Escoamento Turbulento


Os escoamentos podem ser classificados de diversas maneiras, sendo que uma das mais importantes se refere ao nível de turbulência presente. Diferentes níveis de turbulência podem representar variações significativas nos valores de grandezas que costumam ser avaliadas em equipamentos industriais (perda de carga, troca térmica, difusão etc.).

Os regimes de escoamento, definidos de acordo com o nível de turbulência, são os seguintes:

    • Escoamento laminar: é aquele no qual as partículas se movem em camadas paralelas, ou lâminas, sem invadirem o caminho das outras partículas. Na figura abaixo é representado pela imagem (a).
    • Escoamento em transição: é aquele em que há algumas flutuações intermitentes do fluido em um escoamento laminar, embora não seja suficiente para caracterizar um escoamento turbulento. Na figura abaixo é representado pela imagem (b).
    • Escoamento turbulento: é aquele no qual há flutuações no escoamento o tempo todo e as partículas invadem o caminho das partículas adjacentes, misturando-se e movendo-se de uma forma aleatória. Representado pela imagem (c) na figura abaixo.
Visualização da trajetória de um traçador no interior de um tubo em diferentes regimes de escoamento: (a) Laminar, (b) Transição, (c) Turbulento (Fonte: ANSYS, Inc.)

Visualização da trajetória de um traçador no interior de um tubo em diferentes regimes de escoamento: (a) Laminar, (b) Transição, (c) Turbulento (Fonte: ANSYS, Inc.)

Para identificar o regime de escoamento, utiliza-se o Número de Reynolds, que é um número adimensional que relaciona as forças de inércia com as forças viscosas, da seguinte forma:

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onde ρ é a massa específica, V é a velocidade, L é uma dimensão característica e μ é a viscosidade dinâmica.

Quando as forças de inércia (numerador) são muito maiores do que as forças viscosas (denominador), o escoamento passa a ser turbulento (número de Reynolds alto).

Escoamento ao redor de um cilindro (fonte: Puc Rio)

Escoamento ao redor de um cilindro (fonte: Puc Rio)

Características da Turbulência

    • Multiplicidade de escalas: a turbulência é caracterizada pela presença de várias escalas, desde as maiores – que são proporcionais à geometria – até as menores – que são inversamente proporcionais ao número de Reynolds. A energia cinética é transferida das maiores para as menores escalas.

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    • É um fenômeno contínuo: as menores escalas são maiores do que o livre caminho médio entre as moléculas.
    • É um fenômeno irregular: não pode ser calculada a partir de equações determinísticas.
    • Difusão: a turbulência provoca aumento na difusão do fluido, ou seja, há um aumento na taxa de mistura.
    • Dissipação: a turbulência é altamente dissipativa. Caso a fonte de energia seja removida, a turbulência deixa de existir, rapidamente.
    • Tridimensionalidade: as flutuações turbulentas são tridimensionais.
    • Transiente: a turbulência é um fenômeno que apresenta variações no tempo.

Análise do Escoamento Turbulento
O Escoamento turbulento é um dos fenômenos mais críticos da física moderna e que, apesar de existirem teorias e modelos que expliquem boa parte desses fenômenos, ainda não existe uma teoria única que forneça previsibilidade a uma série de situações que envolvam escoamento turbulento.

Analisar este fenômeno mesmo por experimentos físicos é um grande desafio, uma vez que para investigá-lo, existe a necessidade de incluir sensores. A inclusão de sensores ou outras ferramentas de observação do fluxo pode causar interferência no comportamento do fluido. Investigar o comportamento desses fenômenos é importante para prever situações que possam interferir na eficiência, condição de operação e funcionamento de equipamentos industriais.

As ferramentas de modelagem computacional são grandes aliadas quando o objetivo é analisar e predizer o comportamento de escoamentos de fluidos. Com elas é possível recriar diversos cenários em um ambiente virtual e realizar diferentes testes e até mesmo prever o comportamento desses escoamentos. Neste sentido, as ferramentas de CFD da ANSYS são grandes aliadas.

Turbulência em CFD
Em CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) existem modelos matemáticos que procuram representar a presença da turbulência no escoamento.

É necessário selecionar adequadamente o modelo de turbulência de modo a garantir uma solução apropriada do escoamento. Essa seleção é de responsabilidade do usuário de ferramentas de CFD, que deve conhecer as características do escoamento que será avaliado.

Há três estratégias numéricas para a modelagem de turbulência:

    • RANS (do inglês, Reynolds Averaged Navier-Stokes): resolve-se a média das variáveis no tempo. É a estratégia mais empregada em CFD. Os modelos k-epsilon, k-omega e Spalart-Allmaras fazem parte dessa estratégia.
    • LES (do inglês, Large Eddy Simulation): resolve a turbulência em função do tamanho das escalas turbulentas. As grandes escalas são calculadas e as menores são modeladas. A malha deve ser bastante refinada e exige um esforço computacional maior do que a estratégia RANS. Costuma ser usada em casos transientes.
    • DNS (do inglês, Direct Numerical Simulation): a malha é gerada de modo a garantir que todas as escalas turbulentas possam ser calculadas diretamente, sem necessidade de modelagem. Essa estratégia acarreta em malhas com um número muito elevado de elementos, sendo impraticável para casos reais.

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