Medição da força aerodinâmica e do momento atuando em um dardo usando um sistema de suspensão e equilíbrio magnético

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 391 (2023) Citar este artigo

659 acessos

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

As regras que regem as dimensões do dardo foram substancialmente alteradas em 1986. Considerou-se que este novo projeto garantiu que o momento de lançamento fosse zero a 0° de ângulo de ataque e que o momento de lançamento diminuísse (tornasse-se negativo) com o aumento do ângulo de ataque. O objetivo deste estudo é investigar se o momento de arfagem permanece sempre negativo (rotação de nariz para baixo). Para medir com precisão as forças aerodinâmicas que atuam em um Javelin, foi usado o maior sistema magnético de suspensão e equilíbrio de 1 m do mundo. O sistema de suspensão e balanceamento magnético foi capaz de medir as forças aerodinâmicas sem interferência do suporte no túnel de vento. Além disso, a dinâmica dos fluidos computacional foi realizada para estimar os coeficientes do momento de arfagem. Verificou-se que o coeficiente do momento de lançamento de um Javelin disponível comercialmente torna-se positivo (rotação do nariz para cima) em ângulos de ataque menores, menores que 12°. O momento de inclinação torna-se positivo se o lado a montante do centro de gravidade receber mais fluxo de entrada do que o lado a jusante. Esta situação pode ser conseguida, por exemplo, aumentando a espessura do lado a montante relativamente ao lado a jusante.

Um teste de túnel de vento convencional para um dardo seria realizado fixando o dardo a uma haste de suporte1,2. No entanto, a haste de suporte perturba o fluxo e isso é conhecido como interferência de suporte. Por exemplo, observou-se que a linha de separação no elipsóide se move drasticamente para trás3 ao usar uma haste fina cujo diâmetro é de 0,5 mm. Geralmente, no caso dos equipamentos de esportes, os tamanhos são comparáveis ​​com mãos ou pés. Em particular, para um objeto longo e estreito como o dardo, a interferência do apoio torna-se significativa porque o diâmetro da haste de apoio é comparável ao do dardo, dificultando a medição precisa das forças aerodinâmicas4.

Um Sistema de Suspensão e Equilíbrio Magnético (MSBS) é uma ferramenta valiosa para medir forças aerodinâmicas sem interferência de suporte. O primeiro MSBS foi desenvolvido em ONERA na década de 19505. No entanto, mais pesquisas e desenvolvimento deste MSBS foram suspensos desde 1970. Isso porque não havia perspectiva de comercialização do MSBS6. Atualmente, a pesquisa e o desenvolvimento do MSBS foram reiniciados na ODU7, KAIST8 e Tohoku University9 devido à sofisticação aprimorada do equipamento de medição e ao controle aprimorado do computador, bem como ao desenvolvimento de poderosos ímãs de neodímio. No entanto, ainda existem relativamente poucos MSBS no mundo.

Do ponto de vista da aerodinâmica do dardo, as regras que regem as dimensões foram substancialmente alteradas em 1986. O principal fator que motivou a mudança foi que em muitos lançamentos o dardo estava caindo quase plano, causando dificuldades para os juízes determinarem se o lançamento foi válido ou não10. Considerou-se que o novo desenho garantia que o perfil do momento de lançamento do dardo decrescia monotonamente com o aumento do ângulo de ataque, sem nunca atingir um valor positivo.

O objetivo deste estudo é verificar se o momento de arfagem é sempre negativo (rotação do nariz para baixo) em relação ao ângulo de ataque. Serão descritas as forças aerodinâmicas que atuam no Javelin sem a haste de sustentação. O maior sistema magnético de suspensão e equilíbrio do mundo (MSBS) foi empregado para medir as forças aerodinâmicas que atuam em um Javelin feminino de tamanho normal. Portanto, os coeficientes aerodinâmicos mostrados neste artigo devem ser os mais precisos. Além disso, um estudo paramétrico usando CFD (Computational Fluid dynamics) também foi realizado para avaliar se o momento de pitching é sempre negativo.

O sistema magnético de suspensão e equilíbrio (MSBS) é mostrado na Fig. 1. Um Javelin que inclui ímãs ao longo do eixo longitudinal é levitado no centro da seção de teste. Quando o vento flui, as forças aerodinâmicas atuam no Javelin e o princípio de controle é projetado para manter o Javelin no centro da seção de teste (posição inicial). Para manter a mesma posição e a mesma atitude do Javelin, dez bobinas são colocadas ao redor da seção de teste. Por exemplo, as duas bobinas de núcleo de ar tipo rosquinha (#0 e #9) na direção do fluxo trabalham para contrabalançar o arrasto. As outras oito bobinas são bobinas de núcleo de ferro, que geram eficientemente um campo magnético conectando as bobinas nº 1 a nº 4 e nº 5 a nº 8 com a culatra para formar um circuito magnético11. Um amplificador de potência é conectado a cada bobina, cada uma das quais pode passar uma corrente de até 150 A. A corrente das bobinas é ajustada para manter a mesma posição e a mesma atitude. As diferenças de corrente de acionamento entre a condição de vento ligado e a condição de vento desligado são convertidas em forças aerodinâmicas. No caso de um dardo vibratório, as correntes medidas com a condição de vento incluem componentes de forças aerodinâmicas e forças inerciais. Por outro lado, as correntes medidas com a condição de wind-off do dardo vibratório incluem apenas forças inerciais. Portanto, as diferenças de corrente entre a condição de vento ligado e a condição de vento desligado podem ser convertidas em forças e momentos aerodinâmicos.