Análise de escoamento em tubos

UNIOESTE- Universidade Estadual do Oeste do Paraná

Análise de escoamento em tubos

Simulação em ANSYS

Yago Zanatta

Thomás Alfredo Gnoatto

Lucas Cardoso Broto

Foz do Iguaçu, 2014

Resumo

O domínio em analisar escoamentos em tubos é uma habilidade que destaca um engenheiro dos demais. Visando uma melhor formação, fomos instruídos a realizar cálculos em simulação no programa ANSYS e fazer comparação com cálculos manuais para problemas em tubos. Com ajuda dos monitores e do professor, fomos capazes de realizar a construção, simulação e cálculos do problema, podendo visualizar o comportamento desde a malha do tubo até as velocidades de escoamento, pressão e energia do fluido. Foi possível comprovar os dados teóricos e observar a diferença de precisão entre as maneiras de calcular.

Introdução

Neste trabalho iremos abordar uma simulação em ANSYS para dois problemas de escoamento em tubos. Pretendemos observar as diferenças de precisão dos cálculos manuais com a construção do aparato mais a execução dos cálculos pelo software.

Esse trabalho somará em nossos conhecimentos de mecânica dos fluidos por nos apresentar a ferramenta que provavelmente será importante no futuro e demonstrar como devemos manipula-la.

Utilizamos como bibliografia básica o livro utilizado em nas aulas teóricas, Fox e o auxílio do professor e dos monitores de ANSYS.

Referências bibliográficas

Escoamento em tubos:  Os escoamentos completamente limitados por superfícies sólidas são denominamos escoamentos internos. Tais escoamentos podem ser laminares ou turbulentos, com ou sem atrito. Nessa análise utilizaremos escoamento turbulento com atrito e expansão brusca da área.

Sob condições normais, a transição para turbulência ocorre em Re (Reynolds) aproximadamente 2300 para escoamento em tubos. Que é calculado a partir da equação: Re= pVD/ µ.

Dividindo as perdas de atrito em perdas maiores: que são causadas pelo atrito nas seções de área constantes de tubos, e perda menores: causadas devido a válvulas, cotovelos e outros elementos.

Distribuição de tensão de cisalhamento no escoamento completamente desenvolvido em tubos: Para o escoamento turbulento não se pode equacionar como no escoamento laminar. Apenas se desenvolve o resultado semi-empíricos clássicos para melhor entendimento.  Mas sabemos que a tensão de cisalhamento vária do centro do escoamento até a parede do tubo, considerando 0 no inicio e máxima no final.

Perfil de velocidade em escoamentos turbulentos completamente desenvolvidos em tubos:  Escoamentos interno em tubos de pequeno diâmetro são geralmente turbulentos.

Energia no escoamento em tubos: os efeitos viscosos terão uma grande influencia nas considerações da energia do fluido. A linha de energia não será constante, diminuirá na direção do escoamento, pois o atrito fará com que ocorra a perda de energia mecânica.

A equação ( p/ρ + αV²/2 + gz) sendo p igual a pressão, ρ igual densidade do fluido, α é igual ao coeficiente de velocidade, V é igual a velocidade média, g é a gravidade e z é a altura. Que representara a energia mecânica por unidade de massa em uma seção transversal.

Comparando o fluido de entrada, com o de saída, assim como a perda de energia do fluido (hl) assim representado abaixo:

[pic 1]

sendo esta uma das mais importantes equações de mecânica dos fluidos.  Ela nos permite calcular a perda de energia mecânica causada pelo atrito entre duas secções de tubos. A pressão irá variar mesmo para um tubo horizontal de área constante, a energia mecânica será continuamente transformada em energia térmica.

A perda de carga, hl, é considerada como a soma das perdas maiores, causadas por efeitos de atrito no escoamento completamente desenvolvido em tubos de seção constante, com as perdas localizadas, hlm, causadas por entradas, acessórios, variações de área e outras.

Definindo a equação da perda maior, fator de atrito:

[pic 2]

Sendo: hl - perda de carga,  - fator de atrito, L - comprimento da tubulação, D - diâmetro da tubulação, V- velocidade do líquido no interior do tubo.[pic 3]

Para evitar a necessidade do uso de métodos gráficos para obtenção de  para escoamentos turbulentos, utilizamos a equação de Colebrook: [pic 4]

[pic 5]

Sendo o: k - rugosidade equivalente do tubo , D - diâmetro do tubo,Re - número de Reynolds, [pic 6] - fator de atrito.  

Definido a equação de perda menor, fator de atrito:

                                                   
[pic 7]

Sendo : K - coeficiente de perda localizada, V- velocidade do liquido no interior do tubo.

Metodologia  de avaliação

Para o nosso grupo, foi o primeiro contato com a ferramenta ANSYS. Após um período de conhecimento do programa, sendo orientado pelos alunos que se disponibilizaram a ajudar no trabalho, começamos a nos orientar sobre os passos necessários para construir o ambiente virtual.

Primeiro, foi passado um problema de escoamento em tubo reto, com comprimento, atrito e diâmetros especificados e nos foi pedido para calcular a perda de carga durante o escoamento.  Foi utilizado o software pra construir o tubo e simular as interações para chegar ao resultado que melhor representa esse resultado.  Após isso, foi realizado o cálculo para o mesmo problema a mão e feito o comparativo entre os dois valores.

No segundo experimento, foi requerido que escolhêssemos algum tipo de alteração para aplicarmos a esse mesmo problema anterior. Após a escolha, foi realizada a simulação em ANSYS e feito os cálculos a mão e comparado os resultados.

Calculamos também a discrepância que houve entre os valores simulados e calculados.

Resultados e discussões

Análise do escoamento em tubos retos

Primeiramente foi feito um memorial de cálculo utilizando a equação de Bernoulli e o diagrama de fator de atrito de Moody. Resultou em uma variação de pressão de 11,7756 KPa, sendo a pressão de saída 1 atm (101 KPa), a pressão de saída pode ser desconsiderada, tornando a medida puramente manométrica. Assim, a pressão de entrada é a manométrica, P1= 11,7756 KPa.