O estudo da dinâmica de fluxos em dutos com aberturas laterais apresenta um desafio significativo, pois envolve a interação entre o fluxo principal e as zonas de separação criadas por essas aberturas. Uma das abordagens fundamentais para investigar essas interações é por meio da modelagem numérica combinada com experimentação prática. Neste caso, a simulação de fluxo em um duto com uma abertura lateral, caracterizada por um fluxo transitório, permite analisar como diferentes tamanhos de abertura influenciam a dinâmica do fluxo. A seguir, abordamos a configuração experimental e a análise dos resultados obtidos através dessa combinação de simulação e experimentação.

A instalação experimental foi projetada com o objetivo de estudar a movimentação de um fluxo de ar em duto com uma abertura lateral de diferentes dimensões. A configuração experimental consistia em um gerador de névoa (mist generator) que, ao ser alimentado com uma corrente de 12 V DC, produzia vapor de glicerol a partir do aquecimento de um fio. O fio, com cerca de 25 cm de comprimento, foi escolhido de forma que a temperatura do aquecimento fosse suficiente para evaporar o glicerol e gerar a névoa visível, que, por sua vez, permitiu a observação da separação do fluxo no duto.

Durante os experimentos, foi utilizado um ventilador para criar um fluxo constante, que foi mantido estável por cerca de um minuto antes de ser aplicada a tensão no gerador de névoa. A visualização do processo foi realizada com o auxílio de uma câmera de vídeo, com a posição do gerador de névoa sendo ajustada ao longo do experimento para garantir a melhor visualização da separação do fluxo. A parede traseira do duto, oposta ao vidro de visualização, foi pintada de preto para melhorar o contraste e a observação da névoa.

A análise dos vídeos foi feita quadro a quadro, identificando os momentos mais característicos da separação do fluxo. Foi observado que a separação do fluxo não era apenas uma característica do formato da abertura, mas também da profundidade do duto, especialmente nas proximidades das paredes dianteira e traseira do ajuste do duto. Este efeito, embora fraco, confirmou a natureza tridimensional das zonas de separação do fluxo, como descrito em seções anteriores do estudo. Esse comportamento indicou uma relação mais complexa entre a geometria do duto e as zonas de separação, o que precisa ser considerado em modelos numéricos que busquem otimizar o comportamento do fluxo.

A modelagem numérica foi realizada utilizando o pre-processador Gambit, que permitiu a construção de um modelo 2D do duto com a abertura lateral e uma malha estruturada com células retangulares. A largura do duto foi definida como 0,1 m, enquanto o tamanho da abertura lateral variava conforme diferentes cenários práticos, com valores de 0,032 m, 0,06 m, 0,1 m, 0,15 m e 0,2 m. A área computacional total foi dimensionada para 4 × 1,1 m, com o comprimento do duto a montante da abertura sendo 1 m e o comprimento a jusante do ponto de confluência de 3 m.

Para garantir a precisão do modelo numérico, foram utilizadas diferentes abordagens de modelagem de turbulência, incluindo o modelo "k-ε" (modelo padrão de turbulência) e o modelo de "Reynolds stress" (RSM), com condições de contorno ajustadas de acordo com as características específicas do experimento. Um estudo de convergência da malha foi realizado, refinando a malha em diferentes estágios, tanto na área geral quanto nas regiões próximas às paredes do duto. A adaptação da malha foi essencial para melhorar a precisão das simulações, especialmente nas zonas críticas ao redor das aberturas laterais.

A validação das simulações numéricas foi realizada através da comparação com os resultados experimentais obtidos, demonstrando uma boa concordância entre as previsões numéricas e os dados experimentais. Isso confirmou que a modelagem numérica pode ser uma ferramenta eficaz para prever o comportamento de fluxos em dutos com aberturas laterais e que ajustes na geometria das aberturas podem, de fato, reduzir a resistência do fluxo e melhorar a eficiência energética do sistema de ventilação.

Em relação à importância do controle da geometria das aberturas laterais, o estudo demonstrou que a modificação do formato da entrada e a otimização das zonas de separação do fluxo são cruciais para reduzir a resistência e melhorar o desempenho do sistema. A análise de diferentes tamanhos de abertura revelou que, com o ajuste correto, é possível minimizar a perda de pressão e melhorar a distribuição do fluxo dentro do duto, tornando o sistema mais eficiente em termos de consumo de energia. Além disso, a interação entre o fluxo principal e as zonas de separação foi observada como um fator determinante na formação de padrões de vórtices, os quais, se mal controlados, podem aumentar a resistência ao fluxo.

Além das conclusões experimentais e das simulações numéricas, é essencial que os leitores considerem a complexidade das interações entre os diferentes parâmetros do sistema, como a pressão de entrada, a velocidade do fluxo, a geometria do duto e as dimensões das aberturas laterais. A capacidade de manipular esses parâmetros de forma precisa é fundamental para otimizar sistemas de ventilação e garantir um desempenho eficiente e seguro. O comportamento tridimensional das zonas de separação e os efeitos locais, como a influência das paredes do duto, devem ser considerados em qualquer análise detalhada de sistemas de ventilação. A experiência prática, aliada à modelagem numérica, oferece uma visão abrangente e valiosa para o desenvolvimento de soluções mais eficientes e inovadoras na área de ventilação industrial e de ambientes fechados.

Como a Redução da Resistência ao Arrasto no Sistema de Ventilação Aumenta a Eficiência na Remoção de Contaminantes

A redução da resistência ao arrasto dentro de um sistema de ventilação resulta diretamente em um aumento na vazão do ar exaurido. Esse aumento da vazão não é apenas um fator quantitativo; ele modifica as condições dentro do espectro de sucção, elevando a velocidade do ar e, por consequência, aprimorando a eficiência da remoção de contaminantes. Esse fenômeno tem grande importância em contextos industriais, especialmente em locais onde a limpeza do ar é crucial para a saúde e segurança dos trabalhadores.

Os parâmetros que influenciam esse processo incluem a configuração da rede de ventilação e as propriedades aerodinâmicas dos componentes envolvidos, como os exaustores. No estudo de ventilação, a aerodinâmica tem papel essencial no entendimento de como os fluxos de ar se comportam ao redor dos dispositivos, como capôs de exaustão. Quando a resistência ao fluxo de ar é minimizada, a capacidade do sistema de capturar e remover partículas contaminantes aumenta, tornando o ambiente mais seguro e saudável.

Pesquisas de dinâmica de fluidos computacional (CFD) são amplamente utilizadas para modelar e analisar esses fluxos. Por exemplo, ao resolver um problema envolvendo um capô de exaustão, os pesquisadores podem usar um software como o ANSYS® Fluent para simular o comportamento do ar em diferentes configurações de flange, ajustando a geometria e o ângulo de inclinação do capô para maximizar a eficiência da captura de contaminantes. A utilização de modelos de turbulência validados, como o Modelo de Tensão de Reynolds (RSM), permite simular com maior precisão as condições reais do fluxo de ar, resultando em uma compreensão mais detalhada da interação entre o ar e os contaminantes.

Em termos práticos, a otimização dos capôs de exaustão envolve a análise das variáveis de forma, como o comprimento do flange e o ângulo de inclinação, além de ajustes nos modelos de turbulência e na adaptação da malha computacional. Uma malha mais densa, refinada nas regiões de maior interesse, como os limites do capô e as zonas de vórtices, pode fornecer resultados mais precisos, crucial para a avaliação do coeficiente de arrasto local (LDC) e a caracterização dos padrões de fluxo ao redor da estrutura.

Além disso, a realização de testes experimentais também complementa a análise numérica, permitindo que os dados obtidos em condições reais sejam comparados e validados com as simulações computacionais. Isso resulta em um ciclo de aprimoramento contínuo do design do sistema de ventilação, aumentando a confiança nos modelos desenvolvidos e nas recomendações para a construção de sistemas de ventilação mais eficientes.

Ao longo de diversas fases de adaptação da malha computacional, a precisão dos cálculos de LDC e das características do fluxo podem ser refinadas até que uma convergência seja alcançada. Isso implica que o modelo computacional se aproxima da realidade, refletindo as verdadeiras condições de fluxo e, portanto, tornando as simulações ainda mais valiosas para a previsão do comportamento do sistema de ventilação.

Com a aplicação dessas técnicas, pode-se melhorar significativamente a captura de poeira e outros contaminantes em ambientes como oficinas de manicure, indústrias químicas e outras áreas de risco elevado. A combinação de teoria e prática, por meio de métodos computacionais avançados e experimentos controlados, torna-se essencial para o desenvolvimento de sistemas de ventilação que sejam ao mesmo tempo eficientes e seguros.

Além disso, é importante que o leitor compreenda a importância de um bom dimensionamento dos sistemas de ventilação e a interação entre a geometria do exaustor e as condições do fluxo de ar. Um design inadequado pode não apenas comprometer a eficiência do sistema, mas também colocar em risco a saúde e segurança dos trabalhadores.

Como a Distância de Estabilização e as Dimensões Características da Zona de Vórtices Afetam o Fluxo em Capôs de Exaustão

A distância de estabilização de um capô de exaustão é determinada pela interseção da dimensão característica VZ do capô com uma linha pontilhada, que representa uma variação de 5% em relação à dimensão máxima considerada. Para determinar essa distância, usamos valores calculados da dimensão característica VZ para diferentes distâncias s, obtidos com o software Advanced Grapher, que nos permite traçar uma curva de aproximação e localizar o ponto de interceptação. A abscissa desse ponto é, portanto, a distância de estabilização da dimensão característica VZ.

A análise das zonas de vórtices (VZs) no contexto dos capôs de exaustão envolve a determinação do fluxo e das dimensões características dessas zonas em diferentes ângulos de inclinação α (0°, 30°, 60°, 90°) e comprimentos de flange d (0,5, 1,5, 2,5, 5,0). A formação das VZs começa a partir do momento em que o fluxo se solta da borda afiada da flange do capô. A primeira zona de vórtice (1VZ) é formada logo após o desprendimento do fluxo, e a segunda (2VZ) surge na região de fixação da flange ao duto. Em alguns casos, as duas zonas de vórtices se sobrepõem a tal ponto que a representação gráfica das duas zonas fica completamente sobreposta, sendo que a segunda zona pode ser indicada com uma linha pontilhada.

Além disso, é importante observar que, para alguns modelos de capô, a segunda zona de vórtices nem sempre se forma. Isso é registrado em tabelas, nas quais o sinal "–" indica que não há formação da segunda zona de vórtices para aquele design específico do capô, enquanto o sinal "+" indica que a segunda zona se forma na região de junção da flange do capô com o duto. Esses diagramas fornecem uma ideia clara da natureza qualitativa do fluxo. Em algumas situações, as duas zonas de vórtices se fundem em uma só, característica observada em capôs de exaustão mais curtos. Nesse caso, o comportamento de transição entre capôs curtos e longos também deve ser considerado.

A distância de separação entre o capô e o plano de exaustão tem um impacto significativo no comportamento do fluxo. Quando a distância s é reduzida, o componente vertical da velocidade tende a dominar, estendendo a primeira zona de vórtice ao longo do plano impermeável, um exemplo claro disso pode ser observado nas situações em que o ângulo de inclinação da flange é de 60° ou 30° e a distância s é muito curta (por exemplo, s = 0,5R). À medida que a separação do fluxo aumenta, a espessura da segunda zona de vórtices também aumenta. Contudo, quando a distância s se alarga, a velocidade do fluxo diminui, e o componente horizontal da velocidade se torna mais relevante, o que causa o alargamento da primeira zona de vórtices, enquanto a segunda zona se estreita. Para distâncias ainda maiores, o efeito do plano no fluxo torna-se mínimo, e as dimensões da primeira zona de vórtices se estabilizam, variando apenas de forma insignificante.

A relação entre as dimensões características das zonas de vórtices, como a largura da zona (a), o comprimento (b) e a espessura (δ), é fortemente influenciada pela distância do plano de exaustão. À medida que a distância s aumenta, a dimensão a da primeira zona de vórtices tende a diminuir, enquanto o raio efetivo de sucção R aumenta. Quando ambas as zonas de vórtices se fundem, a variação das dimensões b e a se torna menos pronunciada. Essa fusão das zonas é observada principalmente em capôs de exaustão mais curtos ou quando a distância entre o capô e o plano é consideravelmente pequena. Para capôs sem flange, como no caso de capôs circulares, a espessura da zona de vórtices (δ) pode apresentar variações abruptas, especialmente quando as zonas de vórtices se fundem ou a segunda zona se extingue.

A interação entre o capô de exaustão e o plano de exaustão também influencia o comportamento das dimensões a, b e l, como mostrado nos gráficos das figuras 6.24, 6.26 e 6.27. Essas dimensões apresentam variações dependendo da distância s, do ângulo de inclinação da flange (α) e do comprimento da flange (d). De modo geral, a análise dessas variáveis oferece uma compreensão detalhada da dinâmica do fluxo e das zonas de vórtices em diferentes condições operacionais.

É fundamental entender que, ao variar a distância entre o capô e o plano de exaustão, a influência do capô sobre o fluxo diminui significativamente à medida que essa distância aumenta. As dimensões das zonas de vórtices passam a se estabilizar, e a dinâmica do fluxo próximo ao capô perde a influência do plano. Isso é crucial para projetar sistemas de ventilação e exaustão que sejam eficientes, pois ajuda a determinar a posição ideal do capô em relação ao duto e ao fluxo de ar.

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