Como as Geometrias de Capô Afetam a Zona de Vórtice Secundária em Sistemas de Exaustão

A análise dos fluxos separados que se dirigem a capôs de exaustão e suas interações com as zonas de vórtice (VZ) tem sido um tópico recorrente na engenharia de ventilação. Um aspecto crucial desse estudo envolve a forma como as características geométricas do capô, como o ângulo de inclinação da flange e o comprimento da flange, afetam a formação dessas zonas de vórtice. A equação matemática que descreve a zona de vórtice primária (VZ1) é determinada por um conjunto de parâmetros que envolvem o comprimento da flange e a geometria do capô, sendo representada por uma série de equações para diferentes ângulos de inclinação da flange (α). Essas equações ajustam-se a um conjunto de limites numéricos que permitem calcular de forma precisa os contornos da VZ para uma variedade de designs de capôs.

Nos testes experimentais, a visualização do fluxo na segunda zona de vórtice foi realizada utilizando vapor frio, o que permitiu observar de perto a separação do fluxo, apesar das limitações causadas pela dissipação do vapor dentro do ducto. Isso revelou que, em alguns casos, a formação da zona de vórtice secundária ocorre a distâncias consideráveis do ponto de conexão do capô, o que indica que a eficácia do capô depende não apenas de seu comprimento, mas também do ângulo de inclinação da flange.

A relação entre a distância de separação do fluxo e a geometria do capô é claramente evidenciada. Quanto maior o ângulo de inclinação da flange, mais extensa e profunda se torna a zona de vórtice. Em ângulos menores, como o de 30°, a zona de vórtice secundária tende a desaparecer ou tornar-se menos pronunciada. Isso mostra que as variações geométricas do capô influenciam diretamente a eficiência da captura do fluxo de exaustão, determinando a distribuição do vórtice e o impacto sobre o desempenho geral do sistema.

Além disso, a análise do arrasto (drag) em sistemas de exaustão com capôs foi realizada com a utilização do modelo de distribuição de pressão total no ducto. Essa análise revelou que o coeficiente de arrasto, que depende do ângulo de abertura do capô e do comprimento da flange, se comporta de maneira previsível, seguindo padrões semelhantes aos encontrados em estudos anteriores. A comparação entre os resultados obtidos através de simulações numéricas e dados experimentais demonstrou uma forte correlação, reforçando a confiabilidade das simulações computacionais no estudo do comportamento aerodinâmico de capôs de exaustão.

Os dados encontrados ampliam o entendimento sobre como o design do capô influencia a dinâmica do fluxo no sistema de ventilação, principalmente no que diz respeito ao controle das zonas de vórtice. A interação entre as geometrias do capô e o fluxo de exaustão revela a importância da modelagem precisa para otimizar o desempenho dos sistemas de ventilação e reduzir perdas energéticas devido ao arrasto.

Um aspecto importante a ser entendido pelos leitores é que, além das simulações numéricas e dos modelos matemáticos, a experimentação direta, como a visualização do fluxo por meio de vapor frio, continua a ser uma ferramenta essencial para validar os modelos computacionais e refinar os projetos de capôs. Em particular, a análise experimental das zonas de vórtice secundárias revela nuances do comportamento do fluxo que podem ser perdidas em simulações puramente numéricas.

Como Estudar o Fluxo Separado em Dutos com Capôs Redondos e sua Medição Experimental

A análise de fluxos separados em dutos com capôs redondos é fundamental para a otimização de sistemas de ventilação, especialmente em ambientes industriais. A pesquisa sobre o comportamento desses fluxos permite entender melhor as perdas de pressão e as deformações que ocorrem ao longo do duto, impactando o desempenho do sistema. A compreensão do fluxo de ar dentro desses dutos é crucial para projetar capôs e dutos mais eficientes, minimizando o consumo de energia e melhorando a eficácia das trocas de ar.

Esses resultados, obtidos através de simulações numéricas baseadas no método de Logachev et al. (2019), mostram a complexidade do fluxo dentro de um duto com capô. O valor do coeficiente de perda de pressão (LDC) para um duto reto sem capô foi de ζ = 0,961, enquanto para um duto com capô moldado o valor foi ζ = 0,0123. A diferença entre esses valores é de 23%, o que é uma indicação da eficácia do capô moldado em reduzir as perdas de pressão. Para um capô quebrado, esse valor foi ainda mais preciso, com ζ = 0,03, mostrando a eficiência desse tipo de design.

A técnica de medição com miniprobes de pressão foi utilizada para obter dados experimentais mais precisos. De acordo com Idel’chik e Steinberg (1994), quando o ar entra suavemente no duto, a única fonte de perdas de pressão é a perda de pressão total na camada limite, sem perdas no núcleo do fluxo. Portanto, a medição do coeficiente de arrasto para entradas suaves de dutos pode ser feita de forma mais precisa ao medir a distribuição de pressão total e a velocidade do fluxo no início do duto. Nesse contexto, a utilização de miniprobes de pressão, compostas por agulhas hipodérmicas com diâmetros pequenos (0,8 mm), foi essencial para medir a pressão estática e total com alta precisão. A instalação das miniprobes foi feita em pontos específicos ao longo do capô, permitindo uma análise detalhada da camada limite e do núcleo do fluxo.

Foram realizados testes com diferentes versões de miniprobes de pressão, com diâmetros que variavam de 3 mm a 0,8 mm, para determinar qual delas forneceria as medições mais precisas. O uso de miniprobes com diâmetros menores permitiu aumentar o número de pontos de medição ao longo da camada limite, embora com a desvantagem de um tempo de resposta maior, o que foi um fator limitante. A miniprobe escolhida foi a de menor diâmetro (0,8 mm), que ofereceu boa sensibilidade e precisão para as medições, mantendo a capacidade de monitorar o comportamento do fluxo de maneira eficaz.

Os dados experimentais foram processados utilizando métodos estatísticos, como a média aritmética e o desvio padrão (RMS), para garantir que os valores medidos fossem distribuídos uniformemente. A verificação da normalidade da distribuição das medições foi feita com base na regra sigma para distribuições normais, assegurando que as medições estavam dentro da faixa de erro aceitável e seguiam um padrão de distribuição normal.

Além disso, é importante ressaltar que a aplicação desses estudos em ambientes industriais pode ser altamente benéfica, não apenas em termos de eficiência operacional, mas também no que diz respeito à sustentabilidade. O design adequado de sistemas de ventilação, com base em uma análise detalhada do comportamento do fluxo e das perdas associadas, pode resultar em significativas economias de energia, reduzindo o impacto ambiental das operações.

Como a Modelagem Numérica e Experimentos Influenciam o Desempenho Aerodinâmico de Tee Assimétrico com Redução de Arrasto

O estudo de fluxos separados em tees assimétricos, especialmente aqueles projetados para reduzir a perda de carga local (LDC), é crucial para a otimização de sistemas de ventilação e outros sistemas de condução de fluidos. Em experimentos realizados com tees modeladas, foi observado que o formato da peça pode impactar significativamente o desempenho aerodinâmico e a eficiência energética do sistema.

A investigação foi conduzida em torno de um tee com uma inserção projetada que foi montada em uma área previamente não moldada. Essa inserção foi criada a partir de espuma de poliestireno, uma escolha de material que proporciona flexibilidade e precisão na modelagem das formas. Três formas foram testadas para determinar a eficiência do processo de modelagem: 0,23, 0,511 e 0,86. Os resultados experimentais demonstraram que a forma 0,511 apresentou as menores taxas de LDC, indicando que essa configuração é a mais versátil e eficiente ao longo da gama de diferentes razões de taxa de fluxo.

Os dados experimentais foram comparados com simulações numéricas feitas por CFD (Dinâmica de Fluidos Computacional), revelando uma discrepância, com os resultados numéricos apresentando LDC mais baixos. Isso pode ser atribuído a falhas na fabricação da inserção moldada e a erros de medição durante os experimentos. No entanto, mesmo considerando essas variáveis, a forma 0,511 mostrou-se a mais eficiente em termos de redução de LDC quando comparada com as outras formas analisadas.

O comportamento das zonas de influência (IZs), que afetam diretamente o desempenho do tee, também foi examinado. Para a forma 0,511, três zonas de influência foram determinadas: uma na região a montante da ramificação lateral, outra no ducto principal e uma terceira na confluência do ducto principal. O comprimento dessas zonas foi calculado com base em uma série de medições e cálculos iterativos, e sua variação ao longo da razão de fluxo foi estudada. O comportamento da IZ revelou um padrão complexo, com uma variação significativa em função da razão de fluxo.

Uma análise mais detalhada das zonas secundárias de vórtice também mostrou que, embora a modelagem ajude a reduzir os efeitos das zonas de vórtice, elas não são completamente eliminadas. Isso se aplica especialmente em tees assimétricas, onde o tamanho da zona de vórtice secundário depende da razão de fluxo. A redução de arrasto ao longo dessa zona secundária mostrou benefícios mínimos, sugerindo que o investimento na modelagem das regiões de maior impacto, como as zonas de influência primárias, é mais eficaz.

Ao integrar essas descobertas, podemos observar que, enquanto a modelagem do tee proporciona uma redução significativa de arrasto e melhora a eficiência do sistema de ventilação, as configurações ideais dependem de um equilíbrio delicado entre as características geométricas e as condições de fluxo. O uso de CFD e experimentos numéricos permite a previsão e a otimização desses sistemas, fornecendo dados precisos para engenheiros que buscam minimizar a perda de carga e maximizar a eficiência energética.

Além disso, é essencial compreender que as condições de fluxo variáveis e os efeitos de diferentes configurações de entrada podem alterar consideravelmente o desempenho dos tees modelados. A interação entre as zonas de fluxo e as modificações geométricas deve ser cuidadosamente monitorada para garantir que a modelagem não apenas reduza o arrasto, mas também não crie novas complicações em outras áreas do sistema.

Como a Modelagem de Expansões Súbitas Afeta o Coeficiente de Arrasto em Sistemas de Dutos de Ventilação

Em um estudo numérico, foi determinado o LDC para uma expansão súbita modelada e não modelada. A abordagem envolveu a utilização de malhas de diferentes resoluções, começando com uma malha grosseira com tamanho mínimo de célula de 0,003 m, que foi refinada até atingir um tamanho de célula de 1,49 · 10−5 m, com cerca de 2,9 milhões de células. Cada estágio de adaptação foi solucionado repetidamente para calcular o coeficiente de arrasto local. Um aspecto fundamental observado foi a extinção da dependência da malha, evidenciada pela estabilidade do LDC para valores de y+ abaixo de 60, o que indica que a qualidade da malha na região próxima à parede não impacta significativamente o resultado da simulação.

A redução do LDC foi significativa para uma expansão súbita modelada, com um valor de 0,013, cerca de seis vezes menor do que para uma expansão afiada, que apresentava LDC de 0,09. Isso demonstra a eficácia do perfilamento da geometria na redução do arrasto. Além disso, a dependência do LDC em relação ao grau de expansão (b/b₀) foi analisada, com a forma modelada apresentando uma redução de arrasto em torno de 78%, independentemente do grau de expansão. A fórmula de aproximação que descreve essa relação é dada por:

Essa relação, semelhante à fórmula de Borda–Carnot, proporciona uma boa aproximação para o cálculo do LDC em expansões súbitas modeladas, com um desvio de até 9%.

Outro aspecto importante discutido foi a formação de zonas de vórtices secundários (SVZ) nas expansões modeladas. Embora a formação de vórtices não pudesse ser completamente evitada, foi observada uma relação entre o tamanho da SVZ e o grau de expansão. Para expansões menores, a SVZ é de tamanho reduzido e sua influência no arrasto é limitada. No entanto, para expansões maiores, a SVZ tende a crescer, o que pode levar a uma diminuição adicional do LDC, embora isso também aumente o tamanho do elemento do duto. Portanto, a melhor prática consiste em modelar apenas as zonas primárias de vórtices, evitando o aumento desnecessário do tamanho do duto.

Em relação às zonas de influência (IZ), que descrevem a propagação das perturbações do fluxo antes e depois da expansão, observou-se que, embora o perfilamento do duto reduza significativamente o LDC e minimize a formação de vórtices, ele também leva ao aumento da IZ a jusante da expansão à medida que o grau de expansão aumenta. Isso ocorre porque, mesmo que a modelagem minimize as perturbações próximas às etapas de expansão, ela não impede a deformação do fluxo à medida que ele se expande, o que resulta no aumento do comprimento da zona de influência.

Ao aplicar essas modificações, os projetistas podem usar as dependências descritas neste estudo para otimizar o desempenho de sistemas de ventilação, especialmente em configurações de tees assimétricas, expansões súbitas e aberturas de exaustão. A escolha do perfil adequado para as expansões depende não apenas do espaço disponível, mas também do grau de expansão, da formação de vórtices e da interação com as zonas de influência. Tais considerações podem ser fundamentais para aumentar a eficiência de sistemas de ventilação, reduzindo o consumo de energia e melhorando o desempenho geral.