Relatório O Experimento de Reynolds

Experimento de Reynolds

Alice C. A. Ferreira; Beatriz R. Rodrigues; Débora C. da S. Lourenço; Flávia F. Bastos; Nahiara K. de A. Gonzaga; Nathália R. Reis.

Resumo

O presente relatório expõe os resultados obtidos no experimento de Reynolds realizado no Laboratório de Engenharia Química da Universidade Federal de São João del Rei no Campus Alto Paraopeba. A prática objetivava a análise da trajetória de um corante injetável em um tubo com uma variação de vazão da água, baseando no experimento de Osborne Reynolds, e a respectiva identificação qualitativa e quantitativa do regime de escoamento. Por conseguinte, esses regimes foram classificados como laminar, de transição ou turbulento de acordo com a observação visual inicial e, posteriormente, com os cálculos do número de Reynolds. As estimativas quantitativas realizadas concederam valores para o regime laminar e turbulento dentro das faixas de comparação encontradas na literatura. Por fim, as equações de velocidade média de escoamento foram deduzidas para os regimes laminar e turbulento para análise do perfil de velocidade em relação ao raio da tubulação e das características intrínsecas e cinemáticas do escoamento e dos componentes do sistema.

Palavras-chave: Reynolds, Regime de Escoamento, Perfil de Velocidade.

Introdução

Segundo a literatura (1), os diferentes comportamentos dos fluidos são explicados pelas suas propriedades intrínsecas. Um experimento muito utilizado para avaliação de escoamentos foi realizado primeiramente pelo cientista britânico Osborne Reynolds, em que ele adaptou uma sonda de corante em um tudo transparente para verificar que o contraste do corante apresentava comportamentos diferentes de acordo com o tubo, o fluido e o escoamento. A identificação do tipo de escoamento foi proposta pelo cientista através da criação de um parâmetro adimensional denominado número de Reynolds, que é a razão entre forças inerciais e forças viscosas da vazão de um fluido incompressível (2) relacionando a massa específica e viscosidade; geometria do tubo e velocidade média do escoamento.

O transporte laminar é identificado pelo movimento regular do fluido, ou seja, é aquele em que as partículas fluidas movem-se em camadas lisas, ou lâminas. Geralmente quando há o escoamento laminar, eventuais perturbações serão amortecidas e desaparecerão (2).

O transporte turbulento é ocasionado devido ao movimento caótico de aglomerados de moléculas. Esses grupos de moléculas são denominados vórtices ou turbilhões que são geralmente visíveis a olho nu. Esse tipo de escoamento não pode ser descrito com apenas uma única expressão matemática, visto que o mecanismo de transporte é mais complexo, dessa forma, segundo a literatura (3), é necessário combinar a teoria com a evidência experimental para conseguir uma conclusão mais adequada da turbulência.

Já o regime transiente é identificado quando o escoamento não for nem tão uniforme quanto o laminar nem sua agitação for tão grande para ser considerado uniforme, sendo um intermédio entre o escoamento laminar e turbulento (4).

Por fim, no escoamento de um fluido através de um tubo ou de um duto, o perfil de velocidade de escoamento na entrada do sistema é normalmente uniforme. Contudo, à medida que o fluido avança na direção do escoamento, os efeitos da viscosidade são percebidos pela aderência de uma camada de fluido sobre a parede do tubo, e há o surgimento de tensões de cisalhamento entre as camadas adjacentes. A camada do escoamento que é influenciada por esse efeito da viscosidade é chamada de camada limite (3).

Experimental

Materiais e métodos

Para o desenvolvimento do experimento de Reynolds utilizaram-se os seguintes equipamentos e materiais: tanque com tubo cilíndrico horizontal, tanque com torneira para a injeção de corante, corante (azul de metileno), cronômetro digital, termômetro de vidro, válvulas, balança de pratos, baldes e béqueres.

Em um primeiro momento, encheu-se o tanque com tubo cilíndrico com água e abriu-se a válvula do mesmo para o escoamento da água através do tubo, em três níveis durante o experimento para coletar as vazões dos regimes laminar, de transição e turbulento. Em seguida, abriu-se a válvula que libera o corante, para cada vazão esperou-se dois minutos para que pudesse atingir o regime permanente. A cada abertura de válvula coletou-se a quantidade de água em um béquer, o tempo foi cronometrado e a temperatura foi medida para tal coleta e em seguida a água recolhida foi pesada, esse procedimento foi repetido cinco vezes para cada regime e foram anotados em uma tabela. O tipo de escoamento foi registrado durante o experimento, com os valores de massa e tempo calcularam-se as vazões mássicas para toda abertura e com a densidade da água e a temperatura foi possível calcular a vazão volumétrica da água.

Resultados e Discussão

Com base no experimento desenvolvido por Osbone Reynolds, o qual baseou-se na injeção de uma fina corrente de corante, com o mesmo peso específico da água, em um tubo com água em movimento, foi possível caracterizar o escoamento dos fluídos. Os regimes de escoamentos viscosos são classificados em laminar ou turbulento, sendo o primeiro constituído por movimentos em lâminas ou camadas, e o segundo caracterizado por movimentos tridimensionais aleatórios de partículas fluídas (2).

Além de caracterizar os escoamentos de forma qualitativa, Reynolds, descobriu também um parâmetro quantitativo, Re, para tal. O número de Reynolds é dado pela razão entre as forças de inércia () e as forças viscosas (), conforme a equação (1)[pic 1][pic 2]

[pic 3]

Onde:

ρ = densidade do fluido [Kg. m-3];

V = velocidade média do escoamento [m.s-1];

D = diâmetro interno da tubulação [m];

µ = viscosidade dinâmica [Kg.m-1s-1];

Q = vazão de escoamento [m3.s-1].

Baseando-se nesse parâmetro, escoamentos com valores de Re grandes, são ditos turbulentos, frente àqueles com baixos valores, nos quais as forças de inércia são menores se comparadas às viscosas, são escoamentos laminares.

Regime laminar

No experimento, foi observado um filamento de corante em formato de linha única, sem dispersão do mesmo pelo fluxo, para o escoamento laminar. Isso é típico desse escoamento, visto que, nele não tem mistura macroscópica de camadas adjacentes do fluído (2). Nesse regime, a velocidade media é baixa e as partículas do corante se movem de forma paralela entre si e às paredes do tubo. A figura 1 mostra como é o perfil observado para tal escoamento.