Caracterização numérica/experimental do escoamento turbulento em um canal contendo um duto circular

Abstract

O escoamento interno turbulento em tubulações com canais compostos, pode transportar estruturas de grande escala quase-periódicas. Essas pulsações são o movimento responsável pelo transporte de massa energia e quantidade de movimento entre sub canais adjacentes. Elas estão presentes principalmente em reatores nucleares e trocadores de calor. A correta avaliação desse fenômeno, presente também em escoamentos laminares, é importante para predição da troca de calor convectivo, troca de massa e na avaliação da vibração gerada pelo escoamento. Portanto o estudo da dinâmica do escoamento é um fator de projeto que engloba eficiência e segurança de tais equipamentos. O presente trabalho tem como objetivo caracterizar de maneira experimental e numérica o escoamento turbulento em um canal com seção retangular, contendo um duto circular em seu interior com uma fenda estreita entre a parede superior do canal. Avaliar a distribuição das médias e RMS da flutuação de velocidade axial em função da largura da fenda. Também pretende-se compreender a influência da variação do número de Reynolds, largura de fenda e diâmetro do tubo na dinâmica do escoamento. Com esse fim o trabalho é dividido em três etapas: Visualização do escoamento, Simulação numérica do escoamento e Caracterização das flutuações de velocidade utilizando anemometria de fio-quente. Com a técnica de visualização analisou-se duas relações W/D de 1,10 e 1,20, onde W é o diâmetro do tubo mais a largura da fenda e D o diâmetro. O fluído de trabalho foi a água em temperatura ambiente,  25 °C. O número de Reynolds baseado no diâmetro do tubo, velocidade média e viscosidade cinemática, sendo equivalente à 4.400. Em seguida desenvolveu-se o trabalho numérico baseado no trabalho de visualização, mas somente uma relação (W/D 1,10) foi simulada. Na simulação foi utilizado o software comercial ANSYS® CFX, aplicou-se o modelo de turbulência URANS/ SST, e para redução do domínio computacional recorreu-se a técnica de periodicidade translacional no domínio. Os experimentos com a anemometria de fio-quente o fluído de trabalho foi o ar a temperatura ambiente. Foi realizado experimentos com tubos de diâmetros D = 60mm e 101,6 mm de diâmetro. Analisou-se três números de Reynolds, ReD 14.500, 28.600 e 44.100, para o tubo de 60 mm e dois ReD 28.600 e 44.100 para o de 101,6 mm baseado nas mesmas escalas que os trabalhos anteriores. Além da influência do número de Reynolds, estudou-se três relações W/D 1,05, 1,10, 1,17 e quatro comprimentos de seção Lsc/D, 8,33, 16,67, 25,00 e 33,33, onde Lsc é o comprimento da seção de testes. No primeiro experimento, que consistia na visualização foi possível ver claramente a presença de estruturas de larga escala na região da fenda. Para a relação W/D = 1,10 a formação das estruturas iniciou-se a aproximadamente 6D a jusante do início da seção de testes. Não foi possível observar nenhuma estrutura ao aumentar a largura da fenda para W/D = 1,20, com um tubo de 33,33D. Com a simulação numérica obteve-se os campos médios de velocidade axial e energia cinética turbulenta adimensionalizados que mostram os menores valores na região da fenda. Na caracterização dinâmica, determinou-se o número de Strouhal equivalente a 0,15, velocidade convectiva normalizada com a velocidade média 0,54 e comprimento de onda equivalente a 3,6D, com uma diferença de 13%, 31% e 14%, respectivamente, em relação aos dados experimentais disponibilizados na literatura. Com a anemometria de fio-quente foi possível observar que para os menores números de Reynolds, foi possível detectar estruturas coerentes com comprimentos de tubos menores. Isso é visível principalmente para o tubo de menor diâmetro. O diâmetro do tubo, parece ter o mesmo efeito do número de Reynolds: necessita de menor comprimento de tubo para a formação de instabilidades a medida que o diâmetro aumenta. A largura de fenda proporciona um aumento das flutuações de velocidade na região próximo a fenda e é o principal fator para que ocorra ou não as instabilidades, conforme previsto na literatura.