Como Determinar as Zonas de Influência e Medir a Velocidade em Sistemas de Ventilação com Capôs de Exaustão

O estudo e a análise de fluxos de ar em sistemas de ventilação têm se tornado cada vez mais importantes devido à crescente demanda por eficiência energética e controle ambiental. Particularmente, a análise de zonas de influência em sistemas com capôs de exaustão permite não apenas compreender melhor os fenômenos de ventilação, mas também otimizar o desempenho dos sistemas e minimizar perdas de pressão. Este capítulo descreve uma configuração experimental projetada para estudar o comportamento do fluxo de ar em torno de capôs de exaustão e a forma de determinar as zonas de influência em um sistema de ventilação.

A medição da velocidade do ar foi realizada utilizando um anemômetro de fio quente, Testo-435, com alta precisão. A coleta de dados de velocidade foi feita em intervalos de 30 a 60 segundos, e as leituras foram automaticamente médias. Este método de medição permite obter uma avaliação precisa da distribuição da velocidade do ar em diversas zonas do sistema de ventilação, com margem de erro controlada.

A validação dos dados experimentais foi realizada por meio de estudos numéricos comparativos com resultados obtidos por modelagem de volume de controle (DVM) e simulações computacionais de dinâmica de fluidos (CFD). O estudo revelou a importância de compreender a distribuição da velocidade do ar antes e após o capô de exaustão, especialmente em relação à forma do capô – redondo ou plano – e à geometria do sistema de ventilação, que pode alterar significativamente os padrões de fluxo.

Em experimentos subsequentes, foram realizados testes com um "Tee" de exaustão, sistema que permite observar os efeitos da junção de fluxos de ar de diferentes ramos em um único ducto. O arranjo experimental utilizado foi constituído por tubos de seção transversal quadrada, e os resultados indicaram que a análise de zonas de influência em sistemas com capôs de exaustão pode ser complexa devido à interação entre os fluxos, causando variações de pressão e velocidade ao longo do ducto.

O estudo também evidenciou a necessidade de cuidados na coleta de dados de pressão e velocidade. Durante os testes, a pressão foi medida por meio de um manômetro eletrônico diferencial, e a velocidade foi medida com o anemômetro de fio quente Testo-425. O procedimento de medição envolveu a repetição de cada medição até que os resultados se estabilizassem dentro de uma faixa de variação previamente determinada, o que é crucial para garantir a precisão dos dados coletados.

Além disso, é fundamental compreender que a eficiência do sistema de ventilação depende de diversos fatores, como a escolha dos ventiladores, a configuração do capô e o tipo de ducto utilizado. Cada um desses componentes influencia diretamente a dinâmica do fluxo de ar, o que torna o estudo das zonas de influência essencial para o design e otimização dos sistemas de ventilação. Os leitores devem estar cientes de que, embora a configuração experimental descrita seja bastante detalhada, os resultados podem variar dependendo de mudanças nas condições operacionais e nas propriedades do fluido, como a viscosidade e a densidade do ar.

Redução de Arrasto em Conexões de Dutos: Técnicas e Desafios

A mitigação do arrasto em conexões de dutos, especialmente quando há mistura de fluxos, é um tema crucial no design de sistemas de ventilação e condução de ar. Diversos métodos têm sido explorados para reduzir o impacto do arrasto, que pode comprometer a eficiência dos sistemas e aumentar o consumo de energia. Uma técnica amplamente estudada envolve o uso de divisores para evitar que o fluxo de entrada colida diretamente com o fluxo de passagem. Em tees equiláteros simétricos, por exemplo, o uso de um divisor pode reduzir o arrasto em até 80%, como demonstrado por Idel’chik (1992). Contudo, em tees assimétricos, a redução do arrasto é mais variável e depende de fatores como a razão entre as taxas de fluxo principal e ramal, com variações entre 4% e 62% (Gao et al. 2018b).

O desafio que persiste, no entanto, é garantir que métodos de modelagem, tanto numéricos quanto experimentais, sejam viáveis e eficazes. As validações numéricas, que serão discutidas mais detalhadamente na seção seguinte, são essenciais para garantir que os resultados obtidos sejam confiáveis. A validação exige uma amostra de dados confiáveis obtidos de estudos existentes, razão pela qual a revisão de pesquisas anteriores sobre as partes de conexões de dutos se torna essencial. Essas investigações abordam a expansão súbita e tees assimétricas de 90°, além de diferentes tipos de entradas, como capôs arredondados ou planos e aberturas laterais, sempre com o objetivo de explorar formas de reduzir o arrasto e otimizar as zonas de vórtice (VZ).

Entre os estudos relevantes para a simulação de fluxos em conexões de dutos estão os de Draganov e Kolesnikov (1980) e Draganov et al. (1987, 2018), que se concentram em fluxos em partes com configurações geométricas variadas. As simulações numéricas que buscam localizar pontos de separação e determinar a espessura da camada limite passaram a utilizar aproximações sucessivas para modelar o formato ideal da peça e deslocar o ponto de separação para uma região mais a jusante, o que sugere uma contração da zona de vórtice.

Embora a otimização topológica tenha mostrado resultados promissores, com reduções de arrasto de até 30–40%, as peças resultantes frequentemente apresentam geometrias complexas, o que exige a utilização de tecnologias avançadas de fabricação, como a impressão 3D. Mesmo com esse avanço, a aplicação da otimização topológica continua justificada apenas para designs em que os componentes precisam se encaixar em espaços extremamente compactos e o custo total do sistema é elevado, como em engenharia automotiva, aeroespacial, além de equipamentos médicos e de computação (Skinner e Zare-Bhtash 2018).

Um aspecto importante a ser considerado é que a otimização topológica não elimina a necessidade de validação numérica. A validação torna-se ainda mais crítica quando a otimização é automatizada, pois o design da peça passa por múltiplas iterações de otimização automática, o que pode gerar um alto risco de resultados imprecisos ou inconsistentes. Além disso, essa abordagem é focada em componentes individuais e não visa soluções sistêmicas para o design de sistemas inteiros, o que limita sua aplicação em projetos de maior escala.

A "diagnóstica visual das estruturas de fluxo", uma técnica experimental que analisa o fluxo visualizado, também é uma abordagem valiosa para otimização de designs em dispositivos como turbinas a gás. Embora essa técnica produza soluções de geometria complexa, ela se diferencia por não fornecer padrões de design aplicáveis a peças semelhantes, tornando-a menos útil para a produção em larga escala.

Para os engenheiros e projetistas de sistemas de ventilação, é crucial entender que a combinação de técnicas numéricas e experimentais, como a validação dos resultados de otimização topológica e o estudo das características de fluxos em aberturas, oferece as melhores oportunidades para melhorar o desempenho dos sistemas de dutos e reduzir o arrasto. Contudo, a complexidade da implementação de tais métodos deve ser cuidadosamente avaliada, especialmente quando se considera o custo e a viabilidade das soluções tecnológicas.

Como a Distância do Plano Impermeável Afeta as Dimensões e o Comportamento dos Vórtices em Capôs de Exaustão

Os resultados das investigações numéricas indicam que as distâncias entre o capô de exaustão e um plano impermeável têm um impacto significativo nas dimensões e no comportamento dos vórtices (VZs) formados ao redor do capô. Quando a relação entre a distância s e o raio R do capô é pequena, ou seja, para distâncias menores do que 2R, observa-se uma influência pronunciada da parede impermeável, o que afeta a formação e o tamanho dos vórtices. Essa dependência diminui à medida que a distância aumenta, especialmente para distâncias superiores a 2R, quando as curvas de variação das dimensões dos vórtices para diferentes valores de s/R começam a coincidir.

Quando se analisa a relação entre a força de arrasto aerodinâmico (LDC) e a distância s/R para capôs com diferentes comprimentos de flange d/R, observa-se que a resistência aerodinâmica é menor para flanges curtas (d/R = 0,5). Isso pode ser explicado pela menor restrição ao fluxo e menor deformação gerada por flanges menores, que não provocam grandes alterações no campo de fluxo ao redor do capô. Para capôs com flanges maiores, o comportamento da resistência se torna quase idêntico, independentemente do comprimento da flange, indicando que, uma vez superada a região de restrição inicial, o fluxo volta a se comportar de forma semelhante.

Outro aspecto relevante das investigações é a comparação dos dados numéricos com os resultados experimentais encontrados na literatura (Idel'chik e Steinberg, 1994). A concordância entre os dados experimentais e os resultados numéricos obtidos a partir do modelo de cálculo é notável, com uma diferença média de cerca de 5%. Essa comparação valida a adequação do modelo numérico utilizado, aumentando a confiança nos resultados obtidos para diferentes configurações de capôs.

Para as investigações dos vórtices, foi possível traçar os contornos de 1VZ e 2VZ para as diferentes geometrias dos capôs, e os resultados mostraram que, para capôs com flanges longas (d/R ≥ 2,5), o contorno de 1VZ diminui em tamanho quando a distância s/R é reduzida. Essa diminuição é provocada pela influência limitante da parede impermeável, que restringe o desenvolvimento do vórtice. Contudo, à medida que a distância aumenta, o vórtice se expande, superando o tamanho que teria sem a presença da parede impermeável.

É importante notar que o comportamento das dimensões dos vórtices de ordem superior, como o 2VZ, se diferencia do 1VZ. O segundo vórtice apresenta uma diminuição mais significativa em seu tamanho à medida que a distância aumenta, com uma redução mais acentuada no intervalo de 0,5 < s/R < 2. Além disso, para o 2VZ, a dependência em relação ao comprimento da flange do capô é menos pronunciada, sugerindo que, enquanto o primeiro vórtice está fortemente influenciado pelas características geométricas do capô, o segundo vórtice tende a se comportar de forma mais independente das variações no design do capô.

Essas mudanças nas dimensões dos vórtices estão relacionadas a dois mecanismos principais: o mecanismo de "atenuação", que ocorre quando a parede impermeável limita o fluxo e reduz as dimensões do vórtice, e o mecanismo de "aceleração", que ocorre quando a proximidade do plano impermeável aumenta a velocidade do fluxo, fazendo com que os vórtices se expandam. A interação entre esses dois efeitos é crucial para a compreensão de como a distância do plano impermeável afeta o comportamento dos vórtices em capôs de exaustão.

Além disso, o estudo revela que para distâncias maiores que 2R, o efeito de atenuação desaparece, e o tamanho do vórtice tende a se estabilizar próximo ao valor que teria em uma situação sem a presença do plano impermeável. Essa informação é fundamental para projetistas que buscam otimizar o design de capôs de exaustão, uma vez que, após certo ponto, a influência do plano impermeável sobre a formação dos vórtices torna-se irrelevante.

Por fim, ao considerar a análise das mudanças nas dimensões dos vórtices, pode-se afirmar que existe uma relação geométrica consistente que permite prever as dimensões dos vórtices para diferentes geometrias do capô. Isso é especialmente útil para o desenvolvimento de modelos computacionais mais precisos, que podem ser escalados para diversas configurações de capôs e distâncias relativas entre o capô e planos impermeáveis.

Como as Zonas de Separação de Fluxo Influenciam a Dinâmica de Ventilação em Dutos?

O fenômeno de separação de fluxo, particularmente visível nas figuras 1.20c e 1.20d, tem sido documentado em diversos estudos, mas as investigações sobre os contornos das zonas de separação de fluxo, especialmente quando o fluxo entra nas aberturas intermediárias e finais de exaustão, são escassas nas fontes disponíveis. A formação dessas zonas de separação pode ser uma característica importante em sistemas de ventilação, onde o controle da resistência e da dinâmica do fluxo é essencial para otimizar o desempenho dos dutos.

Em dutos que contêm elementos de ajuste, como as colheres de junção ou "tees", o comportamento do fluxo também se mostra complexo e multifacetado. Muitos estudos abordam a questão de determinar o fator de resistência local, especialmente no que se refere ao comportamento do fluxo em tees de junção de exaustão. No campo da pesquisa russa, o trabalho pioneiro de Levin (1940) é um marco, pois analisa a mudança no movimento usando uma expressão para a velocidade do fluxo na confluência, assumindo que a interação entre os fluxos convergentes é similar a um impacto inelástico. Mais tarde, Taliev (1979) apresentou uma solução analítica com base em pontos de partida semelhantes, e suas equações foram ajustadas experimentalmente.

Uma importante referência bibliográfica, de Idel’chik (1992), compara os dados ajustados com dados experimentais de Gardel e Rechsteiner (1970), oferecendo uma fórmula corrigida para determinar os coeficientes de resistência de dutos em tees não simétricas de 90°. O estudo de Blaisdell e Manson (1963) oferece uma revisão abrangente dos trabalhos estrangeiros, incluindo pesquisas experimentais realizadas na Alemanha, nos Estados Unidos, Japão e Suíça, fornecendo um panorama valioso da evolução do conhecimento nesse campo.

Além disso, diversos estudos recentes tentaram revisar o cálculo da resistência em tees, incluindo métodos analíticos e simulações numéricas. Bassett et al. (2001), por exemplo, realizaram uma análise detalhada das tees de junção, obtendo equações analíticas para todos os tipos de tees, baseadas na equação de conservação de massa e momento-impulso. Contudo, o método utilizado para representar a resistência de uma tee de exaustão de 90° (como a diferença entre os coeficientes de resistência do passante e do ramo) não permitiu uma verificação eficaz dos resultados experimentais.

A análise do comportamento do fluxo em tees também envolve dificuldades inerentes à suposição de que a distribuição de pressão e velocidade ao longo dos limites do volume analisado é uniforme. Essa suposição é válida apenas a distâncias maiores da tee, onde a influência das perdas de fricção se torna mais difícil de ignorar. A descrição precisa da mecânica da interação dos fluxos, especialmente quando os fluxos são modelados como um impacto inelástico, continua sendo um desafio significativo, que limita a aplicação dessas soluções analíticas.

Com relação aos métodos numéricos, vários estudos recentes utilizam simulações de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) para estudar o fluxo em tees de junção em configurações turbulentas tridimensionais. Por exemplo, Gan e Riffat (2000) utilizaram o software Fluent CFD para modelar o fluxo em tees de junção e de divisão. Embora os resultados numéricos tenham mostrado boa concordância com os dados experimentais, algumas questões importantes, como a escolha das funções de parede e o impacto das perdas de fricção nos cálculos dos coeficientes de resistência, não foram abordadas de maneira suficiente.

As simulações numéricas em tees redondas, como as realizadas por Abdulwahhab et al. (2013), também apresentaram alguns detalhes adicionais, mas as discrepâncias com os dados experimentais, chegando a mais de 100%, e a não uniformidade do fluxo nos dutos a jusante da confluência indicam a necessidade de mais investigações. A falta de informações sobre a escolha do modelo de turbulência, bem como a ausência de dados sobre a dependência da grade, prejudicam a validação dos resultados.

A visão geral mais atual sobre o comportamento do fluxo em tees e os coeficientes de resistência pode ser encontrada em Michalos (2011), que apresenta um panorama atualizado dos estudos nesse campo, derivando equações para determinar os coeficientes de resistência a partir dos dados existentes. Infelizmente, ainda há uma escassez de dados sobre as zonas de separação de fluxo que ocorrem em tees, especialmente aquelas que envolvem a análise de perfis de velocidade e características de turbulência.

Pesquisas experimentais e numéricas sobre o comportamento do fluxo em tees de junção continuam sendo uma área importante de estudo, mas muitos aspectos do fluxo, como as zonas de separação e a interação entre os fluxos, ainda não são suficientemente compreendidos. É fundamental que mais estudos sejam conduzidos para elucidar esses aspectos e aprimorar as técnicas de modelagem e simulação, a fim de otimizar o desempenho dos sistemas de ventilação.