Medição de fator de atrito e perda de carga em dutos anulares concêntricos e excêntricos

Abstract

O escoamento em dutos possui diversas aplicações na engenharia, dessa forma há vários autores que estudam principalmente a perda de carga nas tubulações, visto a forte e direta influência desta grandeza nos projetos. Um dos principais aspectos envolvendo o assunto é a geometria da tubulação, que por sua vez, influência significativamente aspectos como fator de atrito, na tensão de cisalhamento na parede dos dutos e distribuição de massa no interior do duto. Apesar de haver muitos dados experimentais e numéricos envolvendo diferentes geometrias, os dados ainda se mostram inconclusivos e limitados às condições específicas, principalmente em relação aos escoamentos turbulentos. O presente trabalho tem como objetivo realizar um estudo experimental e numérico acerca de grandezas relacionadas à perda de carga em dutos de seção circular e não-circular, visando conhecer com mais profundidade a influência da geometria. Para isso, analisou-se vazão e perda de carga em cinco seções de testes: uma seção circular; uma seção anular formada por dutos concêntricos, de razão de raios, r/R = 0,54; e outras três seções anulares, de mesma razão de raios, formadas por dutos excêntricos, cujas excentricidades são 0,20; 0,50 e 0,70. Para todas as seções foram feitas médias utilizando diferentes valores de vazão, sendo avaliada a faixa de Re [2000-30000], sendo essa, baseada no diâmetro hidráulico, na velocidade média do escoamento e na viscosidade cinemática do fluido. O fluido de trabalho utilizado foi ar, com experimentos conduzidos a condições ambientes. Considerou-se o escoamento como sendo estacionário, incompressível e isotérmico. Para a simulação numérica foi utilizada a técnica de volumes finitos e o modelo de turbulência k − ω SST. Os dados experimentais relativos ao fator de atrito e tensão cisalhante foram comparados com soluções analíticas disponíveis na literatura aberta. Da mesma forma, foi realizada a comparação entre dados experimentais e dados resultantes de simulações numéricas, que por sua vez, manteve as mesmas condições geométricas e dinâmicas do ensaio experimental. Os resultados encontrados mostraram-se satisfatórios apresentando boa similaridade com o proposto pelos trabalhos anteriores, tanto para o fator de atrito, quanto para uma análise qualitativa da tensão cisalhante junto à parede, em todas as seções de testes.