O Experimento de Reynolds

Experimento de Reynolds

Anderson S. G. Silva, Aryne C. Gobbo, João V. S. Mesquita, Júlia S. Castro, Larissa F. A. Souza.

Resumo

Os escoamentos de fluidos são caracterizados como sendo: escoamento laminar ou turbulento; compressível e incompressível; uniforme ou transiente. A grandeza adimensional que caracteriza o movimento de fluídos é conhecida como o número de Reynolds, sendo ele definido pela razão entre forças inerciais e forças viscosas. No seguinte experimento pode-se observar o comportamento da água, em diferentes situações afim de identificar a transição dos diferentes tipos de escoamento, observando visualmente o seu comportamento e determinar o número de Reynolds crítico para cada escoamento.

Palavras-chave: Reynolds, escoamento de fluídos, laminar, turbulento fenômenos de transporte. 

Introdução

O escoamento é um processo onde moléculas de um fluído se movimentam em um determinado espaço, e que pode ser descrito de acordo com parâmetros físicos e/ou pelo comportamento dos parâmetros ao longo do espaço e do tempo. O estudo desse fenômeno de transporte é de grande importância para a engenharia.

Para avaliar um determinando escoamento, é necessário considerar o comportamento do vetor velocidade do fluido ao deslocar-se por uma região determinada. Quando o módulo, o sentido e a direção da velocidade são constantes durante o deslocamento, consideramos que o escoamento é permanente, não variando as propriedades do fluído com o tempo. Entretanto, quando são influenciados pela velocidade eles são caracterizados como: escoamento laminar ou turbulento, e como escoamento uniforme ou transiente [1].

Escoamento laminar são fluídos que se deslocam em camadas lisas e trajetória retilínea, apresentando um vetor deslocamento continuo durante o escoamento. Já o escoamento turbulento acontece de forma desordenada ao longo de todo o trajeto, devido as diferentes velocidades das partículas no campo tridimensional. Na figura 1 podemos ver o comportamento do fluído em diferentes tipos de escoamento [1].[pic 1]

Figura 1. Regime de escoamentos típicos.

Em 1883, Reynolds realizou um experimento para avaliar o escoamento de fluídos, classificando-os como regime laminar ou turbulento. Nesse experimento realizado por Reynolds, ele utilizou um tubo transparente por onde escoava um fluído transparente, que possibilitava ele acompanhar um filete de corante no centro do escoamento. Diferentes vazões foram testadas para observar o comportamento do fluído de acordo com a vazão empregada. Dessa forma Reynolds percebeu que em baixas vazões o filete de corante apresentava um escoamento laminar, enquanto em vazões maiores o mesmo filete apresentava um escoamento turbulento [2].

A partir do experimento realizado por Reynolds, o comportamento do escoamento pode ser calculado através de um parâmetro adimensional, chamado de número de Reynolds (Re), determinado pela Equação 1, que é basicamente uma razão entre forças inerciais e forças viscosas que caracterizam o movimento.

[pic 2]

(1)

Avaliando o tipo de escoamento pelo o número de Reynolds, determina-se que quando os valores são menores que 2000, o escoamento é considerado laminar, entre 2000 e 2400, o escoamento é de transição e acima de 2400 o escoamento é turbulento. Quando o fluído se desloca com velocidade de módulo, relativamente pequeno, o escoamento é laminar, quando a velocidade do fluído excede certo valor critico, o escoamento passa de laminar para turbulento.

Um dos fatores para tal turbulência é quando forças viscosas no fluído não são capazes de conter flutuações aleatórias no movimento do fluído, tornando o escoamento irregular. Quando o número de Reynolds for consideravelmente grande os efeitos viscosos serão desprezíveis, ao contrário, de quando o Reynolds for consideravelmente menor, onde a viscosidade é dominante, dessa forma, o efeito da viscosidade do fluído é intimamente ligado à variação do número de Reynolds. Outro fator que interfere no escoamento é a temperatura que está ligada a viscosidade do fluído, isso porque, quanto maior a temperatura, menor a viscosidade do fluído e, portanto, maior o número de Reynolds, caracterizando então o escoamento como turbulento [1].[pic 3]

Experimental

Utilizando o aparto experimental, foi possível a coleta de dados de vazão volumétrica para a possível determinação do número de Reynolds correspondente a cada tipo de escoamento identificado visualmente.

É necessário primeiramente fazer a aferição da temperatura do fluido antes de iniciar o experimento, já que, o numero de Reynolds está completamente atrelada a esse fator. Em seguida inicia a vazão do corante, sendo essa vazão constante, observando o comportamento do mesmo, enquanto a vazão é aumentada ao longo do tempo.

Para a observação do regime laminar, é necessário abrir a válvula de vazão lentamente e aos poucos, e espera ate formar um filete do corante continuo, como mostrado na Figura 2, a partir disso determina-se a vazão de forma direta, volume x tempo, cronometrando um certo tempo para recolher um determinado volume de água.[pic 4]

Figura 2. Comportamento do conjunto de fluídos, água e corante, no escoamento laminar após alcançar o regime permanente.

Para a observação do regime de transição, é necessário abrir mais um pouco a válvula, esperando um tempo para a estabilização do filete, notando também algumas ondulações, mas não desordenado, como mostrado na Figura 3, características do escoamento de transição, calculando o tempo gasto para recolher um determinado volume de água.

Figura 3. Comportamento do conjunto de fluídos, água e corante, no escoamento de transição após alcançar o regime permanente.

E por fim para alcançar o regime turbulento, abriu-se mais a válvula, percebendo então um escoamento irregular e desordenado, como mostrado na Figura 4, fazendo então a cronometragem do tempo para recolher determinado volume de água.[pic 5]

Figura 4. Comportamento do conjunto de fluídos, água e corante, no escoamento turbulento após alcançar o regime permanente.

Resultados e Discussões

Para elucidar os resultados e discussões, a partir, do experimento de Reynolds, vai ser utilizado dados obtidos por estudantes da Unicamp, que realizaram o experimento em laboratório. Foi realizado dois experimentos com cinco medições cada, sendo realizado o calculo da vazão, com o volume e tempo, e também comparando o tipo de escoamento que era observado e o tipo de escoamento que era calculado [3].