Como a Modelagem Computacional e Experimentos Contribuem para a Redução da Resistência ao Arrasto em Aberturas de Dutos de Exaustão

A análise das perdas de carga localizadas (LDC) em aberturas de dutos de exaustão tem revelado importantes insights sobre a eficiência aerodinâmica e energética dos sistemas de ventilação. Em experimentos com aberturas modeladas, observou-se que a resistência ao fluxo, representada pelo coeficiente de perda de carga (ζ), pode ser significativamente reduzida ao aplicar perfis geométricos específicos. Embora o valor experimental para uma abertura modelada seja ligeiramente inferior ao valor numérico (com uma diferença de cerca de 14%), a redução observada de até 20% em LDC, especialmente em condições específicas como a razão altura/largura (h/b) de 1,875, confirma a eficácia dos ajustes geométricos.

A metodologia empregada nas simulações numéricas, como o uso do software Ansys Fluent, destacou a importância do modelo de vórtices discretos e da análise de dependência de malha na precisão das previsões. Ao se buscar a resolução mais precisa possível, o processo de refinamento da malha envolveu uma série de ajustes no tamanho das células, com a malha fina alcançando até 0,05 mm nas áreas críticas de interação com o fluxo, como a região da abertura e do duto. Este refinamento permite simular corretamente o comportamento do fluxo em torno da abertura, assegurando a captura eficiente de contaminações e a minimização do arrasto aerodinâmico.

Além disso, a utilização de diferentes modelos de turbulência, como o modelo de stress de Reynolds (RSM) e o modelo k-ε (SKE), oferece uma visão detalhada das interações entre o fluxo e as superfícies do duto. A escolha da abordagem de modelagem das paredes também se revelou fundamental para garantir a precisão dos cálculos, seja através do uso de funções de parede padrão ou de tratamentos aprimorados de parede (EWT). O processo iterativo de resolução, monitorando as resíduas das equações principais, garantiu que a solução numérica convergisse de forma confiável para uma análise precisa da LDC.

Por fim, a relação entre a geometria da abertura e a eficiência do sistema de ventilação se torna clara: o formato e o tamanho das aberturas têm um impacto direto no desempenho aerodinâmico do sistema, influenciando as perdas de carga e a capacidade de captura de contaminantes. Esse entendimento é crucial para o design de dutos de exaustão eficientes, especialmente em sistemas de ventilação em edifícios industriais ou comerciais, onde a eficiência energética e a redução de ruídos são prioridades.

Como a Inserção de Forma Afeta a Eficiência Energética em Sistemas de Ventilação

O estudo da eficiência energética e das perdas de pressão em sistemas de ventilação continua a ser um tema central nas pesquisas relacionadas ao design de aberturas de exaustão e ventiladores. Um aspecto fundamental dessa investigação é a análise do impacto das modificações geométricas, como a inserção de formas adequadas ao formato da abertura, que podem reduzir o consumo de energia enquanto mantêm ou até aumentam o desempenho do sistema de ventilação.

O experimento que exploramos foi realizado com um ventilador radial (modelo Vents VK100) que exauriu o ar de um duto. A medição do consumo de energia foi feita com o uso de um wattímetro (WM), enquanto a vazão do ar foi controlada ajustando a tensão fornecida ao ventilador por meio de um dimmer (D). A pressão estática e total foram determinadas a uma distância de 1,01 m por meio de um tubo pneumométrico e um micromanômetro Testo 521.3. O experimento foi conduzido em três condições diferentes: com um tubo reto e sem inserção, com uma inserção de forma (shaping insert) e com a mesma inserção, mas com potência reduzida.

Os dados coletados demonstraram que, ao utilizar a inserção de forma, a pressão estática diminuiu em 13%, indicando uma redução nas perdas de pressão, enquanto a pressão dinâmica (fluxo de ar) aumentou em 9%. Além disso, a redução do consumo de energia foi significativa, alcançando uma diminuição de 64,7% no valor do LDC (Local Drag Coefficient), um parâmetro chave para medir as perdas locais de pressão no sistema. A inserção não apenas reduziu a resistência ao fluxo, mas também permitiu um ajuste mais eficiente do ponto de operação do ventilador, resultando em uma menor necessidade de potência para manter a mesma vazão.

Ao ajustar o dimmer para reduzir a tensão fornecida ao ventilador, o ponto de operação mudou, e a velocidade do motor, juntamente com o consumo de energia, diminuiu, mas sem conseguir atingir exatamente a vazão observada no experimento com o design sem inserção. No entanto, a redução no consumo de energia foi cerca de 13,2%, o que sugere que a melhoria na eficiência energética não depende apenas da inserção de forma, mas também de um ajuste fino na operação do ventilador, especialmente em relação ao ponto de operação do ventilador na curva de desempenho aerodinâmico.

Além disso, foi possível observar que a posição do ponto de operação do ventilador ao longo da curva de desempenho aerodinâmico influencia diretamente a eficiência do sistema. Em regiões mais suaves da curva, uma leve diminuição da resistência local leva a um aumento significativo da vazão de ar, enquanto em áreas mais íngremes da curva, uma grande redução na resistência é necessária para gerar um pequeno aumento no fluxo de ar.

O estudo também analisou um modelo de capô de exaustão com formato otimizado, usando um design que seguisse os limites da zona de separação do fluxo. A área de separação do fluxo é crucial, pois o design otimizado pode reduzir significativamente as perdas de pressão associadas ao fluxo turbulento causado por bordas afiadas e mudanças abruptas no formato do duto.

As medições de pressão, realizadas com um tubo de Pitot e um micromanômetro, permitiram obter dados precisos sobre as perdas de pressão ao longo do duto e as variações na vazão do ar, dependendo do design da abertura. O comportamento do sistema foi monitorado em várias condições, desde um design simples até a implementação de formas otimizadas, permitindo uma análise detalhada das melhorias possíveis.

Este tipo de pesquisa fornece não apenas uma compreensão mais profunda dos mecanismos de fluxo e resistência em sistemas de ventilação, mas também abre caminho para a implementação de soluções mais sustentáveis e econômicas em termos de consumo de energia em projetos de ventilação industrial e residencial.

Como a Zona de Vórtice e o Comportamento de Fluxo em Conexões Assimétricas Afetam a Distribuição de Pressão em Dutos

Os achados experimentais são aproximados de forma satisfatória pelas seguintes fórmulas:

Essas expressões revelam um bom acordo com dados experimentais (Idel’chik 1992) e estudos numéricos. A análise do comportamento das zonas de vórtice em tees de confluência e seus efeitos sobre o fluxo e a pressão em dutos tem sido amplamente explorada. Esse estudo se foca, em particular, em como o fluxo de ar através de ramos laterais e principais, em diferentes proporções, afeta a extensão e a intensidade das zonas de vórtice, assim como os perfis de pressão.

Em uma análise numérica de uma tee de confluência sem forma definida, a variação da razão de pressão entre a ramificação lateral e o ramo principal (G/G) foi observada. Os resultados mostraram que à medida que essa razão se aproximava de 0.4 (para a razão de fluxo G_G/B_M), a zona de separação de fluxo no ponto de confluência aumentava consideravelmente em altura e comprimento. A zona de vórtice (VZ) é marcada por uma série de características geométricas, cujas coordenadas podem ser determinadas por funções quadráticas e lineares dependendo da razão de fluxo, conforme apresentado pelas equações:

Essas equações permitem a determinação precisa dos pontos característicos da zona de vórtice em diferentes cenários de fluxo, e foram comparadas com dados experimentais obtidos por visualização do fluxo com traços de névoa de glicerol, resultando em um bom acordo entre as previsões numéricas e as medições experimentais.

Além das zonas de vórtice, o estudo também aborda as chamadas zonas de influência (IZ), que são regiões perturbadas causadas pela presença da tee no duto. Essas zonas têm um impacto significativo no comportamento de pressão ao longo do duto. Em um cenário típico, observou-se que a pressão total no ramo principal e na ramificação lateral sofre variações devidas à fricção e à deformação do fluxo. As zonas de influência mostraram-se curtas a montante da tee, mas mais extensas a jusante, o que reflete o impacto da geometria do duto e a separação de fluxo nas características de pressão.

Ao considerar a distribuição de pressão ao longo do duto com a tee de exaustão, por exemplo, a pressão dinâmica e estática variam de forma não linear na região da zona de vórtice, com a pressão total mostrando uma queda acentuada antes da confluência devido a perdas por fricção. A pressão total na ramificação lateral, no entanto, aumentou devido à ejeção do ar causado pelo fluxo principal. Após a confluência, a pressão total diminui linearmente devido às perdas por fricção, com a pressão estática no ramo principal caindo, enquanto aumenta na ramificação lateral.

Por fim, a influência das zonas de vórtice e das zonas de influência é crucial na análise de sistemas de fluxo complexos, como aqueles encontrados em dutos industriais e sistemas de ventilação. A extensão e a intensidade dessas zonas são determinantes para a eficiência do sistema, pois afetam diretamente a distribuição de pressão e o comportamento do fluxo em diferentes pontos ao longo do duto. Compreender essas zonas e suas interações com a geometria do sistema é essencial para otimizar o desempenho de sistemas de ventilação e exaustão, além de melhorar a precisão das previsões numéricas.

Como Determinar as Propriedades do Pó e Analisar Trajetórias de Partículas em Ambientes de Trabalho

A determinação das características dinâmicas das partículas de pó é uma tarefa complexa que envolve cálculos minuciosos do coeficiente de forma dinâmico das partículas, baseados em um método desenvolvido por Razumov (1979) que utiliza o número de Reynolds. Para diferentes intervalos de Reynolds (Re), a fórmula do coeficiente de forma dinâmico (χ) varia. Quando Re é menor que 0,2, a fórmula é dada por:

Já para o intervalo 0,2 < Re < 2000, a fórmula adotada é:

E, para Re superior a 2000, a equação para o coeficiente de forma é:

Nessas equações, o número de Reynolds (Re) é calculado como:

A aplicação desse coeficiente é fundamental para modelar o comportamento das partículas de pó em um fluxo de ar, especialmente em sistemas de ventilação, como exaustores laterais, onde o estudo de trajetórias de partículas é essencial para determinar sua captura e deposição. A simulação dessas trajetórias pode ser feita através da integração numérica das equações diferenciais que descrevem o movimento de partículas de pó sob a ação de forças como a gravidade e a resistência do ar.

O estudo da dinâmica do pó e suas interações com o fluxo de ar envolve o cálculo das velocidades das partículas, tanto no eixo $x$ quanto no eixo $y$, com base na equação de movimento de Newton. Para isso, são consideradas as forças atuantes, como o arrasto do ar sobre as partículas e a gravidade. A velocidade terminal das partículas é uma variável importante para a modelagem, sendo dada por:

onde $\psi$ é o coeficiente de arrasto, calculado em função do número de Reynolds.

Em simulações computacionais, é possível traçar as trajetórias das partículas de pó e determinar, por exemplo, os pontos em que uma partícula será capturada por um sistema de exaustão. Para tal, é preciso levar em conta não apenas a velocidade do ar, mas também a altura de captura e a velocidade terminal das partículas. A precisão desses cálculos pode ser validada por comparação com dados experimentais, como foi feito em estudos prévios com exaustores circulares, validando a adequação do modelo numérico.

Além disso, a análise das características físicas do pó, como sua densidade e composição, é crucial para determinar os impactos potenciais sobre a saúde dos trabalhadores em ambientes de risco. No estudo em questão, foram coletadas três amostras de pó gerado em diferentes métodos de tratamento de unhas, e a análise revelou a presença de substâncias tóxicas como o formaldeído e o fenol, em concentrações que são preocupantes para a saúde ocupacional. O formaldeído, por exemplo, é classificado como um possível carcinógeno e irritante para o sistema respiratório. Essas substâncias, embora presentes em concentrações abaixo do limite de exposição para poluentes gasosos, não têm limites de exposição definidos quando presentes nas partículas de pó, o que torna seu monitoramento essencial.

É importante também destacar que a umidade do pó, que foi encontrada em 0,64%, pode influenciar o comportamento das partículas durante o transporte pelo ar, afetando suas trajetórias e a eficiência dos sistemas de ventilação em capturá-las. A análise de partículas por tamanho revelou a presença de frações de PM2.5 e PM10, que são especialmente relevantes para a saúde respiratória, uma vez que são pequenas o suficiente para serem inaladas e penetrarem profundamente nos pulmões.

Esse tipo de análise, envolvendo a distribuição do tamanho das partículas e a composição do pó, oferece uma visão detalhada não apenas da eficiência dos sistemas de ventilação, mas também da exposição dos trabalhadores a substâncias perigosas. Em ambientes industriais, é fundamental que os sistemas de ventilação sejam projetados de forma a minimizar a exposição ao pó respirável, capturando as partículas antes que elas atinjam a zona respiratória.

O estudo das propriedades dinâmicas das partículas de pó e a simulação de seu comportamento em fluxos de ar são componentes cruciais na proteção da saúde ocupacional e na melhoria da eficiência de sistemas de ventilação industrial. A interação entre o pó, o fluxo de ar e os dispositivos de exaustão deve ser cuidadosamente modelada para garantir que as partículas perigosas sejam adequadamente capturadas, reduzindo o risco de exposição dos trabalhadores a contaminantes prejudiciais.