Por Ehab Mokhtar
A medição precisa do fluxo de vento começa frequentemente com medições pontuais, mas compreender como o fluxo se comporta no espaço requer uma abordagem diferente.
Uma sonda de pressão de 5 orifícios permite captar tanto a velocidade como a direção do vento e, quando combinada com o acompanhamento da posição e a visualização em tempo real, essas medições podem ser reunidas para formar um campo de fluxo completo.
Este artigo explica como uma sonda de 5 orifícios é utilizada para medir o fluxo de vento e mapear o campo de fluxo, utilizando o WindProbe 3D como exemplo prático.
Figura 1: Mapeamento do campo de fluxo WindProbe 3D em redor de uma hélice de UAV
Índice
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O que é o mapeamento do fluxo de vento
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Como funcionam as sondas de pressão multiorifício
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Sistema de medição do fluxo de vento: WindProbe 3D
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Dicas para obter mapas de fluxo de maior qualidade
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Outros sistemas de medição do fluxo de vento
O que é o mapeamento do fluxo de vento
Na medição do fluxo de vento, o mapeamento do campo de fluxo refere-se à medição da velocidade e direção do vento numa região do espaço utilizando um sensor, como uma sonda de pressão de 5 orifícios. Em vez de captar medições pontuais isoladas, o objetivo é reconstruir como o fluxo se comporta espacialmente, seja num plano ou num volume 3D.
Esta abordagem é normalmente utilizada para:
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Caracterizar esteiras e interações de fluxo
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Comparar dados experimentais com resultados de CFD
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Medir a distribuição da velocidade e direção do vento
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Identificar o comportamento do fluxo em redor de um objeto aerodinâmico
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Figura 2: Interface de mapeamento do fluxo de vento no software WindVision
Como funcionam as sondas de pressão multiorifício
Uma sonda de pressão multiorifício mede a pressão em várias aberturas dispostas em redor da ponta da sonda. A partir destas pressões, podem ser determinadas a velocidade e a direção locais do fluxo, fornecendo um vetor de velocidade completo em cada ponto de medição.
As sondas multiorifício são adequadas para a medição do fluxo de vento porque:
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Medem tanto a velocidade como a direção do vento
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Não exigem um alinhamento perfeito entre a ponta da sonda e a direção do fluxo
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Oferecem uma solução compacta para medir fluxos em redor de objetos
Quando combinada com o acompanhamento da posição, cada medição da sonda de 5 orifícios pode ser acompanhada com precisão, permitindo:
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Reposicionamento fácil durante a varredura
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Amostragem espacial densa sem translações mecânicas
Sistema de medição do fluxo de vento: WindProbe 3D
O WindProbe 3D é um sistema de medição e visualização do fluxo de vento baseado em quatro elementos coordenados:
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Sonda de pressão de 5 orifícios: Mede a pressão, a velocidade e a direção do fluxo
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Sistema de captura de movimento: Acompanha a posição e a orientação da sonda no espaço 3D
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Parede de vento WindShaper: Um conjunto modular de ventiladores controlados individualmente que gera fluxos de vento repetíveis e programáveis
- Software WindVison: sincroniza estes fluxos de dados e exibe o fluxo de vento resultante em tempo real como um campo de fluxo 3D.
As medições podem ser gravadas para análise posterior, exportadas para pós-processamento ou comparadas diretamente com dados de CFD.
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Figura 5: Sistema de câmara de acompanhamento de movimento
Fluxo de trabalho de alto nível
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Defina a condição de vento desejada utilizando a parede de vento WindShaper.
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Confirme que a sonda de 5 orifícios e o sistema de acompanhamento de movimento estão ligados.
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Zere a sonda antes da aquisição de dados.
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Defina o volume de medição e a resolução dos voxels.
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Mova a sonda pela região de interesse para recolher dados.
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Reveja a cobertura e refaça a varredura das áreas conforme necessário.
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Exporte os dados de medição para análise.
Considerações sobre a configuração do sistema
O sistema WindProbe 3D foi concebido para ser fácil de utilizar e de implementar rapidamente:
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A sonda de 5 orifícios é fornecida pré-calibrada e com marcação CE
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Um único cabo USB fornece alimentação e comunicação de dados
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A gama de velocidade padrão é de 2–20 m/s, estando disponíveis outras gamas
- Os marcadores de posição devem ser posicionados e calibrados antes do primeiro teste
- O volume de medição deve ser definido
Volume de medição e resolução dos voxels
O volume de medição define onde os dados do fluxo de vento são recolhidos. O software WindVision divide o volume de medição em voxels, que determinam a resolução espacial:
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Voxels menores permitem resolver estruturas de fluxo mais finas
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Voxels maiores reduzem o tempo de aquisição, mas desfocam os detalhes
O tamanho dos voxels deve corresponder à escala das características de fluxo que estão a ser medidas.
Figura 6: Definição da resolução dos voxels no software WindVision
Tipos de dados e exportações
Os dados podem ser exportados do software WindVision em um de dois formatos: CSV e VTK.
Dados brutos de medição (CSV): contêm medições de velocidade do vento com carimbo de data e hora e coordenadas espaciais. Este formato é útil para:
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Processamento e filtragem personalizados
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Análise baseada no tempo
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Reprocessamento com definições de voxels diferentes
Dados do campo de fluxo (VTK)
Os dados do campo de fluxo com média por voxel são exportados no formato VTK, adequados para:
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Visualização 3D e corte
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Comparação de CFD
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Partilha de dados e colaboração
Dicas para obter mapas de fluxo de maior qualidade
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Foque-se em regiões com fortes gradientes de fluxo: Dedique mais tempo às esteiras e camadas de cisalhamento.
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Utilize movimentos suaves da sonda: Múltiplas passagens aumentam as amostras por voxel.
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Mantenha o alinhamento correto da sonda: Mantenha a sonda de 5 orifícios dentro do seu ângulo de aceitação.
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Selecione a configuração correta: Combine a ponta da sonda e a gama de velocidade com as condições do teste.
Leitura adicional: Como funciona um WindShaper
Outros sistemas de medição do fluxo de vento
O mapeamento do campo de fluxo é possível com ferramentas tradicionais de medição de vento, mas a geração de dados espacialmente resolvidos requer normalmente medições ponto a ponto e infraestrutura adicional.
Duas das principais abordagens tradicionais são descritas abaixo.
Medições robóticas ou baseadas em translações
Esta abordagem envolve montar um sensor de vento, como uma sonda multiorifício ou anemómetro de fio quente, num braço robótico, carril linear ou sistema de translação.
Este método requer normalmente:
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Definir todos os pontos de medição antecipadamente
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Mover o sensor precisamente para cada local
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Parar em cada ponto para adquirir dados
Embora isto possa fornecer uma boa precisão posicional, traz consigo algumas desvantagens:
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Custo elevado e complexidade de configuração devido aos sistemas robóticos ou de carris
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Longos tempos de aquisição devido ao funcionamento de parar e medir
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Resolução espacial limitada para manter tempos de teste razoáveis
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Conjuntos de dados fragmentados que requerem atribuição espacial manual no pós-processamento
Medições manuais com sonda de mão ou suporte
Outra abordagem é mover o sensor manualmente, seja à mão ou utilizando um suporte simples, e parar em cada local para efetuar uma medição.
Neste caso, a sonda é mantida imóvel enquanto os dados são gravados e a posição é estimada ou registada manualmente.
Este método reduz a complexidade do hardware, mas introduz limitações diferentes:
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Baixa repetibilidade devido ao posicionamento à mão livre
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Menor precisão posicional em comparação com sistemas guiados
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Resolução espacial reduzida para limitar o tempo total de medição
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Maior esforço de pós-processamento para atribuir posições a cada medição
Medição contínua com acompanhamento da posição
Em contrapartida, um sistema moderno como o WindProbe 3D que combina medição contínua com acompanhamento da posição:
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Grava dados de velocidade continuamente à medida que a sonda se move no espaço
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Atribui cada medição a um local em tempo real
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Informa o utilizador quando os dados estão a ser amostrados corretamente ou incorretamente
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Utiliza interpolação para preencher regiões com amostragem esparsa
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Exibe o campo de fluxo ao vivo, com a cor a indicar a velocidade local do fluxo
Esta abordagem substitui a aquisição ponto a ponto por uma amostragem espacial contínua, tornando o mapeamento de fluxo de alta resolução prático e repetível.
Figura 7: O WindProbe 3D a mapear o campo de fluxo em redor de um UAV
Resumo
Uma sonda de pressão de 5 orifícios é uma ferramenta poderosa para a medição do fluxo de vento porque capta tanto a velocidade como a direção do vento em cada ponto do espaço. Quando combinada com o acompanhamento da posição, a visualização em tempo real e uma fonte de vento programável, como uma parede de vento, estas medições podem ser reunidas para formar um campo de fluxo completo.
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