COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nº 173946

Novos caminhos em mecânica dos fluídos Marcos Tadeu Pereira Nilson Massami Taira Daniel Maziero Nehring

Palestra apresentada no evento Novos Caminhos em Mecânica dps Fluídos, aos engenheiros da SABESP, Sãio Paulo, SP2015.

A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________

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Novos caminhos em mecânica dos fluidos.

Marcos Tadeu Pereira

Nilson Massami Taira

Daniel Maziero Nehring

Novos caminhos em mecânica dos fluidos.

Uma abordagem sobre possibilidades que serão exploradas

nos próximos anos

Novos caminhos em mecânica dos fluidos. Esta apresentação está dividida em três partes: 1) Novos paradigmas em mecânica dos fluidos, eficiência energética e aplicações (40 min.) 2) Revisão de conceitos em incerteza em medição de vazão (40 min.) 3) Pitotmetria com perfis de velocidade deformados – novas abordagens (20 a 30 min.)

Os escoamentos precisam ser resolvidos com

engenharia, não é um “jogo de encaixar” tubos,

conexões, bombas e outros dispositivos.

“Cientistas descobrem o mundo que existe;

engenheiros criam o mundo que nunca existiu.”

Dada a extrema dificuldade das equações da

mecânica dos fluidos, os engenheiros a resolveram

(como sempre) no campo prático.

Entender melhor os escoamentos faz uma enorme

diferença como se verá nos casos descritos em seguida e

será muito mais exigido dos engenheiros no futuro.

Caso 1. Sistemas de bombeamento.

Se o sistema de bombeamento for projetado:

• como um “jogo de encaixar”,

• sem balizar o projeto pela eficiência energética

da instalação e pela análise do ciclo de vida da

instalação,

100% de certeza de falha do projeto, em

funcionalidade e custo do ciclo de vida da instalação.

realidade

mas aí está o problema, o sistema funciona!

entrega vazão e pressão desejadas, mas:

• eficiência energética reduzida;

• maiores gastos com manutenção.

100% de certeza de falha do projeto, em

funcionalidade e custo do ciclo de vida da instalação.

Mantra dos gerentes de plantas: não parar a produção!

A planta irá funcionar assim toda a vida útil (20 anos?)

Prática: substituir bomba

por qquer outra do

almoxarifado e aí vira

permanente. Ƞ < 30%.

Corolário de problemas:

• despesa muito maior com energia

• despesas de manutenção muito agravadas

• Custo de Ciclo de Vida elevado

mas escoamento estará resolvido para a produção.

• economia de energia em sistemas de bombeamento

pode ser muito maior que em qualquer outro setor,

• e é maior que energias “alternativas” possíveis.

(Stone)

PNEf setor de saneamento brasileiro pode

economizar 45%, (~1,2% do consumo total)

90% disso é consumido por sistemas de

bombeamento de água, esgoto e ar.

Os problemas da mecflu são muito “permissivos”: há um grau de tolerância absurdamente alto para problemas de escoamento.

Qualquer coisa çerve

Não se projeta o escoamento, usa-se o “jogo de

encaixar”.

Hunt: “...muitas decisões de projeto... são tomadas

por engenheiros, cientistas, empreendedores ou

planejadores cujo entendimento geral do

escoamento de fluidos é muito limitado.”

Muitos projetos de sistemas de movimentação de

fluidos podem ter erros, como os que foram

mencionados.

A origem destes erros pode muito bem estar na

distância entre o conhecimento mais profundo

da ciência/técnica da mecflu, e a forma de solução

encontrada pelos projetistas: o “jogo de encaixar”.

Hunt:

“...há um perigo de que quando cálculos são feitos

eles podem ser pouco mais que cosméticos, isso

se não forem francamente enganadores;

...muitos... desacreditam qualquer estimativa obtida

sem cálculos computacionais extensivos, não

importa quão não confiáveis sejam as bases de

tais cálculos.”

Hunt aborda um ponto muito interessante: atualmente há

muitos softwares que oferecem cálculos, soluções e

projetos em assuntos ligados ao escoamento de fluidos

nas mais diversas situações, e muitos confiam cegamente

nestes resultados.

Teorema do SISO (Shit In, Shit Out).

Mas nada substitui o ato de pensar e projetar o

escoamento, com o apoio posterior do melhor software

para acelerar e multiplicar soluções.

Temos um problema de projeto de engenharia,

na mecânica dos fluidos.

Grande problema.

Hunt: “Muito frequentemente...no projeto de dispositivos...

como válvulas, filtros, tubulações, as tabelas não fornecem a

informação requerida para um tipo particular de

escoamento...

Então o projetista, por conjecturas, e possivelmente apoiado

por visualização do escoamento, tem que extrapolar a partir

de tabelas, que podem levar a cálculos enganosos, como

tenho visto!”

Hunt merece um altar com flores.

Ex.: O cálculo de perda de carga em tubulações

Darcy-Weisbach: ℎ𝑓 = 𝑓𝑙

𝐷

𝑉2

2𝑔

𝑓 levantado a partir de um único conjunto de experimentos,

Nikuradse (1932), com von Kármàn e Prandtl.

Colebrook e White em 1939 e Rouse (Moody) em 1944:

1

𝑓= −2𝑙𝑜𝑔10

𝑘

3,7𝐷+

2,51

𝑅𝑒 𝑓

A equação de Colebrook parte de uma incerteza de 15%

Perdas singulares chegam a incertezas de 250%.

Os dados (de 1932!) de Nikuradse:

• revisão em 1960, Bureau of Reclamation

• revisão em 1996, Princeton e de Oregon,

resultados criticados

Usamos resultados de 1930 na Alemanha

(realizados com tubos da época, e com areia

simulando rugosidade).

Melhor explicação:

Barenblatt, em seu livro de 2003, “Scaling”:

“Prandtl 1930: “... Devido à fórmula de Kármàn, esforços

adicionais nesta direção se tornaram desnecessários.

As fórmulas estão em tão boa concordância com os

experimentos de Nikuradse em tubos...que completa

confiança pode ser colocada nelas para sua aplicação em

números de Reynolds arbitrariamente elevados...”

“...Prandtl era o Big Boss. Isto explica pelo menos

parcialmente porque em mais ou menos 70 anos (o livro de

Barenblatt é de 2003) os experimentos de Nikuradse de

1932 nunca foram estendidos a números de Reynolds

maiores. Mais ainda, a cultura destes experimentos, de

fato muito sutis, decaiu e até certo ponto foi perdida.”

Prandtl afirmou que nada mais era necessário após o

trabalho de von Kármàn. Cometeu aqui um erro.

Resolveu uma questão séria com uma “carteirada”.

Isto infelizmente atrapalhou muitos estudos, e repercute até

hoje:

• engenheiros assumiram que o cálculo de perda de

carga em dutos está resolvido

• hoje se sabe que estes resultados estão

superdimensionados

• E levam logicamente a seleção de bombas também

superdimensionadas.

Isto deve ser compreendido pelos engenheiros:

muitos projetos e instalações foram feitos sem

conhecimento de escoamentos, ou no mínimo com

uma abordagem deficiente.

Mas as instalações acabam funcionando, embora de

maneira precária, com eficiência energética extremamente

reduzida e/ou problemas de qualidade e de manutenção.

O que fazer para melhorar esta situação?

Proposições.

Ou, como poderá ser o futuro.

No futuro:

Convergência e Inter-relações complexas de

tecnologias:

• projeto, teoria, estudos computacionais e

instalações efetivamente construídas vão interagir

com:

WEAQs (Água, Energia, Eficiência Energética,

Esgoto, Efluentes e Qualidade do Ar) no olho do

furacão.

Zizek: Especulação financeira, Produção, Meio

Ambiente

1) Adotar um Balizador no projeto e operação:

eficiência energética de instalações com

escoamentos de fluidos.

Nos próximos anos a busca de eficiência

energética e de redução de emissões será o

grande desafio da sociedade e da engenharia em

particular.

6. Proposições

2) Os engenheiros deverão projetar o

escoamento, ao invés de “jogo de encaixar”.

O projeto do tipo “jogo de encaixar” será

abandonado para melhorar a eficiência energética

de instalações.

Projetar o escoamento

O termo inglês é mais amplo: design

3) Novos experimentos para verificar como se

comporta a perda de carga em dutos em números

de Reynolds elevados.

Novos dados devem ser ligados aos estudos

teóricos sobre perfis de velocidades próximos a

paredes, rugosidade e turbulência no interior de

dutos.

Isto tem relevância científica, de engenharia e na

aplicação prática.

4) Medição de vazão em situações complexas

• em situações fora de norma (trechos retos

insuficientes e/ou com singularidades severas

(efeitos de sistema)

• com variações temporais (de vazão e pressão)

Incorporação de mais engenharia e menos “sistema

de qualidade” nas medições.

Qualquer situação poderá ser resolvida.

5) Métodos numéricos crescerão em

importância

Os métodos numéricos de simulação de

escoamentos internos via CFD irão ganhar força

crescente nos próximos anos.

6) Saneamento irá incorporar métodos setor de

petróleo

Conclusão

1) Adotar um Balizador: eficiência energética.

2) Projetar o escoamento.

3) Revisar perda de carga- equações e coeficientes

4) Medição de vazão em situações complexas

5) Métodos numéricos crescerão em importância

6) Saneamento irá incorporar métodos setor petróleo

Isto não está nos livros, está aqui e agora. Pode

ser uma pequena revolução.