What is flow separation? What causes it? What is the effect of flow separation on the drag coefficient?
Passo 1
Beleza, o problema pede pra gente entender o que é “flow separation” (separação de fluxo), quais são as causas disso e como isso mexe no coeficiente de arrasto (drag coefficient). O assunto é mecânica dos fluidos, mais especificamente camada limite e arrasto em aerodinâmica. Vamos precisar recordar o conceito de camada limite, pressão no escoamento e como o atrito e a pressão colaboram pra gerar o arrasto.
Passo 2
O que é flow separation?
Imagina o ar (ou qualquer fluido) escoando rente à superfície de um objeto, tipo numa asa ou num cilindro. Perto da superfície, o fluido fica mais lento por causa da viscosidade – isso forma a chamada camada limite. Em condições normais a camada limite segue grudada na superfície. Quando ela perde adesão e se solta, a gente diz que houve separação de fluxo (“flow separation”).
Imagina o ar (ou qualquer fluido) escoando rente à superfície de um objeto, tipo numa asa ou num cilindro. Perto da superfície, o fluido fica mais lento por causa da viscosidade – isso forma a chamada camada limite. Em condições normais a camada limite segue grudada na superfície. Quando ela perde adesão e se solta, a gente diz que houve separação de fluxo (“flow separation”).
Passo 3
Por que isso acontece?
- Gradiente de pressão adverso: conforme o fluido avança, a pressão pode aumentar no sentido do escoamento.
- Esse aumento de pressão faz o fluido frear demais dentro da camada limite.
- Se o fluido na camada limite não tiver energia suficiente pra vencer esse “muro” de pressão, ele inverte o sentido localmente e se solta da superfície.
Ou seja, a causa principal é o aumento de pressão na direção do escoamento (chamado de gradiente de pressão positivo ou adverso) combinado com a perda de energia por viscosidade.
Passo 4
Qual é o efeito no coeficiente de arrasto?
O arrasto total em um corpo é a soma de:
O arrasto total em um corpo é a soma de:
- arrasto por atrito de pele (skin friction)
- arrasto de pressão ou forma (form drag)
Quando ocorre separação de fluxo, forma-se uma região de vórtices e baixa pressão atrás do corpo. Isso aumenta bem o arrasto de pressão. Consequentemente, o coeficiente de arrasto
cresce. Lembrando que:
onde
é a força de arrasto,
é a densidade do fluido,
é a velocidade de referência e
é a área de referência. Separação de fluxo significa
maior, logo
maior.
Resposta
Flow separation é quando a camada limite se descola da superfície por causa de um gradiente de pressão adverso, criando uma zona de baixa pressão e vórtices atrás do objeto. Isso faz o arrasto de pressão disparar, aumentando o coeficiente de arrasto
.