Como a Expansão Súbita Afeta a Perda de Pressão e a Turbulência nos Sistemas de Dutos

A perda de pressão total em um duto, representada pela variável ΔP, é uma preocupação central na engenharia de ventilação e fluidos. Ela é diretamente influenciada pela velocidade média do fluxo, denotada por v, e pela densidade do ar, ρ. Um dos primeiros estudos sobre perdas de pressão em expansão súbita foi conduzido por Gibson (1908), que investigou o arrasto em uma expansão abrupta de um canal redondo com um grau de expansão de F/F = 10,96. Embora o estudo tenha mostrado uma boa correspondência com a equação clássica de perda de pressão, algumas discrepâncias foram observadas devido a pressões não uniformes ao longo da seção transversal. Isso demonstrou a complexidade do comportamento dos fluxos em regiões de expansão súbita e a necessidade de métodos experimentais mais refinados.

Um exemplo clássico de tais investigações é o trabalho de Armaly et al. (1983), onde a técnica LDV foi usada para estudar a relação entre o número de Reynolds e a posição do ponto de anexação do fluxo em uma expansão súbita com um grau de expansão de 1,94. Os resultados mostraram que, para Re = 7200, a zona de separação tinha uma extensão relativa de l/h = 7,6, sendo h a altura do degrau. Outros estudos, como os de Driver e Jovic (1994), também abordaram a distribuição do coeficiente de fricção ao longo da parede do duto em regiões posteriores ao degrau, determinando o ponto de fechamento da zona de separação no qual o coeficiente de fricção se torna zero, localizado a uma distância de l/h = 6,1 do degrau.

Enquanto muitos estudos se concentram na caracterização do fluxo e nas propriedades turbulentas em expansões súbitas, o avanço no campo também inclui trabalhos que buscam entender o comportamento do fluxo no regime laminar e a transição para o regime turbulento. Moallemi e Brinkerhoff (2016) e Selvam et al. (2016) investigaram essas transições em dutos com degraus retrocedentes. Já Fomin e Fomina (2017) aplicaram simulações numéricas para estudar a formação de vórtices após uma expansão súbita, constatando que, para um número de Reynolds de 10.000, a extensão da zona de separação foi da ordem de l/h = 9,5.

Embora a maioria dos estudos tenha focado na caracterização de fluxos e turbulência, um número limitado de pesquisas se dedicou a melhorar o design de expansões súbitas em elementos de rede de dutos, uma área crucial para otimizar os sistemas de ventilação. Bae e Kim (2014), por exemplo, realizaram experimentos numéricos para determinar o ângulo e o comprimento ideais de transição entre seções estreitas e largas. Seus resultados sugeriram que o modelo de turbulência k–ε modificado por uma abordagem "realizável" era adequado para simulações, e que otimizar o ângulo de bisel poderia reduzir as perdas de arrasto nas expansões.

Em relação aos fitting (ajustes) de dutos, as perdas de pressão locais (ou menores) podem ser divididas em duas categorias: perdas de pressão "funcionais" e "não funcionais". As perdas funcionais estão relacionadas diretamente ao propósito do elemento, como a mudança de direção do fluxo em cotovelos ou a redução da área do fluxo em confusores. Já as perdas não funcionais decorrem de imperfeições aerodinâmicas, como bordas afiadas que geram zonas de separação e resultam em perdas de energia para manter os vórtices. Embora as perdas funcionais sejam difíceis de eliminar, é possível mitigá-las por meio de métodos como as aletas guias em cotovelos ou divisores em tees para reduzir a perda de carga ao misturar fluxos. Por outro lado, as perdas não funcionais apresentam maior potencial de redução, principalmente através do arredondamento das bordas afiadas, o que diminui a formação de zonas de separação e melhora a eficiência do sistema.

Uma proposta interessante para melhorar esses designs sem aumentar significativamente o tamanho dos elementos de duto é a utilização de técnicas de moldagem ao longo dos contornos da zona de separação. Isso evita o aumento do tamanho dos elementos de duto, mantendo as melhorias aerodinâmicas. No entanto, o design pode precisar ser ajustado para evitar que a alteração do formato do duto cause outras perdas devido ao congestionamento do fluxo, especialmente em tees, onde as transições podem ser mais sensíveis.

Como a adaptação da malha computacional influencia a redução da resistência ao fluxo em dutos de exaustão com aberturas laterais?

Nos estágios finais de adaptação da malha computacional, a utilização de funções específicas para adaptar regiões retangulares, que compreendem faixas estreitas incluindo as paredes do duto e a abertura lateral, é fundamental para obter resultados precisos nas simulações de fluxo de ar. O processo de adaptação tem como objetivo refinar a malha, ajustando sua resolução para acompanhar as variações locais de pressão e velocidade do fluxo, especialmente nas zonas de fronteira próximas às superfícies sólidas. A Figura 3.2 ilustra essas etapas de adaptação, sendo que, devido a dificuldades de visualização, a adaptação final da camada limite fina próxima às paredes sólidas foi omitida na representação.

Essas fórmulas calculam as perdas de pressão, incluindo a pressão dinâmica e a pressão total, para estimar a resistência ao fluxo (arrasto) no duto e as modificações geradas pela abertura lateral. As perdas por atrito são uma parte essencial do cálculo do LDC, pois determinam a eficácia do projeto do duto em termos de eficiência de fluxo.

É importante destacar que, para obter resultados mais precisos, é necessário utilizar uma malha mais refinada, especialmente em regiões críticas do fluxo, como as zonas de transição perto da abertura lateral. Embora a adaptação da malha possa ser feita de maneira incremental, o aumento da resolução pode ter implicações significativas no tempo computacional, exigindo a escolha cuidadosa do modelo e do nível de refinamento da malha. Nesse contexto, o modelo SKE EWT é sugerido como uma escolha preliminar, considerando que ele proporciona um bom equilíbrio entre precisão e eficiência computacional.

Além disso, para garantir a validade das simulações, é essencial realizar medições experimentais que complementem os resultados numéricos. O estudo experimental descrito envolve um arranjo de teste com um duto de exaustão e uma abertura lateral, onde o coeficiente de arrasto local (LDC) é medido em diferentes condições de fluxo. O sistema experimental é configurado com uma série de componentes, incluindo medidores de pressão estática e dinâmica, para monitorar as variações de pressão e as velocidades do fluxo de ar. As medições experimentais permitem a verificação da precisão das simulações computacionais, além de fornecer dados cruciais para validar os modelos numéricos.

O coeficiente de arrasto local, que é calculado a partir das leituras de pressão, é um indicador chave da eficiência do duto em termos de resistência ao fluxo de ar. As perdas de pressão causadas pelo atrito nas paredes do duto e pelas condições da abertura lateral influenciam diretamente o desempenho do sistema de ventilação. Para calcular as perdas de pressão, a equação de fricção (3.3) é utilizada, levando em consideração o número de Reynolds, a velocidade do ar e o comprimento do duto.

Ao longo de todo o processo de simulação e validação experimental, é crucial compreender que as mudanças no arrasto local dependem diretamente da relação entre os fluxos de entrada e saída no duto. A variação do LDC é um reflexo dessas condições, e sua precisão pode ser afetada pela escolha do modelo computacional, pelo refinamento da malha e pelas condições experimentais. Portanto, para garantir a confiabilidade das simulações, é necessário realizar uma análise abrangente de todo o intervalo de taxas de fluxo relativas à abertura lateral, validando-as por meio de experimentos e ajustando os parâmetros de simulação conforme necessário.

Como a utilização de elementos de dutos moldados pode reduzir custos operacionais e aumentar a eficiência energética em sistemas de ventilação industrial

Os resultados do cálculo indicam que a adoção de ventiladores mais eficientes pode resultar em economias significativas em relação ao consumo de energia. Por exemplo, para um ventilador "não moldado", a potência consumida é de 3102,6 W, enquanto para um ventilador "moldado", a potência consumida é reduzida para 2028,6 W, representando uma economia de 34,6% no consumo de energia. Assim, a economia de OPEX por ano por kW será igual a: OPEX = OPEX/N = 148 / 3,1 = 47,8 €/kW/ano. Essa redução no consumo de energia também é refletida na diminuição dos custos de capital (CAPEX), com uma economia de 1245 € ao optar por um ventilador mais eficiente.

Estudos adicionais sobre o uso de elementos de dutos moldados, como tees assimétricas e capôs de exaustão com aberturas laterais, mostram que esses componentes oferecem um grande potencial de redução de arrasto e, consequentemente, de consumo de energia. A presença de tais elementos no sistema de ventilação contribui significativamente para a redução das perdas de pressão, com uma média de 86,4% das perdas totais sendo atribuídas ao arrasto local. Essa redução das perdas de pressão, quando extrapolada para diferentes tipos de sistemas de ventilação, como cinemas, oficinas industriais e escritórios, demonstra a eficácia dos elementos moldados no aumento da eficiência do sistema.

Em um exemplo de projeto aerodinâmico para um centro de escritórios de cinco andares com área total de 20.000 m², o uso de elementos moldados nos dutos resultou em uma economia de energia de 18,2 kW, ou 1,2 W/m² da área atendida. Com isso, a potência total necessária para o funcionamento do sistema foi reduzida para 67,8 kW, o que diminuiu os custos operacionais em 2640 €/ano, ou 0,176 €/m² da área atendida. Além disso, essa redução na demanda de potência permitiu que os ventiladores fossem downsized, resultando em uma diminuição nos custos de capital (CAPEX).

Os estudos realizados para sistemas de ventilação individuais, utilizando o design de elementos moldados, indicaram economias de energia variadas, dependendo do número de elementos moldados empregados. O impacto da redução nas perdas de pressão é significativo, especialmente quando se considera a eficiência aerodinâmica dos componentes de duto moldados, que ajudam a reduzir a carga de trabalho dos ventiladores, proporcionando uma operação mais eficiente e econômica.

É importante considerar que a adoção de elementos de dutos moldados não se limita apenas à otimização de sistemas já existentes, mas também abre oportunidades para futuros desenvolvimentos em projetos de sistemas de ventilação. Ao estudar e adicionar novos componentes, como cotovelos arredondados e tees simétricas, será possível expandir ainda mais os benefícios relacionados à eficiência energética e redução de custos operacionais.

Como a Simulação de Fluido Computacional (CFD) e a Modelagem de Vórtices Afetam a Eficiência dos Capôs de Exaustão

A dinâmica de fluidos computacional (CFD) tem sido uma ferramenta essencial no estudo da eficiência de sistemas de ventilação, especialmente no que diz respeito aos capôs de exaustão. Os capôs de exaustão são componentes fundamentais em sistemas de ventilação industrial e de edifícios, responsáveis por capturar e direcionar o fluxo de ar carregado de partículas ou contaminantes. A forma e o design desses capôs podem influenciar diretamente a eficiência energética e a eficácia na captura de partículas.

O uso de métodos numéricos, como os baseados nas equações de Navier-Stokes e modelos de turbulência como o RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes), permite simular com precisão o comportamento do ar ao redor dos capôs de exaustão. Essas simulações revelam informações cruciais sobre a distribuição do fluxo de ar, as zonas de separação de fluxo e as zonas de vórtice, como o "first vortex zone" (FZ) e a "secondary vortex zone" (SVZ). Essas zonas desempenham um papel crítico na eficiência do processo de exaustão, pois influenciam a distribuição de pressão e a capacidade do capô de remover eficazmente o ar poluído.

O teste de convergência da malha computacional é uma etapa vital nesse processo. Isso envolve a adaptação da malha de simulação para garantir que os resultados numéricos sejam precisos e estáveis. Esse processo é particularmente importante para modelos com geometrias complexas, como capôs circulares ou retangulares, onde a precisão na modelagem da geometria e do fluxo de ar pode afetar significativamente a análise de desempenho.

Ademais, o comportamento do fluxo dentro do capô de exaustão, como as componentes horizontais e verticais da velocidade do ar, é determinado por parâmetros como a inclinação da entrada, o ângulo de abertura da flange e a forma geral do capô. Por exemplo, capôs de exaustão circulares podem apresentar diferentes características de fluxo se comparados aos capôs retangulares, principalmente em relação à formação de vórtices e à distribuição de pressão nas paredes internas do capô.

Outro aspecto importante é a modelagem da camada limite, que envolve o estudo das interações do ar com as superfícies do capô. A aplicação de funções de parede adequadas nos modelos CFD é essencial para simular corretamente o comportamento do fluxo perto da superfície, o que impacta diretamente na eficiência do capô. A adaptação de modelos baseados em CFD para diferentes condições de operação, como variações na pressão ou na velocidade do ar, também pode otimizar a eficiência do sistema de exaustão.

A pesquisa experimental, que complementa os resultados de simulação numérica, é fundamental para validar os modelos de CFD. Isso envolve o uso de técnicas como a velocimetria por imagem de partículas (PIV) para medir os componentes da velocidade do ar e validar os perfis de velocidade previstos nas simulações. Além disso, a utilização de ferramentas de medição como a sonda Pitot-Prandtl é essencial para verificar as distribuições de pressão e fluxo de ar ao longo do capô.

Além disso, a eficiência energética dos sistemas de exaustão é um tema recorrente em estudos sobre capôs de exaustão. O design adequado dos capôs pode resultar em uma redução significativa no consumo de energia, uma vez que um capô bem projetado minimiza as perdas de pressão e melhora a eficiência do ventilador. Isso é particularmente importante em ambientes industriais e comerciais, onde o controle de custos energéticos é um fator essencial na gestão operacional.

Entender esses princípios e realizar as adaptações corretas no design do capô de exaustão é essencial para otimizar o desempenho dos sistemas de ventilação. A interação entre a CFD, a modelagem de vórtices e os testes experimentais cria uma base sólida para melhorar tanto a eficiência energética quanto a eficácia na remoção de poluentes do ar.