Testes em Túnel de Vento de laboratório

Karolina Thiesen

Os equipamento que conseguem simular deslocamentos de ar com intensidades variáveis são chamados de túnel de vento e são feitos para analisar o desempenho aerodinâmico de construções em escala reduzida, utilizando maquetes. Os ensaios permitem determinar os efeitos da carga de vento sobre estruturas de edifícios, pontes e outras estruturas especiais, fornecendo ao projetista dados que aumentam a confiabilidade do cálculo estrutural. No túnel de vento, também é possível determinar a influência das edificações próximas e da topografia do entorno da construção, analisar a ventilação dos ambientes internos e avaliar a qualidade do ar interior em relação à dispersão de poluentes e contaminantes. Sua aplicação está diretamente relacionada às situações que exigem informações com mais exatidão e confiabilidade ou quando o conhecimento a respeito das cargas de vento recai sobre condições que fogem às previstas nas normas técnicas.

A ação dos ventos é um dos fatores mais importantes a serem considerados no dimensionamento de estruturas e coberturas das construções.

A incidência de ventos fortes na fachada da edificação pode produzir efeitos indesejáveis para o projeto e para os usuários - como vibrações exageradas na estrutura, momentos excessivos nas fundações e grandes velocidades e turbulências nas áreas de circulação de pedestres. Caso não seja adequadamente considerada, a força do vento também pode causar danos à cobertura, em especial àquelas com grandes superfícies inclinadas (veja ilustração).

1.       Estádios da Copa

              A                                                                         B

A) Uma maquete em escala 1:200 da Arena Castelão, construída em Fortaleza, passou por ensaio no túnel de vento do IPT em 2011. Nela foram instaladas 180 tomadas de pressão na cobertura do estádio. No entanto, como a arquitetura do estádio previa uma estrutura praticamente simétrica, os dados medidos puderam ser adotados em outros pontos do projeto. Assim, os resultados obtidos eram equivalentes a um ensaio com cerca de 360 tomadas de pressão.

B) A Arena Pantanal, em Cuiabá, foi outro estádio da Copa ensaiado no túnel de vento do IPT. Foram instaladas 308 tomadas de pressão na maquete do estádio para obter os coeficientes de pressão na região da cobertura e os carregamentos de vento nos sistemas de fechamento. Nesse caso particular, incluiu-se nos ensaios uma maquete do ginásio Aecim Tocantins, que fica muito próximo à arena e, por isso, influencia nos ventos incidentes no estádio.

O túnel de vento do IPT e seu similar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) são os dois equipamentos atualmente mais utilizados no País para ensaios de modelos reduzidos de pontes e edifícios. Também existe um túnel de vento de grandes dimensões no Instituto Tecnológico da Aeronáutica (ITA), em São José dos Campos (SP), mas suas horas de trabalho são mais dedicadas a projetos de aviões e similares.

O túnel do IPT tem estrutura metálica, fechamento de madeira e janelas de vidro próximas à barreira castelada e à mesa giratória. Tem, no total, 40 m de comprimento. A câmara de ensaio tem cerca de 28 m de comprimento e 6 m² de seção interna.

2.       Ensaios de túnel de vento para equipamentos eletrônicos

Fonte: http://br.omega.com/artigos-tecnicos/importancia-dos-testes-em-tunel-de-vento-de-laboratorio.html

As taxas de falhas de muitos componentes eletrônicos elevam-se com a temperatura. Este é um problema que desafia os projetistas, já que a crescente densidade de transistores significa que os dispositivos geram mais watts por centímetro quadrado do que nunca. Técnicas de modelagem CFD predizem a eficácia de abordagens de dissipação de calor, como dispersar componentes e adicionar dissipadores de calor e ventiladores, mas o teste permanece uma etapa essencial. 

Embora ensaios em bancada possam ser suficientes para alguns componentes e placas, uma abordagem melhor é colocá-los em um túnel de vento. Testes em túnel de vento geralmente são planejados em conjunto com a aerodinâmica, mas também são um método importante de teste de eletrônicos. Apenas em um túnel de vento o fluxo de ar pode ser manipulado para a avaliação dos efeitos do resfriamento da ventoinha, por exemplo. 

2.1. Teste do Túnel de Vento para Confiabilidade  

O principal uso do túnel de vento de laboratório é caracterizar e verificar a modelagem do desempenho térmico de componentes eletrônicos e do PCB. Isto é muito importante para garantir as baixas temperaturas necessárias para uma operação confiável, e é especialmente importante para hardware sujeito a NEBS ou padrões similares.

 2.2. Necessidade de Gerenciamento Térmico

À medida que a densidade do transistor continua subindo, os microprocessadores consomem mais energia e liberam mais calor. O resfriamento é essencial para uma operação confiável, por esta razão os dissipadores de calor aumentaram de tamanho, as ventoinhas se tornaram mais potentes e tubulações de calor agora são mais comuns. Contudo, os processadores não são a única fonte de calor. Cada componente eletrônico ativo gera calor, e o projeto dos circuitos modernos os juntam em densidades maiores. 

A confiabilidade do componente eletrônico é inversamente proporcional à temperatura de operação, de modo que mais calor exige mais resfriamento. Para confiabilidade no longo prazo, as temperaturas na junção do componente devem ser mantidas abaixo de 75°C (167°F).

Algumas aplicações, particularmente onde as garantias e os ciclos de vida são longos, exigem altos níveis de confiabilidade: situações onde o acesso é difícil e caro, ou onde o tempo de inatividade incorre custos altos ou perda de receitas. Um desses setores, em particular, é o da rede pública de telefonia comutada (PSTN). Organizações como a Bell, e, agora, a Telcordia, colocam grande ênfase na obtenção de alta confiabilidade para componentes eletrônicos por períodos de 20 anos ou mais.

2.3. NEBS

Visando garantir que os comutadores da rede teriam desempenho confiável por extensos períodos, na década de 1970 a empresa Bell Labs desenvolveu um conjunto de normas que se tornou conhecido como os critérios NEBS. Embora hoje sejam mais conhecidos como Requisitos Genéricos (GR), estas permanecem como normas primárias que regem o desempenho dos equipamentos de telecomunicações. A FCC exige níveis muito elevados de tempo de funcionamento para a PSTN, o que foi a força motriz por trás do desenvolvimento dos critérios NEBS. Mesmo quando sua utilização não é obrigatória, como em redes sem fio, os operadores do sistema preferem usá-los, devido à confiabilidade comprovadamente alta resultante. 

2.4. Uso de um Túnel de Vento para Verificação e Teste de Modelos

Em qualquer processo de desenvolvimento, é importante identificar os problemas desde cedo, preferivelmente antes de se investir dinheiro em ferramentas e manufatura. Isso reduz o risco de falhas no teste que muitas vezes acabam forçando um redesenho caro e apressado e atrasos no lançamento. Com preocupações sobre o calor sendo um importante fator no projeto eletrônico, tornou-se prática padrão construir modelos de CFD antes da construção dos componentes físicos e placas. Esses permitem fluxos de calor em projetos diferentes e, assim, ajudam a aprimorar a confiabilidade. No entanto, independentemente de quanta modelagem ocorra, a verificação ainda é uma etapa essencial. É aí que o túnel de vento se torna um equipamento fundamental. 

Com um túnel de vento de laboratório, os componentes e as placas podem ser montados em um fluxo de ar e instrumentados com termopares. A placa ou componente pode ser energizado e submetido a testes de geração de calor, com registro das temperaturas resultantes para comparação com previsões de modelos. Alternativamente, a colocação de diferentes projetos de protótipo lado a lado (como dissipadores de calor) permite uma comparação direta do desempenho. Em alguns túneis de vento, o ar pode ser aquecido a uma temperatura específica para o teste do desempenho sob variadas condições ambientais (isto é importante para NEBS, onde o desempenho confiável com alimentação por bateria sem sistemas de resfriamento é altamente desejável).

 

2.5. Utilização de Um Túnel de Vento para Calibração

Os túneis de vento de laboratório têm usos além da verificação de modelagem CFD. Eles podem ser usados para calibrar os sensores de ar e de temperatura e também para a calibração de anemômetros. Estes podem ser do tipo hélice, fio condutor aquecido ou anemômetros de tubo de Pitot. 

Outro uso semelhante a calibração para túneis de vento de laboratório é a geração de curvas P-Q para ventoinhas. As curvas P-Q caracterizam o desempenho de ventoinhas e, assim, são um importante critério de seleção. Vários requisitos para a calibração de anemômetros devem ser levados em conta:

Todos os transdutores e equipamentos de medição devem ter calibrações rastreáveis.

Relatórios e certificados de calibração devem conter todas as informações relevantes de rastreabilidade.

Antes de cada calibração, a instalação deve ser verificada por meio de calibração comparativa de um anemômetro de referência.

A repetibilidade da calibração deve ser verificada.

Uma avaliação da incerteza da medição deve ser realizada de acordo com as diretrizes.

A fim de assegurar a repetibilidade da instalação, devem ser executadas cinco calibrações de um anemômetro de referência. A diferença máxima entre essas calibrações deve ser inferior a 0,5% na velocidade de vento de 10 m/s. Os arranjos da montagem podem ter efeitos dramáticos na

sensibilidade do instrumento.

 

2.6. Túneis de vento de laboratório comercializados atualmente

Uma gama completa de túneis de vento de laboratório é comercializada atualmente. Estes vão desde o compacto e barato até túneis de vento de alta qualidade, para pesquisas. Todos incorporam recursos para minimizar a turbulência do ar, tais como estruturas em favo de mel, e são projetados para alta precisão e repetibilidade. 

Ideais para teste NEBS, os túneis de vento de circuito fechado em bancada de nível laboratorial recirculam o ar, em vez de expeli-lo na sala. Este projeto é vantajoso para o teste de placas e componentes em ar quente, já que ele chega à temperatura rapidamente e fornece boa estabilidade térmica. A seção de teste de policarbonato mede 41,8 por 22,5 por 8,9 cm. Velocidades de ar de até 7 m/s (1200 pés/min) podem ser programadas através do controlador e o ar pode ser aquecido a 85°C com uma exatidão de ±1°C. 

3.    Túnel de água

Um túnel de água é uma instalação experimental usada para testar o comportamento hidrodinâmico de corpos submersos em água corrente. É muito semelhante a um túnel de vento de recirculação, mas com água como fluido de trabalho, e fenômenos relacionados são estudados, tais como a medição das forças sobre modelos em escala de submarinos ou sustentação ou arrasto em hidrofólios.

Engenheiros da Universidade de Miami, nos Estados Unidos, estão iniciando os estudos de viabilidade para a construção de um túnel de água para estudos avançados de dinâmica de fluidos.

3.1.  Estudos hidro e aerodinâmicos

O projeto visa criar uma alternativa para os conhecidos túneis de vento, criando o maior túnel de água do mundo, chamado WTAPC (Water Tunnel of the Americas at the Panama Canal).

"Um túnel de água é a progressão natural de um túnel de vento de pesquisas," diz Antonio Nanni, gerente do projeto. "A água e o vento têm efeitos similares sobre as estruturas e os materiais, mas, com a água, pode-se maximizar o efeito dinâmico, porque a água é mais densa do que o ar."

O gigantesco laboratório poderá trazer benefícios para várias indústrias, incluindo a aeroespacial, naval e da construção civil, além da indústria automobilística. O túnel também permitirá aos cientistas determinar as forças de condições climáticas extremas em edifícios e estruturas, replicando as condições de vida real em uma escala maior do que é atualmente possível.

O túnel de água terá uma seção de teste de 4 x 4 metros (m) de largura por 20 m de comprimento, e deverá gerar uma velocidade da água de até 20 m/s.

Uma condição essencial para o desenvolvimento das pesquisas é que esse fluxo seja mantido por, pelo menos, 60 segundos. Nenhum túnel de água no mundo hoje supera qualquer um desses quesitos. Os túneis de água já existentes são circuitos fechados que usam motores elétricos e bombas para forçar a água através de um duto.

O novo túnel deverá ser mais "verde", aproveitando a queda natural da água captada na barragem Meddem, do Canal do Panamá, que fluirá periodicamente através do túnel, dispensando o bombeamento e o gasto de energia. Além do túnel de água propriamente dito, o laboratório exigirá um sistema de supercomputação, capaz de processar todos os dados gerados a cada experimento.

4.       Referências:

     Inovação tecnológica - Maior túnel de água do mundo vai superar os túneis de vento- Disponível em: <http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=tunel-de-agua-aerodinamica#.WBCTEtUrLIU>. Acesso em: 26/10/2016

Wikipedia - Túnel de água - Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/T%C3%BAnel_de_%C3%A1gua>. Acesso em: 26/10/2016

Omega – A importância dos testes em túnel de vento de laboratório –Disponível em: <http://br.omega.com/artigos-tecnicos/importancia-dos-testes-em-tunel-de-vento-de-laboratorio.html>. Acesso em: 26/10/2016

Téchne- Visita Técnica - Como funciona o túnel de vento do IPT – Disponível em: <http://techne.pini.com.br/engenharia-civil/208/artigo319316-2.aspx> Acesso em: 26/10/2016