roteiro-cavitacao-variante-tubo-de-venturi-2014

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unesp DEPARATMENTO DE ENERGIA 
LABORATÓRIO DE HIDRÁULIA GERAL 
 
ENSAIO DE CAVITAÇÃO 
 
 
1. OBJETIVOS 
 
1.1.Objetivo geral 
 
Conhecer e compreender o fenômeno de cavitação, assim como também os parâmetros envolvidos na 
sua análises. 
 
1.2.Objetivo específico 
 
Conhecer o procedimento para a determinação da cavitação num tubo de Venturi. 
 
2. INTRODUÇÃO TEÓRICA 
 
2.1 Introdução 
 
 
Estudos clássicos de cavitação explicam que este é um fenômeno que se produz sempre que a pressão 
num ponto do escoamento de um líquido diminui abaixo da pressão de vaporização do líquido na 
temperatura do escoamento. Nesta condição o líquido evapora-se originando no seu interior cavidades 
de vapor, daí o seu nome de cavitação, ver Fig. 1. Estas cavidades ou borbulhas de vapor arrastadas 
pelo escoamento chegam a regiões em que a pressão está muito acima da pressão de vaporização, 
produzindo ali uma condensação violenta das borbulhas, também chamada de implosão. Como o 
volume específico do liquido é inferior ao volume específico do vapor, o colapso das bolhas implicará 
na existência de um vazio, proporcionando o aparecimento de ondas de choque. na realidade conforme 
pode-se observar na Fig. 2 a depressão originada pela deformação da bolha produz um micro jato. O 
efeito é mais severo quando o colapso ocorre junto ou perto as paredes solidas. Neste caso o micro jato 
incide directamente sobre as paredes, entanto que, no caso das bolhas que implodem na corrente 
líquida, o impacto é transmitida por ondas de choque. 
 
 
 
Figura 1. Cavitação em uma Hélice 
 
 
Figura 2. Processo do fenómeno cavitação em três situações características. 
 
 Estudos mais recentes explicam que, para que uma cavidade possa ser criada há a necessidade de 
ruptura do liquido e esta ação não é medida pela pressão de vapor e sim pela resistência à tensão, 
correlacionada com a tensão superficial do liquido na temperatura de operação. Líquidos puros e 
homogéneos podem resistir a valores bastante altos de pressão negativa ou tensão, sem cavitar. 
A análise do fenómeno levou à conclusão de que impurezas devem estar presentes no liquido 
ocasionando a diminuição de sua resistência á tensão. Então, quando a pressão atinge um valor critico, 
próximo à pressão de vapor, o que realmente acontece é a oportunidade para o crescimento de bolhas já 
existentes no seio do líquido. Assim sendo, o início da cavitação seria mais bem definido como sendo o 
aparecimento de bolhas macroscópicas a partir de bolhas microscópicas ou núcleos existentes como 
impureza no seio do liquido quando a pressão atinge um valor crítico. 
As conseqüências que acarreta o fenômeno de cavitação são: danos ao material das paredes sólidas 
próximas ás implosões, As peças que sofrem o efeito da cavitação apresentam um aspecto poroso, 
como se apresenta na Fig. 3. Aparecem barulhos, vibrações, e as curvas características dos 
equipamento apresentam uma alteração considerável. 
 
 
 
Figura 3. Rotor de uma bomba danificada pelo efeito da cavitação 
 
A prevenção da cavitação se realiza por duas formas: 
* Mediante o desenho dos equipamentos, se projeta máquinas ou as instalações de tal forma que não se 
apresente este fenómeno. 
* Mediante a selecção dos materiais, que sejam resistentes a cavitação, se no projeto se tolera a 
ocorrência deste fenómeno. 
O Fenômeno de cavitação pode acontecer em aparelhos hidráulicos estáticos como: tubo de Venturi, ou 
em máquinas hidráulicas como: bombas, turbinas, hélices, entre outras. 
 
2.2. Cavitação em tubo de Venturi 
 
Na Figura 4 se apresenta um tubo de Venturi, onde se mostra a distribuição de pressão em função da 
distância x, pode-se observar também que a pressão mínima é na garganta, e é neste ponto onde se tem 
perigo de que ocorra a cavitação. 
 
 
 
Figura 4. Distribuição de pressão e cavitação numa tubulação com diâmetro variável 
 
Aplicando um balanço de energia entre a entrada (1) e a garganta (2) e a garganta do Venturi temos: 
 hrZ
g.2
VP
Z
g.2
VP
2
2
22
1
2
11 Δ+++
γ
=++
γ
 (1) 
Isolando P2 temos: 
h)ZZ(
g.2
VVPP
21
2
1
2
212 Δ−−+
−
−
γ
=
γ
 (2) 
 
Como Z1 = Z2 e V1 =0, a Eq. 2 fica como: 
h
g.2
VPP 2212 Δ−−
γ
=
γ
 (3) 
 
Na Eq. (3) o termo da energia cinética é um termo negativo, igualmente, Δh, é negativo, em 
conseqüência , o valor da pressão na garganta P2 é menor que o valor da pressão. Ademais, por ser a 
velocidade máxima na garganta neste posição é que se encontra a pressão mínima no Venturi, e é nesta 
localização que existe o maior risco de que ocorra a cavitação, isto verifica o observado na Fig. (4). 
 
2.2.1. Cálculo da cavitação num tubo de Venturi 
 
A cavitação num tubo de Venturi pode ser calculada com o coeficiente de cavitação ou coeficiente de 
Thomas como também se conhece o qual se calcula da seguinte maneira: 
 
 
2
2
.
2
1
g
v
V
pp
ρ
σ
−
= (4) 
Onde: 
 
g
g A
QV = (5) 
σ : Coeficiente de cavitação. 
P2 : Pressão na saída do Venturi (Pa) 
Pv : Pressão de vaporização da água na temperatura ambiente (Pa) 
ρ : Massa especifica do líquido (kg/m3) 
Vg : Velocidade na garganta (m/s) 
Ag : Área da garganta (m/s) 
Q : Vazão (/m3/s) 
 
 
 
2.3. Cavitação em uma bomba 
 
Nas bombas centrifugas o ponto onde se tem a pressão mínima é na entrada do rotor, Na Fig. 5 se 
apresenta um sistema de bombeamento. O ponto 1 indica o reservatório de sucção e o ponto 2 a entrada 
do rotor e os pontos e e s indicam a entrada e a saída da bomba respectivamente. 
 
 
 
 
 
Figura 5. Instalação de um sistema de bombeio. 
 
 
Se fazemos um balanço de energia entre a sucção e a entrada do impulsor temos: 
hrZ
g.2
VP
Z
g.2
VP
2
2
22
1
2
11 Δ+++
γ
=++
γ
 (6) 
 
Realizando o mesmo processo que foi realizado com o Venturi temos que a Eq. (4) fica como: 
hZ
g.2
VPP
s
2
212 Δ−−−
γ
=
γ
 (7) 
 
da Eq. (7) se pode observar que os três últimos termos do lado direito são negativos, em conseqüência a 
pressão P2 na entrada do rotor é menor que a pressão P1 do reservatório de sucção. A entrada do rotor é 
um ponto de risco para a ocorrência da cavitação. Quanto menor seja sua pressão maior será o risco de 
ocorrência de cavitação, então pela Eq. (3) podemos concluir que há maior probabilidade da bomba 
cavitar quando: 
 
 Menor é a pressão do reservatório P1. 
 Quando maior seja a velocidade na entrada da bomba. Isto pode acontecer quando a vazão é maior. 
Ou o menor o diâmetro do tubo de sucção. 
 Quando maior é a diferença de cotas entre a entrada da bomba e o nível de água no reservatório de 
sucção. 
 Quando maior seja a temperatura da água que ingressa na bomba, isto por que a pressão de 
saturação do vapor de água aumenta com a temperatura. 
 Quando maior são as perdas por atrito no tubo de sucção. 
 
 
Finalmente podemos escrever: 
 
 ( ) ( rd NPSHNPSH > )
 
Para que a bomba não cavite o (NPSH)d tem que ser maior que (NPSH)r. A margem de segurança na 
práctica é de 2 ft (0,6m). 
 
 
2.3.1.2 Coeficiente de cavitação: 
 
O coeficiente de cavitação de Thoma é definido como: 
 
 
H
NPSH r=σ (16) 
 
σ : Coeficiente de cavitação de Thoma 
H : Altura manométrica. 
 
 
 
2.2. Medida da vazão com vertedores 
 
 Os vertedores são medidores que servem para medir vazão. Eles podem ter diferentes 
geometrias: podem ser horizontais de largura plena, horizontais de largura parcial e em v. Na presente 
experiência será utilizado um vertedor horizontal de largura plena como o apresentado na Fig. (6). 
 
 
 
Figura 6. Vertedor 
 
 
A vazão medida com um vertedor pode ser obtida com as seguinte formulas. 
 
 
2/3
ed h.L.C.g.23
2Q = (17) 
 
 
Onde: 
p
h075,0602,0Cd += (18) 
 
 (19) 01,0hhe +=
 
Cd : Coeficiente de descarga 
L : Largura do vertedor [m] 
he : Altura da lamina de água corrigida [m] 
h : Altura da lamina de água [m] 
p : Altura do vertedor [m] 
 
 
3. PARTE EXPERIMENTAL 
 
3.1 Descrição dos equipamentos 
 
Os equipamentosutilizados na determinação do coeficiente de cavitação, utilizamos os seguintes 
equipes e acessórios: uma bomba centrifuga, um tubo de Venturi, um manômetro de mercúrio, um 
manômetro de Bourdon, duas válvulas gavetas, um vertedor e um sistema de tubulações, como 
indicados na Fig. 7. 
 
 
 
 
Figura 7. Bancada para teste de cavitação 
 
3.2. Procedimento 
 
Liga-se a bomba e espera até a estabilização do fluxo, após isso, deve-se anotar as medidas das 
Pressões na saída do Venturi P2, a vazão Q e a altura da lamina de água h no vertedor. Estes valores 
são lidos primeiro variando a abertura da válvula Va2, depois variando a rotação da bomba e por ultimo 
fazemos outras variações em conjunto. 
 
 
3.3. Tabela de medidas 
 
 
Leitura P2 
[kgf/cm2] 
h [mm] 
1 
2 
3 
4 
5 
 
3.4. Cálculos 
 
Dados: 
 
Diâmetro da garganta Dg = 0,013 m 
Altura do vertedor p = 0,56 m 
Largura do vertedor L = 0,39 m 
Realizar todos os cálculos no sistema internacional 
 
 Calcular a vazão com as equações (17) (18) e (19). 
 Calcular a área da garganta Ag 
 Calcular a velocidade na garganta como: 
 
gA/QgV = 
 
 Com a Eq. (4) calcular o coeficiente de cavitação de Thoma. 
 
 
3.5. Tabela de resultados 
 
Leitura P2 [Pa] h [m] Q [m3/s] Vg [m/s] σ 
1 
2 
3 
4 
5 
 
 
3.6 Gráfico 
 
Com os valores obtidos, plotar o gráfico σxQ, para cada uma das variações 
 
 
3.7. COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES 
 
Fazer os respectivos comentários sobre os gráficos. 
Falar como vc evitaria o fenômeno da cavitação. 
 
3.8. SUGESTÕES 
 
3.9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
FOX, R. W. Introdução á Mecânica dos Fluidos. Rio de Janeiro: LTC, 2001. 504 p. 
MATAIX, C. Mecânica de Fluidos y Maquinas Hidráulicas. México: Harla, 1970. 582 p. 
MUNSON, B. R., YOUNG, D. F., OKIISHI, T. H. Fundamento da Mecânica dos Fluidos. São Paulo: 
Edgard Blücher, 1997. 804p. 
VENNARD, J. K., STREET, R. L Elementos de Mecânica dos Fluidos. Rio de Janeiro: Guanabara 
Dois, 5 ed., 1978. 687 p. 
MATTOS, E. E., FALCO, R. Bombas Industriais. 2da Edição.