Como Determinar a Zona de Influência (IZ) em Sistemas de Ventilação e Dutos

A determinação da Zona de Influência (IZ) de montagens em sistemas de ventilação, compostos por uma sequência de elementos como unidades, nós e acessórios, exige um entendimento detalhado de como as forças aerodinâmicas interagem ao longo do sistema. O comprimento da zona de influência é um parâmetro crucial para determinar o impacto de cada componente sobre o comportamento geral do fluxo no duto. Nos casos em que a distância entre os acessórios de duto excede o comprimento da zona de influência, o cálculo da Perda de Carga Local (LDC) pode ser realizado pela soma das LDCs de cada componente individualmente. No entanto, conhecer o comprimento da IZ se torna essencial, especialmente ao selecionar os locais das seções de medição.

O padrão GOST 12.3.018-79 OSSS, que regula as normas de segurança ocupacional, fornece informações úteis sobre a localização das seções de medição. Embora o regulamento não forneça uma especificação exata, ele sugere que as seções de medição devem ser posicionadas "pelo menos duas vezes a distância do medidor antes do ponto de perturbação do fluxo e pelo menos seis vezes a distância do medidor após o ponto de perturbação". Esta recomendação tem o objetivo de assegurar que as medições capturam o comportamento do fluxo antes e depois das alterações no sistema de ventilação causadas pelos acessórios.

Um estudo numérico de arrasto em acessórios de dutos é uma maneira eficaz de determinar o comprimento da IZ com precisão. A distribuição de pressão ao longo do duto fornece informações valiosas sobre como a pressão total varia conforme o fluxo passa por um acessório, o que pode ser usado para identificar o limite da Zona de Influência. Posohin et al. (2012, 2014) identificaram duas abordagens principais para determinar a IZ: pela assimetria dos campos de velocidade e pela distribuição do campo de pressão total. A primeira abordagem se aplica especialmente em casos onde o acessório introduce uma deformação assimétrica no fluxo, como ocorre em curvas, estreitamentos assimétricos, e nos processos de fusão e divisão lateral de fluxos (como tees ou aberturas laterais de admissão ou exaustão).

Por outro lado, a distribuição de pressão oferece uma solução mais simples e eficiente, pois elimina as dificuldades associadas à medição da assimetria do campo de velocidade. Como foi discutido na Seção 2.2.3, as áreas de comportamento linear e não linear da perda de pressão específica podem ser identificadas ao se analisar a distribuição de pressão ao longo do duto. Em contraste com a computação de LDC, para determinar o comprimento da IZ com maior precisão, podem ser necessárias seções adicionais, localizadas nas fronteiras dessas áreas de comportamento linear e não linear.

Um estudo preliminar do fluxo em uma curva de 90° (Figura 2.7) oferece um exemplo claro de como a assimetria da distribuição de velocidade pode ser usada para determinar a IZ. A análise da distribuição da velocidade e da perda de pressão específica em seções transversais do duto permite calcular o comprimento da zona de influência para esse tipo de configuração. As descobertas indicam que a zona de influência a jusante do acessório é consideravelmente maior do que a zona a montante.

Quando se trata de tees, a geometria do problema muda. Em uma análise com tee (Figura 2.8), a pressão excessiva nas fronteiras é zero, e as seções transversais KM, NQ e QK marcam as fronteiras da zona de influência do acessório. A pressão e a perda de carga podem ser medidas em diferentes pontos do duto para mapear a zona de influência, como mostrado na Figura 2.9, onde são detalhados os comportamentos não lineares e lineares da perda de pressão ao longo do duto. O estudo mostra que a zona de influência a montante do tee está localizada entre 1,91 m < x < 2,0 m, enquanto a zona a jusante está em 2,0 m < x < 4,6 m.

A partir das análises numéricas e experimentais, é possível determinar a extensão das zonas de influência com mais precisão, fornecendo dados cruciais para o dimensionamento e o controle de sistemas de ventilação, evitando perdas excessivas de carga e garantindo a eficiência do fluxo de ar. Além disso, o domínio das técnicas para determinar a IZ é essencial para o design adequado de dutos e acessórios, minimizando impactos negativos nas propriedades do fluxo e melhorando o desempenho geral do sistema.

Como a Simulação Numérica e a Pesquisa Experimental Contribuem para a Compreensão do Fluxo de Ar em Capôs de Exaustão

A dinâmica dos fluxos de ar em capôs de exaustão é um tema de relevância considerável em várias áreas da engenharia, especialmente quando se considera a eficiência e o comportamento do ar ao redor de superfícies como as de capôs redondos. A análise precisa dessas interações, envolvendo tanto simulações numéricas quanto experimentações práticas, permite otimizar projetos e melhorar a eficiência do sistema de ventilação, minimizando perdas de pressão e aumentando a performance do fluxo.

Em primeiro lugar, no contexto das simulações numéricas, observa-se uma complexidade particular ao tratar com o comportamento do ar dentro do duto de exaustão. A pressão inicial é considerada como zero, enquanto a pressão no final do duto é afetada pela perda de pressão devido ao atrito, que é expressa pela equação ΔP = R·l. Esta equação descreve as perdas de pressão causadas pela fricção ao longo do comprimento do duto. A pressão dinâmica, por sua vez, é definida como P = ρ·u² / 2, onde ρ representa a densidade do ar e u a velocidade do fluxo. Tais parâmetros são fundamentais para determinar as condições ideais de operação e identificar os pontos críticos de perda de eficiência.

A perda de pressão devido ao atrito no duto é uma variável crucial a ser considerada nas simulações de fluxo, que, ao serem refinadas, proporcionam uma melhor aproximação dos comportamentos físicos observados. O uso de modelos de turbulência, como o RSM (Reynolds Stress Model) combinado com a técnica EWT (Enhanced Wall Treatment), tem mostrado resultados satisfatórios na simulação de fluxos ao redor de capôs, especialmente quando a grade computacional é refinada até atingir valores de y+ menores que 10. Isso leva a uma melhor correlação entre os dados numéricos e os experimentais.

A partir das simulações numéricas e dos experimentos realizados, é possível compreender melhor o comportamento da zona de separação de fluxo (VZ), especialmente em relação ao comportamento do ar na região de borda do capô. A simulação numérica, por meio do método de vórtice discreto (DVM), foi capaz de prever com precisão a localização da zona de separação do fluxo, sendo um modelo de comparação valioso em termos de adequação física dos resultados. No entanto, vale ressaltar que, em algumas simulações, o método de dinâmica de fluidos computacional (CFD) mostrou uma subestimação na área da separação de fluxo, o que indica que esses modelos podem não ser totalmente "físicos" quando comparados com os resultados experimentais.

As distribuições de velocidade axial e radial, dependendo de diferentes configurações do capô (como variações nos ângulos de inclinação e comprimentos do capô), revelam como a geometria influencia diretamente o comportamento do fluxo. A análise estatística dos resultados mostra que, em mais de 90% dos casos, os dados experimentais e numéricos se correlacionam fortemente, com o teste de Pearson indicando uma boa relação entre eles. A precisão das simulações foi validada com a utilização do critério de Fisher, que mostrou que, em mais de 80% dos casos, a dispersão dos dados é satisfatória.

Portanto, além das conclusões já tiradas das simulações e experimentos realizados, é essencial que o leitor compreenda que, para cada novo design de capô de exaustão, um estudo detalhado sobre a dependência da malha computacional deve ser feito para garantir a precisão da simulação. Este processo envolve um balanceamento entre a resolução da malha e o custo computacional, além da escolha cuidadosa do modelo de turbulência, para que os resultados da simulação possam ser considerados confiáveis e refletir com precisão as condições físicas reais.