Departamento de Engenharia Mecânica
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DESENVOLVIMENTO DE UMA BANCADA PARA MEDIÇÃO DE
SPRAYS
Aluna: Aline Wilm Senna Pinto
Orientador: Luís Fernando Figueira da Silva
Departamento de Engenharia Mecânica, PUC-Rio
Introdução
O desenvolvimento sustentável de qualquer sociedade é altamente dependente da
disponibilidade de utilização de energia, em todos os seus aspectos. Segundo a RNC
(Rede Nacional de Combustão), "O processo de combustão é responsável por mais de
85% da energia utilizada pelo homem, sendo estratégico para a economia de todos os
países. A queima de derivados do petróleo, gás natural, (...) corresponde a mais de 80%
da energia utilizada no Brasil" [4].
Para tentar mitigar problemas como intensa emissão de gases do efeito estufa e
geração de poluentes no processo de combustão, é desejado que se obtenha o máximo de
eficiência nestes processos, consumindo-se portanto o mínimo de combustível para uma
dada aplicação. No caso da utilização de combustíveis líquidos, é frequentemente
desejado que estes sejam dispersados em gotículas com o menor tamanho possível para
que a área de contato com o ar aumente. A dispersão de combustíveis líquidos em
gotículas, conhecida como a atomização do combustível, controla a eficiência do
processso de combustão. Os atomizadores, cujo funcionamento gera gotículas
caracterizadas, usualmente, por seu diâmetro, velocidade e distribuição espacial são os
principais responsáveis pelo padrão do spray. Assim, o projeto de um spray está
intrinsecamente ligado à otimização da combustão de um combustível líquido. A
otimização da atomização de combustíveis e caracterização de sprays tem diversas
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aplicações em setores da indústria, como por exemplo em motores a pistão, turbinas a
gás, caldeiras e fornos industriais. Por isso, de acordo com a RNC, "É de fundamental
importância que a ciência e tecnologia da combustão sejam desenvolvidas pelos setores
acadêmico e industrial".
Assim sendo, este projeto visa a caracterização de sprays líquidos por diagnóstico
laser pelo método da shadowgrafia. Isto requer a obtenção de conhecimentos que vão
além dos conteúdos dados na graduação em engenharia mecânica e, também, uma melhor
compreensão sobre a mecânica dos fluidos aplicada à área de atomização de sprays
líquidos.
Durante o primeiro semestre do projeto, foi realizada a pesquisa bibliográfica sobre
os assuntos relacionados à aplicação de sprays líquidos como (i) o padrão de distribuição
de gotas, (ii) os fatores que influenciam o comportamento do spray e (iii) técnicas de
identificação e análise de gotas por diagnóstico laser. A partir do conhecimento obtido,
foram realizadas análises críticas de resultados de testes que fizeram o uso do método da
shadowgrafia e o projeto de uma nova bancada de testes. A continuidade do trabalho
consiste no projeto e na construção da bancada experimental que poderá ser utilizada para
realizar testes com sprays.
Objetivos
O estudo detalhado dos processos de combustão é, atualmente, um dos principais
focos da pesquisa no Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Rio, onde diversos
estudos experimentais e numéricos vem sendo realizados por estudantes de pós-
graduação. Apesar disso, a caracterização detalhada de sprays por diagnóstico laser ainda
não foi feita adequadamente, sendo este o propósito deste trabalho. Além da
caracterização de sprays, o estudo tem como enfoque principal a caracterização de um
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processo de atomização de líquidos através de sprays, para que a máxima eficiência de
combustão seja atingida. Para este fim, será desenvolvida uma bancada de testes onde
diferentes tipos de atomizadores poderão ser testados e caracterizados para determinar
sua eficiência. Além disso, o presente projeto visa a aquisição de conhecimentos e melhor
compreensão sobre a mecânica dos fluidos aplicada à área de atomização de sprays
líquidos.
Desenvolvimento Conceitual
Um spray pode ser produzido de diversas maneiras. Através de combinações entre
métodos de atomização e propriedades do meio, é possível obter diferentes padrões de
sprays que podem servir para as mais variadas aplicações, como para motores de
combustão interna onde é preciso um spray de grande abertura angular, alta penetração e
distribuição fina e homogênea de gotículas. Para a melhor compreensão dos parâmetros
que interferem no padrão de sprays e ,também, dos estudos envolvidos na atomização de
fluidos, foi realizada uma pesquisa bibliográfica ( [3] e [9] ), que aborda os principais
pontos descritos a seguir.
Etapas da Atomização
No exato momento em que o jato líquido do atomizador passa pelo orifício de
saída do mesmo, forças externas do meio competem com as forças internas do líquido e
tensões superficiais e, então, se inicia um processo destrutivo do filme líquido formado
neste canal de saída. A atomização primária é aquela cujas perturbações e oscilações no
filme líquido causam sua desintegração em gotas. O processo de quebra destas gotas
formadas é conhecido como atomização secundária e acontece assim que é atingido o
número de Webber crítico, tal como será visto adiante.
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A Figura 1, retirada de [2], ilustra as etapas de atomização primária e secundária
acima comentadas numa sequência de fotografias de um spray líquido tiradas próximo à
jusante de saída do atomizador:
Tipos de Atomizadores
Dentre os exemplos de atomizadores estudados encontram-se os atomizadores por
pressão, airblast atomizers e ultrasônicos. Estes atomizadores descarregam o líquido de
maneira que a velocidade relativa entre o mesmo e o meio seja grande o suficiente para
garantir que as forças resultantes na superfície do líquido provoquem a atomização.
Os atomizadores por pressão operam, basicamente, pela descarga do líquido à alta
velocidade através de um pequeno orifício, que pode possuir formas e tamanhos
diferentes. Na Figura 2 é possível observar alguns exemplos de atomizadores por pressão.
Como o próprio nome já diz, neste tipo de atomizador há a conversão de pressão em
Figura 1 – Indicação de uma região de um spray líquido onde é possível observar atomização primária ( quebra do filme
líquido ) e secundária ( desintegração das gotículas ), [4].
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energia cinética através do movimento do fluido entre os componentes dentro do
atomizador. A forma do atomizador induz o aumento da energia cinética e fortalece o
componente tangencial da velocidade, fazendo com que o spray tenha um maior ângulo
de abertura.
Figura 2 – Atomizadores por pressão rotarórios cujos orifícios e ranhuras permitem a melhor
mistura do líquido antes que o mesmo passe pelo orifício de saída. imagens retiradas de [1] e
[7].
Para atomizadores tipo airblast tal como mostrado na figura 3, o líquido é exposto
a um gás à alta velocidade e ambos se misturam antes mesmo de saírem do atomizador.
A energia cinética do ar injetado é aproveitada para criar o filme líquido e,
posteriormente, o destruir em gotículas. Apesar de sua baixa eficiência, este tipo de
atomizador leva a sprays mais finos do que os atomizadores por pressão.
Figura 3 – Esquema de um atomizador tipo airblast simples
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Os atomizadores ultra-sônicos, que servirão de base aos estudos práticos da
presente pesquisa, fazem uso de aparatos de altas frequências que produzem pequenos
comprimentos de onda no líquido e, consequentemente, boa atomização. Diferentemente
de atomizadores convencionais que dependem de pressão e alta velocidade para gerar a
desintegração do fluido em gotículas, os ultra-sônicos fazem uso apenas de energia
ultrasônica de vibração para gerar um spray fino e de baixa velocidade. Com isso, a vazão
de líquido é menor, resultando em menores taxas de queima de combustível e emissão de
poluentes consequente deste processo. Tipicamente, quanto maior for a frequência, menor
é o diâmetro médio das gotas do spray. A vazão de líquido na saída de atomizadores
ultrasônicos é capaz de atingir valores extremamente baixos, como 2 𝜇l/s.
Fatores que influenciam a atomização
Tamanho e velocidade de gota são os principais parâmetros que caracterizam um
spray, sendo estes influenciados pela configuração geométrica do atomizador e
propriedades dos fluidos em questão. As propriedades de fluido que interferem na eficácia
do processo de desintegração das gotas são a viscosidade, densidade e tensão superficial.
Tais propriedades determinam o comportamento da gota no processo de atomização. A
tensão superficial da gota tende a mantê-la esférica, se opondo às forças internas e
externas que a levam à sua quebra. Por sua vez a viscosidade do líquido é uma de suas
propriedades mais importantes pois afeta diretamente na distribuição de diâmetro de gota
no spray, vazão e padrão do mesmo.
Para cada tipo de atomizador há diferentes combinações de dimensionamento,
como por exemplo a razão entre comprimento e diâmetro da câmara de tranquilização,
mostrados na figura 4, que idealmente não pode ultrapassar o valor de 2.75.
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Figura 4 – Esquema da câmara de tranquilização de um atomizador simples de um orifício de
saída.
Atomizadores de grande porte tendem a produzir uma atomização de pior
qualidade. A relação entre o diâmetro do orifício de saída do atomizador (𝑑0) e SMD,
que é um diâmetro médio característico do spray é:
𝑆𝑀𝐷 𝛼 𝑑00.5
. (1)
Propriedades do meio também interferem na qualidade da atomização; e
destacam-se por suas influências: a viscosidade, a pressão e a temperatura.
Parâmetros de Caracterização
SMD – Sauter Mean Diameter
O diâmetro médio de Sauter é uma medida do tamanho das gotículas de um spray.
É difinido como o diâmetro de uma esfera que possui a mesma razão de volume por área
superficial de todo o spray.
Comprimento
Diâmetro
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Número de Weber (We)
Razão entre forças inerciais e forças de tensão superficial. O número de Weber é
dfinido como 𝑊𝑒 =𝜌𝑣2L
𝜎, onde 𝜌 é a densidade do fluido, v é a velocidade, L é o
comprimento característico do escoamento e 𝜎 é a tensão superficial do fluido. Quando
ultrapassado um valor crítico de Weber, uma gota tende a se dividir em duas ou três novas
gotículas.
𝑊𝑒𝑐𝑟𝑖𝑡 =1+(𝜇𝐿í𝑞 𝜇𝑀𝑒𝑖𝑜
⁄ )
1+(19 16⁄ )(𝜇𝐿í𝑞 𝜇𝑀𝑒𝑖𝑜⁄ )
. (2)
Onde a razão (𝜇𝐿í𝑞 𝜇𝑀𝑒𝑖𝑜⁄ ) representa a relação entre as viscosidades do líquido a
ser atomizado e do meio.
Número do escoamento (FN)
Utilizado para atomizadores por pressão, o número do escoamento representa a
área efetiva de escoamento, e relaciona a vazão no orifício de saída (Q) com o diferencial
de pressão presente entre o canal de saída do fluido e o meio (∆𝑃𝐿),
𝐹𝑁 = 𝑄
(∆𝑃𝐿)0.5. (3)
Quanto menor for o número do escoamento (FN), pior é a qualidade da
atomização pois não há pressão suficiente que proporcione a energia necessária para o
fino colapso do filme líquido.
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Coeficiente de descarga (Cd)
Também utilizado para caracterizar atomizadores por pressão, o coeficiente de
descarga é governado pelas perdas de pressão nas passagens do atomizador. A
configuração geométrica, diferencial de pressão, a cavitação na saída do atomizador, o
número de Reynolds do escoamento e propriedades do meio como sua densidade e
viscosidade interferem no coeficiente de descarga do atomizador. O coeficiente de
descarga, que deve ser o maior possível para proporcionar um spray de boa qualidade,
pode ser estimado como
𝐶𝐷 = [(1−𝑋)3
1+𝑋]
0.5
, (4)
onde X é a razão entre as seções transversais do atomizador e do orifício de saída do
fluido, representadas na Figura 5.
Figura 5 – Representação dos diâmetros utilizados como parâmetro para o cálculo do
coeficiente de descarga.
Ângulo de cone, penetração e padrão circunferencial
O ângulo de cone é o ângulo de abertura do spray cujo valor de projeto depende
da aplicação sendo considerada. Para motores de combustão interna por exemplo, o
Diâmetro do atomizador
Diâmetro do orifício de saída
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ângulo de cone exerce grande influência no desempenho do sistema de ignição e emissão
de poluentes como hidrocarbonetos e fumaça. Por sua vez, a penetração é a máxima
distância atingida para um spray em ar estagnado, ou seja: até onde as gotas se dividem
em outras menores.
O padrão circunferencial de um spray é equivalente à simetria do mesmo. Para
aplicações de combustão por exemplo, procura-se boa simetria pois a máxima eficácia do
processo de atomização usualmente leva à baixa emissão de poluentes. O ângulo de cone,
a penetração e o padrão circunferencial de sprays não podem ser caracterizados por
simples inspeção visual, e precisa-se de equipamentos específicos para realizar estas
medidas.
Distribuição de diâmetro de gotas e diâmetros de referência
A distribuição de diâmetro de gota de um spray é dependente dos fatores citados
acima e, geralmente, os gráficos característicos deste tipo de medição são semelhantes
aos da figura 6 abaixo, retirada de [5]. O histograma de distribuição de gotas é uma
representação estatística gráfica na qual dados experimentais são agrupados em classes
de intervalo de tamanho de gota (eixo das abscissas) vs. a porcentagem da frequência
destes intervalos.
A análise do diâmetro das gotas de um spray é de extrema importância para sua
caracterização e diz muito a respeito sobre sua qualidade e possíveis aplicações para o
mesmo. Expressões empíricas são usadas para aproximar a descrição da distribuição de
tamanho de gota do spray. A expressão mais utilizada para este fim é a de Rosin-Ramler:
1 − 𝑀 = 𝑒−(
𝐷
𝑋)
𝑞
, (5)
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onde M é a fração de volume contido em gota de diâmetro menor que D e q e X são
valores constantes que descrevem a uniformidade do spray.
Figura 6 – Histograma de distribuição de gotas (à direita) e imagens das gotas (à
esquerda) obtidas através do método de shadowgrafia utilizadas para a análise do spray, [ 5].
Além da distribuição de gotas é usual, também, sua classificação em diâmetros de
referência, como SMD e MMD. Gotas SMD são aquelas cuja razão do volume pela área
superficial é a mesma do que aquela da amostra inteira. Já as MMD são as gotas cujo 50%
do volume total de líquido está em gotas de menor diâmetro.
Coeficiente de velocidade (Kv)
O coeficiente de velocidade é uma relação entre velocidade de descarga real e o
máximo teórico, dado por:
𝐾𝑉 =𝑈
(2∆𝑃𝐿 𝜌𝐿⁄ )0.5, (6)
onde U é a velocidade de descarga real, ∆𝑃𝐿 é o diferencial de pressão presente entre o
canal de saída do fluido e o meio e 𝜌𝐿 é a densidade do líquido. O coeficiente de
velocidade também pode ser determinado pela relação empírica:
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𝐾𝑉 = 0.0036 𝐾0.29 (∆𝑃𝐿𝜌𝐿
𝜇𝐿)
0.2
. (7)
Na expressão acima, K é uma constante do atomizador dada pela razão entre a
área das seções de entrada de combustível na câmara e a multiplicação dos diâmetros do
orifício de descarga e da câmara do atomizador. O coeficiente de velocidade permite
determinar a velocidade do líquido no orifício de saída do atomizador, não podendo ser
medida diretamente.
Número de Reynolds (Re)
O número de Reynolds não é um parâmetro de direta caracterização de um spray,
porém este valor adimensional é muito importante para a compreensão do estado de um
escoamento (laminar ou turbulento). O número de Reynolds define o regime de
escoamento de um determinado fluido e é dado pela razão entre forças de inércia e
viscosas, também podendo ser representado por:
𝑅𝑒 =𝜌𝑣𝐷
𝜇, (8)
Sendo 𝑣, 𝜇 e 𝜌 a velocidade, viscosidade dinâmica e a densidade do fluido
respectivamente e D o comprimento característico do escoamento.
Método de Captura de Imagens de Gotas - Shadowgrafia
Há basicamente três tipos de medição de diâmetro de gotas existentes: por meios
mecânicos, elétricos ou ópticos. Cada um deles possui suas peculiaridades de calibração
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e capacidade de obtenção de determinados parâmetros de um spray. Os instrumentos e
métodos de medição devem idealmente serem projetados de forma a:
Não causar distúrbios no processo de atomização;
Serem capazes de identificar corpos com tamanho na ordem de grandeza de 𝜇𝑚;
Suportarem variações nas propriedades do meio e do líquido;
Calcularem de forma rápida e eficiente os parâmetros de interesse.
Todos os métodos de medição de gotas são suscetíveis a erros, sendo os mais
comuns aqueles associados à imprecisão dos instrumentos. Os métodos ópticos de
medição de gotas são os mais utilizados pelo fato de serem de custo reduzido e ainda
oferecerem boa exatidão nos resultados.
A shadowgrafia (método de obtenção de imagens desta pequisa) é um método
óptico que não interfere no desenvolvimento do spray e minimiza os efeitos da
evaporação de gotas.
Na figura 7, é possível observar um esquema dos instrumentos e suas respectivas
posições para a técnica em descrição. Esta figura foi adaptada de [6].
Figura 7 – Disposição de equipamentos no método de shadowgrafia .
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Este método consiste basicamente na fotografia das sombras produzidas pelas gotas
utilizando um pulso de luminoso que, em seguida, será analisada por um software
automático de reconhecimento de imagens. Empregando-se uma câmera de alta
velocidade, é possível observar o comportamento de gotículas. Através da shadowdrafia,
imagens de alta resolução das gotículas em análise são obtidas, permitindo a medição de
tamanho de gota e distribuição espacial e de velocidades. A maior vantagem deste método
em relação a outros, como PIV (Particle Image Velocimetry) e LDV (Laser Doppler
Velocimetry), é que não há reflexão de luz nas gotículas que prejudicam e dificultam a
análise das imagens.
Os erros associados a este tipo de técnica estão totalmente voltados a problemas
ópticos, calibração de equipamentos e aproximações feitas pelo software utilizado para
verificação de parâmetros característicos do spray. Para o método óptico que será
utilizado no desenvolvimento da bancada experimental deste projeto (Shadowgrafia), os
erros mais comuns são devidos a:
Planos focais adequados para diferenciação de gotas;
Tamanho da amostra a ser analisada, que pode conter dados incompletos de gotas
e consequentemente alterar a caracterização do spray como um todo;
Evaporação, saturação e coalescência das gotas;
Variação do diâmetro das gotas dentro de uma mesma amostra;
Sobreposição de gotas de diferentes profundidades não identificadas na imagem
coletada.
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Metodologia
A metodologia da pesquisa envolve a combinação de um atomizador, de
instrumentos ópticos de medição de gotículas e de estruturas de apoio da bancada. A
bancada foi projetada de modo a acomodar elementos essenciais para o estudo do spray,
tais como um suporte para o atomizador, sistema óptico para medição de parâmetros e
equipamentos de medição de vazão e pressão associados.
O atomizador selecionado para este projeto é do tipo ultra-sônico, modelo Sono-
Tek 8700-48Hz. Este tipo de atomizador gera gotículas de tamanho manipulável e
uniforme, pois é controlado por ondas sonoras de alta frequência facilitando assim a
interpretação das imagens que serão obtidas.
Além do atomizador também serão utilizados uma câmera CCD, um microscópio
de longa distância, um difusor de feixe laser e um laser de duplo pulso, [8]. Para as peças
estruturais da bancada serão utilizados perfis moldados de alumínio e uma mesa com 3
graus de liberdade. A disposição dos intrumentos deve ser feita de maneira que o spray
situe-se entre o difusor e o microscópio acoplado à câmera, que deve ficar do lado oposto
à fonte emissora de pulsos laser, para que a câmera obtenha uma imagem com alto
contraste. Os pontos mais escuros da imagem correspondem às sombras das gotas contra
um fundo homogeneamente iluminado. O volume efetivo de captura óptica é aquele
situado no plano de foco do arranjo entre as lentes. A localização deste volume pode ser
modificada utilizando-se o estágio de deslocamento.
O processo de medição utilizado envolve diagnóstico laser, por um processo
óptico de obtenção de imagens chamado Shadowgrafia. Esse método é uma técnica não
intrusiva que captura as imagens das sombras de partículas com alta resolução espacial,
através de uma iluminação pulsada traseira [2].
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O processo de medição consiste, brevemente, em: Feixes laser são emitidos com
duplo pulso, e o difusor é responsável por expandir o feixe, de modo a criar uma
iluminação homogênea para a área de análise. Assim, quando o spray é borrifado, a
câmera captura imagens com pontos e manchas mais escuras que o fundo, apresentando
estas alta probabilidade de representarem uma gotícula. Erros associados à leitura das
imagens são corriqueiros e, geralmente, estão ligados à difícil identificação das bordas
das gotas.
Após o processo óptico de obtenção de imagens, um software de análise de
imagens chamado "DaVis - ParticleMaster Shadow - LaVision" é utilizado. O algoritmo
deste software processa imagens e determina simultaneamente o valor do diâmetro,
velocidade e distribuição espacial das gotas do spray, dadas as imagens obtidas pela
Shadowgrafia.
Processamento de imagens
O processamento de imagens obtidas por shadowgrafia é feito através do software
“DaVis – ParticleMaster Shadow”, que discretiza as gotículas capturadas nas imagens na
forma de pixels. A principal fonte de erro do método de shadowgrafia está diretamente
ligada a esta discretização, uma vez que a resolução das imagens é limitada, o que gera
incertezas a respeito dos contornos identificados.
Calibração e fundo de escala
A calibração dos instrumentos ópticos utilizados no método de shadowgrafia é de
extrema importância pois são eles os responsáveis pela qualidade dos resultados gerados.
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Para o ajuste do plano focal da câmera e consequente melhor nitidez das imagens,
correções manuais da disposição do posicionamento dos equipamentos devem ser feitas.
Para o presente experimento, o método de ajuste de profundidade focal utilizado se dá
por uma lâmina que contém imagens circulares padronizadas em diferentes escalas de
valores conhecidos, como observado na figura 8. Note que o foco e identificação das
imagens é somente aceitável numa restrita faixa de posicionamento dos equipamentos. A
distância entre o microscópio disponível para o experimento e o plano focal, que passa
pelo eixo de simetria do atomizador, é de 86mm, [2].
Figura 8 – Padrões circulares impressos numa lâmina transparente. De cima para baixo, da
esquerda para a direita estão as imagens capturadas em diferentes planos focais formados pela
disposição dos equipamentos. Nas primeiras duas figuras a região de foco de aproxima da
lâmina e nas últimas 3 imagens, se afasta, [2].
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Para a definição da resolução e precisão do processamento, uma lâmina com uma
régua micrométrica é colocada exatamente no plano de simetria do atomizador e através
do software auxiliar, a calibração dimensional do experimento que gera a equivalência
métrica do tamanho de cada pixel é feita. A lâmina com a régua de calibração a ser usada
no experimento pode ser observada na figura 9.
Figura 9 – Régua micrométrica para calibração dimensional, [2].
Identificação das gotículas
O algoritmo de identificação das gotas pelo software é feito em 4 etapas: pré-
processamento das imagens, calibração, identificação de gotículas e cálculos geométricos
para a definição quantitativa de parâmetros como velocidade e tamanho de gota. A
detecção de gotas é controlada basicamente pelos níveis de intensidade da cor cinza, que
varia de cinza claro (fundo) para cinza escuro (centro da gotícula). O principal parâmetro
que controla a interpretação do software a respeito das variações dos níveis de cinza é o
limiar global, limite mínimo de intensidade definido para validar a presença de uma gota.
Diferentes valores para o limiar global foram definidos para notar a sensibilidade
do programa aos contrastes da imagem. Quanto maior for o limiar global, com menos
sensibilidade a imagem será analisada, podendo prejudicar a confiabilidade dos
resultados. Note na figura 10 que as gotículas de menor diâmetro geralmente são as
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primeiras a serem desprezadas, pelo fato de que é estatisticamente mais difícil delas
estarem dentro da zona focal do que as gotículas maiores.
Figura 10 – Diferentes imagens de reconhecimento do software para dois valores distindos do
limiar global. Na imagem da esquerda, o limiar global foi definido em 10% e na da direita, 90%, [2].
Além do limiar global, também pode-se controlar a sensibilidade do programa
através da centricidade das gotas. Este parâmetro é capaz de distinguir ligamentos e
objetos não identificados de gotas, que tendem a manter sempre uma forma esférica.
Através da figura 11 note que quanto maior for o limite de centricidade aceitável, menos
gotas são identificadas: Apesar deste parâmetro eliminar o processamento de formas não
esféricas (gotas), ele pode ser prejudicial a à análise pois gotículas sobrepostas e com um
mínino de não-simetria são descartadas.
Figura 11 – Diferentes imagens de reconhecimento do software para dois valores distindos de mínima
centricidade. Na imagem da esquerda, a centricidade mínima aceita foi definida em 90% e na da direita,
10%, [2].
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Resultados esperados
Nesta seção são brevemente discutidos os principais tipos de resultado obtidos com
a técnica de Shadowgrafia. Através dos ajustes feitos no software e definindo o limiar
global em 1.5% e nível mínimo de centricidade em 50%, como em [2], o software fornece
resultados da escolha do usuário, porém as mais importantes para se definir as
características de um spray são: Curva discretizada de centricidade (figura 12) e o
histograma de tamanho de gota (figura 13).
Figura 12 – Centricidade discreta das gotas, classificadas pelos seus diâmetros, [2].
Figura 13 – Histograma de diâmetro de gotas com curva cumulativa de número de amostras, [2].
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Note que o gráfico de centricidade fornece resultados coerentes, uma vez que as
gotas de menor diâmetro são aquelas que de maior centricidade e as maiores são as mais
instáveis, podendo ser até mesmo interpretadas como ligamentos. O histograma de
tamanho de gota mostra a percentagem de gotículas de cada diâmetro. O tamanho da gota
é um parâmetro de extrema importância para a qualificação do spray: sprays mais finos
ou seja, cuja maioria das gotas são de diâmetro pequeno, são de melhor qualidade. A
dispersão do tamanho das gotas também define se o spray é homogêneo ou não.
Bancada experimental
O projeto da bancada experimental foi esquematizado de maneira a acomodar
todos os equipamentos necessários para realizar o experimento pela técnica de
shadowgrafia. O diferencial do projeto em relação ao trabalho precedente, [2], se dá pela
direção na qual o spray é borrifado, isto é, de cima para baixo. Isto visa minimizar efeitos
secundários que podem eventualmente ser prejudiciais à precisão dos resultados, tais
como gotas duplamente contadas por estarem sujeitas à ação da gravidade. O atomizador
selecionado foi do tipo ultrasônico pois este gera um spray fino e homogêneo. Além disso,
a bancada possui 3 graus de liberdade, sendo apenas equipamentos-chave sujeitos à tais
deslocamentos, conforme mostrado na tabela 1.
Tabela 1 – Graus de liberdade da bancada e equipamentos associados a cada deslocamento.
Direção Equipamento (s)
X Câmera CCD e microscópio
Y Câmera CCD & microscópio e Laser & difusor
Z Atomizador
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Projeto da bancada
Utilizando-se o software SolidWorks 2014, a bancada experimental foi
desenhada. Como descrito na etapa da metodologia do projeto, a bancada acomoda os
principais equipamentos para a técnica da shadowgrafia ordenados como pode-se
observar nas figuras 14 e 15. Note que a estrutura principal da bancada é feita de perfis
de alumínio, que proporciona maior estabilidade e integridade à bancada. A mesa de
elevação ilustrada na figura 15 serve para ajustar o posicionamento do volume amostral
a ser analisado.
Figura 14 – Vista global do projeto da bancada.
Figura 15 – Ilustração do posicionamento dos equipamentos e como devem ser presos à estrutura externa
da bancada. Da esquerda para a direita: Câmera CCD, microscópio, atomizador & gerador de funções,
difusor e laser.
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Na figura 16 estão ilustrados os dois módulos principais da bancada, um com a
câmera e o microscópio e o outro com o laser e o difusor. Estes equipamentos estão
apoiados em trilhos de movimento uniaxial para se realizar a calibração focal dos
mesmos.
Figura 16 – Laser e microscópio acoplados à esquerda e laser e difusor acoplados à direita. A figura
mostra também como os equipamentos são presos.
Aparatos da bancada
Na tabela 2 constam os equipamentos necessários à montagem da bancada
experimental projetada, a especificação de cada produto e sua disponibilidade no
laboratório.
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Tabela 2 – Lista de equipamentos necessários para a montagem da bancada experimental para testes
realizados através da shadowgrafia.
Equipamento Quantidade Especificação Disponibilidade
no laboratório
Perfil Bosch 8 45 x 45 x 1735 mm Sim
Perfil Bosch 10 45 x 45 x 690 mm Sim
Perfil Bosch 9 45 x 45 x 650 mm Sim
Perfil Bosch 8 45 x 45 x 500 mm Não
Perfil Bosch 8 45 x 45 x 350 mm Sim
Perfil Bosch 4 45 x 45 x 305 mm Sim
Trilho 1 Velmex A2515P10-S2.5 Não
Trilho 1 Velmex A4012P40-S4 Não
Trilho 2 Linos FLS 95 500 M Sim
Trilho 2 Proff LMA 05/97 Sim
Conjunto de Suporte 4 Linos 14 80 M & Linos X 95 B-30 Sim
Laser 1 Bombeamento Nd YAG Sim
Câmera CCD 1 Imager intense - LaVision VC120246 Sim
Difusor 1 LaVision Sim
Atomizador Ultra-Sônico 1 Sono-Tek 8700-48 Não
Microscópio de Longa
Distância 1 Navitar 12x zoom Sim
Gerador de funções 1 Sono-Tek Free-Standing Generator Não
Lâmina de calibração 1 TED PELLA n° 2280-13 Sim
Lâmina de calibração 1 DOF Target Sim
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Conclusões
Até o presente momento foram concluídas as etapas que consistem (i) na pesquisa
bibliográfica, que visou uma melhor compreensão teórica sobre sprays atomizadores, (ii)
no projeto de uma bancadada experimental, (iii) no manuseio de um software que serve
de ferramenta para a análise crítica de imagens da Shadowgrafia. A análise das imagens
foi baseada nos conhecimentos obtidos na preparação feita durante o primeiro semestre
da pesquisa. Os próximos passos incluem (1) a aquisição dos equipamentos, (2)
montagem do projeto, (3) manuseio de instrumentos para medição de sprays e (4)
realização de testes na nova bancada. Tais testes devem comprovar o estudo teórico
realizado e apresentar melhorias em relação ao trabalho precedente, [2], na obtenção e
leitura de imagens em relação à nitidez das mesmas e homogeneidade das gotas.
Através de uma análise de imagens obtidas por shadowgrafia será possível
descrever o comportamento de sprays atomizadores. Essas análises permitirão a
observação das mudanças causadas pela manipulação da maneira como o spray é
formado. Dentre os parâmetros de controle, os principais são: a frequência do atomizador
ultrasônico, o diâmetro do orifício de saída do líquido e a vazão do fluido. Espera-se obter
a combinação ideal de parâmetros para o aumento de eficiência em processos de
combustão.
Este trabalho será interrompido por força da partida da bolsista para um
intercâmbio de 1 ano na Universidade de Minnesota (EUA).
Departamento de Engenharia Mecânica
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Referências
[1] LEFEBVRE, ARTHUR HENRY. Atomization and Sprays. Combustion: An International
Series. Edwards Brothers, 1989.
[2] CRUZ VILLANUEVA, JUAN JOSÉ. Estudo experimental da combustão turbulenta de sprays
de etanol usando plif-oh, piv e shadowgraphy. PUC-Rio, 2013.
[3] SCHLICHTING, HERMANN. Boundary-layer theory. New York: McGraw-Hill, Inc. c1979. 8th
rev. and enl. ed.
[4] Rede nacional de combustão. http://redenacionaldecombustao.org, acessado em Dezembro 2013.
[5] Journal of Materials Chemistry, 2012. http://pubs.rsc.org, acessado em Fevereiro 2014.
[6] D. DEHNADFAR, J. FRIEDMAN, M. PAPINI. Laser shadowgraphy measurements of abrasive
particle spatial, size and velocity distributions through micro-masks used in abrasive jet micro-machining.
Journal of Materials Processing Technology, 2012, pp.137-149.
[7] R. CASTREJÓN-GARCIA, J.R. CASTREJÓN-PITA, G.D. MARTIN, I.M. HUTCHINGS. The
shadowgraph imaging technique and its modern application to fluid jets and drops. Revista Mexicana de
Física, Junho 2011.
[8] HIRLEMAN, E. D. Particle Sizing by Optical, Nonimaging Techniques. Liquid Particle Size
Measurement Techniques, J. M. Tishkoff, R. D. Ingebo, and J. B. Kennedy, American Society for Testing
and Materials, 1984, pp. 35-60.
[9] Handbook of Atomization and Sprays, Theory and Applications. Springer, 2011.
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