Vortex Generators

Vamos falar um pouco sobre os geradores de vórtices (vortex generators) . Vocês sabem o que são e qual a principal função destes dispositivos? Bem, os geradores de vórtices são dispositivos passivos de controle de escoamento. Estes dispositivos são utilizados para corrigir o descolamento do escoamento em determinados componentes aerodinâmicos. Os mencionados descolamentos podem ocorrer em função do gradiente adverso de pressão, ou por efeitos localizados como a interação da onda de choque com a camada limite. Neste segundo caso, um fenômeno típico de aeronaves que voam em altas velocidades (a partir do regime transônico).

Diferenças e características de projeto

Existem diferentes disposições para a configuração dos geradores de vórtices, entre as mais comuns temos a co-rotativa e a contra-rotativa, conforme ilustrado nas imagens a seguir. O princípio de funcionamento destes dispositivos está no fato do escoamento local possuir um desalinhamento, ou ângulo de ataque, com a geometria do dispositivo. Este desalinhamento gera um vórtice que é convectado pelo escoamento e tem como principal função aumentar a quantidade de movimento na região próxima a parede. Assim, ajudando a diminuir ou até mesmo eliminar o descolamento no componente aerodinâmico.

A imagem abaixo mostra o desalinhamento do escoamento com o gerador de vórtice e como consequência, temos a emissão do vórtice. Este vórtice tem uma determinada intensidade e uma posição em relação à parede. Estas características são dadas em função da forma do gerador de vórtice, da altura e alongamento do mesmo. Iremos abordar estes detalhes geométricos do projeto mais a frente.

Estes componentes podem ter diferentes formas geométricas, tais como: retangulares, quadradas, trapezoidal, entre outras tais como os “fishbones”.

Para projetar estes componentes é necessário ter informação da altura da camada limite, do ângulo de ataque local (na região onde se pretende instalar os dispositivos) e a localização do descolamento do escoamento. A partir destes dados, uma série de decisões de projeto serão tomadas, entre estas à forma do gerador de vórtice, a altura do mesmo (esta altura é dada em relação à altura da camada limite), a região onde o gerador será instalado, a quantidade de geradores e o espaçamento entre os mesmos.

Em geral os seguintes “guidelines” devem ser observados:

• altura dede ser igual a da camada limite podendo chegar até duas vezes este valor,
• alongamento entre 0.25 e 1.0,
• afilamento entre 0.6 e 0.8 para aumentar o carregamento na ponta do gerador,
• ângulo de incidência entre 10° e 20°,
• espaçamento entre os geradores de 3 a 6 vezes a altura do gerador e
• posicionamento em torno de 20 vezes a espessura da camada limite na frente da região com o descolamento do escoamento.

A minha experiência, realizando uma série de simulações numéricas com estes componentes, indica que o projeto destes dispositivos é muito sensível a pequenas variações dos valores escolhidos para os parâmetros indicados no “guideline”. Obviamente, isso tudo depende da característica do escoamento sobre a superfície de interesse.

Para obtermos bons resultados com o uso dos geradores de vórtices é necessário realizar um estudo sistemático através de várias simulações numéricas e, assim, sermos capaz de obter uma ou duas configurações que poderão ser testadas em voo. Não é recomendável partir para os ensaios em voo sem antes ter realizado as simulações numéricas, pois isto poderá, muito provavelmente, implicar em uma grande quantidade de horas de voo para se obter a melhor configuração. Podendo, até mesmo, não se chegar a esta configuração.

Exemplos de vortex generators instalados em algumas aeronaves

• Na asa das aeronaves com intuito de diminuir o decolamento do escoamento provocado pela onda de choque e assim ganhar margem na fronteira de buffeting:

• Na região dos ailerons com objetivo de melhorar o descolamento nesta região e assim obter uma maior controlabilidade da aeronave:

• Nos painéis de flap da aeronave para diminuir as regiões de descolamento deste componente e na empenagem vertical para diminuir o descolamento no leme em situações de derrapagem.

• Nariz da aeronave para diminuir o possível descolamento na proximidade do pára-brisa e que leva a um ruído na cabine.

• Região do cone de cauda para corrigir um eventual descolamento na região do trailing edge do profundor com a junção da fuselagem.

Referências para quem tiver interesse em se aprofundar neste assunto

1. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19790015749.pdf
2. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19930086739.pdf
3. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19930084254.pdf
4. http://naca.central.cranfield.ac.uk/reports/arc/cp/0729.pdf

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