O estudo dos fluidos em movimento é o objeto de estudo da mecânica dos fluidos (WHITE, 2011). É importante para o conceito do calorímetro com fluxo continuo de água, entender a mecânica dos fluidos para que se possa realizar uma análise dos fenômenos que ocorrem no interior do calorímetro. Segundo White (2011) a essência do estudo do escoamento dos fluidos é um compromisso criterioso entre a teoria e a experimentação.
Conforme White (2011) não existe uma análise geral do escoamento de um fluido, e sim dezenas de soluções particulares conhecidas, e muitas destas obtidas em computador e por dados experimentais. Uma análise quanto ao atendimento dos escoamentos, foi efetuada por Reynolds (1883), onde o mesmo desenvolveu um aparato a fim de identificar o aparecimento de turbilhões em escoamentos de tubulações de diferentes diâmetros. Na Figura 22 têm-se os regimes de escoamentos observados por Reynolds (1883).
Figura 22 – Escoamentos observados por Reynols (1883)
Fonte: Adaptado de REYNOLDS, 1883.
O escoamento laminar ocorre quando as partículas de um fluido se movimentam ao longo de trajetórias bem definidas, apresentando laminas ou camadas, que preservam as características durante o escoamento. No escoamento laminar a viscosidade age no fluido no sentido de amortecer a tendência de surgimento da turbulência. Este escoamento ocorre geralmente a baixas velocidades e em fluidos que apresentem grande viscosidade.
Já o escoamento turbulento ocorre quando as partículas não se movem ao longo de trajetórias bem definidas, ou seja, as partículas descrevem trajetórias irregulares, com movimento aleatório, produzindo uma transferência de quantidade de movimento entre regiões de massa liquida. Este escoamento é comum na água, cuja viscosidade é relativamente baixa.
O número de Reynolds (Re) é um número adimensional usado para o calculo do regime de escoamento, determinando se o mesmo é laminar, turbulento ou se esta na faixa de transição
entre laminar e turbulento. O número de Reynolds é uma relação entre forças de inicia e forças viscosas, que é expressa pela Equação 6, conforme abaixo.
(6)
Onde 𝜌 é a massa especifica do fluído (kg/m³), V é a velocidade média do fluido (m/s), D é o diâmetro para o fluxo no tubo (m) e 𝜇 é a viscosidade dinâmica do fluido (kg/m.s).
2.6.1 Dinâmica dos Fluídos Computacionais - CFD
Segundo Rego (2008) apud Fontes et al., (2005) Fluidodinâmica Computacional (CFD) é o termo dado ao grupo de técnicas matemáticas, numéricas e computacionais, usadas para obter, visualizar e interpretar soluções computacionais para as equações de conservação de grandezas físicas de interesse de um dado escoamento. A origem dessas equações de conservação é a teoria de fenômenos de transporte. Portanto, pode-se dizer que CFD é o conjunto das técnicas de simulação computacional usadas para predizer os fenômenos físicos ou físico-químicos que ocorrem em escoamentos, os quais podem ser relacionados à ação e à interação de fatores como difusão, convecção, turbulência, etc. No campo da fluidodinâmica todos esses fenômenos são governados pelas equações de Navier-Stokes. A maioria dos aspectos importantes dessas relações é não linear e, como consequência, não possuem soluções analíticas.
Computational Fluid Dynamics ou CFD é uma análise dos sistemas que envolvem o fluxo de fluidos, transferência de calos e fenômenos associados, tais como reações químicas por meio de simulação baseada em computador. A técnica é muito poderosa e abrange uma ampla gama de áreas de aplicação industrial. (VERSTEEG E MALALASEKERA, 1995)
A Fluidodinâmica Computacional (CFD) pode ser uma ferramenta poderosa, aplicada tanto em projetos de engenharia como na investigação e desenvolvimento de uma base de conhecimento para novos processos.
No caso de escoamentos externos, podem ser citados como exemplos passíveis de serem estudados com CFD, a aerodinâmica de naves espaciais, aviões e automóveis, a hidrodinâmica de navios, a hidrologia e a oceanografia, escoamentos em rios e mares e oceanos, etc. Já com
𝑅𝑒 = 𝜌 𝑉 𝐷
relação aos escoamentos internos, é exemplos sistemas reacionais de combustão e turbinas a gás, transferência de calor e massa em equipamentos, transporte e dutos, etc. (VERSTEEG E MALALASEKERA, 1995).
Rego (2008) descreve que é importante ressaltar que simulações em CFD possuem limitações. Na maioria dos casos é necessário o desenvolvimento de modelos mais acurados como, por exemplo, nas áreas de turbulência, radiação combustão e escoamentos multifásicos. A aplicação de condições de contorno necessita do desenvolvimento de ferramentas cada vez melhores para descrever em detalhe a geometria do domínio de cálculo. Existe a necessidade constante de aperfeiçoamento das técnicas numéricas para ampliar a capacidade de resolução dos problemas mais complexos.
O uso de métodos numéricos para solução de equações diferenciais parciais introduz uma mudança na forma básica dessas equações. As equações não são precisamente iguais as originais, provavelmente irão simular fenômenos físicos não exatamente da mesma forma que as equações básicas fariam. Essas diferenças se referem aos erros de truncamento são causados pelas aproximações numéricas resultam em equações diferenciais parciais como termo adicional, o qual pode ser identificado como dissipação ou dispersão. A maioria dos métodos numéricos usados para resolver equações de Euler não-dissipativas cria uma equação diferencial parcial modificada que produz alguma forma de dissipação, porém se usados e interpretados corretamente, esses métodos podem fornecer informações úteis.
Segundo Rego (2008) apud Carneiro (2006), os erros gerados na solução numérica podem levar a pouca representatividade, ou a nenhuma, da solução, quando comparada com a realidade física. Logo, a ferramenta numérica é adequada e confiável quando se está de posse de um método numérico que resolva corretamente as equações diferenciais, e de um modelo matemático que representa com fidelidade o fenômeno físico. Vale ressaltar que a correta visualização e interpretação das soluções geradas são tão importantes quanto à solução em si.
A experimentação numérica (simulação numérica), por sua vez praticamente não apresenta restrições, podendo resolver problemas complexos com condições de contorno gerais, definidos em geometrias também complexas e apresentando resultados com uma rapidez muito grande. O domínio computacional é dividido em pequenas células gerando uma malha. Em cada elemento desta malha serão resolvidas as equações para fluidos.
Como etapas básicas para que uma simulação seja realizada tem-se: • Modelagem da geometria a ser analisada;
• Geração da malha;
• Seleção dos demais parâmetros de entrada, incluindo modelos de turbulência; • Seleção dos parâmetros de convergência do programa;
• Obtenção da solução;
• Visualização e Pós-processamentos dos resultados.