2.972 Como funciona um Hidrofólio

HYDROFOILS
QUESTÕES OU COMENTÁRIOS
Antes de &Até 2.972	AUTOR:	Tina Rosado
	E-MAIL:	[email protected]
	COURSE:	2
	CLASSE/ANO:	2

PRINCIPAL REQUISITO FUNCIONAL: Levantar o casco dos barcos fora de água.

PARÂMETRO DO DESIGN: Hydrofoil(É uma lâmina ou asa debaixo de água usada para levantar o casco dos barcos até ficar totalmente fora de água.)

GEOMETRIA/STRUTURA:

Pormenor da Geometria do Hidrofólio

EXPLANCIAMENTO DE COMO TRABALHA/É UTILIZADO:

1. A baixas velocidades o casco (corpo do navio) fica na água e os hidrofólios são submersos na água.

2. À medida que a velocidade das embarcações aumenta, os hidrofólios criam elevação.

3. A uma certa velocidade, a elevação produzida pelos hidrofólios é igual à soma dos pesos da embarcação e da carga. Portanto, o casco sai da água.

4. Ao invés de ter um aumento no arrasto com aumento de velocidade porque o casco é levantado fora da água (ao contrário do que acontece nas embarcações tradicionais devido ao arrasto por pressão), os hidrofólios proporcionam uma forma mais eficiente de cruzeiro. A diminuição do arrasto contribui para uma melhor utilização da energia necessária para o movimento do barco.

FÍSICA DOMINANTE:

Como é produzido o elevador – Fluid Dynamics.

Para efeitos deste projecto serão apresentadas duas explicações de uma forma geral e básica. Estas teorias são a aplicação da Equação de Bernoullis e da Equação de Eulers para o Efeito Curvatura Racionalizada.

Equação de Bernoullis: Po = P1 + ½

rv1² + rgy1 = P2 + ½rv2² + rgy2

Variáveis	Unidades
Po Pressão de estagnação	ou
P Pressão	ou
r Densidade	ou
V Velocidade	ou
g Constante Gravitacional	ou
y Altura	ou

Pormenor do Hidrofólio: a) Perfil de Pressão b) Transferência de Momento c) Circulação d) Linhas de fluxo

Esta equação aplica-se a fluxos ao longo de uma linha de fluxo que pode ser modelada como: invisível, incompressível, estável, irrotacional e para a qual as forças do corpo são conservadoras. Também a diferença na altura da folha (a distância da secção inferior para a superior) é pequena o suficiente para a diferença rgy2 – rgy1 é insignificante em comparação com a diferença do resto dos termos. O que resta é que a pressão mais metade da densidade vezes a velocidade ao quadrado é igual a uma constante (a pressão de estagnação).
A medida que a velocidade ao longo destas linhas aerodinâmicas aumenta,as gotas pressurizadas (isto se tornará importante em breve). O fluido que se move sobre a superfície superior da lâmina move-se mais rapidamente do que o fluido na parte inferior. A fim de conservar o momento angular causado pela rotação anti-horária dos vórtices, tem que haver uma troca de momento igual, mas oposta, para o vórtice na borda de fuga da folha. Isto leva à circulação do fluido ao redor da folha. O somatório vectorial das velocidades resulta numa velocidade superior na superfície superior e numa velocidade inferior na superfície inferior. Aplicando isto à Bernoullis observa-se que, à medida que a folha corta o fluido, a mudança de velocidade produz a queda de pressão necessária para o elevador. Como é apresentado no diagrama, a força resultante ou força líquida (force= (pressão)(área)) é ascendente. Esta explicação pode ser enriquecida com o Princípio de Conservação do Momento (Momentum = (massa)(velocidade)) Se a velocidade de uma partícula com um momento inicial é aumentada, então há um momento reativo igual em magnitude e oposto em direção à diferença dos momentos. (Ver diagrama).(Mi = Mf + DM)

Eulers Equation: d(p+rgy)/dn = rv²/R

Variáveis	Unidades
P Pressão	ou
r Densidade	ou
V Velocidade	ou
g Constante Gravitacional	ou
y Altura	ou
n Vector na Direcção Radial	–
R Raio de Curvatura de Curvatura da Linha de Ar	ou

Detalhe de Pressão em Pontos Sobre um Diâmetro de Ar

Aqui novamente, o termo referente à altura é considerado insignificante em comparação com os outros termos da equação. Esta equação diz que à medida que se vai mais longe do centro do raio de curvatura de uma linha de fluxo, a pressão sobre as linhas de fluxo aumenta. A superfície superior da folha está mais próxima do centro de curvatura das linhas de fluxo, portanto, haverá uma pressão menor do que a pressão ambiente sobre a folha. A diferença entre a pressão na superfície superior e a pressão ambiente na superfície inferior produzirá uma pressão líquida que provocará a elevação.(Seediagrama.)

Angulo de Ataque:

Angulo de Ataque

Como foi apresentado, o elevador vem da dinâmica do fluido nas áreas que circundam a folha. Mas o elevador pode ser otimizado posicionando o hidrofólio em um ângulo (relativo ao fluxo de fluido que entra) chamado ângulo de ataque (Veja diagrama). O objetivo é otimizar a relação entre o elevador e o arrasto. Esta razão depende da forma da folha, que neste caso é considerada uma folha fina. Com um pequeno ângulo de ataque, a elevação aumenta rapidamente enquanto o arrasto aumenta a uma pequena velocidade. Após um ângulo de ~10°, a elevação aumenta lentamente até ~15°, onde atinge o máximo. Depois de um ângulo de ~15°, o elevador pode se fixar. Quando o ângulo de ataque é de 3° a 4° a relação elevação:arrasto está no seu máximo.Então a folha é mais eficiente nesses ângulos (3° e 4°) com relações elevação/deslocamento de ~20 a 25:1

FÍSICA DE LIMITAÇÃO:

Pormenor da Geometria do Hidrofólio

No início, as pessoas podem pensar que o emperramento é provável que seja um problema em hydrofoils como é em airfoils, mas surpreendentemente não é. Um ângulo de ataque íngreme não é necessário no desenho do aerofólio. Pelo contrário, pequenos ângulos de ataque são usados em hydrofoils para optimizar a relação entre o elevador e o arrasto, como explicado anteriormente.

O que é uma preocupação principal é o desenho da lâmina, das escoras/suportes, e o seu posicionamento. Todas estas características têm que ser levadas em consideração. Assim, as características são projetadas para produzir uma velocidade mínima que elevará o barco de determinado peso e manterá a lâmina.

Um problema que uma embarcação de hidrofoil pode experimentar é a altura das ondas mais altas do que as escoras. Além disso, se a embarcação estiver viajando mais rápido que as ondas, a película pode quebrar à superfície e fora da água, resultando em perda de elevação e um ângulo de ataque negativo quando a película mergulha na próxima onda, fazendo com que a embarcação caia no mar. Os engenheiros projetaram perfis hidrodinâmicos para minimizar essas similaridades e melhorar o desempenho do navio.

PLOTS/GRAPHS/TABLES:

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DESSEU USO:

Hidrofoils tornaram-se muito populares. Eles são usados em vários tipos de viagens marítimas, desde o uso militar até esportes aquáticos. A alta velocidade, o cruzeiro suave e as melhores curvas entregues pelos hidrofólios têm sido usados em navios militares. A vela também tem adotado os hidrofólios para ganhar mais velocidade. Eles permitem novas invenções que podem satisfazer o desejo das pessoas de desafiar o perigo, como o sky ski. É um esqui aquático com um hydrofoilattached que permite que as pessoas voem acima da superfície da água. Cada dia mais hydrofoils são usados, e no futuro, podem ser o método dominante de viagens marítimas.

REFERÊNCIAS/MUITO MAIS INFORMAÇÕES:

Veja também neste site: Airfoil, Sailboats

Alexander, Alan, James Grogono, e Donald Nigg; Hydrofoil Sailing. JuanitaKalerghi: Londres, 1972.

Bertin, John e Michael Smith; Aerodinâmica para Engenheiros, Third Ediotion.Prentice Hall: New Jersey, 1998.

Hook, Cristopher e A.C. Kermode; Hydrofoils. Pitman Paperbags: Londres, 1967.

The International Hydrofoil Societys Web Page:http://www.erols.com/foiler/index.html