O Experimento de Reynolds na Engenharia

1. Experimento de Reynolds (Re):

Em 1883, Osborne Reynalds realizou o experimento de Reynolds que resultou na existência de dois tipos de escoamentos, o escoamento laminar e o escoamento turbulento. Consequentemente, Reynolds foi titulado como o pioneiro na moderna mecanica dos fluidos. Este experimento foi utilizado para vizualizar o padrão de escoamento de água através de um tubo de vidro e assim, identificar o tipo de escoamento calculado pelo números de Reynolds (Re).

Conforme BRUNETTI (2008, p. 68), em um reservatório contendo água, é encaixado um tubo transparente ao reservatório, no fim do mesmo, uma válvula concede a variação da velocidade de descarga da água. Segundo a Figura 1, é introduzido um fluido colorido no eixo do tubo a fim de analisar o comportamento no decorrer do experimento. Ao abrir um pouco a válvula, porém em pequenas velocidades de descarga, é notável um filete reto e contínuo de líquido colorido no eixo do líquido (3). Em seguida, ao abrir a válvula de forma mais rápida (5), o filete apresenta ondulações e desaparece a uma pequena distância do ponto de injeção. E por fim, o nível (2) continua descendo resultando que o fluido colorido é aplicado, mas é totalmente diluído na água no tubo(3) ocasionado pelos movimentos transversais do escoamento. Através deste experimento, denota-se a existência de dois escoamentos separados por um escoamento de transição.

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Figura 1 – Esquema do experimemto. (Fonte: Adaptada de BRUNETTI. São Paulo: 2008, p. 68).

1.  Escoamento laminar:

Os escoamentos podem ser classificados de diversas formas tais como: permanente ou transitório; incompressível ou compressível; uniforme ou variado; uni, bi ou tridimensional; laminar ou turbulento, ideal ou viscoso, e de entrada ou estabelecido (LIVI, 2004). Mas para este relatório faremos o estudo do escoamento laminar e turbulento.

A partir do experimento de Reynolds, pode-se reconhecer e definir os dois tipos de escoamentos pedidos.

O escoamento laminar ocorre quando as partículas movem-se em lâminas individualizadas, sem a ocorrência de troca de massa entre elas. Este tipo de escoamento não é muito utilizado na prática. A palavra “laminar”, é devido ao movimento destas partículas adjacentes do fluido agrupadas em lâminas. Geralmente é típico desse escoamento as baixas velocidades e em fluidos que apresentem grande viscosidade.

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Figura 2 – Representação esquemática do escoamento laminar. (Fonte: Adaptada de PORTO, Rodrigo de Melo. São Paulo: 2006, p.28)

1.2 – Escoamento turbulento:

A definição para este tipo de escoamento é descrito quando as partículas apresentam um movimento aleatório, ou seja, descrevem em trajetórias irregulares. A velocidade apresenta componentes transversais ao movimento geral do conjunto do fluido. O escoamento turbulento é geralmente notável na água, cuja a viscosidade é relativamente baixa.

As características mais importantes deste escoamento são:

- Irregularidade: A velocidade apresenta flutuações nas três direções, a pressão e temperatura também flutuam. O campo flutuante se superpõe sobre o valor médio de cada propriedade.

- Difusividade: Capacidade de misturar-se e de se espalhar por diversas direções.

- Altos números de Reynolds: Movimento adimensional para caracterizar o movimento de um fluido.

- Flutuações tridimensionais (vorticidade): Quantifica a rotação das partículas de um fluido em movimento

- Dissipação de energia: Perdem energia ao longo do tempo, tipicamente devido a adição de atrito ou turbulência.

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Figura 3 - A velocidade de um fluido, que escoa em um tubo cônico longo, aumenta gradualmente à medida que o seu diâmetro diminui. No ponto em que a velocidade do fluido excede a velocidade crítica Vc, o escoamento passa a ser turbulento. (Fonte:  Adaptada de CAMERON, J., SKOFRONICK, J.G. Medical physics. New York: John Wiley & Sons, 1978, p.171.

Reynolds (1883), averiguou que para identificar se o movimento é laminar ou turbulento é indicada pelo número de Reynolds (Re), dado pela equação:

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Onde,

Re: nº de Reynolds, adimensional e igual à 200;

Vc: Velocidade crítica;

D: Diâmetro do conduto;

: Peso específico do fluido;[pic 5]

: Viscosidade do fluido;[pic 6]

g: Aceleração da gravidade.

Logo após encontrar o nº de Reynolds, ele pode verificar que no caso do experimento ser em tubo, observou-se os seguintes valores: