - www.blraerospace.com

Proprietários instalam GVs posteriormente, principalmente para obter benefícios em baixas velocidades, mas a desvantagem é que esses GVs podem reduzir ligeiramente a velocidade de cruzeiro. Em testes realizados em um Cessna 182 e um Piper PA-28-235 Cherokee, revisores independentes têm documentado uma perda de velocidade de cruzeiro de 1,5 a 2,0 nós (2,8 - 3,7 km/h). No entanto, estas perdas são relativamente pequenas, uma vez que uma asa de avião a alta velocidade tem um pequeno ângulo de ataque, reduzindo assim o arrasto do GV a um mínimo.[7][8][9]

Proprietários têm relatado que no solo, GVs podem tornar as superfícies onde são instalados mais difíceis de limpar quanto a neve e gelo do que superfícies da asa lisas, mas VGs geralmente não são propensos a formar aglomerações de gelo em voo devido a eles situarem-se dentro da camada limite de fluxo de ar. GVs também pode ter bordas afiadas que podem rasgar o tecido das coberturas de estruturas e podem, portanto, requererem que coberturas especiais sejam produzidas e utilizadas.[7][8][9]

Para aeronaves bimotor, os fabricantes afirmam que GVs reduzem a velocidade característica (Vmca)[Nota 3][Nota 4], aumentam o combustível inicial e o peso bruto, melhoram as eficácia dos ailerons e do leme, proporcionam uma condução mais suave em turbulência e fazem a aeronave uma plataforma mais estável quanto aos instrumentos.[5]

Aumento de peso máximo de decolagem

Muitos dos kits disponíveis de geradores de vórtice para aviões bimotores leves proporcionam a vantagem do aumento do peso máximo de decolagem.[5] Isto pode parecer um paradoxo, devido a instalação de geradores de turbilhão não aumentar a resistência da asa.

O peso máximo de decolagem de um avião bimotor é determinada por requisitos estruturais por requisitos de desempenho de ascensão de cada motor (que são mais baixos para uma velocidade mais baixa de stall). Para muitos aviões bimotores leves, os requisitos de desempenho de ascensão de cada motor determinam um peso máximo menor do que os requisitos estruturais. Consequentemente, qualquer coisa que pode ser feita para melhorar o desempenho de subida com um motor avariado vai trazer um aumento no peso máximo de decolagem.[5]

Nos EUA a partir de 1945 [10] até 1991 [11], a exigência de ascensão com um motor inoperativo, para aviões multi-motores, com um peso máximo de decolagem de £ 6.000 (2.700 kg) ou menos foi a seguinte:

Todos os aviões multimotores com uma velocidade de stall maior do que 70 ilhas por hora (112 quilômetros por hora), devem ter uma taxa constante de subida de pelo menos

em pés por minuto, a uma altitude de 5.000 pés, com o motor crítico inoperante e os motores restantes a não mais que uma potência máxima contínua, com a hélice inoperante na posição de resistência mínima, o trem de pouso recolhido, flaps das asas na posição mais favorável, onde

é a velocidade de stall na configuração de aterragem em milhas por hora.

A instalação de geradores de vórtice geralmente pode trazer uma ligeira redução na velocidade de stall de um avião[4] e, portanto, reduzir o desempenho exigido na subida com um motor inoperante. A necessidade reduzida de desempenho de subida permite um aumento no peso máximo de decolagem, pelo menos, até ao máximo peso permitido pelas exigências estruturais.[7]

Um aumento no peso máximo permitido por exigências estruturais normalmente pode ser alcançado através da especificação de um peso máximo de combustível a zero ou, se um peso máximo de combustível a zero já está especificado como uma das limitações do avião, especificando um novo peso zero de combustível máximo mais elevado.[7]

Por estas razões, kits geradores de vórtice para muitos aviões bimotores leves são acompanhados por uma redução no peso máximo zero de combustível e um aumento no peso máximo de decolagem.[7]

A exigência de taxa de subida com um motor inoperante não se aplica a aviões monomotores, por isso os ganhos no peso máximo de decolagem (com base na velocidade de perda ou considerações estruturais) são menos significativos em comparação com os motores gêmeos 1945 a 1991.

Depois de 1991, os requisitos de certificação de aeronavegabilidade nos EUA especificaram a exigência de subida com um motor inoperante como um gradiente independente de estagnar a velocidade, por isso há menos oportunidades para geradores de vórtice em aumentar o peso máximo de decolagem de aviões multi-motores, cuja base de certificação é a FAR 23 na emenda 23-42 ou posterior.[11]

Peso máximo para pouso

Devido ao peso de aterrissagem da maioria dos motores gêmeos de aviões leves serem determinados por considerações estruturais e não pela velocidade de stall, a maioria dos kits GV só aumentam o peso de decolagem disponível e não o peso de aterrissagem. Nestes casos, o aumento do peso de aterrissagem requer tanto modificações estruturais ou qualquer outra re-teste da aeronave para demonstrar que os requisitos de certificação ainda são atendidos com o peso de aterrissagem mais alto.[7]

Desenvolvimentos

Um segundo propósito para os geradores de vórtice

Embora o mecanismo básico dos geradores de vórtice seja conhecido, um novo estudo mostrou que os geradores de vórtice podem melhorar a aerodinâmica de um avião de uma segunda maneira. Os pesquisadores Shahab Shahinfar, Sohrab Sattarzadeh e Jens Fransson do Linné Flow Centre no KTH* Mechanics em Estocolmo, Suécia, em cooperação com Alessandro Talamelli na Universidade de Bolonha, Itália, demonstraram este mecanismo em um túnel de vento pela primeira vez, em estudo publicado na Physical Review Letters.[12][13]

*Instituto Real de Tecnologia

Seu estudo demonstrou que geradores de vórtice simples servem muito bem para minimizar o arrasto da camada limite, atrasando a sua transição a partir de um fluxo laminar de baixo atrito a um fluxo turbulento de alta fricção.

Ilustração da placa plana usada nos testes, com uma foto acima - feita por John Hallmen - dos geradores de vórtice em miniatura (GVM). Editado a partir do original de Shahinfar, et al.

Para demonstrar a eficácia do uso de geradores de vórtice para atrasar a transição para a turbulência, os pesquisadores acoplaram geradores de vórtices em miniatura (MVGs, miniature vortex generators) em uma placa plana e colocaram a placa no túnel de vento do KTH. Eles descobriram que, sob certas condições de fluxo, os MVGs poderia atrasar significativamente a transição do fluxo de laminar para turbulento.

Este foi o primeiro estudo que mostrou de forma convincente o retardo da transição para o fluxo turbulento de forma realista, mostrando que a energia de perturbação dentro de uma camada limite pode ser reduzida por três ordens de magnitude, fazendo uso de MVGs concebidos apropriadamente, propiciando resultados importantes para a redução do arrasto do atrito de superfície. No entanto, nesta pesquisa os pesquisadores descobriram que essa vantagem tem um inconveniente: se as condições ultrapassarem um certo limite, a camada limite realmente realizará a transição para a turbulência mais cedo do que seria sem as MVGs. Para evitar isso, a assim chamada "faixa de amplitudes" (streak amplitude) deve ficar abaixo de um determinado limiar.

A faixa de amplitude é uma medida de quanto o fluxo é modulado na direção do fluxo principal, isto é, na direção perpendicular ao fluxo significativo (em aplicações aeronáuticas é aquela ao longo da extensão da asa). As medições determinaram que a amplitude deve ficar abaixo de 25% da velocidade de fluxo livre dependendo do projeto dos MVGs. O controle da faixa de amplitude é uma função da altura do MVG entre outras coisas, e o fato de as estrias são muito robustas em termos de estabilidade, com o método proporcionando o potencial para ser utilizado em aplicações reais, podendo ser aplicado dirtetamente a corpos aerodinâmicos, onde há o principal interesse na redução do arrasto do atrito de superfície.

Uma vantagem da utilização de geradores de vórtice para retardar a transição para a turbulência é que o mecanismo é inteiramente passivo, de modo que não é requerida a adição de energia adicional ao sistema, enquanto outros métodos de obtenção do retardo, como sensores eletrônicos, requerem energia e são mais complexos.

Uma vez que os fenômenos de fluxo estudados existem em uma variedade de áreas, tais como lasers, na física de plasma, e na dinâmica de fluxo granular, os pesquisadores esperam que geradores de vórtice possam ser úteis para uma variedade de aplicações que poderiam se beneficiar do retardo da turbulência.

Notas

1. Estol (do inglês stall) ou perda de sustentação, é um termo utilizado em aviação e aerodinâmica que indica a separação do fluxo de ar do extradorso da asa, resultando em perda total de sustentação.

2. Acrónimo para o inglês Short Take-off and Landing, decolagem e aterragem curta.

3. As velocidades características ou velocidades V são velocidades que definem certos desempenho e limitações de uma aeronave.

4. VCMA: Controle de velocidade mínima na configuração de decolagem - a velocidade mínima calibrada em que a aeronave é controlável direcionalmente em vôo com uma falha crítica súbita do motor e potência de decolagem no motor.[1 pag 327]

Referências

1. Peppler, I.L.: From The Ground Up. Aviation Publishers Co. Limited, Ottawa Ontario, Twenty Seventh Revised Edition, 1996. ISBN 0-9690054-9-0

2. Micro AeroDynamics (2003). "How Micro VGs Work". Retrieved 2008-03-15.

3. Kermode, A.C. (1972), Mechanics of Flight, Chapter 11, page 350 - 8th edition, Pitman Publishing, London ISBN 0-273-31623-0

4. Clancy, L.J. (1975), Aerodynamics, Pitman Publishing, London ISBN 0-273-01120-0, Section 5.31

5. Micro AeroDynamics (2003). "Micro Vortex Generators for Single and Twin Engine Aircraft". Retrieved 2008-03-15.

6. "Land Shorter! Benefits". Landshorter.com. 1970-01-01. Retrieved 2012-10-09.

7. Busch, Mike (November 1997). "Vortex Generators: Band-Aids or Magic?". Retrieved 2008-03-15.

8. Psutka, Kevin, Micro-vortex generators, COPA Flight, August 2003

9. Kirkby, Bob, Vortex Generators for the Cherokee 235, COPA Flight, July 2004

10. USA Civil Air Regulations, Part 3, §3.85a

11. USA Federal Aviation Regulations, Part 23, §23.67, amendment 23-42, February 4, 1991.

12. Scientists discover second purpose for vortex generators - phys.org

13. Shahab Shahinfar, et al. "Revival of Classical Vortex Generators Now for Transition Delay." PRL 109, 074501 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.074501 - www.unboundmedicine.com - prl.aps.org