Visualização de Escoamento com Corante

7/30/2019 Visualizao de Escoamento com Corante

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PROJETO E CONSTRUO DE UM CIRCUITO DE GUA COM CMARA

DE VISUALIZAO COMO INSTRUMENTO PARA O ENSINO DE

ESCOAMENTOS LAMINAR E TURBULENTO

MARTINS, W. S .(1)

MANHES, R. B.(1)

SANTIAGO, F. A.(1)

IZOLA, D. T.(2)

1. Acadmicos do curso Tcnico de Manuteno Industrial do CEFET Campos.

2. Professor orientador Mestre em Engenharia Mecnica no Laboratrio de Aeronaves daEESC-USP. Professor Substituto no CEFET Campos. [email protected]

RESUMO

Com objetivo de visualizao do escomento interno de gua nos diferentes

regimes: laminar; transio e turbulento, construiu-se um circuito de gua com

cmara de visualizao em acrlico, onde se injeta um corante que possibilita a

classificao do escoamento. A bomba de gua tem velocidade varivel. Com

um hidrmetro e tomadas de Presso Esttica e Presso Total determina-se a

velocidade mdia do escoamento. Alm da determinao do regime pelas

variveis: densidade, dimetro da tubulao e viscosidade cinemtica,

calculando o nmero de Reynolds, pode-se observar o comportamento do filete

de corante nos diferentes regimes, possibilitando uma melhor compreenso do

escoamento.

Palavras-chave: Nmero de Reynolds; Ensaio de visualizao; Escoamentolaminar e turbulento.

INTRODUO

Osborne Reynolds realizou, em 1883, a experincia que consistia em

deixar com que a gua passasse atravs de um tubo de vidro dotado de um

injetor de corante, medida que a velocidade do fluido aumenta, modifica-se o
mailto:[email protected]:[email protected]


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comportamento do filete de corante, podendo assim classificar o regime do

escoamento em laminar, transio e turbulento.

FIGURA 1 Experincia de Reynolds

Em determinadas aplicaes a classificao do regime de um

escoamento de extrema relevncia, significando economia de energia e

investimento. Escoamentos turbulentos provocam cavitao na tubulao, alm

de exigir uma maior presso manomtrica na bomba de gua,

conseqentemente necessitando de uma bomba de maior potncia e consumo

de energia.

Escoamento laminar caracterstico pelo movimento do fluido em

camadas ou extratos. Escoamento turbulento apresenta formaes de vrtices.

Reynolds classificou os escoamentos internos em tubos, (Tabela 1).

TABELA 1Classificao de escoamentos em funo do numero de Reynolds

Numero de Reynolds Regime do Escoamento

< 2000 Laminar>20004000 Turbulento

METODOLOGIA

Projetou-se um circuito de gua com capacidade de 1 litro de gua em

circulao. Com um motor de rotao varivel acoplado a uma turbina de


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paletas retas pode-se variar a velocidade do escoamento entre os regimes

laminar e turbulento segundo a equao de Reynolds.

dv

R

.

(1)

Onde:

R Numero de Reynolds;

v Velocidade mdia do escoamento;

d Dimetro interno da tubulao;

Viscosidade Cinemtica.

FIGURA 2 Vista superior do circuito de gua

Na cmara de ensaios construda em acrlico, instalou-se um injetor de

corante. O reservatrio est acima do nvel da cmara de ensaios, o

escoamento de corante e pela ao da gravidade. Uma vlvula controla a

quantidade de corante.

FIGURA 3 Reservatrio do corante e cmara de ensaios.


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Com um pedal varia-se a velocidade do escoamento entre 0 a 1,3

metros por segundo correspondente vazo mxima do hidrmetro. Utilizou-se

um hidrmetro domstico para calcular a velocidade na cmara de ensaios em

funo da vazo, do tempo com relao rea da cmara de ensaios.

FIGURA 4 Hidrmetro

O movimento do pedal realizado atravs de um parafuso com rosca

em milmetros, com passo de 1,0 mm. Estabeleceram-se as velocidades

correspondentes a cada volta do parafuso.

FIGURA 5 Vista lateral do circuito de gua.

Como o objetivo do equipamento didtico, construiu-se um sistema de

tratamento da gua misturada com o corante para possibilitar uma quantidade

maior de ensaios at que a gua fique saturada pelo corante. O sistema de

tratamento consiste em um reservatrio com divises para a gua de sada e

de entrada. No reservatrio de entrada a gua forada atravs de um filtro

por intermdio de uma bomba, aps passar pelo filtro a gua transferida para

o reservatrio de alimentao do circuito de gua.


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FIGURA 6 Reservatrio de tratamento da gua.

RESULTADOS E DISCUSSES

Determinao da velocidade mxima e mnima em funo da vazo

mxima e mnima do hidrmetro.

Dados:

d = 20,0 mm (Dimetro interno da cmara de ensaios);

= 1. 10-6 m2/s (Viscosidade cinemtica da gua a 20 C);

Qmnimo = 0,03 m3/h 0,0000083333 m3/s;

Qmximo = 1,5 m3/h 0,0004166667 m3/s;

A = . r2 = 0,0003141593 m2.

A

vdAQ (3)

Onde:

Q a vazo volumtrica;

A a rea de seco transversal da cmara de ensaios;

v a velocidade mdia do escoamento.

A

Qv

0003141593,0

0000083333,0min v

vmin = 0,0265257148 m/s

vmax = 1,3262911523 m/s

Classificando o escoamento em funo de v mximo e v mnimo.


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dvR

. (1)

6min10.1

02,03262911523,1 xR

Rmin = 530,5142960 (Escoamento Laminar).

Rmax = 26.525,8230460 (Escoamento Turbulento).

Calculando a velocidade em funo da vazo Q do hidrmetro. Com um

cronmetro fixou-se 60 segundos e anotou-se a vazo indicada no hidrmetro.

Q1 = 1,6576

Q2 = 1,6694

Q = 0,0119 m3 em 60 segundos

Q = 0,000198333 m3/s

Com a velocidade mxima e mnima estabelecida entre (1,326 e 0,026)

m/s em funo da vazo mxima e mnima do hidrmetro. Construiu-se a

seguinte tabela:

TABELA 2 Escoamentos analisados

Numero de

Reynolds

Classificao

do regime

v (m/s) Q (m /s) Q (m /60 s)

530 Laminar 0,0265 0,000008 0,00048

1080 Laminar 0,0540 0,000017 0,00102

1560 Laminar 0,0780 0,000025 0,001502102 Transio 0,1051 0,000033 0,00198

2586 Transio 0,1293 0,000041 0,00246

3208 Transio 0,1604 0,000050 0,00300

10.168 Turbulento 0,5084 0,000160 0,00960

25.680 Turbulento 1,2840 0,000400 0,02400

26.525 Turbulento 1,32625 0,000420 0,02520


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Para cada velocidade da tabela 2 fotografou-se o filete de corante na

cmara de ensaios. Os resultados esto na Tabela 3.

TABELA 3 Visualizao do filete de corante

Filete de corante na cmara de ensaios Regime Velocidade

LAMINAR0,0265 m/s

LAMINAR0,0540 m/s

LAMINAR0,0780 m/s

TRANSIO0,1051 m/s

TRANSIO0,1293 m/s

TRANSIO0,1604 m/s

TURBULENTO 0,5084 m/s




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O escoamento apresentou filete de corante uniforme para velocidades

entre 0,0265 m/s e 0,0780 m/s.

Pela observao do filete a fase de transio do regime de laminar para

turbulento ocorreu com velocidades entre 0,1051 m/s e 0,1604 m/s.

Observou-se que velocidades acima de 0,2 m/s o regime do escoamento

turbulento.

CONCLUSES

O estudo do regime de escoamentos utilizando a equao de Reynolds

melhor compreendido se for acompanhado de um ensaio de visualizao. A

observao do fenmeno fsico torna o entendimento do assunto mais simplesde ser assimilado.

A teoria do estudo de Reynolds indicando que o escamento laminar

para nmero de Reynolds at 2000 a abordagem clssica do problema,

entretanto somente dados experimentais podem comprovar o valor de nmero

de Reynolds relacionado ao regime do escoamento. Fatores como atrito

viscoso e rugosidade do tubo podem ter grandes influncia no resultado.

BIBLIOGRFICA

FOX, R. W., McDonald. 1992. Introduo Mecnica dos Fluidos. 4 Edio.

Editora Guanabara / Koogan. Rio de Janeiro RJ.

COMOLET, R., BONNIN, J. 1964. Mecanique Experimentale des Fluides.

Masson ETCie, Eiteurs. Paris.

KAMAL, A.R. Ismail. 1979. Fenmenos de Transferncia. Experincias de

Laboratrio. UNICAMP, Campinas SP.

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