Questão 1. (Peso:20%) Explique:
(a) Por que o atraso da transição da camada limite sobre as superfícies de uma avião pode ser uma boa ideia para reduzir o consumo de combustível?
(a) Por que o atraso da transição da camada limite sobre as superfícies de uma avião pode ser uma boa ideia para reduzir o consumo de combustível?
Passo 1
O enunciado pergunta por que aumentar a extensão da região de camada‐limite laminar sobre as superfícies de um avião (isto é, atrasar a transição laminar→turbulento) ajuda a reduzir o consumo de combustível. O conteúdo envolve mecânica dos fluidos (camada‐limite, arrasto de atrito) e sua ligação com o empuxo e o combustível.
Passo 2
Na camada‐limite laminar, o escoamento de fluido próximo à superfície é ordenado e a difusão de momento é pequena. Isso leva a um coeficiente de atrito de parede
relativamente baixo. Uma fórmula aproximada para uma placa plana em escoamento laminar é
onde
é o número de Reynolds local.
Passo 3
Após a transição, a camada‐limite torna‐se turbulenta e a mistura de camadas aumenta a transferência de momento, elevando o atrito de parede. Uma correlação típica em escoamento turbulento é
Como
em asas de avião é grande, verifica‐se que
ou seja, a região turbulenta gera muito mais arrasto de atrito.
Passo 4
Menos arrasto de atrito significa menor força de resistência que o motor precisa vencer. Como o empuxo exigido diminui, o consumo de combustível cai. Portanto, ao atrasar a transição para turbulento, estende‐se a zona de baixo arrasto e reduz‐se diretamente o consumo.
Resposta
Atrasar a transição mantém mais área em camada‐limite laminar (com
baixo), reduzindo o arrasto de atrito e, consequentemente, a força de empuxo necessária, o que leva a menor consumo de combustível.