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Os Túneis de Vento e a F1 PDF Print E-mail
Written by Administrator   
Saturday, 18 June 2011 09:26

 

Quem acompanha o auto-mobilismo há algum tempo (algumas décadas, sejamos realistas) está razoavelmente familiarizado com a impor-tância do estudo da aerodi-nâmica nos carros de corrida. Esta não é uma ciência tão nova e, no caso das competições automobilísticas, muito foi “importado” da indústria aeronáutica.

 

 

Foi na segunda metade dos anos 60 que os carros de corrida (primeiramente os monopostos, posteriormente, os demais) começaram a receber “apêndices aerodinâ-micos” para otimizar seus desempenhos, especialmente em curvas, propiciando o contorno das mesmas em velocidades cada vez maiores. Os primeiros “apêndices” eram praticamente pranchas retas, que sob alguma inclinação, conseguiam produzir um efeito positivo e um ganho real ao carro que a usava. Com o passar do tempo, elas deixaram de ser apenas uma “prancha”, e passaram a ganhar formas que certamente não tinham como ser desenvolvidas simplesmente “à sentimento”. Era preciso estudo e aí começa a relação do automobilismo com os túneis de vento.

 

 

Um recurso desde há muito usado na indústria aeronáutica, os túneis de vento começaram a ser utilizados no automobilismo ainda nos anos 70. Os túneis de vento, de uma maneira geral, tem como objetivo a otimização aerodinâmica através de testes, geralmente em modelos em escala. Especialmente projetados para simular o fluxo de ar, como ao ar livre e velocidade de fluxo o mais próximo possível da realidade, simulando o movimento do objeto a ser testado. O uso correto do túnel de vento foi, com o tempo, tornando-se vital na busca da fluidez aerodinâmica e na busca de evitar “não uniformidades” ou “áreas de turbulência”.

 

 

O Lotus 72, de Colin Chapman, e o March 711, pilotado por Ronnie Peterson, ambos no início dos anos 70. O início dos aerofólios. 

 

Além do seu propósito, os túneis de vento passaram por processos de aperfeiçoamento tamanho em sua construção e propósito de trabalho que um problema de construção do mesmo pode gerar resultados falsos e consequentemente, o projeto desenvolvido com aqueles parâmetros, não vir atender ou atingir os objetivos projetados. Da mesma forma, um erro de leitura de dados ou interpretação – como era no início, com menos informática – fazer com que se viesse a tomar decisões erradas sobre um projeto.

 

No início, os túneis de vento eram como um grande funil, aberto para a atmosfera, com um ventilador para sugar o ar da atmosfera, passando o ar pelo interior de uma câmara e saindo por outro lado. Estes são chamados de túneis de circuito aberto. Neste tipo de túnel de vento, o ventilador – localizado na entrada do mesmo – sopra o ar para dentro dele. Embora haja uma turbulência na entrada, a tela de difusão que se instala após o ventilador tem como reduzir a baixos níveis a instabilidade de baixa frequência na câmara de experimento. Mesmo sendo este efeito indesejado minimizado, a exaustão do sistema volta a ser turbulenta e não uniforme.

 

 

Maquete de um tunel de vento de circuito aberto. Este túnel é uma representação do primeiro instalado na América do Sul. 

 

Apesar de, para os dias de hoje, não ser o mais adequado para carros com alto nível de sofisticação como os desenvolvidos para a Fórmula 1, os mesmos ainda são muito úteis para estudos de outras categorias e mesmo para a indústria automobilística de uma forma geral. Afinal, nas revistas especializadas e comum vermos um dado chamado “coeficiente de atrito” ou “coeficiente de arrasto” quando são dadas as especificações técnicas de um modelo.

 

Voltando ao mundo tecnológico e sofisticado da Fórmula 1, esta costuma usar há algum tempo os chamados túneis de vento de circuito fechado. Estes túneis tem como característica um sistema onde um ventilador axial, que gera um fluxo de ar mais uniforme que os dos túneis de circuito aberto, produz o efeito de deslocamento no objeto de teste. Túneis de vento de grande porte como os hoje utilizados pelas equipes de Fórmula 1 e – por exemplo – pela Dallara, que produz os carros da Fórmula Indy, são uma escolha natural. Contudo, um cuidado muito grande é preciso para se evitar variações no fluxo de ar, tanto na entrada da câmara como dentro dela.

 

 

Oreste Berta foi um pioneiro no continente, sendo o primeiro a ter o seu próprio túnel de vento para estudos de aerodinâmica. 

 

As câmaras de teste dentro dos túneis de vento de circuito fechado costumam ser retangulares, com ângulos de 90 graus nos seus corners e estes são, potencialmente, pontos de formação de turbulências. Para evitar estas indesejáveis zonas de turbulência, os engenheiros desenvolveram uma espécie de "respiros", alguns dotados de ventiladores menores e auxiliares, que tem a função de estabilizar o fluxo de ar dentro da câmara. Uma das formas de se verificar o comportamento do ar dentro da câmara e a colocação de algum tipo de fumaça no fluxo de ar e ver como ela se comporta. Este recurso também é utilizado nos túneis de vento de circuito aberto.

 

O mais interessante no uso deste tipo de recurso é que não há aumento na pressão interna da câmara uma vez que os respiros – com ou sem ventiladores auxiliares – são estrategicamente instalados nos pontos onde são medidas as variações de pressão da câmara. Alem disso, existe a construção do sistema de estabilização de fluxo, que em muito se parece com a formação dos favos de mel de uma colméia. Para finalizar o processo, o circuito é fechado, com o ar circulando em um espaço restrito, podendo assim ter sua temperatura e densidade controladas (a captação e exaustão de ar são feitas de forma indireta, mas existe. Do contrário, as paredes de um túnel de vento de circuito fechado implodiriam!).

 

 

No desenho acima, o leitor poderá ver como são dispostos os equipamentos de um túnel de vento de circuito fechado. 

 

A maioria dos túneis de vento de circuito fechado, dotados de ventiladores axiais, produzem um aumento de pressão estática, mas sem aumento considerável da velocidade axial ou da pressão dinâmica. O projeto destes ventiladores é uma questão de considerável complexidade, havendo a necessidade de parâmetros específicos em seus projetos para a finalidade à qual ele será utilizado. No caso dos túneis de vento das equipes de Fórmula 1, eles são construídos para aquela finalidade. É claro que, no início do uso deste recurso, as equipes não saíram investindo milhões de dólares na construção de seus próprios túneis de vento. Elas alugavam túneis de vento existentes... mas a realidade foi mudando com o passar do tempo.

 

Nos dias de hoje, na verdade há algum tempo, as principais equipes de Fórmula 1 passaram a ter seus próprios túneis de vento, construídos dentro de especificações e metodologias dentro das necessidades que cada uma julgou serem as melhores para se obter os resultados o mais próximos da realidade. Logicamente estas especificações são “segredos trancados à sete chaves”. Afinal, neste competitivo micro universo, ninguém revela seus segredos.

 

 

Um dos artifícios utilizados pela equipe que trabalha nos túneis de vento é colocar algum tipo de "corante" para ver o fluxo do ar. 

 

Os túneis de vento na Fórmula 1 – isso é uma estimativa – são capazes de gerar um fluxo contínuo e uniforme acima dos 80 metros por segundo, o que simularia um carro estar próximo dos 300 Km/h. As simulações podem ser gerais e/ou específicas, analisando o conjunto como um todo ou apenas buscando otimizar partes do conjunto. O modelo é instalado na seção de teste por meio de fixação um suporte vertical, com um equilíbrio de força localizado no modelo para medir as forças aplicadas devido ao fluxo de ar. Se no início as equipes usavam modelos em escala, atualmente ninguém mais o faz. São carros em escala real que são submetidos aos testes.

 

Assim como o ar sendo soprado sobre o carro, para simular o fluxo de ar ao redor do carro, como se estivesse em movimento, com precisão também requer o uso de sistema de rolamento. Em termos simplistas, seria algo semelhante a uma correia transportadora de grande porte, mas que funciona a velocidades muito mais elevadas para corresponder ao da velocidade do ar. É esse cinturão em movimento que simula o movimento de carros de corrida ao longo da terra, que é particularmente importante, com carros de Fórmula 1, que trabalham a uma grande proximidade do solo. Este sistema também permite o fluxo precisa ser simulado em torno dos pneus, precisamente como eles são. Assim, fazê-los girar com a velocidade sobre a correia simula as variações que eles provocam na aerodinâmica do conjunto.

 

 

Em um túnel de vento feito em escala natural, ou 1:1, como são chamados, nada é pequeno, só os detalhes. Já o custo, este é bem alto!

 

Durante cada teste é comum que o modelo a ser levado para diferentes posições “heave” e “pitch”, que seriam as variações de altura do carro dadas as imperfeições das pistas. Isto vai simular a variação de comportamento do carro durante o curso de uma corrida. O modelo também pode ser testado em um ângulo para o vento, que permite a aerodinâmica para medir o efeito de ventos cruzados. Portanto, simulando o que acontece e o quando os cantos do carro são afetados por estas forças.  Isto vai permitir a analise do desempenho aerodinâmico do carro e sua sensibilidade para diversas condições. Esta análise permite mudanças de geometria no carro para ser avaliado e mudanças a serem feitas para melhorar o seu desempenho.

 

Apesar de todo este investimento em tecnologia e em horas de trabalho (existem equipes que fazem seus túneis de vento funcionar por dias a fio, sem interrupções), a informática e a computação gráfica avançam rápida e diariamente e uma tecnologia recente – a Dinâmica dos Fluidos Computacional – parece ser o futuro dos sistemas de desenvolvimento dos carros de Fórmula 1 assim como os primeiros túneis de vento alugados por Colin Chapman para fazer seus estudos sobre os carros asa.

 

 

No melhor estilo "Red Bull te dá asas", aqui temos uma visão aérea do túnel de vento da equipe austríaca. Detalhes? impossível! 

 

A Dinâmica dos Fluidos Computacional, ou simplesmente CFD, usa um software para modelar os efeitos que um fluido - neste caso o ar - terá sobre o carro, partindo de uma série de equações de dinâmica de fluidos para calcular o efeito em cada superfície, em uma projeção tridimensional. Em seguida, calcula como essas forças irão trabalhar em conjunto. O programa pode produzir resultados para análise de downforce e sublinhando de componentes que se mostram mais úteis para as equipes de F1. Apesar desta tecnologia ser também utilizada pelas equipes que possuem sofisticados túneis de vento, servindo como parâmetro de comparação com os resultados físicos obtidos, em 2010, pela primeira vez, uma equipe da categoria apresentou um projeto 100% desenvolvido com a  Dinâmica dos Fluidos Computacional .

 

A Virgin – hoje Marussia – foi a primeira equipe valer-se exclusivamente deste recurso, em 2010. Se o resultado, comparado com os demais carros da categoria pode ser tido como pouco ou nada satisfatório, se formos analisar que o carro feito com esta tecnologia ficou “apenas 4 segundos” mais lento que os carros das grandes equipes, com seus orçamentos astronômicos e seus sofisticados túneis de vento, este “abismo temporal” pode ser considerado pequeno.

 

    

A Virgin - hoje Marussia - foi a primeira a fazer um carro 100% à base de CFD. Quem sabe, num futuro próximo, todos serão assim. 

 

Quem sabe a Dinâmica dos Fluidos Computacional não acabará vindo a ser um fator de vital importância na redução dos custos da categoria... não custa nada sonhar!

 

Um abraço,

 

Luiz Mariano

 

Last Updated ( Sunday, 19 June 2011 04:57 )