Separação de fluxo

O fluxo de ar que separa-se a partir de uma asa com um ângulo elevado de ataque.

Todos os objetos sólidos que viajam através de um líquido (ou, alternativamente, um objeto estacionário exposto a um fluido em movimento), adquirem uma camada de fronteira de fluido à sua volta na qual as forças viscosas ocorrem na camada de fluido próximo à superfície sólida. Camadas limite pode ser laminares ou turbulentas. Uma avaliação razoável de se a camada limite será laminar ou turbulenta pode ser feito por meio do cálculo do número de Reynolds de as condições de fluxo local.

Separação de fluxo ocorre quando a camada limite ocorre longe o suficiente contra um gradiente de pressão adverso no qual a velocidade da camada limite em relação ao objeto decai quase a zero.[1][2] O fluxo de fluido torna-se destacado da superfície do objeto, e por sua vez toma a forma de redemoinhos e vórtices. Em aerodinâmica, a separação do fluxo pode muitas vezes resultar num aumento da resistência, particularmente arrasto de pressão, que é causado pela pressão diferencial entre as superfícies da frente e traseira do objeto que se desloca através do fluido. Por esta razão, muito esforço e pesquisa foram executados para o projeto de superfícies aerodinâmicas e hidrodinâmicas que atrasam a separação de fluxo e mantem o fluxo local conectado por tanto tempo quanto possível. Exemplos disso incluem a pele em uma bola de tênis, a covinhas em uma bola de golfe, os turbuladores em um planador, que induzem uma rápida transição para regime de fluxo turbulento; geradores de vórtice sobre aeronaves leves, para controlar o padrão de separação, e as extensões de pontas principais de altos ângulos de ataque nas asas de aviões como o F/A-18 Hornet.[Nota 1]

Modelagem de Vortex num caça F-18. - www.nas.nasa.gov

A separação da camada limite acontece quando a porção da camada limite mais próxima da parede ou ponta inverte-se na direção do fluxo. O ponto de separação é definido como o ponto entre o fluxo para a frente e para trás, onde a tensão de cisalhamento é zero. A camada limite global inicialmente engrossa repentinamente no ponto de separação e é então forçada para fora da superfície pelo fluxo invertido em sua parte inferior.[3]

Gradiente de pressão adverso

A inversão do fluxo é principalmente causada por um gradiente de pressão negativo aplicado à camada limite pelo fluxo potencial externo. A equação de momento do fluxo montante interna a camada limite é aproximadamente como estabelecido em:

são coordenadas do fluxo montante e a normal. Um gradiente de pressão adverso é quando , que pode então ser visto como causando a velocidade decrescente ao longo e, possivelmente, a zero, se o gradiente de pressão adverso é suficientemente forte.[4][5]

Representação gráfica do perfil de velocidades na camada limite. A terceira imagem representa o fluxo reverso, que mostra a separação de fluxo.

Parâmetros influentes

A tendência de uma camada limite em separar-se depende principalmente da distribuição do gradiente negativo ou velocidade de borda negativa

ao longo da superfície, o que, por sua vez, está diretamente relacionado com a pressão e a sua inclinação pela forma diferencial da relação de Bernoulli, o que é o mesmo que a equação para o fluxo de impulso invíscido exterior.

Mas as magnitudes gerais de facultativas para a separação são muito maiores do que para o fluxo turbulento que para o laminar, o primeiro sendo capaz de tolerar quase uma ordem de magnitude mais forte da desaceleração do fluxo. Uma influência secundária é o número de Reynolds. Para um dada distribuição adversa

, a resistência de separação de uma camada limite turbulenta aumenta ligeiramente com o aumento do número de Reynolds. Em contraste, a resistência à separação de uma camada de limite laminar é independente do número de Reynolds - um fato um tanto contraintuitivo.

Separação interna

A separação da camada limite pode ocorrer por fluxos internos. Pode resultar de causas tais como uma expansão rápida de um conduto ou tubo. A separação ocorre devido a um gradiente de pressão adverso encontrado na medida que o fluxo expande-se, fazendo com que uma região alargada apresente fluxo separado. A parte do fluxo que separa o fluxo de recirculação e o caudal através da região central do canal é chamada de divisão alongada.[3] O ponto onde a divisória do fluxo principal prende-se à parede novamente é chamado de ponto de religação. Como o fluxo jusante vai mais longe eventualmente atinge um estado de equilíbrio e não tem fluxo reverso.

Efeitos da separação da camada limite

Quando a camada limite se separa, a sua espessura de deslocamento aumenta acentuadamente, o que modifica o fluxo de potencial externo e o campo de pressão. No caso de superfícies de sustentação (como os aerofólios), a modificação do campo de pressão resulta em um aumento no arrasto de pressão, o que se for suficientemente grave também vai resultar na perda de sustentação e stall, os quais não são desejáveis​​. Para os fluxos internos, a separação de fluxo produz um aumento das perdas de fluxo e fenômenos do tipo stall como ondulações do compressor, ambos fenômenos indesejáveis​​.[6]

Outro efeito da separação da camada limite está em vórtices de “derramamento” (shedding vortices), conhecidos como “rua” de vórtices de von Kárman. Quando os vórtices começam a lançar-se para fora da superfície limitante da estrutura o fazem em uma determinada frequência. O “derramamento” dos vórtices então poderia provocar vibrações na estrutura que estão fora do “derramamento”. Quando a frequência dos vórtices de “derramamento” atinge a frequência de ressonância da estrutura este fenômeno pode causar falhas estruturais graves.[7][8]

Típica “rua” de vórtices do cilindro vermelho à esquerda, na medida que o fluido se move para a direita. - www.uh.edu

Fenômenos de ressonância e vibrações causadas por vórtices de von Kárman são importantes em feixes de tubos de trocadores de calor e outras tubulações.[9][10]

Notas

1. Para um entendimento das depressões na superfície de uma bola de golf:

• • Golf Ball Dimples & Drag - www.aerospaceweb.org

  • Why does a golf ball have dimples? - www.fi.edu

Referências

1. Anderson, John D. , Introduction to Flight, Section 4.20 (5th edition); McGraw-Hill, 2004. ISBN 0-07-282569-3.

2. Clancy, L.J., Aerodynamics, Section 4.14; Pitman Publishing Limited, London, 1975. ISBN 0-273-01120-0.

3. Wilcox, David C. Basic Fluid Mechanics. 3rd ed. Mill Valley: DCW Industries, Inc., 2007. 664-668.

4. Balmer, David. "Separation of Boundary Layers." School of Engineering and Electronics. 2 December 2007. University of Edinburgh. 12 March 2008

5. Separation of Boundary Layers - www.see.ed.ac.uk

6. Fielding, Suzanne. "Laminar Boundary Layer Separation." 27 October 2005. The University of Manchester. 12 March 2008. - PDF.

7. Irwin, Peter A. (September 2010). "Vortices and tall buildings: A recipe for resonance". Physics Today (American Institute of Physics) 63 (9): 68–69. ISSN 0031-9228.

8. Shed Vortex - http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/shed.html

9. Samir Ziada; Vorticity shedding and acoustic resonance in tube bundles; J. Braz. Soc. Mech. Sci. & Eng. vol.28 no.2 Rio de Janeiro Apr./June 2006. DOI: S1678-58782006000200008

10. N. Cagney, S. Balabani, Wake modes of a cylinder undergoing free streamwise vortex-induced vibrations; Journal of Fluids and Structures; Volume 38, April 2013, Pages 127–145. DOI: S0889974612002277