Controle do Fluxo de Ar em Torno de Cilindro Quadrado com Atuadores de Plasma

O Fluxo de Ar em torno de um cilindro quadrado montado na parede é um assunto importante em várias áreas, incluindo engenharia. Esse modelo ajuda a representar formas comuns encontradas em veículos e aeronaves, como espelhos e trens de pouso. Ao longo dos anos, os pesquisadores estudaram esse fluxo pra entender melhor como ele se comporta. O foco principal tem sido em como os Vórtices, ou fluxos giratórios, se formam ao redor do cilindro. Existem quatro tipos principais de vórtices envolvidos: o vórtice de ponta, vórtice em extensão, vórtice em forma de ferradura e vórtice de base. Cada um deles tem um papel em como o ar se move ao redor do objeto.

A relação de aspecto do cilindro, que é a razão entre sua altura e sua largura, é um fator importante em como esses vórtices se formam. Quando a relação de aspecto é menor que um certo valor, o fluxo de ar tende a criar um padrão de vórtice forte e regular. Mas, se a relação de aspecto é maior, o padrão se torna mais complexo e menos previsível. Ao controlar o fluxo ao redor do cilindro, os pesquisadores podem reduzir o arrasto e melhorar o desempenho. Existem dois tipos principais de controle: passivo e ativo. Métodos de controle passivos mudam a superfície do cilindro pra gerenciar o fluxo, enquanto métodos de controle ativos, como usar Atuadores de Plasma, introduzem energia no fluxo pra mudar seu comportamento.

#O Uso de Atuadores de Plasma

Os atuadores de plasma são dispositivos que usam energia elétrica pra melhorar o fluxo de ar. Eles consistem em dois eletrodos com um material dielétrico entre eles. Quando uma alta voltagem é aplicada aos eletrodos, ela ioniza o ar ao redor. Isso cria um vento de plasma, permitindo um melhor controle do fluxo de ar ao redor do cilindro. Estudos recentes mostraram que atuadores de plasma podem ser muito eficazes em gerenciar o fluxo de ar ao redor de diferentes formas, incluindo cilindros quadrados.

Nesse estudo, queríamos ver quão bem os atuadores de plasma poderiam ajudar a controlar o fluxo ao redor de um cilindro quadrado montado na parede. Analisamos diferentes configurações de atuadores de plasma pra descobrir como eles influenciam o fluxo de ar e as forças que atuam no cilindro.

#Configuração Experimental

Realizamos nossos experimentos em um túnel de vento, que é um ambiente controlado projetado pra estudar os efeitos do fluxo de ar em objetos. O modelo que usamos foi um cilindro quadrado feito de acrílico, medindo 20 mm de largura e 80 mm de altura. Instalamos dois atuadores de plasma: um na superfície superior e outro na superfície traseira do cilindro.

Pra medir quão bem os atuadores funcionavam, usamos um sistema de velocimetria por imagem de partículas (PIV), que usa uma câmera e laser pra visualizar o fluxo de ar ao redor do cilindro. Também medimos a força de arrasto que atua no cilindro usando uma célula de carga, que é um dispositivo que pode detectar quanta força é aplicada a ele.

#Resultados e Discussão

#Visualização do Fluxo

O fluxo de ar criado pelos atuadores de plasma foi cuidadosamente analisado pra entender seu impacto no comportamento do fluxo. Quando apenas o atuador superior foi ativado, ele criou um fluxo que ajudou a reconectar o ar de volta ao cilindro, diminuindo o tamanho da área de recirculação atrás dele. Isso é importante porque uma zona de recirculação menor significa menos arrasto atuando no cilindro.

Por outro lado, quando apenas o atuador traseiro foi ligado, descobrimos que o fluxo de ar poderia suprimir uma subida indesejada perto da região do rastro, levando a um aumento na troca de momento e a uma redução no gradiente de pressão adverso, diminuindo assim a zona de recirculação.

Quando ambos os atuadores foram ativados ao mesmo tempo, os resultados foram ainda melhores. Essa configuração resultou em uma mudança significativa na estrutura do fluxo de ar. O efeito combinado dos dois atuadores levou a uma região de recirculação menor, um anexo de fluxo mais eficiente e, consequentemente, menos arrasto.

#Análise Estatística

Também fizemos uma análise estatística pra ter uma imagem mais clara das mudanças no fluxo de ar. Medimos as velocidades médias, as oscilações de velocidade e a energia turbulenta total no rastro atrás do cilindro em diferentes cenários de controle.

Os resultados mostraram que, com os atuadores de plasma ligados, a velocidade média aumentou à medida que a zona de recirculação ficou menor. A velocidade oscilante diminuiu, levando a padrões de fluxo de ar mais estáveis. Essa é uma descoberta crucial porque a estabilidade no fluxo de ar leva a um desempenho melhor em aplicações do mundo real.

#Métricas de Desempenho

Os dados coletados mostraram que usar ambos os atuadores levou aos melhores resultados em termos de redução das forças de arrasto. Medimos o coeficiente de arrasto para vários cenários, observando que ativar os atuadores reduziu significativamente o arrasto. A redução foi medida em cerca de 22,7% quando ambos os atuadores foram usados em altas voltagens.

Isso é um avanço importante porque reduzir o arrasto pode levar a uma eficiência melhor em veículos e aeronaves, economizando combustível e melhorando o desempenho.

#Conclusão

Em resumo, nosso estudo demonstrou que usar atuadores de plasma pode controlar eficazmente o fluxo de ar ao redor de um cilindro quadrado montado na parede. A combinação de ambos os atuadores oferece os melhores resultados em estabilizar o fluxo de ar, minimizar o arrasto e melhorar o desempenho aerodinâmico geral.

As descobertas destacam os benefícios potenciais de usar métodos de controle de fluxo ativo em várias aplicações, desde melhorar o design de veículos até aumentar o desempenho aerodinâmico em aeronaves. O uso de atuadores de plasma poderia levar a avanços significativos em muitas áreas da engenharia, tornando-se uma área promissora para futuras pesquisas e desenvolvimentos.