Enunciado

Projete um anemômetro de vento que utiliza arrasto aerodinâmico para mover ou defletir uma peça ou acoplamento, produzindo uma saída que pode ser relacionada com a velocidade do vento, para a faixa de 1 a 10   m / s no ar-padrão. Considere três conceitos de projeto alternativos. Selecione o melhor conceito e prepare um projeto detalhado. Especifique a forma, tamanho real e material para cada componente. Quantifique a relação entre velocidade do vento e saída do anemômetro. Apresente resultados como uma “curva de calibração” da saída do anemômetro v e r s u s velocidade do vento. Discuta as razões pelas quais você rejeitou projetos alternativos e escolheu o conceito final do projeto.

Passo 1

Montando o esquema do anemômetro:

Equação do momento:

∑ M 0 = m g L   s e n   α - F D L = 0

m g   s e n   α = F D

Sendo:

F D = C D A ρ V 2 cos 2 ⁡ α 2

Temos:

C D A ρ V 2 cos 2 ⁡ α 2 = m g   s e n   α

C D A ρ V 2 cos 2 ⁡ α 2 = S G ρ H 2 O A h g   s e n   α

Passo 2

Supondo α = 60 °  na velocidade máxima do vento ( V = 10   m / s ):

s e n   α cos 2 ⁡ α = C D ρ V 2 2 S G ρ H 2 O h g = f ( α )

Isolando h :

h = C D ρ V 2 2 S G ρ H 2 O g f ( α )

Em α = 60 ° temos f α = 3,46 ;

C D = 1,2 ;

ρ = 1,23   k g / m 3 ;

g = 9,8   m / s 2 /

ρ H 2 O = 1000   k g / m 3 .

Temos:

h = 1,2 ⋅ 1,23 ⋅ 10 2 2 S G ⋅ 1000 ⋅ 9,8 ⋅ 3,46 = 2,18 x 10 - 3 S G

Escolho o alumínio na Tabela A.1 ( S G = 2,64 ) :

h = 2,18 x 10 - 3 2,64

h = 8,26 x 10 - 4   m

Passo 3

Relacionando velocidade do vento e saída do anemômetro:

C D A ρ V 2 cos 2 ⁡ α 2 = S G ρ H 2 O A h g   s e n   α

V = S G ρ H 2 O h g   s e n   α C D ρ cos 2 ⁡ α 2  

V = 2 S G ρ H 2 O h g   f ( α ) ρ C D  

Passo 4

Apresentando os resultados como uma “curva de calibração” da saída do anemômetro v e r s u s velocidade do vento:

Passo 5

Os conceitos considerados incluíam um manômetro que detectava pressão de estagnação, uma ligação de paralelogramo que suporta um alvo vertical e a flexão de um membro fino na corrente de ar. Os três conceitos escolhidos foram variações sobre o tema de um único membro suspenso suportado por um único pivô e foram escolhidos devido a sua simplicidade.

A principal vantagem do conceito de alvo é que diferentes materiais podem ser usados ​​para a haste e o alvo. Este conceito pode ser adaptado para fornecer o maior ângulo de deflexão para uma determinada velocidade do vento. Desse modo, este dispositivo deve ter a indicação mais precisa em baixa velocidade do vento.

Presume-se que a força de arrasto no alvo dependa do componente da velocidade do vento que age normalmente no alvo. Isso poderia ser melhorado usando dados experimentais reais para o coeficiente de arrasto de um disco no ângulo de ataque.

Resposta

h = 8,26 x 10 - 4   m

V = 2 S G ρ H 2 O h g   f ( α ) ρ C D  

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