Fonte: Xiaofeng Liu, Jose Roberto Moreto, e Jaime Dorado, Departamento de Engenharia Aeroespacial, Universidade Estadual de San Diego, San Diego, Califórnia

Uma camada de fronteira é uma região de fluxo fina imediatamente adjacente à superfície de um corpo sólido imerso em campo de fluxo. Nesta região, efeitos viscosos, como o estresse viscoso da cisalhamento, dominam, e o fluxo é retardado devido à influência do atrito entre o fluido e a superfície sólida. Fora da camada de fronteira, o fluxo é inviscid, ou seja, não há efeitos dissipativos devido ao atrito, condução térmica ou difusão em massa.

O conceito de camada de fronteira foi introduzido por Ludwig Prandtl em 1904, que permite uma simplificação significativa à equação de Navier-Stokes (NS) para o tratamento do fluxo sobre um corpo sólido. Dentro da camada de fronteira, a equação NS é reduzida à equação da camada de fronteira, enquanto fora da camada de fronteira, o fluxo pode ser descrito pela equação de Euler, que é uma versão simplificada da equação NS.

Figura 1. Desenvolvimento de camada de limite sobre uma placa plana.

O caso mais simples para o desenvolvimento da camada de fronteira ocorre em uma placa plana em ângulo zero de incidência. Ao considerar o desenvolvimento da camada de fronteira em uma placa plana, a velocidade fora da camada de limite é constante para que o gradiente de pressão ao longo da parede seja considerado zero.

A camada de fronteira, que naturalmente se desenvolve em uma superfície corporal sólida, normalmente passa pelos seguintes estágios: primeiro, o estado da camada de fronteira laminar; segundo, o estado de transição, e terceiro, o turbulento estado de camada de fronteira. Cada estado tem sua própria lei descrevendo a estrutura de fluxo da camada de fronteira.

A pesquisa sobre o desenvolvimento e estrutura da camada de fronteira é de grande importância tanto para o estudo teórico quanto para aplicações práticas. Por exemplo, a teoria da camada de fronteira é a base para calcular o arrasto de atrito da pele em navios, aeronaves e lâminas de turbomáquinas. O arrasto de atrito da pele é criado na superfície do corpo dentro da camada de fronteira e é devido ao estresse viscoso de tesoura exercido na superfície através de partículas fluidas em contato direto com ela. O atrito da pele é proporcional à viscosidade do fluido e ao gradiente de velocidade local na superfície na direção normal da superfície. O arrasto de atrito da pele está presente em toda a superfície, assim se torna significativo sobre grandes áreas, como uma asa de avião. Além disso, o fluxo de fluidos turbulentos cria mais arrasto de atrito da pele. O movimento de fluido macro-turbulento aumenta a transferência de impulso dentro da camada de fronteira, trazendo partículas fluidas com alto impulso até a superfície.

Esta demonstração se concentra na camada de fronteira turbulenta sobre uma placa plana, na qual o fluxo é irregular, como na mistura ou eddying, e as flutuações são sobrepostas ao fluxo médio. Assim, a velocidade em qualquer ponto de uma camada de limite turbulenta é uma função do tempo. Nesta demonstração, a anemometria de fios quentes de temperatura constante, ou CTA, será usada para realizar uma pesquisa de camada de fronteira. Em seguida, o método do gráfico Clauser será usado para calcular o coeficiente de atrito da pele em uma camada de limite turbulenta.

1. Determinação dinâmica da resposta dinâmica do sistema de fio quente

O objetivo deste procedimento é entender a rapidez com que o sistema anemômetro pode responder às mudanças de sinal de fluxo. Esta capacidade é medida medindo a resposta de frequência quando o sinal liga e desliga aplicando uma onda quadrada.

1. Fixar a sonda de fio quente do sistema CTA dentro de um túnel de vento usando um eixo de suporte.
2. Configure uma fonte de alimentação DC, gerador de

O CTA foi calibrado na Seção 2 do protocolo medindo a tensão do fio quente em diferentes velocidades de ar. Esses dados foram então utilizados para determinar a relação matemática entre a variável medida, a tensão e a variável indireta, a velocidade do ar. Existem muitas abordagens para encaixar os dados experimentais em relações matemáticas para velocidade, várias das quais estão cobertas pelo apêndice. Depois que a relação matemática é determinada, a velocidade é fa...

A demonstração mostra como usar anemometria de temperatura constante, uma ferramenta poderosa usada para estudar o fluxo turbulento sobre uma superfície, que neste caso específico era uma placa plana. Este método é mais simples e menos caro do que outros métodos, como PIV, PTV e LDV, e fornece uma alta resolução temporal. A aplicação da anemometria de fios quentes a uma camada de limite turbulenta fornece uma abordagem econômica e prática para demonstrar o comportamento de fluxos turbulentos.

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