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Departamento de Engenharia Mecânica - PUC-Rio Relatório Anual PIBIC 2013

ESTUDO DE REDUÇÃO DE ARRASTE NO ESCOAMENTO TURBULENTO DE ÁGUA EM DUTO QUADRADO RANHURADO

Aluno: Eric WillemsensOrientador: Luis Fernando A. Azevedo

Objetivo

Este projeto tem como objetivo estudar experimentalmente a possível redução de atrito (ou arraste) em um escoamento turbulento de água em duto de seção quadrada, utilizando um padrão de ranhuras longitudinais, denominadas, em inglês, riblets. Em uma primeira etapa, descrita em relatório anterior, uma pesquisa bibliográfica inicial foi feita, a bancada experimental foi montada, um micromanômetro foi especialmente projetado para medir as pequenas diferenças de pressão e quantificar o nível de redução de arraste, e medidas preliminares foram feitas com este instrumento, levando à conclusão de que os níveis de incerteza estavam muito altos para se afirmar algo sobre resultados de redução de arraste.

Assim, em uma etapa posterior, relatada aqui, buscou-se seguir adiante com o projeto a partir de duas frentes: extensão da pesquisa bibliográfica (nesta área uma grande quantidade de trabalhos é publicada continuamente, e é importante ler não só artigos sobre a utilização de ranhuras mas também sobre outros tipos de superfície e estudos sobre turbulência de parede em geral, incluindo o caso-base em que a superfície é lisa), novas tentativas de medição com o micromanômetro, e finalmente a utilização de outro mecanismo de medição de pressão caso os resultados continuassem apresentando incertezas altas.

Introdução

Escoamentos turbulentos são encontrados, frequentemente, em diversas aplicações de engenharia, como em compressores e bombas e ao redor de carros, aviões e navios. O atrito superficial, grande responsável pelas perdas energéticas, é consideravelmente maior nesse tipo de escoamento do que em escoamentos laminares. Seu estudo é bastante desafiador, devido à sua natureza complexa. Em particular, é fundamental compreender o escoamento turbulento na proximidade das superfícies. Os fenômenos envolvidos não estão completamente elucidados pela comunidade científica, entretanto sabe-se tratar de uma região altamente intermitente, dominada por pequenas estruturas turbulentas, como vórtices e esteiras de modulação de velocidade, que interagem entre si.

Atualmente, existem diversas pesquisas voltadas para o estudo da turbulência com o objetivo de desenvolver métodos eficazes para reduzir o atrito. Quando os processos físicos dominantes são bem compreendidos, a solução do problema se torna mais fácil. Ao se tratar de turbulência, no entanto, nosso conhecimento é bastante limitado ainda, apesar dos vários anos de pesquisa.

A justificativa para esses estudos é bastante convincente. A otimização dos recursos energéticos, por motivos econômicos principalmente, é uma das metas da área

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tecnológica. Uma das formas de economia é reduzir o atrito. As perdas por atrito representam 50% do custo relativo no caso de aviões e navios, 70% nos submarinos e pode chegar a quase 100% no caso de transporte em dutos de longa distância. Nos casos mencionados, de forma geral, o domínio é do regime turbulento de escoamento, por isso o estudo desse fenômeno é importante. As crises políticas e financeiras globais e o aumento do preço do barril de petróleo têm impulsionado o estudo de redução de arraste em dutos. Os estudos nessa área ocorrem através de simulações numéricas e de experimentos físicos.

A principal motivação deste trabalho é, portanto, a otimização de recursos energéticos. Uma das formas de se economizar energia consumida em transportes é através da redução do atrito superficial. As perdas por atrito representam 50% do custo relativo no caso do voo de aviões, 70% nos submarinos e chega a quase 100% nos transporte em dutos de longa distância. Há o domínio do escoamento turbulento nestes exemplos apresentados; portanto, é imprescindível estudá-lo. O estudo de redução de arraste em dutos, atualmente, tem sido impulsionado por crises financeiras e políticas e, principalmente, pelo significativo aumento do preço do barril de petróleo como pode ser visto na Figura 1.

O estudo sobre redução de arraste se iniciou em 1930. Até a década de 60, no entanto, os esforços dos pesquisadores estavam voltados para: reduzir a rugosidade superficial, fabricando superfícies cada vez mais lisas; e otimizar a geometria aero e hidrodinâmica. Somente a partir de 1970, a ideia de manipular a camada limite dos escoamentos surgiu, assim, abriu-se espaço para o estudo de escoamentos sobre ranhuras longitudinais (riblets).

Os tipos de redução de arraste podem ser separados em duas classes: os ativos, onde as estruturas são manipuladas através de mecanismos externos (sensores e atuadores) que em geral são mais difíceis de usar e acarretam em gasto extra de energia; e os passivos que, geralmente, envolvem modificações na superfície (ranhuras na parede, nanopostes e superfícies repelentes) ou na reologia do fluido (adição de pequenas quantidades de polímeros). Normalmente, os métodos passivos são mais atrativos e podem ser aplicados a diferentes casos. Uma das formas mais conhecidas e utilizadas de redução de arraste em dutos é a alteração da reologia do fluido, através da adição de pequenas quantidades de polímeros, surfactantes ou fibras. Kawaguchi et al. (2002) mostrou que este método apresenta um efeito redutor de arraste que pode chegar a 80% em determinadas condições.

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Figura 1: Evolução do preço do barril de petróleo (fonte: NYMEX - New York Mercantile Exchange).

A seguir, uma revisão teórica mais detalhada sobre superfícies com riblets é apresentada, com base no contínuo trabalho de revisão e atualização da literatura implementado nesta segunda etapa do projeto. Também são mencionados e explicados, ao final da seção, outros métodos passivos de redução, com o objetivo de contextualizar e comparar as aplicações. Além disso, como a redução de arraste é uma linha de pesquisa importante no laboratório, uma das intenções a curto-médio prazo é fazer o estudo experimental de redução de arraste utilizando outras superfícies e testando outros métodos.

Revisão teórica detalhada de riblets e alguns outros métodos

Entre as pesquisas sobre redução de arraste utilizando métodos passivos, as superfícies com riblets foram as mais estudadas ao longo dos últimos anos. Por estar na classe dos passivos, essa forma de redução não consome energia extra e não acarreta gastos com substâncias para serem adicionadas ao fluido de trabalho. Isto é interessante também porque, em diversas situações, não é possível alterar a reologia do fluido, mas é possível alterar a geometria da superfície (como é o caso de navios, aviões etc.).

Sabe-se muito pouco a respeito do mecanismo de redução de arraste utilizando superfícies com riblets e o desenho deles ainda não alcançou um nível teórico. Como as estruturas turbulentas da camada limite se assemelham nos escoamentos interno (por exemplo, em dutos) e externo (navios, aviões, etc), os riblets apresentam uma grande gama de aplicações. Recentemente, novos estudos vêm sendo desenvolvidos com riblets para uma possível utilização em dutos (por ex., Dean & Bhushan, 2012).

Os riblets podem apresentar dois propósitos: reduzir o arraste e aumentar a transferência de calor. O conceito dos riblets foi inspirado na pele de tubarões, na qual é possível encontrar ranhuras em forma de “V” que reduzem eficientemente o arraste sofrido por esses animais enquanto eles se movem. Essas ranhuras, no entanto, se modificam ao longo do corpo do tubarão para proporcionar a maior eficiência possível. A aplicação desse feito biológico em paredes precisa ser ajustada, porém o conceito

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permanece o mesmo, e alguns pesquisadores são mais céticos que outros a respeito desta “imitação” da natureza.

Existem diversos tipos de riblets, mas os mais conhecidos são aqueles em formato triangular, em forma de “U”, trapezoidal e em formato de lâminas. Algumas pesquisas indicam que a altura e o espaçamento lateral das ranhuras são cruciais para determinar a eficiência da redução de arraste. Com uma geometria otimizada e adaptada às condições do escoamento, os riblets são capazes de obter uma redução de arraste em torno de 10%.

Figura 2: Alguns dos diversos tipos de riblets: (A) de formato triangular com altura h e base s, (B) trapezoidal, (C) em "U" e (D) em formato de lâmina com espessura t.

Mecanismos do Arraste

O arraste é, basicamente, uma forma de dissipação de energia de um objeto para o meio fluido que o cerca. O arraste viscoso é causado pela atração entre as moléculas do objeto e do fluido. Essa ligação entre o objeto e a primeira camada de fluido, “prende” as molécula na superfície. Essa condição de não-deslizamento obriga que a primeira camada tenha a mesma velocidade que o objeto no escoamento. Considerando um escoamento laminar, dessa forma, a velocidade de cada camada subsequente varia linearmente até a velocidade da massa de fluido. Em fluidos de alta viscosidade, a ligação intermolecular é maior; assim, é preciso de mais energia para movê-lo ou para mover um objeto imerso nele.

O raciocínio anterior assume um escoamento laminar. Por outro lado, à medida que a velocidade do escoamento aumenta, as moléculas de fluido passam a ter componentes de velocidade com flutuações relevantes em diversas direções e o escoamento se torna turbulento. Apesar das velocidades pontuais serem bem diferentes, a média da velocidade das moléculas se mantém na direção do escoamento. Com o surgimento de um escoamento cruzado e de velocidades moleculares não paralelas, a

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transferência de momento aumenta. A transferência de momento do escoamento cruzado é de extremo interesse, pois o momento que é transferido paralelo à superfície de um objeto equivale a um aumento no arraste.

A transição do escoamento laminar para o turbulento ocorre com um número de Reynolds (Re) próximo a 3000 para escoamentos internos e a 500.000 para escoamentos externos. O número de Reynolds é a razão entre as forças de inércia e as forças viscosas em um dado escoamento. Para valores de Re baixos o escoamento é dominado por forças viscosas entre as moléculas; para valores altos, o escoamento é dominado por forças de inércia do sistema.

Escoamentos turbulentos são conhecidos por apresentarem a distribuição temporal de velocidades aleatória, mas existem regiões distintas que apresentam certo padrão ou, como se encontra na literatura, uma certa coerência. Algumas destas estruturas coerentes são encontradas especialmente na subcamada viscosa, a camada mais próxima da superfície e dominada por vórtices, enquanto as outras camadas são mais caóticas e desorganizadas. Grande parte desse caos é devido à ejeção de vórtices longitudinais que são criados nas superfícies que estão na subcamada viscosa. À medida que esses vórtices giram e escoam sobre a superfície, eles podem transladar para trás ou para frente na direção do escoamento cruzado. As interações dos vórtices são responsáveis pela ejeção deles da subcamada viscosa, causando perturbação das outras camadas. Esse movimento dos vórtices para fora da subcamada viscosa e o caos do escoamento nas outras camadas são formas de transferência de momento, ou seja, são fatores importantes para o arraste. Dessa forma, se certos aspectos do comportamento destes vórtices longitudinais puderem ser modificados ou controlados, o arraste pode ser diminuído.

Riblets e a Redução de Arraste

Os pequenos riblets que cobrem a pele de tubarões velozes contribuem para reduzir o arraste sofrido pelo animal de duas formas: impedindo o movimento transversal dos vórtices longitudinais na região da subcamada viscosa, e elevando os vórtices acima da superfície, o que reduz a transferência de momento e a tensão cisalhante na parede. O primeiro mecanismo mencionado é complexo e ainda não é totalmente entendido pela ciência. Em um nível prático, ao impedir esse movimento dos vórtices, diminui-se a ejeção deles para camadas mais externas o que contribui para uma transferência de momento menor.

A adição de riblets na superfície não é uma solução a princípio óbvia para tentar reduzir o arraste. Uma situação clássica de aumento de arraste é o aumento da área de contato entre a superfície e o fluido, pois a tensão cisalhante na parede e a transferência de momento são maiores. Entretanto, os vórtices são formados acima dos riblets e lá eles permanecem, interagindo apenas com a ponta dessas ranhuras. Como os vórtices de alta velocidade interagem apenas com os picos, somente essa área localizada sofre uma alta tensão de cisalhamento. O escoamento que ocorre nos vales é lento e a maior parte da área dos riblets sofre uma baixa tensão. Embora os vórtices sejam mantidos acima dos riblets, alguns vórtices secundários são formados de forma transiente no interior dos vales. As velocidades desses vórtices, no entanto, é tal que a tensão que elas provocam não é muito significativa.

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Figura 3: Visualização de vórtice longitudinal acima dos riblets.

Além disso, os riblets interagem com os vórtices para diminuir o escoamento cruzado e seus efeitos. Reduzindo a transferência de momento não longitudinal, menos energia é desperdiçada no escoamento. A resistência ao escoamento cruzado criada pelos riblets também ajuda a evitar a ejeção dos vórtices da subcamada viscosa para as camadas mais externas. Assim, diminui-se a turbulência do escoamento, o que melhora a eficiência energética do sistema.

Figura 4: Escoamento longitudinal e escoamento transversal ou cruzado.

Com a geometria apropriada e quando adaptados às condições do escoamento (seu tamanho e geometria devem ser pensados de acordo com a faixa de Re do escoamento, tamanho do canal, etc), os riblets são capazes de obter uma redução de arraste em torno de 10%. É preciso tomar cuidado, no entanto, porque ao se utilizar uma configuração não adequada dos riblets é possível que se obtenha um aumento no arraste, o que é totalmente indesejável. O espaçamento lateral dos riblets é de extrema importância como já foi mencionado. O espaçamento deve ser menor do que o tamanho médio dos vórtices para impedir que essa estrutura entre nos vales, causando grande tensão cisalhante e grande transferência de momento.

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Outros métodos de redução de arraste

O método mais simples para se obter redução de arraste é através da adição de DRAs (drag-reducing agents) no fluido de trabalho. Os DRAs podem ser polímeros, surfactantes ou fibras, e a redução atingida pode chegar a 80%. Esses aditivos são, normalmente, interessantes pela sua simplicidade e efetividade. Para utilizá-los, basta adicionar algumas partes por milhão de aditivo para reduzir o arraste significativamente. Deve-se preocupar apenas com aspectos como a degradação das moléculas de polimero, principalmente na passagem por bombas e outros equipamentos.

Apesar das vantagens, os DRAs, necessariamente, alteram as propriedades físicas e químicas do fluido de trabalho. Assim, eles passam a ser inviáveis em uma grande rede de aplicações, como por exemplo, as indústrias farmacêutica, química e alimentícia. Nessas indústrias, as características do fluido, como capacidade térmica, densidade e viscosidade são muito importantes e por isso, não podem ser alteradas. Os polímeros mais eficientes são tóxicos e prejudicam o meio ambiente.

Além disso, os DRAs, principalmente os polímeros, degradam e perdem a sua efetividade com o passar do tempo. Ao absorver a energia turbulenta e dissipa-la em forma de energia elástica, as longas cadeias poliméricas se rompem devido à grande tensão cisalhante. Esse rompimento ocorre até que o polímero atinja um tamanho muito pequeno e então ele se torna ineficiente. Assim, novas quantidades precisam ser adicionadas ao fluido.

Devido a essas desvantagens dos DRAs, os pesquisadores começaram a buscar novas formas de redução de arraste que não envolvesse aditivos. Os cinco métodos mais populares são: riblets, dimples, paredes oscilatórias, superfícies elásticas e microbolhas (Abdulbari et al., 2013).

Dimples

Dimples são recortes feitos em uma superfície de uma parede que, originalmente, servem para aumentar a transferência de calor, mas também podem servir como uma possível forma de redução de arraste. Enquanto os riblets são ranhuras longitudinais na parede, os dimples são buracos rasos distribuídos de forma discreta.

Figura 5: Dimples em uma superfície.

Normalmente, os estudos que visam descobrir a viabilidade dos dimples têm mais de um objetivo, sendo a otimização da transferência de calor é o principal deles. Já é um consenso que o aumento do coeficiente de troca de calor ocorre com um indesejado acréscimo no arraste. Esse acréscimo, entretanto, é menor com a utilização

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de dimples do que com outros métodos de otimização de transferência de calor. Existe uma discordância na literatura a respeito da viabilidade desse método para reduzir o arraste. Lienhart et al. fizeram testes experimentais e numéricos e não observaram nenhum benefício quanto ao arraste. Por outro lado, Rao et al. estudaram a transferência de calor e a redução de arraste em um duto de seção retangular e observaram uma redução de 18%, utilizando uma superfície com pinos e dimples. O desacordo entre os autores é explicado devido à diferença nas condições iniciais do fluido, na geometria dos dimples, nas condições de medição e nos métodos de validação de resultados.

De forma geral, os dimples contribuem com uma redução de arraste insignificante, porém são satisfatórios para aumentar a transferência de calor sem um acréscimo no coeficiente de arraste (Abdulbari et al., 2013).

Paredes Oscilatórias

Em algumas aplicações, paredes oscilatórias são utilizadas para melhorar o escoamento em dutos. O movimento da parede é feito através de motores ou atuadores. Existe um consenso na literatura que a oscilação com a devida frequência e amplitude é capaz de dificultar a turbulência. As condições da camada limite são alteradas e o escoamento que inicialmente é caótico, torna-se mais organizado. As principais variáveis nesse tipo de problema são o deslocamento da parede, a velocidade e o período.

Acredita-se que a redução de arraste obtida pode chegar a 40%. No entanto, a economia energética é de apenas 10%, pois é preciso levar em consideração a energia necessária para mover as paredes (Abdulbari et al., 2013).

Figura 6: Esquema de paredes oscilando na direção transversal ao escoamento.

Riblets Senoidais

Um dos métodos recentemente propostos na literatura para obter redução de arraste é a utilização das paredes oscilatórias (na direção transversal) de alta frequência, mencionadas acima. Argumenta-se que o movimento oscilatório das paredes faz os vórtices longitudinais da camada limite se moverem de forma senoidal, o que reduz a sua força e consequentemente diminui o seu potencial de gerar turbulência. Em muitas aplicações práticas, normalmente, não é possível gerar uma oscilação da superfície. Entretanto, se for possível simular essa oscilação através de métodos passivos, o efeito criado pode ser parecido. Assim, foi proposto se trocar os riblets convencionais por riblets senoidais. Combinando esses dois métodos de redução de arraste (riblets e paredes oscilatórias), espera-se obter um benefício também combinado. Em um estudo

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realizado na França, pesquisadores descobriram que a redução depende fortemente do comprimento de onda dos riblets. Assim, ajustando os parâmetros necessários, eles conseguiram obter uma redução de arraste 50%, maior do que a obtida no método convencional (Y. Peet, P. Sagaut, Y. Charron, 2008).

Figura 7: Comparação entre riblets convencionais e riblets senoidais. Vista superior.

Bancada Experimental

A bancada experimental utilizada até o momento é a mesma apresentada em relatório anterior. Esta seção, especialmente projetada para estes testes, é descrita novamente aqui de forma breve, e se encontra em foto na figura 8. Ela é composta por um duto de seção transversal quadrada de 20x20 mm, em acrílico. Tomadas de pressão estática foram distribuídas com espaçamento de 50 mm para a medição da perda de carga. Um módulo com superfície lisa e outro com riblets triangulares foram posicionados, nessa ordem respectivamente, a 1500 mm da entrada do duto para garantir a condição de escoamento plenamente desenvolvido na região de medição.

O módulo com riblets é composto por 4 placas coladas contendo riblets triangulares cuidadosamente usinados em sua superfície interna. Este padrão de ranhuras em “V” com altura 0,5±0,01 mm e largura 0,5±0,01 mm foi verificado com o auxilio de um microscópio. A geometria dos riblets foi cuidadosamente calculada com base no trabalho de Walsh et al. (1990), pois dependendo dos parâmetros envolvidos no escoamento é possível que ao invés de ocorrer redução, ocorra aumento na perda de carga.

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Figura 8: Bancada experimental de redução de arraste.

Os principais componentes da seção de testes são mostrados na Figura 9. O tanque e as caixas de entrada e de saída são importantes para minimizar as oscilações indesejáveis do escoamento, facilitando as medições. O rotâmetro utilizado permitiu a leitura de valores de vazão entre 100 e 1000 L/h. Com essa faixa de vazão, obteve-se uma faixa de número de Reynolds, Re, que variou de 1500 a 10000. Para se obter um escoamento turbulento no duto, no entanto, é preciso que o número de Reynolds esteja acima de 2500; então, é sempre importante que a vazão esteja acima de 200 L/h para a realização dos testes. Para variar a vazão, utilizou-se uma válvula gaveta posicionada a jusante do rotâmetro.

Na primeira etapa de testes, também descrita em relatório anterior, a medição da perda de carga na tubulação lisa e com riblets foi realizada através de um micromanômetro especialmente construído para esta finalidade (figura 10), por se tratar de aferições de diferenças de pressão muito baixas, na escala de mícrons de coluna de fluido manométrico. Até a entrega do relatório prévio, apenas poucas medidas haviam sido feitas. A seguir será re-apresentado o procedimento experimental, assim como resultados mais completos de medições realizadas mais recentemente.

Figura 9: Visão esquemática da bancada experimental.

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Figura 10: Micromanômetro em “U” de dois fluidos.

Procedimento e Resultados

Procedimento Experimental

Apesar de escoamentos turbulentos serem fenômenos complicados de se estudar, o procedimento dos testes de medição de diferencial de pressão é bastante simples. Cria-se um escoamento com vazão conhecida dentro do duto a ser estudado. Obtém-se a queda de pressão entre duas tomadas de medição de pressão através do micromanômetro, sabendo-se o espaçamento entre elas. Como o escoamento é completamente desenvolvido e seu diâmetro hidráulico é constante ao longo do duto, pode-se dizer que somente o atrito superficial é responsável pela queda de pressão. Assim, conhecendo as propriedades do fluido, no caso água, e a queda de pressão, pode-se calcular a perda de carga. O procedimento experimental pode ser descrito segundo os itens abaixo:

1. Liga-se a seção de testes na vazão desejada 4 horas antes de qualquer medição, para que o escoamento entre em regime permanente.

2. Coloca-se um termômetro dentro do tanque para medir as temperaturas da água antes e depois das medições.

3. Drenam-se as bolhas de ar, caso elas existam.

4. Nivela-se o micromanômetro.

5. Tranca-se a vazão, fechando totalmente a válvula gaveta. Assim, todos os pontos da água dentro do duto estarão à mesma pressão.

6. Zera-se o micromanômetro, com auxilio do microscópio que está ligado a um computador, definindo uma posição zero para o menisco.

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7. Conecta-se os terminais do micromanômetro em uma tomada de referência (número 14 nesse caso) e em outra tomada a jusante.

8. Desloca-se o menisco da interface até a posição zero estabelecida no procedimento 5, elevando o reservatório do micromanômetro com auxilio do micrômetro.

9. Anota-se o valor do mostrador digital do micrômetro. Este valor é o Δh usado para calcular a queda de pressão.

10. Os procedimentos 6, 7, 8 e 9 devem ser feitos para cada nova tomada de pressão.

Resultados e Discussões

Os resultados experimentais dos testes conduzidos são mostrados nas tabelas e gráficos abaixo.

Vazão Q=1000 L/hTomada z (mm) delta P (mm Hg) delta P (Pa)

14 725 0 0

Plano

16 825 -0,508 -66,09719 975 -0,641 -83,40220 1025 -0,676 -87,95623 1175 -1,344 -174,87226 1325 -1,408 -183,19929 1475 -1,774 -230,82030 1525 -1,992 -259,185

Riblets

31 1575 -2,119 -275,70932 1625 -2,221 -288,98133 1675 -2,308 -300,30034 1725 -2,443 -317,86635 1775 -2,607 -339,20436 1825 -2,699 -351,17537 1875 -2,821 -367,04838 1925 -2,938 -382,27239 1975 -3,044 -396,063

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Vazão Q=900 L/htomada z (mm) delta P (mm Hg) delta P (Pa)

14 725 0 020 1025 -0,408 -53,086

Plano

21 1075 -0,479 -62,32422 1125 -0,578 -75,20523 1175 -0,627 -81,58124 1225 -0,719 -93,55125 1275 -0,802 -104,35026 1325 -0,9 -117,10227 1375 -0,999 -129,98328 1425 -1,098 -142,86429 1475 -1,203 -156,52630 1525 -1,4 -182,158

Riblets

31 1575 -1,498 -194,90932 1625 -1,653 -215,07733 1675 -1,738 -226,13634 1725 -1,857 -241,62035 1775 -1,971 -256,45236 1825 -2,073 -269,72437 1875 -2,157 -280,65338 1925 -2,246 -292,23339 1975 -2,338 -304,204

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Vazão Q=800 L/htomada z (mm) delta P (mm Hg) delta P (Pa)

14 725 0 020 1025 -0,412 -53,606

Plano

21 1075 -0,472 -61,41322 1125 -0,543 -70,65123 1175 -0,626 -81,45124 1225 -0,686 -89,25725 1275 -0,765 -99,53626 1325 -0,842 -109,55527 1375 -0,912 -118,66328 1425 -0,966 -125,68929 1475 -1,077 -140,13230 1525 -1,218 -158,477

Riblets

31 1575 -1,292 -168,10632 1625 -1,373 -178,64533 1675 -1,443 -187,75334 1725 -1,522 -198,03235 1775 -1,61 -209,48236 1825 -1,684 -219,11037 1875 -1,758 -228,73838 1925 -1,818 -236,54539 1975 -1,88 -244,612

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Com os dados obtidos, pode-se calcular o coeficiente de atrito Cd através da seguinte relação:

Cd=2 p Dh

L V 2 =2 p Dh

5

4 LQ2

onde Δp é a queda de pressão medida, Dh o diâmetro hidráulico, L o espaçamento entre as tomadas de pressão, ρ a massa específica da água, V a velocidade média do escoamento e Q a vazão.

Os valores calculados para o coeficiente de atrito Cd são mostrados na tabela abaixo. Nessa tabela, Δp plano representa a queda de pressão em L = 450 mm (da tomada 20 até a tomada 29) na região plana; Δp riblets a queda de pressão em L = 450 mm (da tomada 30 até a tomada 39) na região com riblets.

Vazão (L/h) Re Δp plano(Pa) Cd plano Δp riblets(Pa)

Cd

ribletsIncerteza

Cd

1000 15600 -142,860 0,049 -136,879 0,047 0,020

900 14000 -103,440 0,044 -122,046 0,052 0,024

800 12400 86,530 0,046 -86,135 0,046 0,027

Como pode ser percebido nos gráficos, as curvas de queda de pressão tanto na região plana quanto na região com riblets apresentam praticamente a mesma inclinação. Tal fato indica que a presença dos riblets pouco alterou o comportamento do

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escoamento. Dessa forma, não se obteve o comportamento de redução de atrito esperado para estes valores do número de Reynolds. Como os valores de Cd obtidos são muito próximos para uma mesma vazão, não se pode dizer que os riblets diminuíram ou aumentaram o arraste. Infelizmente os resultados obtidos não foram satisfatórios nem conclusivos, pois apresentam elevado grau de incerteza. Assim, estes dados ainda não podem ser considerados confiáveis.

Usando o mercúrio como fluido manométrico (SG = 13,55), a diferença de altura Δh no micromanômetro era muito pequena, o que contribuía para altos valores de incerteza. Além disso, foi notada histerese no tubo de vidro do micromanômetro durante os experimentos. Assim, o comportamento do menisco não obedecia a um padrão caso ele fosse submetido a uma mesma diferença de pressão duas vezes. Acredita-se que o motivo da histerese seja pequenas gotículas de água que ficam aderidas à parede do tubo, ocupando o espaço que deveria ser do mercúrio. O método de medição da queda de pressão não foi adequado para esse problema, então como uma alternativa, pode-se tentar usar um transdutor de pressão com alta precisão.

Em face a todas as discussões apresentadas acima, de fato decidiu-se utilizar outro sensor. Assim, iniciou-se uma fase de testes e calibrações com um transdutor de pressão de membrana da marca Validyne, modelo DP103, especialmente apto a medir diferenciais de pressão muito baixos. Para garantir que resultados confiáveis venham a ser extraídos em breve com este equipamento, foram feitas medições com um conjunto de pequenas válvulas e mangueiras flexíveis com ar, nas quais os resultados lidos no transdutor eram comparados com aqueles lidos em um manômetro simultaneamente. Ambos, claro, eram submetidos ao mesmo diferencial de pressão. A curva da figura 12 mostra que duas membranas – cada uma testada mais de uma vez em dias diferentes – apresentam excelente concordância com os resultados do manômetro. Assim, a próxima etapa é utilizar este equipamento para medir o diferencial de pressão nas seções lisa e com riblets no canal de água, repetindo as medições já feitas com o micromanômetro sem sucesso.

Figura 11: Transdutor de pressão a ser utilizado na nova bateria de testes na seção com riblets: membrana é montada internamente.

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Figura 12: Calibração do transdutor Validyne.

Conclusões

A aplicação de riblets com o intuito de obter redução de arraste em escoamentos vem sendo estudada há 60 anos. Apesar desse esforço, os mecanismos de redução de arraste ainda não são compreendidos bem pela ciência e boa parte do que se sabe hoje é especulação. Assim, é possível encontrar uma grande discordância de resultados nas diferentes pesquisas e experimentos.

Os pesquisadores devem continuar estudando o escoamento turbulento e as suas características para entender como os riblets (ou outro método) podem ser eficazes na redução de arraste. No presente projeto, obtivemos resultados com o primeiro equipamento utilizado (micromanômetro especialmente projetado) que, devido às incertezas altas, “mascararam” os resultados de redução de arraste, tornando impossível concluir se de fato ocorre a redução esperada neste canal. Mesmo com pequenas mudanças no projeto original da seção e no micromanômetro, os resultados seguiram se mostrando inconclusivos.

Pretende-se, em um futuro próximo, finalmente ser capaz de medir com uma baixa incerteza a redução de arraste no escoamento com riblets, através da utilização de um novo equipamento medidor de pressão. Estes testes já estão começando a ser feitos no laboratório.

De qualquer forma, em todo este processo, muito conhecimento teórico e experimental foi adquirido, e recentemente uma nova e extensa pesquisa teórica foi feita, o que ajuda tanto nas novas medições que serão feitas em breve com riblets, quanto na implementação futura de experimentos contemplando os outros tipos de métodos e superfícies estudados.

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Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio recebido pela PETROBRAS e CNPq.

Referências Bibliográficas

1. Bechert, D.W. et al. – “Experiments on drag-reducing surfaces and their optimization with an adjustable geometry”. J. Fluid Mech., vol. 338, pp. 59-87, Cambridge University Press, 1997.

2. Dean, B. & Bhushan, B. – “The effect of riblets in rectangular duct flow”. Applied Surface Science 258 3936– 3947, 2012.

3. Kawaguchi, Y. et al. – “Experimental study on drag-reducing channel flow with surfactant additives–spatial structure of turbulence investigated by PIV system”. International Journal of Heat and Fluid Flow 23, 2002.

4. Walsh, M. J. – “Turbulent boundary layer drag reduction using riblets”. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Aerospace Sciences Meeting, 20th, Orlando, FL, Jan. 11-14, pp.9, 1982.

5. Walsh, M. J., Bushnell, M. & Hefner, J. N. – “Riblets, in viscous Drag Reduction in Boundary Layers”, vol. 203,1990.

6. Rohr, J. J., Andersen, G. W., Reidy, L. W. & Henrlricks, E. W. – “A comparison of the drag-reducing benefits of riblets in internal and external flows”. Experiments in Fluids, l3, 36l- 368, 1992.

7. H.A. Abdulbari, R.M. Yunus, N.H. Abdurahman, A. Charles – “Going against the flow – A review of non-additive means of drag reduction”

8. C. Lietmeyer, K. Oehlert, J.R. Seume – “Optimal Application of riblets on compressor blades and their contamination behaviour”

9. Y. Peet, P. Sagaut, Y. Charron – “Turbulent drag reduction using sinusoidal riblets with triangular cross-section”

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ESTUDO DE REDUÇÃO DE ARRASTE NO ESCOAMENTO … · que a velocidade do escoamento aumenta, as...

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