- distributed micro-roughness (DMR) contraria o princípio de mais de 80 anos de que superfícies lisas reduzem o arrasto, ao retardar a transição para turbulência com uma micro-rugosidade aleatória
- A equipe da Tohoku University demonstrou, com um 1m magnetic support balance system, que é possível reduzir o arrasto em até 43,6% ao medir superfícies DMR sem interferência de suportes
- O DMR experimental consistiu em padrões convexos com microesferas de vidro de 38 a 53 micrômetros e padrões côncavos feitos por jateamento de areia, com altura equivalente a apenas 1% da espessura da camada limite
- No modelo com DMR, o número de Reynolds crítico subiu de cerca de 1,9×10⁶ para 2,2×10⁶, e o coeficiente de arrasto permaneceu menor que o de uma superfície lisa até 3,6×10⁶
- Ao contrário dos dimples de bolas de golfe ou das riblets inspiradas em pele de tubarão, o DMR reduz o atrito de parede em vez do arrasto de pressão e é uma tecnologia passiva, sem dependência da direção do fluxo, energia ou partes móveis
Mudança no princípio de redução da resistência do ar
- Em aeronaves, carros e trens de alta velocidade, a resistência do ar é uma das principais barreiras para atingir velocidades maiores com menor consumo de energia
- Quando um objeto se move em alta velocidade, forma-se na superfície uma fina camada de ar chamada camada limite, que pode estar em estado laminar, mais ordenado, ou turbulento, mais caótico
- Quanto mais tempo o escoamento laminar, de menor atrito, se mantém, menor é a resistência do ar, mas em velocidades mais altas o fluxo faz a transição para turbulência
O princípio da superfície lisa que durou mais de 80 anos
- Na engenharia aeronáutica, por mais de 80 anos prevaleceu o princípio de que, para reduzir a resistência do ar, a superfície precisa ser lisa
- Essa premissa se baseia em um estudo realizado em 1940 pelo cientista japonês Ichiro Tani
- Tani tratou da relação entre rugosidade superficial e transição para turbulência
- Na época, ele considerava que a rugosidade superficial, difícil de evitar com a tecnologia de fabricação disponível, atrapalhava a obtenção de escoamento laminar
- Em 1989, Tani reinterpretou dados experimentais obtidos na década de 1930 pelo engenheiro de fluidos Johann Nikulase em tubos de superfície rugosa
- Isso revelou a possibilidade de que a rugosidade nem sempre promova a transição para turbulência nem aumente a resistência do fluido
- A equipe de Yasuaki Kohama, da Tohoku University, mostrou nos anos 1990 que superfícies com pequenas saliências fibrosas poderiam retardar a transição em certas condições
Comprovação experimental da distributed micro-roughness (DMR)
- A equipe da professora associada Aiko Yakino, do Institute of Fluid Science da Tohoku University, demonstrou que só a distributed micro-roughness (DMR), uma rugosidade superficial tão pequena e irregular que mal pode ser distinguida a olho nu, pode reduzir a resistência do ar em até 43,6%
- O DMR opera de forma diferente das riblets, uma tecnologia já existente de redução de arrasto, também conhecida como tratamento de “pele de tubarão”
- As riblets imitam os microcanais longitudinais da pele de tubarão
- Elas criam ranhuras de cerca de 0,1 mm de largura ao longo da direção do fluxo de ar para alinhar os vórtices próximos à parede na região turbulenta
- O DMR retarda a transição de laminar para turbulento por meio de pequenas irregularidades aleatórias na superfície
- Os dois métodos diferem tanto na região do escoamento que afetam quanto no mecanismo de funcionamento
Medição em túnel de vento sem suporte
- Experimentos convencionais em túnel de vento tinham a limitação de que hastes e fios usados para sustentar o modelo perturbavam o fluxo de ar
- Mudanças sutis de arrasto causadas por rugosidade superficial em microescala podiam ser mascaradas pela própria estrutura de suporte
- O 1m magnetic support balance system (1m-MSBS) do Institute of Fluid Science da Tohoku University reduz esse problema
- Ele faz levitar sem contato, por força eletromagnética, um modelo aerodinâmico de cerca de 1,07 m de comprimento dentro do túnel de vento
- Isso elimina a interferência no fluxo de ar ao redor do modelo sem usar hastes ou outros meios de sustentação
- A equipe mediu o coeficiente de arrasto total de uma superfície lisa e de superfícies com revestimento DMR na faixa de número de Reynolds entre 0,35×10⁶ e 3,6×10⁶
- O número de Reynolds é a razão entre forças inerciais e viscosas em um fluido
- Ele é usado como indicador-chave para prever se o escoamento será laminar ou turbulento
Estrutura do DMR e resultados das medições
- Dois tipos de DMR foram usados no experimento
- Padrões convexos feitos com microesferas de vidro de 38 a 53 micrômetros de diâmetro
- Padrões côncavos produzidos por jateamento de areia
- A altura do revestimento DMR corresponde a apenas 1% da espessura da camada limite, sendo classificada, do ponto de vista da dinâmica dos fluidos, como uma “superfície lisa”
- No modelo com revestimento DMR, o número de Reynolds crítico no qual começa a transição para turbulência aumentou de cerca de 1,9×10⁶ para 2,2×10⁶
- Na região de transição, o arrasto foi reduzido em até 43,6%
- A superfície com DMR apresentou de forma consistente um coeficiente de arrasto menor que o da superfície lisa até 3,6×10⁶, o maior número de Reynolds medido
Mecanismo que reduz atrito de parede, não arrasto de pressão
- A resistência do ar se divide, em termos gerais, em arrasto de pressão e arrasto por atrito
- O arrasto de pressão surge quando o fluxo de ar se desprende da superfície na parte traseira do objeto
- O arrasto por atrito é causado pela viscosidade do ar que escoa sobre a superfície e diminui quanto mais o fluxo permanece em estado laminar
- Para distinguir a origem do efeito do DMR, a equipe usou large eddy simulation (LES)
- LES é uma técnica de dinâmica dos fluidos computacional que calcula diretamente grandes redemoinhos turbulentos e aproxima por modelo os de menor escala
- Nesta pesquisa, a LES usou resolução de até 45,38 milhões de wall cells
- A confirmação do escoamento na superfície também utilizou análise de oil flow visualization com tinta fluorescente e outros recursos
- Na análise por LES, o limite superior conservador do arrasto de pressão em um cálculo laminar sem perturbação artificial foi definido como Cp≈0.00021
- Esse valor coincide com o valor teórico com diferença inferior a 1%
- A redução de arrasto observada neste estudo, ΔCD≈0.001, é cerca de cinco vezes esse limite superior
- Mesmo que o desprendimento na parte traseira do objeto fosse completamente eliminado, isso explicaria apenas cerca de 20% da redução observada
- Ficou quantificado que o principal fator de redução de arrasto do DMR não é a supressão do desprendimento, mas a redução do próprio atrito de parede
Diferença em relação aos dimples de bola de golfe e à pele de tubarão
- O princípio do DMR é diferente do efeito dos dimples de bolas de golfe
- Os dimples tornam propositalmente o fluxo turbulento para suprimir o desprendimento traseiro e reduzir o arrasto de pressão
- O DMR retarda a transição para turbulência e, assim, reduz não o arrasto de pressão, mas o atrito de parede
- O DMR também tem vantagens diferentes das riblets
- Para funcionar, as riblets precisam ser usinadas com precisão na direção do fluxo de ar
- O DMR tem rugosidade superficial aleatória e não depende da direção do fluxo
- É uma tecnologia passiva que não exige componentes móveis nem eletricidade
Possibilidades de aplicação e próximos desafios
- A aplicação de DMR em aeronaves pode melhorar a eficiência de combustível, reduzindo custos operacionais e emissões de dióxido de carbono
- A equipe planeja otimizar ainda mais a forma e a densidade de distribuição do DMR e ampliar a faixa de velocidades em que ele pode ser aplicado
1 comentários
Comentários do Hacker News
Quem já competiu em iates ou em corridas de foil sabe que superfícies submersas têm o menor atrito e melhor escoamento laminar quando são lixadas finamente com lixa 1000~1500
No ar isso não parecia ser o caso, e eu sempre achava estranho dizerem que o melhor para asas de avião era um acabamento polido, mas agora parece que perfis aerodinâmicos também se beneficiam de uma micro-rugosidade para obter o menor atrito possível
Surpreende que algo tão simples não fosse conhecido em uma área com tanta pesquisa e tanto financiamento; talvez só os pesquisadores que escrevem artigos não soubessem disso
Essa região fica entre o escoamento laminar e o turbulento; o laminar normalmente tem arrasto 5 vezes menor que o turbulento e aparece por volta de números de Reynolds entre 500 mil e 1 milhão
Pranchas de surfe operam em número de Reynolds de 10^7, então são totalmente turbulentas, e aeronaves Cessna ficam em torno de 1~5x10^6
Ainda assim, o processo específico e a implementação podem ser mais novos ou um pouco diferentes do que veio antes
Vivemos em uma sociedade sensacionalista em que melhoria incremental, e às vezes até cópia, é apresentada como revolução
Se você me pedir para mostrar um 737 consumindo 40% menos combustível, isso não vai acontecer, mas o processo de fabricação da pele externa de aeronaves pode melhorar um pouco
Também importa o fato de que não dá para lixar a fuselagem toda semana; isso precisa funcionar de forma estável sem manutenção
Pelo que eu via quando estudava aerodinâmica de planadores RC, o ar tem uma faixa mais ampla de “viscosidade”, expressa pelo número de Reynolds, dependendo do tamanho e da velocidade da aeronave
Bola de golfe, avião RC, jato comercial e caça podem ter aerodinâmicas ideais ou técnicas úteis bem diferentes entre si (winglets, dimples)
Também é interessante notar que a eficiência dos winglets já era conhecida há muito tempo, mas sua adoção em praticamente todos os aviões de passageiros é relativamente recente
Era uma tentativa de imitar a micro-rugosidade da pele de tubarão
O artigo acadêmico em si está aqui: https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mec...
Sempre se aceitou a ideia de que “quanto mais lisa a superfície, menor o arrasto aerodinâmico”, então é surpreendente saber que isso nem sempre é verdade
Eu sempre ouvi que os dimples de bolas de golfe reduzem o arrasto
Os dimples tornam o escoamento do ar intencionalmente turbulento e suprimem a separação traseira para reduzir a resistência de pressão, enquanto o DMR atrasa a transição e reduz o próprio atrito de parede, não a resistência de pressão
São mecanismos opostos
Mas fico curioso sobre o quanto isso difere em termos relativos
Algumas melhorias valem o esforço, mas se for mais de 20% já parece plausível; e se todo mundo usa bolas de golfe com dimple, então isso é só um experimento mental
Então por que bolas de pingue-pongue não têm dimple?
Os vórtices dividem grandes bolsas de ar e reduzem o arrasto
Superfícies arredondadas como bolas se beneficiam de dimples, mas superfícies mais retas como flechas talvez não
Não tenho certeza, mas imagino que a velocidade também influencie
Meu bloqueador de anúncios provavelmente entrou em conflito com a função de “assinar para ler”, mas o jeito como falhou foi engraçado
Quando a página abre, aparecem a imagem principal e o título, e logo abaixo só dá para ver “Subscribe to listen [9 minutes]” e uma frase como “Aerodynamic drag is the primary barrier for high-speed airplanes, automobiles and high-speed trains...”
Depois disso, só há comentários e links para outros artigos, sem nenhuma indicação de que existe mais texto além da gravação em áudio
Isso talvez explique alguns comentários de “não li o artigo”. Claro, isso já aconteceria de qualquer forma
Seria melhor se houvesse um link de arquivo ou algo assim
Hoje em dia alguns sites estão bem agressivos
Essa parte parece um erro, ou então uma longa história por si só
Diz que, em 1940, o cientista japonês Ichiro Tani mostrou a relação entre rugosidade superficial e transição para turbulência, argumentando que a rugosidade de superfície, inevitável com a tecnologia de fabricação da época, impedia a obtenção de escoamento laminar
Mas se em 1989 Tani reinterpretou dados dos experimentos com tubos de superfície rugosa do fluidodinamicista Johann Nikulase, dos anos 1930, e propôs que “a rugosidade talvez não necessariamente apenas promova a transição para turbulência e aumente a resistência do fluido”, então ele passou 49 anos lidando com o mesmo problema
De fato, isso é possível, porque ele morreu em 1990
Se a forma de aplicação for tão simples quanto um jateamento de areia, parece bem fácil adaptar isso até em aeronaves já existentes
Se funcionar como foi dito, na prática fica perto de uma melhoria gratuita de eficiência de combustível aplicável no mesmo dia
Ainda assim, não vi os números reais de ganho líquido
A porcentagem mencionada na matéria se limita à “região de transição”, e embora digam que o coeficiente melhora no conjunto, se teoricamente a melhora no aerofólio inteiro for próxima de 0, isso pode ser quase irrelevante
No ambiente real, isso também parece mais sujeito a entupir ou desgastar mais rápido, então manter esse nível de degradação precisa por algum tempo também parece muito difícil
Para modificar uma aeronave específica, provavelmente há muitas barreiras regulatórias até chegar aos testes ou à certificação
Isso vale ainda mais para aeronaves certificadas, e mesmo no mundo das aeronaves experimentais pode haver resistência à ideia de sair fazendo jateamento de areia nas asas de alguém
Se essa técnica ainda não foi tentada, acho mais provável que seja testada primeiro em algo como a Formula 1
Uma empresa afirma economia de combustível de até 4%: https://mako.aero/insights/delta-partners-with-mako-to-test-...
Um único revestimento pode ser a diferença entre aguentar as variações normais de temperatura por 10.000 voos ou só por 1.000, então isso precisa ser pensado desde o projeto
As asas de aeronaves sofrem erosão em alta velocidade e por partículas no ar, ou seja, poeira, gelo, cinza vulcânica e chuva/água
Isso já é um problema que exige bastante mitigação, então tornar a superfície propositalmente mais áspera pode gerar resultados inesperados ou virar um problema ainda maior
Mesmo assim, acho que vale testar essa técnica
É uma descoberta interessante, mas não reverteu nenhum princípio fundamental
Nas aulas de mecânica dos fluidos, aprendi que existe arrasto de forma, que na matéria foi chamado de arrasto de pressão, e arrasto por atrito superficial
Os dois entram em conflito dependendo do número de Reynolds
Se você mantiver o escoamento laminar, o arrasto por atrito superficial diminui, então uma superfície lisa parece vantajosa, mas se você mantiver o escoamento aderido por mais tempo, usando algo como indução de turbulência ou injeção de ar, dá para reduzir o arrasto de forma; em compensação, o atrito superficial aumenta por causa da turbulência
Este estudo parece descrever um bom método para manter o escoamento laminar enquanto atrasa o descolamento do escoamento, mas os princípios básicos não mudaram
“Se é liso, o arrasto é menor” nunca foi uma regra; isso só vale em certas escalas
https://archive.ph/DbcqV
https://archive.is/20260524231039/https://www.wired.com/stor...
É bem legal que um sistema de balança autoportante consiga levitar sem contato um modelo aerodinâmico dentro do túnel de vento por força eletromagnética
Imagino que a variação na intensidade do campo magnético necessária para manter o corpo suspenso também sirva como indicador da mudança nas forças atuando sobre a fuselagem