PROJETO, CONSTRUÇÃO E AVALIAÇÃO DE UM MINI-TUNEL DE VENTO PARA FINS DIDÁTICOS

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Trabalho de conclusão de curso

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ANHANGUERA EDUCACIONALFACULDADE ANHANGUERA DE ANPOLIS

ENGENHARIA MECNICA

ANDR INCIO RICARTE FARIA: 1009770022EDUARDO FLORIANO DA SILVA: 1007779264MARCOS VINICIUS RIBEIRO: 1009770936

PROJETO, CONSTRUO E AVALIAO DE UM MINI-TUNEL DE VENTO PARA FINS DIDTICOS

ANPOLIS

2014ANDR INCIO RICARTE FARIAEDUARDO FLORIANO DA SILVAMARCOS VINICIUS RIBEIRO

PROJETO, CONSTRUO E AVALIAO DE UM MINI-TUNEL DE VENTO PARA FINS DIDTICOS

Trabalho de concluso de curso apresentado ao curso de Engenharia Mecnica da Faculdade Anhanguera de Anpolis como requisito parcial para obteno do ttulo de bacharel em Engenharia Mecnica.

Orientador: Agnaldo Antnio.

ANPOLIS2014ANDR INCIO RICARTE FARIAEDUARDO FLORIANO DA SILVAMARCOS VINICIUS RIBEIRO

PROJETO DE MINI-TUNEL DE VENTO

Trabalho de concluso de curso apresentado ao curso de Engenharia Mecnica da Faculdade Anhanguera de Anpolis como requisito parcial para obteno do ttulo de bacharel em Engenharia Mecnica.

Anpolis, 03 de dezembro de 2014

__________________________________Agnaldo AntnioFaculdade Anhanguera de AnpolisEspecialista

__________________________________Claudio Magela SoaresFaculdade Anhanguera de AnpolisEspecialista

__________________________________Igor GuimaresFaculdade Anhanguera de AnpolisEspecialistaAGRADECIMENTOS

Agradecemos a Deus pela sade e fora para desenvolvimento deste trabalho. Aos professores pelo tempo disponibilizado e ateno despendida. Por fim aos nossos pais pelo apoio, motivao, compreenso nos momentos difceis.

Que os vossos esforos desafiem as impossibilidades, lembrai-vos que as grandes coisas do homem foram conquistadas do que parecia impossvel. (Charles Chaplin)RESUMO

Tuneis de vento so equipamentos destinados estudos aerodinmicos, civis, arquitetnicos, automobilsticos e esportivos. Atravs destes so calculados os diversos coeficientes necessrios para determinao das foras desenvolvidas pelo vento nos corpos. Nesse contexto, apresenta-se o projeto e a construo de um mini tnel de vento para fins acadmicos, com circuito aberto e do tipo soprador. Realizou-se estudos relativos viscosidade, presso, camada limite, coeficientes, propores e formas, entre outros. Necessitou-se ainda, uma intensa pesquisa para determinao da melhor geometria dos diversos componentes, para controle da camada limite e turbulncia do escoamento (utilizando-se telas e colmeia). Na estrutura, utilizou-se como matria prima o ao carbono, devido a sua resistncia e maleabilidade. Aps a construo, avaliou-se a conformidade do fluxo e as reaes do mesmo com os modelos, observando-se as linhas de corrente e distribuio de velocidade, e comparando-as com a literatura e simulaes CFD.

Palavras-Chave: Tnel de vento soprador. Mecnica dos fluidos. Dinmica dos fluidos computacional. Camada limite atmosfrica.

ABSTRACT

Wind tunnels are equipment for aerodynamic studies, civil, architectural, automotive and sports. Through these various coefficients required to determine the forces developed by the wind on the bodies are calculated. In this context, we present the design and the construction of a mini wind tunnel for academic purposes, open circuit and the type blower. We conducted studies on the viscosity, pressure, boundary layer ratios, proportions and shapes, among others. It is still needed, intensive research to determine the best geometry of the various components for control of the boundary layer flow and turbulence (using screens and honeycomb). In the structure, was used as a raw material carbon steel for strength and suppleness. After construction, we assessed the compliance of the flow and the reactions thereof with the model, observing the lines of current and velocity distribution, and comparing them with the literature and CFD simulations.

Keywords: Blower wind tunnel. Fluid mechanics. Computational fluid dynamics. Atmospheric boundary layer.

LISTA DE ILUSTRAES

Fig. 2.1 presso dinmica no modelo17Fig. 2.2 camada limite19Fig. 2.3 edificao alteada22Fig. 2.4 edificao alargada22Fig. 2.5 edificao profunda22Fig. 3.1 seo de teste29Fig. 3.2 contrao30Fig. 3.3 grfico curva superior e inferior31Fig. 3.4 grfico curvas laterais31Fig. 3.5 cmara de estabilizao32Fig. 3.6 nmero de telas33Fig. 3.7 difusor34Fig. 3.8 coifa de amortecimento com flanges34Fig. 3.9 sistema de acionamento35Fig. 4.1 regime subcrtico37Fig. 4.2 cilindro bidimensional (CFD)38Fig. 4.3 cilindro bidimensional MTV-PFD38Fig. 4.4 vento entre duas edificaes39Fig. 4.5 vento entre duas edificaes (CFD)39Fig. 4.6 vento entre duas edificaes MTV-PFD40Fig. 4.7 vista superior edificao alteada (CFD)40Fig. 4.8 vista superior edificao alteada MTV-PFD41Fig. 4.9 vista lateral edificao profunda (CFD)41Fig. 4.10 vista lateral edificao profunda MTV-PFD42Fig. 4.11 vista lateral edificao alargada (CFD)42Fig. 4.12 vista lateral edificao alargada MTV-PFD43Fig. 4.13 perfil aerodinmico sem ngulo de ataque (CFD)43Fig. 4.14 perfil aerodinmico com ngulo de ataque (CFD)44Fig. 4.15 perfil aerodinmico sem ngulo de ataque MTV-PFD44Fig. 4.16 perfil aerodinmico com ngulo de ataque MTV-PFD44

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

p presso efetivape presso efetiva externaA reaABNT Associao Brasileira de Normas TcnicasCa coeficiente de arrastoCe coeficiente de forma externaCF coeficiente de foraCf coeficiente de formaCFD Computational Fluid Dynamics (dinmica dos fluidos computacional)Ci coeficiente de forma internaCp coeficiente de pressoCs coeficiente de sustentaod dimetro do fioF1 fora 1F2 fora 2Fa fora de arrastoFg fora globalFs fora de sustentaog gravidadeHe metade da altura da sada da contraoHi metade da altura da entrada da contraoK coeficiente de perda de pressoL comprimentoM nmero de MachMTV-PFD mini tnel de vento para fins didticosP0 presso totalP1 presso estticaq presso dinmicaq1 presso dinmicaRe Nmero de ReynoldsV velocidade viscosidade cinemticaz altura de carga taxa de rea aberta massa especfica

Sumrio

1 INTRODUO122 REVISO BIBLIOGRFICA132.1 Mecnica dos fluidos132.1.1 Viscosidade, escoamento laminar e turbulento132.1.2 Presso142.1.3 Teorema de Bernoulli172.1.4 Regime permanente e variado e a equao da continuidade182.1.5 Semelhana e nmero de Reynolds182.1.6 Camada limite e separao192.2 Coeficientes aerodinmicos202.2.1 Coeficiente de presso202.2.2 Coeficiente de forma202.3 Foras aerodinmicas212.3.1 Coeficientes de fora212.4 Propores e formas212.5 Tneis de vento232.5.1 Velocidade de escoamento232.5.2 Geometria dos tneis232.6 Partes de tnel de vento242.6.1 Sistema de acionamento242.6.2 Difusor242.6.3 Contrao252.6.4 Telas262.6.5 Colmeias262.6.6 Cmara de estabilizao262.6.7 Seo de testes262.6.8 Equipamento de visualizao de fluxo272.7 Computational fluid dynamics (CFD)273 DESENVOLVIMENTO283.1 Definio das principais caractersticas do tnel283.2 Seo de testes283.3 Contrao293.4 Cmara de estabilizao313.5 Difusor323.6 Sistema de amortecimento de vibraes343.7 Sistema de acionamento353.8 Mecanismo de visualizao de fluxo353.9 Materiais utilizados na estrutura364 AVALIAO DOS RESULTADOS OBTIDOS NA MQUINA384.1 Escoamento bidimensional em cilindro384.2 Vrtice de base em edificaes394.3 Vento em construes alteadas, alargadas e profundas414.4 Vento em perfil aerodinmico445 CONCLUSO46REFERNCIAS47

1 INTRODUO

Os tneis de vento so equipamentos grandes e com custo de construo altssimo, encontrados apenas em centros de pesquisas especializados no estudo dos efeitos do escoamento em torno de corpos. Assim, os mini tneis de vento se mostram como uma boa alternativa para o ensino em graduao, e conseguem reproduzir com boa eficincia os efeitos do ar sobre os modelos, permitindo a visualizao do fluxo e comparao com a teoria.Existem diversos modelos de mini tneis, cada qual com uma finalidade especfica e vantagem relativa. Para aplicao em sala de aula, devido ao tamanho compacto e a facilidade de montagem, os tneis de circuito aberto apresentam caractersticas positivas. Quanto ao mecanismo gerador de fluxo, o do tipo soprador tem um fator de potncia consideravelmente menor comparado ao succionador. Objetivo geral: projetar e construir um tnel de vento soprador de circuito aberto que permita aos alunos visualizar fenmenos como: camada limite, regio de esteira, vrtices, etc. Objetivo especfico: desenvolver um equipamento que possa ser utilizado tanto em modelos aeronuticos, quanto civis.Este trabalho disposto em trs partes, sendo no momento inicial feito uma reviso dos principais estudos relacionados mecnica dos fluidos e aos critrios para construo de um tnel de vento. Logo em seguida, descrito quais os componentes, critrios e processos de fabricao utilizados. Por fim realizou-se a averiguao da validade do fluxo obtido.

2 REVISO BIBLIOGRFICA

Neste captulo ser feita uma reviso sobre os principais assuntos da mecnica dos fluidos e sobre tneis de vento. Esses conhecimentos foram necessrios para o desenvolvimento do projeto.

2.1 Mecnica dos fluidos

A mecnica dos fluidos uma cincia complexa, sendo que, para seu estudo necessrio tanto a teoria quanto a experimentao. Ela divide-se em dinmica e esttica, podendo o fluido ser um liquido ou um gs. A aplicao da teoria satisfaz a casos simples e ideais, j em casos reais temos como principais limitaes as geometrias complexas e os efeitos viscosos (WHITE, 2011).

2.1.1 Viscosidade, escoamento laminar e turbulento

Em um escoamento laminar de um fluido que ocorre em camadas adjacentes e paralelas, cada uma tem uma velocidade. Devido ao movimento catico e desordenado das molculas, h uma troca destas entre as camadas, o que gera uma fora tangencial entre elas e isso explica a existncia de viscosidade (BLESSMANN, 2011).engel e Cimbala (2008) definem como escoamento laminar a movimentao das partculas em camadas, de forma organizada e suave. J Blessmann (2011) explica que no h um movimento regular dos fluidos, sendo que sempre haver uma troca de molculas entre as camadas. Assim caracteriza-se como regime laminar a incapacidade dos equipamentos de medidas em detectar pequenas agitaes.Porm em muitos escoamentos h a troca no s de molculas, mas de grupos de molculas em intensos gradientes de velocidades formando redemoinhos, que giram aleatoriamente pelo fluido. Eles ocasionam flutuaes de velocidade e a viscosidade ter um grande acrscimo denominando-se viscosidade turbulenta. Essas flutuaes podem ou no desaparecer com o tempo, dependendo da fora da viscosidade ser preponderante ou no, caracterizando-a como mecanismo que tende a amortec-las. Devido a esta tendncia h uma perda de energia em forma de calor e assim o regime turbulento tem maior entropia que o regime laminar (BLESMANN, 2011).Blessmann (2011), ainda define que para o vento natural a origem da turbulncia pode ser atravs de movimentos circulatrios da atmosfera (formados por transformaes termodinmicas e pela fora de Coriolis) ou por rugosidade superficial (formada por obstculos naturais e criados pelo homem). Quanto s grandezas, os turbilhes causados por movimentos circulatrios podem atingir centenas de quilmetros, em contrapartida os gerados por rugosidade superficial podem variar de milmetros at a camada limite atmosfrica. Sendo que este ltimo apresenta grande energia cintica, que eliminada em forma de transferncia de um turbilho para outro menor e finalmente dissipado em forma de calor. Esses fenmenos originam grandes rajadas de vento que so inversamente proporcionais em dois fatores, maior velocidade menor durao e menor velocidade maior durao.

2.1.2 Presso

Segundo Brunetti (2005) a presso a razo entre uma fora aplicada normalmente em uma superfcie de rea A, sendo o resultado a presso mdia.Para o estudo, distinguem-se trs tipos de presses:

a) Presso estticaReis et al. (2002) explica que a presso esttica: a presso real do gs, estando ele em movimento ou em repouso. Presso esttica num dado ponto a presso que seria medida por um sensor se movimentando junto com o escoamento; decorre do movimento aleatrio das molculas transferindo seus momentos para as superfcies.

Para uma regio onde o escoamento possui linhas de corrente retilneas, no existe variao de presso (pois a velocidade constante) na direo perpendicular as mesmas. Assim possvel realizar medies precisas da presso esttica com orifcios feitos perpendicularmente ao escoamento em uma superfcie retilnea. Os orifcios no devem apresentar rebarbas e serem devidamente ligados a um sensor de presso ou manmetro (FOX, PRITHCHARD, McDONALD, 2010). Blessmann (2011) considera duas situaes: 1) Para a medio no slido (um modelo ou a prpria edificao) utilizam-se orifcios na superfcie do mesmo, ligando-os ao aparelho medidor, observando-se as condies de inclinao, dimetro e profundidade exigidas para coerncia dos dados. No caso de edificaes reais recomenda-se o uso de transdutores eltricos.2) Para medidas de presso no fluxo (em um tnel ou ao vento natural): Em um tnel de vento uma das formas de se obter os valores, est na aplicao de um anel piezomtrico. Esta ferramenta consiste em realizar uma serie de furos na parede do tnel, ligando os mesmos a um aparelho de medio (manmetro). Outro meio da obteno dos valores de presso, sendo tambm possvel sua aplicao ao vento natural est no aparelho conhecido como tubo de Prandtl. Este aparelho obedece tese de que a presso na extenso de um corpo equivalente presso esttica da corrente livre nas regies retas de um slido alinhadas na direo do escoamento. Para este processo, idealmente faz-se um orifcio em uma placa fina plana e biselada sendo colocada seguindo o mesmo sentido da corrente do fluido. Devido difcil realizao do procedimento se tornou usual a aplicao de tubos de seo circular ou elipsoidal, com a extremidade normal ao fluxo fechada, tendo seu eixo coincidente corrente do fluido. Nos tubos so feitos orifcios (dimetro significativamente inferior a camada limite) laterais que obedecem a uma distncia da zona de depresso sendo que estas furaes ou fendas devem se localizar em um local assimetricamente correto, pois um pequeno erro de localizao pode fornecer dados divergentes. Estas fendas conduzem o fluido pelo interior oco do tubo at sua interao com um segundo tubo, perpendicular ao primeiro onde so feitas as medidas de presso esttica do fluido. Para inclinaes de escoamento com at 5 os resultados so quase exatos. Acima destes valores de interao entre fluido e o tubo de Prandtl, as medidas de presso so menores que as reais. importante levar-se em considerao as propores da turbulncia, pois para turbulncias de tamanho bem maior que o dimetro do instrumento se obter uma presso menor do que a real e consequentemente para escala de turbulncia significativamente menor que o dimetro da antena o instrumento indicar presso maior que a real. Com estas consideraes podemos alcanar medidas com maior exatido corrigindo os valores conforme a proporo j apresentada.

b) Presso totalAnderson (2001) relata que Henry Pitot foi a primeira pessoa na histria que conseguiu medir coerentemente a velocidade de um fluido levando em considerao sua presso. Isso foi feito utilizando um dispositivo desenvolvido pelo prprio, que consiste em um tubo em forma de L com sua face aberta perpendicularmente ao escoamento. Dessa forma, em um mnimo instante o fluido entra no tubo enchendo-o totalmente, e chega ao instrumento medidor de presso. Como o tubo est completamente cheio, o escoamento ao chegar face aberta sofre desacelerao e atinge velocidade zero. Assim, por Bernoulli, o ponto onde a velocidade zero, a presso mxima, e portanto neste ponto de estagnao temos a presso total.

c) Presso dinmicaA presso dinmica determinada atravs da diferena entre a presso esttica e a presso total, respeitando s restries definidas pela equao de Bernoulli. Essa relao existente entre presses pode ser obtida diretamente pela introduo de uma sonda Pitot- Prandtl. Isso pode ser representado pela equao a seguir, sendo que o termo presso dinmica normalmente designado por q1 (ANDERSON, 2001).

Fig. 2.1 Presso dinmica no modelo (Blessmann, 2011)

2.1.3 Teorema de Bernoulli

O teorema de Bernoulli aplica-se em fluidos que obedecem s seguintes restries: regime permanente de escoamento, no apresente viscosidade, no existam mquinas no trecho de escoamento em estudo (defina-se mquinas como equipamento que retiram ou insiram energia do fluido), no ocorram perdas por atrito no escoamento do fluido ou do fluido ideal, sejam preponderantes propriedades uniformes nas sees e seja isentrpico (BRUNETTI, 2005).Blessmann (2011), afirma que ao longo de uma mesma linha de corrente desprezando-se as caractersticas de compressibilidade do ar e seguindo as restries de que o escoamento deve ser rotacional (ou irrotacional entre dois pontos) vlida a seguinte equao do teorema de Bernoulli:

Para estudos aerodinmicos em que o fluido de trabalho o ar ou gases em geral, desprezam-se as foras de massa.

2.1.4 Regime permanente e variado e a equao da continuidade

Segundo Brunetti (2005), caracteriza-se como regime permanente o escoamento de um fluido em que suas propriedades (presso, massa especifica, velocidade, etc.) permanecem constantes ao longo do tempo, por complemento a alterao de qualquer uma destas propriedades ao longo do tempo apresenta-se um regime variado. Sendo assim, para que a equao da continuidade seja aplicvel necessrio um escoamento permanente, onde a vazo mssica em um ponto 1 deve ser a mesma que em outro ponto 2.

2.1.5 Semelhana e nmero de Reynolds

Blessmann (2011), afirma que para que seja estabelecida uma relao vlida em um modelo e o mesmo em escala real necessrio estabelecer condies de semelhana, e estas so:a) Semelhana geomtrica: Os dois corpos devem possuir rugosidade, detalhes e formas geomtricas idnticas, obedecendo escala de um para o outro com orientao semelhante aos escoamentos.b) Semelhana cinemtica: A velocidade nos dois escoamentos deve obedecer mesma relao em dois pares de pontos de geometria similar.c) Semelhana dinmica: Esta caracterstica define que as foras exercidas nos dois corpos devem ter uma mesma relao de intensidade, sentido e direo (foras de presso, de viscosidade, de inrcia, etc.).Assim: Para um escoamento existem quatro tipos de foras atuantes (da gravidade, de presso, de inrcia e de viscosidade), entretanto para aerodinmica que tem como fluido de trabalho o ar, desconsidera-se a influncia gravitacional, e por ser um escoamento subsnico o fluido comporta-se como incompressvel, sendo desnecessrio considerar a fora de presso. Assim restam apenas duas foras, sendo estas relacionadas pela equao de Osborne Reynolds, onde o resultado um nmero adimensional do quociente entres as foras de inrcia e viscosidade (BLESSMANN, 2011).Grandes valores de Reynolds indicam predominncia de foras inerciais e para pequenos valores prevalecem s foras viscosas (NASA, 2014).

2.1.6 Camada limite e separao

Anderson (2001) define que a camada limite uma fina regio do fluxo adjacente a superfcie, onde o fluxo retardado pela influencia do atrito entre uma superfcie slida e o fluido e complementa que existe tambm uma camada limite trmica, que para condies normais maior que a camada limite de velocidade. Em ambas as camadas existe um gradiente em funo da altura da camada limite (gradiente de velocidade e gradiente trmico). Por causa destes gradientes produzida uma tenso de cisalhamento e um fluxo de transferncia de calor no corpo, estes so uma funo da distncia da ponta da placa.A separao fenmeno que ocorre quando h perda de velocidade de um fluido a jusante na camada limite, onde, devido desacelerao do fluido (consequentemente aumento de presso) na regio de contato com a superfcie do slido cria-se um fluxo reverso (BLESSMANN, 2011).engel e Cimbala (2008), explicam que a regio formada pelos turbilhes aps o ponto de separao (geralmente atrs do corpo) chamada de zona de esteira que se caracteriza pelos efeitos do corpo sobre a velocidade do fluido. Assim os vrtices so pores de fluidos em rotao que se desprendem do escoamento (fig. 2.2).

Fig. 2.2 Camada limite (Anderson, 2001) com adaptaes

2.2 Coeficientes aerodinmicos

So nmeros adimensionais obtidos geralmente em modelos, para posteriormente serem utilizados em escala real, determinando a influncia de cada fator na fora resultante que atua sobre o corpo.

2.2.1 Coeficiente de presso

Para definio de coeficiente de presso (Cp), necessria a insero de um slido em um fluido de modo que o mesmo se encontre completamente imerso. Diante desta operao so realizadas duas medidas de presso, sendo uma no slido e outra no fluxo no perturbado. As tomadas a serem definidas referem-se a variao entre presso esttica em um ponto da superfcie do solido e presso esttica a barlavento do mesmo. Esta diferena de presses definida como presso efetiva externa (pe). Outro fator necessrio para a definio do Cp obtido pela diferena de presso esttica e total, sendo este j definido anteriormente como presso dinmica (q), e que deve ser obtido a barlavento do solido (ANDERSON, 2001).Assim, Limas (2003) explica que os coeficientes de presso so coeficientes adimensionais oriundos da razo entre presses efetivas provocadas pelo vento em um ponto sobre a superfcie do corpo (p) e a presso dinmica do vento (q) [...] e Sousa (2008) complementa que Cp demonstra o quanto da energia cintica foi transformada em energia de presso.

2.2.2 Coeficiente de forma

Segundo a Associao Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT) NBR 6123 para clculo dos coeficientes de forma necessrio primeiramente o clculo da fora exercida pelo fluido interna e externamente. Assim o coeficiente de forma externa (Ce) a razo da fora externa agindo em uma superfcie plana de rea A pelo produto da presso dinmica com a rea. Por pressuposto podemos definir o coeficiente de forma interna (Ci), pela mesma relao utilizada para (Ce) mas neste ser utilizado a fora interna exercida pelo fluido.2.3 Foras aerodinmicas

Blessmann (2011) explica que a somatria das foras oriundas do vento que incide em uma estrutura definida por fora global (Fg), sendo composta por uma parcela vertical chamada fora de sustentao (Fs), e uma parcela horizontal designada como fora de arrasto (Fa).A fora de arrasto dividida em duas componentes: uma devida fora de atrito viscoso e a outra a efeitos inerciais (presso). A fora de atrito viscoso ocorre em corpos com dimenses acima de centmetros e com velocidades acima de alguns metros por segundo, podendo ser desprezada perante os efeitos das foras inerciais (SILVEIRA, 2011).Brunetti (2005) complementa que a fora de sustentao est presente em qualquer forma, porm o aeroflio e a asa so formas geomtricas criadas intencionalmente para intensific-la.

2.3.1 Coeficientes de fora

O coeficiente de fora (CF) um nmero adimensional determinado de forma experimental, geralmente em modelos e representado por:

Assim, atravs deste pode-se obter a fora em uma edificao real resolvendo a equao para a fora. Os diversos coeficientes de fora so determinados desta maneira (tais como arrasto e sustentao) e nestes casos representados respectivamente por Ca e Cs (BLESSMANN, 2011).

2.4 Propores e formas

Blessmann (2011) caracteriza os modelos ou edificaes em alteados, alargados e profundos. As caractersticas destes so: Alteados: a altura prevalece sobre as demais dimenses, o fluxo das partculas incide sobre a geometria escoando a plano mdio e paralelamente a corrente vertical, sendo que as mesmas criam turbilhes predominantemente horizontais. O escoamento pelo topo influenciar tanto menos quanto for maior a altura (fig. 2.3). Alargadas: a largura prevalece sobre as demais dimenses, sendo que medida que a largura da edificao aumenta diminui influncia do escoamento das extremidades (fig. 2.4). Profundas: a profundidade prevalece sobre as outras dimenses, caracteriza-se como um escoamento alteado, diferindo-se apenas na influncia do fluxo superficial que neste bem mais acentuado (fig. 2.5).

Fig. 2.5 Edificao profunda (Blessmann, 2011)

Fig. 2.3 Edificao alteada (Blessmann, 2011)

Fig. 2.4 Edificao alargada (Blessmann, 2011)

2.5 Tneis de vento

Fitzgerald (2005) em seu artigo Build a Wind Tunnel ressalta que os tneis de vento so ferramentas que permitem prever com preciso os comportamentos dos objetos envolvidos por um escoamento de forma econmica e com segurana. Assim so largamente utilizados por projetistas aeroespaciais, arquitetos e engenheiros (para estudar os efeitos do escoamento em grandes construes), no design automotivo (estudos para diminuir coeficientes de arrasto aumentando economia de combustvel e o desempenho) e nos esportes (design de bicicletas, equipamentos de esqui e trens).Segundo a NASA (2014) os tneis de vento so equipamentos projetados para uma finalidade especifica, devendo apresentar em sua seo de testes uma faixa de velocidade determinada. importante que os tneis proporcionem aos engenheiros controle sobre as condies de escoamento e respectivamente as foras que afetam o corpo em estudo. Ainda complementa que os tneis de vento so classificados segundo as seguintes caractersticas: velocidade de escoamento em relao ao nmero de Mach (M) e geometria dos tneis.

2.5.1 Velocidade de escoamento

O escoamento em tneis de vento est ligado finalidade do tnel e os efeitos de compressibilidade, que normalmente so relacionados entre a velocidade do ar e a velocidade som, definidos como nmero de Mach (M). Para M< 0,8 tnel subsnico, M entre 0,8 e 1,2 transnicos, M>1,2 at 5 supersnicos e M > 5 hipersnicos (NASA, 2014).

2.5.2 Geometria dos tneis

A NASA (2014) define que os tneis de vento apresentam dois tipos de circuito, sendo um de regime aberto, onde o fluido de trabalho succionado por uma extremidade e expelido aps a cmara de testes, e um segundo, de circuito fechado que apresentam um fluxo onde o ar recircula por todo tnel. J para Fitzgerald (2005) existem basicamente dois tipos de tneis de vento. Um empurra o ar em torno de um objeto de teste, e o outro puxa o ar sobre o objeto.

2.6 Partes de tnel de vento

Estudos por diversos autores relacionados aos tneis de vento, tais como, Mehta e Bradshaw (1979) e Cattafesta et al. (2010) explicam sobre a constituio de um tnel de vento sendo necessrio o desenvolvimento das principais partes: sistema de acionamento, difusor, cmara de estabilizao (telas e colmeia), contrao, seo de teste e palhetas de canto sendo que alguns destes componentes podem se apresentar mais de uma vez no mesmo sistema.

2.6.1 Sistema de acionamento

Para Mehta e Bradshaw (1979) o sistema de acionamento de um tnel de vento constitudo por um ventilador axial ou radial (centrifugo), sendo que estes podem operar a montante ou a jusante da seo de testes, ressaltando ainda que ventiladores radiais montados a jusante apresentam baixa eficincia. Assim, o ventilador radial prefervel para compensar as grandes mudanas nas condies de operao, tendo um bom desempenho ao longo de uma grande variedade de cargas.

2.6.2 Difusor

White (1998) define os difusores como o aumento da rea da seo transversal de um duto destinado a diminuir a velocidade de um fluido a fim de aumentar sua presso.Mehta e Bradshaw (1979) relatam que difusores so definidos levando em considerao sua rea e ngulo, separando-os em dois tipos: difusores de sada e difusores de grande ngulo. Assim o difusor de sada montado jusante da seo de testes obedecendo a ngulos suaves de no mximo 5. J os difusores de grande ngulo so projetados para reduo do comprimento e normalmente no apresentam aumento de presso significativa, sendo montado entre o sistema de acionamento e a cmara de estabilizao.Para difusores de grande ngulo so definidos mtodos para o controle da camada limite, sendo mais apropriada a insero de telas ao longo do difusor. recomendvel que estas telas sejam posicionadas em pontos com mudanas bruscas de ngulo ou serem posicionadas de forma igual por todo extenso do corpo. Idealmente devem ser posicionadas formando um ngulo reto com as paredes do difusor sendo por consequncia, cncavas (MEHTA e BRADSHAW, 1979).

2.6.3 Contrao

Este componente geralmente montado a montante da seo de teste, com a finalidade de aumentar a velocidade mdia do escoamento (reduzindo o fator de potncia do tnel, pois a cmara de estabilizao estar posicionada numa regio de baixa velocidade), sendo empregado em quase todos os tneis de vento (Bell e Mehta, 1988).Mehta e Bradshaw (1979) relatam que em contraes no circulares o fluxo tende a formar separao nos cantos, mas segundo investigaes mais precisas de Mehta (1978) as reaes em contraes quadradas de formas bem desenhas (com filetes de cantos com ngulos de 45) amortizam os efeitos de separao.Os estudos desenvolvidos por Bell e Mehta (1988), relatam que relaes de rea de entrada e sada da contrao para pequenos tneis de vento com baixa velocidade (0,5 m2 e 40 m/s), devem estar entre 6 e 10. J o comprimento definido pela relao L/Hi (onde L o comprimento e Hi metade da altura de entrada da contrao) sendo que o resultado desta relao deve ser um valor entre 0.89 1.79. Por pressuposto quando se admite uma contrao de comprimento pequeno seu raio de curvatura grande causando separao na entrada e para comprimentos maiores que os admitidos o raio de curvatura amortizado, causando separao na sada da contrao.

2.6.4 Telas

As telas em tneis vento, tm como funo evitar a separao da camada limite e proporcionar uma uniformidade em todo fluxo. So constitudas normalmente de metal (lato, bronze fsforoso e ao inoxidvel) podendo tambm ser compostas de outros materiais (nylon e fios de polister), sendo estas empregadas em fluxos que no apresentem cargas de vento muito elevadas. Elas so tecidas formando sees quadradas ou retangulares tendo como principais parmetros a determinao do dimetro do fio (d), a taxa de rea aberta () e o coeficiente de perda de presso (K), este estando diretamente ligado com nmero de Reynolds (MEHTA, 1977).

2.6.5 Colmeias

Mehta (1977) esclarece que colmeias so componentes destinados a remoo de redemoinhos do fluxo e da variao da velocidade mdia lateral. Elas apresentam formas geomtricas hexagonais, quadradas e triangulares, sendo que a forma de construo em muitos casos leva em considerao a disponibilidade de formato disponvel, visto que a seo transversal no um fator crtico. A sua melhor eficincia obtida com uma relao de comprimento por dimetro de 7 -10, e para uma melhor supresso da turbulncia so preferveis clulas de menores reas sendo aconselhvel uma mdia de 150 clulas pela largura total da colmeia.

2.6.6 Cmara de estabilizao

o dispositivo formado por um favo de mel e dependendo da configurao do tnel uma ou vrias telas. Tem como finalidade garantir que as linhas de corrente do fluxo sejam retilneas e reduzir a turbulncia a um ndice aceitvel (MEHTA, 1977).

2.6.7 Seo de testes

Para NASA (2014) a seo de testes a parte do tnel onde devem ser colocados os modelos que sero analisados. Bradshaw e Mehta (2003) complementam que o tamanho e a forma da seo de testes so determinados pela necessidade de minimizar a interferncia causada pelo tnel em um modelo de tamanho especfico. Com relao ao comprimento, Blessmann (2011) explica que tneis aerodinmicos geralmente tm uma relao de comprimento de duas vezes a altura, enquanto para simulao do vento natural necessrio uma relao mnima de quatro (dependendo do tipo de mecanismo que utilizado para fazer a simulao). Mehta (1977), define que para estes tipos de tneis ideal uma seo retangular com relao de altura/largura de cerca de2.

2.6.8 Equipamento de visualizao de fluxo

Al et al. (2001) relata que para a visualizao da trajetria das partculas podem ser utilizadas diversas tcnicas tais como injeo de fumaa e indicadores por fios. Ainda explica que para a fumaa deve se observar algumas propriedades: massa especifica compatvel, bom ndice de reflexo a luz, atxica, no corrosiva e inofensiva as pessoas e ao meio ambiente.

2.7 Computational fluid dynamics (CFD)

Segundo Miguez (2008) o CFD uma ferramenta didtica que envolve desde analises de escoamentos externos e internos trocas trmicas, utilizando elementos computacionais para simular o comportamento do fluido. Seu funcionamento leva em considerao as iteraes numricas das equaes que regem a mecnica dos fluidos, sendo necessria a definio de uma rea de estudo a ser considerada (com as condies de contorno bem definida), retornando resultados precisos e compatveis com a realidade.

3 DESENVOLVIMENTO

A construo do mini tnel de vento para fins didticos (MTV-PFD) foi realizada em duas fases de desenvolvimento: Pesquisa: levantamento das possveis partes constituintes, materiais a serem utilizados, formas geomtricas, velocidade do fluxo e potncia do motor. Construo: nesta fase foram construdos, testados e validados os diversos elementos constituintes do tnel, observando-se sua viabilidade, desempenho e necessidade. A fase de pesquisa foi importante para reduo de custos levando-se em considerao a grande quantidade de disposies possveis para construo do projeto e realizar tambm economias atravs de cotaes de preos.Necessitou-se tambm o desenvolvimento de ferramentas para validao das condies de estabilidade do escoamento na seo de teste, verificando-se principalmente o ndice de turbulncia, as possveis separaes da camada limite e o gradiente de velocidade.Para o desenvolvimento deste projeto necessitou-se primeiramente a definio das principais caractersticas do tnel, bem como a definio das dimenses da seo de testes. Esses fatores foram essenciais para determinao de todos os outros componentes.

3.1 Definio das principais caractersticas do tnel

O mini tnel de vento desenvolvido do tipo de circuito aberto, soprador e subsnico. Ele composto por um sistema de acionamento, sistema de amortecimento de vibraes, difusor, cmara de estabilizao, contrao, seo de testes, sistemas de visualizao de fluxo e instrumentos de medida.

3.2 Seo de testes

O ponto de partida para definio da geometria da seo de testes veio da bibliografia, que recomenda que esta seja retangular com uma razo de cerca 2. Seu comprimento especificado em funo da aplicao, que neste caso como se trata de um tnel apropriado para estudos aerodinmicos e simulao da camada limite atmosfrica, deve ter um comprimento mnimo de quatro vezes sua altura. Portanto, definiu-se com certa ponderao, uma seo retangular de 200x250mm com um comprimento de um metro.

Fig. 3.1 Seo de testeForam utilizados para construo deste componente uma lateral e uma base em chapa ao carbono SAE 1020, soldada em uma estrutura de cantoneira 1 X 3/16 de mesmo material, e a parte superior e lateral de visualizao de vidro incolor 5mm (fig. 3.1).

3.3 Contrao

Para projeto deste componente necessitou-se determinar trs fatores: Forma da parede: conforme estudo de Bell (1988), a melhor forma de parede descrita pelo polinmio de 5 ordem, conforme abaixo, onde Hi a distncia at o centro na entrada com relao ao sentido do fluxo e He a distncia da borda at o centro na sada.

Relao de rea: de acordo com os mesmos estudos a relao ideal entre a rea de entrada e sada de 7,7, podendo serem aceitos valores variantes de 6-10. Comprimento: Bell (1988) complementa as caractersticas estabelecendo que para um fluxo estvel a relao de L/Hi, onde L (comprimento da contrao) deve ter um valor mnimo de 0,89, e um valor mximo de 1,79, sendo abaixo ou acima destes valores suscetvel a separao de fluxo.Conforme as recomendaes acima, considerando uma seo de testes de 250x200mm foi definida uma seo de sada de 700x550mm obedecendo assim a relao de 7,7. Por pressuposto entende-se que Hi = 350mm e 275mm e He = 125mm e 100mm. Com Hi j definido foi possvel determinar o comprimento L. Como alternativa para reduo do comprimento estabeleceu-se L = 350mm, resultando em L/Hi nas laterais 1 e nas partes superior e inferior 1,27 (fig. 3.2, 3.3, 3.4).

Fig. 3.2 - Contrao

Fig. 3.3 Grfico curva superior e inferior

Fig. 3.4 Grfico curvas laterais

3.4 Cmara de estabilizao

A dimenso da seo transversal da cmara de estabilizao deve ser igual a sada da contrao (700x550mm), tendo seu comprimento definido por uma distncia mnima de 20% da maior dimenso (700mm), conforme recomendado por Mehta (1977), para evitar possveis distores causadas pela tela, resultando assim em um comprimento de 140mm.A cmara de estabilizao foi concebida com uma tela de ao-carbono galvanizada de malha 6 com dimetro do fio de 0.7mm, localizada a montante da colmeia na entrada da cmara de estabilizao. J a colmeia foi confeccionada com aproximadamente 20.000 canudos de PVC de dimetro 5mm e comprimento de 35mm, seguindo recomendaes de Mehta (1977), que estabelece o comprimento mnimo de 7-10 vezes o dimetro. Optou-se por constru-la com canudos de seo circular por questes de viabilidade, disponibilidade, peso e custo.Portanto a cmara de estabilizao e formada por um duto com uma tela na entrada e uma colmeia encaixada a 30mm da sada (fig. 3.5).

Fig. 3.5 Cmara de estabilizao

3.5 Difusor

Com propsito de compactao do comprimento deste item, foi adotado um modelo de difusor de grande ngulo que apesar de no ter um ganho significativo de presso proporciona melhoria na estabilidade e uniformidade do fluxo. Como forma de se evitar a separao de fluxo dentro do difusor verificou-se a necessidade da instalao de telas obedecendo a recomendao da relao de rea pelo ngulo conforme a fig. 3.6 (indicado pela linha vermelha).A equipe de projeto definiu o ngulo 2 sendo 30, e os clculos revelaram uma relao entre as reas de sada e entrada do difusor de quatro vezes. Levando-se em considerao estes fatores j definidos e observando as respectivas curvas do grfico, foi obtida a quantidade de telas, sendo duas.Para localizao das telas foram observadas recomendaes de projeto onde especificado que a primeira tela deve ser fixada na entrada do difusor, onde a uma mudana brusca de geometrias, tendo assim fortes indcios de separao naquele local. A segunda tela est posicionada na metade do difusor seguindo a uma restrio que diz que a mesma deve ter uma distncia mnima da primeira de 500 x d = 350mm, sendo importante tambm esta definio para o comprimento total do difusor que veio a ser de 700mm.Por se tratar de ventilador axial como gerador de fluxo a parte inicial do difusor deve ser circular, e ao longo de seu eixo longitudinal deve ocorrer uma transformao de seo circular para retangular (fig. 3.7).

Fig. 3.6 Nmero de telas (Mehta, 1977)

Fig. 3.7 Difusor

3.6 Sistema de amortecimento de vibraes

Fig. 3.8 Coifa de amortecimento com flangesPara evitar a propagao de possveis vibraes do sistema de acionamento para a estrutura do tnel, foi confeccionada uma coifa de borracha com cmara de ar de trator vulcanizada. A coifa cnica com dimetro inicial de 375mm e final de 350mm, e fixada as outras partes atravs de dois flanges (fig. 3.8).

3.7 Sistema de acionamento

Com relao ao tipo de mquina de fluxo foi observado que no existem grandes restries quanto ao modelo, no havendo um ideal. Observou-se que o do tipo centrifugo apresenta um bom gradiente de presso em funo de uma grande variedade de cargas, porm fazendo-se um levantamento dos modelos disponveis comercialmente, verificou-se uma menor diversidade de modelos do tipo centrifugo e uma relao de cerca de trs vezes o valor de um ventilador axial para uma mesma vazo. Observando-se estas condies foi selecionado para o projeto um ventilador axial produzido pela empresa ebm-papst, modelo S4E350-AP06-31, com vazo de 3.540 m3/h, 1.590 rpm e 190W de potncia (fig. 3.9).

Fig. 3.9 Sistema de acionamento

3.8 Mecanismo de visualizao de fluxo

Arrias et al. (2008) analisou quatro tipos de dispositivos: fumigador, mquina de fumaa, gelo seco e nitrognio lquido. Ele concluiu que a mquina de fumaa o dispositivo ideal, observando-se as principais caractersticas (massa especifica compatvel, atxico, facilidade de produo, no corrosivo...).Portanto selecionou-se para este tnel de vento a mquina de gerao de fumaa ATF-1000 FOG MACHINE da marca Aura, de 1000W de potncia, tenso de alimentao 220V, com controle de acionamento sem fio. Porm, os testes revelaram uma alta taxa de condensao na tubulao que conduz a fumaa seo de testes, o que reduziu drasticamente o volume de fumaa.Para diminuir a condensao na tubulao, instalou-se uma eletrobomba de lavadora de roupas na sada da mquina de fumaa. A eletrobomba tem uma potncia de 34W e opera com tenso de 220V, sem a necessidade de nenhum transformador. A soluo se mostrou eficaz, proporcionando fumaa na seo de testes por cerca de 15 segundos ininterruptos.Realizou-se a ligao entre a mquina de fumaa e a eletrobomba atravs de uma luva de 40mm e uma reduo para 1, ambas de PVC. Conduz-se a fumaa para a seo de testes com mangueira transparente e um tubo de cobre conforme abaixo: 1,02m de mangueira 5/8 0,28m de mangueira 1/2 0,04m de mangueira 3/8 0,38m de tubo de cobre 3/8O mecanismo de iluminao consiste de uma fita de led, de 36W de potncia, tenso de alimentao de 220V, com sete cores diferentes e controle de intensidade, acionado por controle remoto.

3.9 Materiais utilizados na estrutura

O chassi do equipamento construiu-se utilizando cantoneiras 1 X 3/16 e chapas de 1,2mm de ao carbono 1020, onde as diversas peas foram desenhadas, logo aps recortadas por esmerilhadeira e unidas por processo de soldagem eltrica por eletrodo revestido AWS E6013.Na construo da seo de teste, pela necessidade de visualizao do escoamento, foi necessrio a utilizao de um material transparente, que devido a critrios de resistncia e durabilidade foi escolhido o vidro.As diversas partes (difusor, cmara de estabilizao, contrao, seo de teste), foram acopladas por parafusos (classe 8.8). O sistema de acionamento, o difusor, a contrao e a seo de testes, possui ps com regulagens para facilitar a montagem e o nivelamento.

4 AVALIAO DOS RESULTADOS OBTIDOS NA MQUINA

Para averiguao dos resultados, utilizou-se o mtodo de comparao com a literatura e/ou Computational Fluid Dynamics (CFD), atravs do software Solidworks Flow Simulation. Utilizaram-se fotografias em modo contnuo, selecionando-se a que demonstra com maior clareza os efeitos desejados.A seo de teste apresenta sempre a mesma geometria e o fluido de trabalho mantm suas propriedades em todos os estudos realizados no tnel. Desta forma, varia-se Re apenas controlando-se a velocidade.Utiliza-se nessa fase de averiguao, para todos os casos, Re 22.000, sendo a velocidade do fluxo ao longe 1,5 m/s e a viscosidade cinemtica do ar (ar) = 1,5 x 10-5.

4.1 Escoamento bidimensional em cilindro

Blessmann (2011) relata que para escoamento bidimensional em cilindro com Re variando ente 40 e 105, ocorrem turbilhes alternados que se destacam dos dois lados do cilindro, em uma esteira mais agita e mais larga que o dimetro do cilindro, podendo em funo do nmero de Re os vrtices serem laminares, turbulentos ou plenamente turbulentos (regime subcrtico).Observando-se os resultados obtidos atravs de CFD e as caractersticas apontadas na literatura, verificou-se boa conformidade dos resultados (fig. 4.1, 4.2, 4.3).

Fig. 4.1 Regime subcrtico (Blessmann, 2011)

Fig. 4.2 Cilindro bidimensional (CFD)

Fig. 4.3 Cilindro bidimensional MTV-PFD

4.2 Vrtice de base em edificaes

Para um vento incidindo normalmente em uma construo fechada paralelepipdica, forma-se um turbilho de eixo horizontal prximo ao solo, com sentido contrrio ao fluxo. Para um caso onde exista uma edificao alta com uma menor a montante, o vento entre as duas edificaes confinado, ocasionando movimentos circulatrios mais velozes (vrtices de base). Esse estudo importante para determinar a influncia do escoamento no conforto dos transeuntes, plantas e para o dimensionamento de elementos estruturais secundrios (Blessmann, 2011).Assim a imagem capturada no escoamento do mini tnel se mostrou bastante semelhante ao descrito e a anlise CFD, com a formao dos vrtices de base e uma regio de baixa velocidade a sotavento da edificao maior (fig. 4.4, 4.5, 4.6).

Fig. 4.4 Vento entre duas edificaes (Blessmann, 2011)

Fig. 4.5 Vento entre duas edificaes (CFD)

Fig. 4.6 Vento entre duas edificaes MTV-PFD

4.3 Vento em construes alteadas, alargadas e profundas

Conforme discutido em 2.4, as construes possuem uma caracterstica de proporo, onde geralmente uma dimenso prevalece sobre as outras. Desta forma, ensaiaram-se as construes de forma a visualizar o fluxo que mais influi nas foras exercidas no modelo.

Fig. 4.7 Vista superior edificao alteada (CFD)Os resultados mostraram-se favorveis, indicando o deslocamento das linhas de corrente, as regies de baixa velocidade, vrtices e regio de esteira. Compara-se as imagens obtidas no mini tnel com as figuras 2.3 a 2.5 e anlise CFD (fig. 4.7 a 4.12).

Fig. 4.8 Vista superior edificao alteada MTV-PFD

Fig. 4.9 Vista lateral edificao profunda (CFD)

Fig. 4.10 Vista lateral edificao profunda MTV-PFD

Fig. 4.11 Vista lateral edificao alargada (CFD)

Fig. 4.12 Vista lateral edificao alargada MTV-PFD

4.4 Vento em perfil aerodinmico

Para perfis aerodinmicos a fora de arrasto exercida em perfis com ou sem ngulo de ataque, j com ngulo de ataque so preponderantes as foras de sustentao (Munson, 2004).Comparando-se as duas anlises CFD, verifica-se uma grande regio de esteira na parte superior do perfil com ngulo de corda, enquanto na ausncia de inclinao observa-se um fluxo bem menos perturbado.

Fig. 4.13 Perfil aerodinmico sem ngulo de ataque (CFD)Em ambos os casos, as imagens obtidas no mini tnel foram coerentes com as reproduzidas pelo software (fig. 4.13 a 4.16).

Fig. 4.14 Perfil aerodinmico com ngulo de ataque (CFD)

Fig. 4.15 Perfil aerodinmico sem ngulo de ataque MTV-PFD

Fig. 4.16 Perfil aerodinmico com ngulo de ataque MTV-PFD

5 CONCLUSO

O equipamento projetado e construdo mostrou-se bastante coerente com os objetivos desejados, sendo uma ferramenta didtica apropriada no ensino de vrios fenmenos e atravs de vrios modelos. O projeto buscou encontrar na literatura parmetros e recomendaes de autores que estudaram exaustivamente os tneis de vento. Na execuo do projeto, foram encontradas vrias dificuldades, como na seleo de materiais, na conduo da fumaa e no sistema de iluminao, porm atravs da pesquisa e da anlise dos fatores envolvidos foi possvel encontrar solues satisfatrias para os problemas.Novos projetos podem ser realizados para aumentar os recursos do mini tnel de vento, fazendo-se instrumentao para vrias tomadas de presso em um modelo, instalando-se uma balana aerodinmica, mecanismo para movimentao de modelos, entre outros sensores.

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