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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL CIV 271 - HIDRÁULICA APLICADA AULA PRÁTICA I Parte 1: Escoamentos Laminar e Turbulento - Determinação do Número de Reynolds. Parte 2: Medição de Velocidade e Vazão com Tubo de Pitot Docente: Prof. Dr. Gilberto Queiroz Discentes: Ana Gabriela de Castro Daniella Nascimento Gabriel Meneses Isabela Pereira José Neto Manoela Rioga Ouro Preto 2019 Turma: 21 - Grupo: C Discentes: Ana Gabriela Pena de Castro ________________________________ Daniella Aurora do Nascimento ________________________________ Gabriel de Oliveira Meneses ________________________________ Isabela Pereira ________________________________ José Mota Neto ________________________________ Manoela Rioga ________________________________ Ouro Preto 2019 1 Parte 1: Escoamentos Laminar e Turbulento - Determinação do Número de Reynolds 1.1 Introdução A classificação dos escoamentos quanto ao tipo de fluxo surgiu a partir de um experimento realizado por Osborne Reynolds, físico e engenheiro irlandês, em 1883. Esse experimento consistiu na visualização do escoamento de água através de um tubo transparente, com a adição de um fluido colorido, de massa específica igual a da água, classificando os escoamentos como laminares ou turbulentos. O escoamento laminar ocorre quando o fluido se move ao longo do trajeto de maneira ordenada, representando assim como seu nome, um fluxo laminar. No caso do escoamento turbulento, ocorre o oposto, ou seja, o fluido se movimenta ao longo do trajeto de maneira desordenada, com movimentos irregulares e aleatórios. 1.2 Objetivos Conhecendo na teoria as diferenças de conceitos e características comportamentais de cada escoamento, acompanhar o caminho percorrido pela água, do reservatório ao bocal de saída e como que ocorre tal trajeto, assim definindo o tipo de escoamento (laminar ou turbulento), nas diferentes variações de saídas (torneira pouco aberta e totalmente aberta). Calcular a vazão, velocidade e número de Reynolds, que também caracterizam o tipo de escoamento, mas desta vez utilizando dos dados numéricos coletados no experimento. 1.3 Fundamentação Teórica Conforme dito anteriormente, Osborne Reynolds, utilizou um experimento semelhante ao desenvolvido em laboratório durante a aula prática para se obter o comportamento dos escoamentos, onde foi necessário controlar a vazão, a temperatura do fluido, do ambiente e a pressão, para que fosse possível realizar o experimento de forma adequada, da mesma forma como foi feito em escala laboratorial. A figura a seguir consegue demonstrar bem como foram os comportamentos dos fluidos testados por Reynolds quase 140 anos atrás. 2 Figura 1: Ação do corante para indicar a turbulência do fluido. Fonte: Engenharia Uniplan, 2019 Além de demonstrar visualmente como se comportam os escoamentos, Reynolds ainda propôs um valor adimensional, chamado Número de Reynolds (Re), que relaciona massa específica ( ), viscosidade dinâmica ( ), diâmetro do tubo (D) e velocidade média do ρ μ escoamento (V). E é dado pela seguinte equação: eR = μ ρ. V . D Os valores do Número de Reynolds obtidos irão expressar qual o tipo de escoamento, sendo que o Número de Reynolds caracteriza como: Escoamento Laminar se Re < 2300 ou Escoamento Turbulento se Re > 4000. Para valores entre 2300 e 4000 não há uma classificação específica, dessa forma, considera-se Escoamento de Transição. O Número de Reynolds é de suma importância para a Mecânica dos Fluidos, de forma a permitir avaliar a estabilidade do fluxo sabendo se ele flui de forma laminar ou turbulenta. Pode se dizer, portanto que se diferentes sistemas possuem o mesmo Re, significa que eles são dinamicamente semelhantes. 1.4 Procedimento Primeiramente, foram obtidas algumas medidas iniciais como o peso de 0,122 g referente ao recipiente de menor tamanho utilizado para coletar água e a temperatura de 23ºC da água que circula no sistema. Posteriormente, foi aberto parte do registro que controla a vazão d’água do sistema (Figura 2). Este conta com uma caixa d'água de regime constante ligada a uma tubulação transparente. Associada a esta ligação caixa d’agua-tubulação tem-se a injeção de um fluido líquido com coloração avermelhada (anilina vermelha) que indica, de 3 forma visual, a turbulência ou não do regime. Após o tubo transparente, conexões direcionam canos de pvc até uma vala onde a água escorre. Figura 2: Sistema de tubulações que indica a turbulência da água. Fonte: Fotografia dos Alunos, 2019 Observando o tubo transparente, foi identificado um perfil laminar feito pela tinta avermelhada na água. No ponto de saída foi coletada certa quantidade de água com auxílio do recipiente de menor tamanho, medindo o tempo de enchimento. Este recipiente foi novamente pesado. Feito isso, aumentou-se a vazão abrindo um pouco mais o registro do sistema e logo foi observada uma turbulência repentina no líquido avermelhado, seguida de uma padronização do movimento do fluido. Neste ponto do experimento não se sabia dizer certamente se tratava-se de um fluxo laminar ou não. Buscando valores que pudessem explicar o fenômeno, foi repetido procedimento de pesagem do recipiente de menor tamanho vazio, coleta de certa quantidade de água no ponto de saída, medindo-se o tempo de enchimento e pesagem do recipiente cheio. Novamente foi aumentada a vazão e com isso, a turbulência constante do líquido avermelhado na tubulação transparente ficou evidente. Para repetir o processo de coleta foi necessária a utilização de um segundo recipiente de maior tamanho, uma vez que o tempo de 4 enchimento completo do primeiro era pequeno ao ponto de gerar erros indesejados. Sendo assim, o recipiente grande foi pesado na balança e, posteriormente, utilizado para o recolhimento da água na saída do sistema, medindo-se o tempo de enchimento. 1.5 Planilhas de Leituras e Cálculos Tabela 1: Cálculo do Número de Reynolds Local: Laboratório de Hidráulica Código: CIV 271 Data: 13/09/2019 Temp. da água: 23ºC Temp. Ambiente: 25ºC Massa esp. da água: 997,56 (kg/m³) Visc. Cinemática: 0,946 /sm2 Diam. Tubo: 55mm Fluído: água Med. Posição Vazão V (m/s) Nº Reynolds Observações Filete mᵢ (kg) mf (kg) Δt (s) Q (L/s) 1 Central 0.122 0.676 10.94 0.0000507637 1722 0.02136673461 1242.252012 Laminar 2 Central 0.122 1.206 10.44 0.0001040853 86 0.04381012544 2547.100316 Transição 3 Central 0.304 6.012 5.79 0.0009882489 786 0.4159595635 24183.69555 Turbulento Cálculos de acordo com as medições: Medição 1: ● Cálculo da Vazão (Q): (Equação 01) Q = m −mf i ρ × ∆t água , 763 0 m³/s Q = 0,676 kg − 0,122 kg997,56 kg.m × 10,94 s−3 = 5 0 × 1 −5 5 ● Cálculo da Velocidade (V): Área do tubo = (Equação 02)4 πD2 0, 02376 m²A = 4 3,141592654 x (0,055m)2 = 0 E agora, fazendo o cálculo da velocidade: (Equação 03) V = AQ 0, 2136 m/sV = 0,002376 m25,0763 × 10 m .s −5 3 −1 = 0 ● Cálculo do número de Reynolds ( ): Re (Equação 04) Re = 4QπDv 242, 42Re = 4 × 5,0763 × 10 m .s −3 3 −1 3,141592654 × 0,055m × 0,946 × 10 m .s−6 2 1 =1 2 Medição 2: ● Cálculo da Vazão (Q): Q = m −mf i ρ × ∆t água , 001040 m³/sQ = 1,206 kg − 0,122 kg997,56 kg.m × 10,44 s−3 = 0 0 ● Cálculo da Velocidade (V): Área do tubo: A = 4 πD2 , 02376 m²A = 4 3,141592654 × (0,055m)2 = 0 0 E agora, fazendo o cálculo da velocidade: V = A Q , 4381 m/sV = 0,002376 m2 0,0001040 m .s3 −1 = 0 0 ● Cálculo do número de Reynolds ( ): Re Re = 4QπDv 547,Re = 4 × 0,000104085 m .s3 −1 3,141592654 × 0,055 m × 0,946 x 10 m .s−6 2 −1 = 2 1 Medição 3: ● Cálculo da Vazão (Q): Q = m −mf i ρ × ∆t água , 00988249 m³/sQ = 6,012 kg − 0,304 kg997,56 kg.m × 5,79 s−3 = 0 0 6 ● Cálculo da Velocidade (V): Área do tubo: A = 4 πD2 , 02376 m²A = 4 3,141592654 × (0,055 m)2 = 0 0 E agora, fazendo o cálculo da velocidade: V = A Q , 1596 m/sV = 0,002376 m2 0,00098824 m .s3 −1 = 0 4 ● Cálculo do número de Reynolds ( ): Re Re = 4QπDv 4183,Re = 4 × 0,000988249 m .s3 −1 3,141592654 × 0,055 m × 0,946 × 10 m .s−6 2 −1 = 2 7 1.6 Resultados e Análises Na prática realizada no laboratório de Hidráulica foi possível observar a trajetória do líquidos e, assim, dizer qual era o tipo de escoamento. Na primeira observação, em uma baixa vazão, observa-se uma trajetória retilínea, como mostra a figura abaixo: Figura 3: Escoamento Laminar Fonte: Fotografia dos Alunos, 2019. 7 Ao realizar os cálculos acima, encontra-se o , o que realmente permite e 242, 42 R = 1 2 caracterizar um Escoamento Laminar. Ao elevar suavemente a vazão, é possível observar o comportamento a seguir: Figura 4: Escoamento de Transição sendo iniciado Fonte: Fotografia dos Alunos, 2019. Ao analisar, o e comparar a imagem acima, é possível visualizar um e 547, R = 2 1 comportamento indeterminado, que é chamado de Escoamento de Transição. Já no último caso, é possível afirmar que o fluido apresenta um Escoamento Turbulento, e permite se confirmar a partir do cálculo demonstrado acima que apresenta .e 4183, R = 2 7 8 Figura 5: Escoamento Turbulento Fonte: Fotografia dos Alunos, 2019. 1.7 Conclusões Com a prática de escoamento laminar e turbulento, foram obtidas medições em laboratório do fluido em escoamento, valores que pelas relações mostradas na fundamentação teórica, definem características do fluido (vazão, velocidade e o número de Reynolds), que explicam seu comportamento no sistema, possibilitando classificar os escoamentos analisados como Escoamento laminar, Escoamento de transição e Escoamento turbulento. 9 Parte 2: Medição de Velocidade e Vazão com Tubo de Pitot 2.1 Introdução A dinâmica dos fluidos pode ser compreendida através de inúmeras variáveis, sendo uma delas, a velocidade de escoamento de um fluido, onde se faz necessária a determinação do módulo e direção dessa velocidade. A partir desses conhecimentos, se torna possível a aplicação de diversas técnicas e a solução de problemas de engenharia, tendo como exemplo e técnica mais comum o tubo de Pitot. O tubo de Pitot mede a velocidade da corrente de um escoamento, baseada na pressão estática e de estagnação, onde a diferença dessas duas pressões pode ser chamada de pressão dinâmica. Além disso, a medição de velocidade é realizada em um ponto específico do escoamento, já que não é aconselhável que o Pitot seja utilizado para velocidades variáveis em um mesmo ponto ou para vazões que mudam com o tempo. 2.2 Objetivos Com o escoamento de água ocorrendo na tubulação, medir a velocidade do fluido com uso do tubo de pitot, de forma a medir de forma axial a seção interna do tubo, fazendo leituras no manômetro do sistema. Utilizando essas medidas, construir o perfil de velocidade que auxiliará na determinação dos cálculos da vazão e dos coeficientes de Coriolis (α) e de Boussinesq (β) que são coeficientes adimensionais, utilizados para correção do sistema. 2.3 Fundamentação Teórica Henri Pitot, um engenheiro francês especializado em Hidráulica, dedicou grande parte de sua vida ao estudo dos fluidos e testou projetos e teorias no Rio Sena. Em 1732, criou um dispositivo que media a velocidade e vazão de um fluido em movimento, que pode ser chamado de tubo de Pitot ou Pitômetro. Este instrumento funciona de forma a medir a velocidade através da pressão de estagnação e deve ser usado em conjunto com uma tomada de pressão estática de referência, com o intuito de determinar a pressão dinâmica, onde a 10 velocidade será dada pela equação da Lei de Conservação de Massa e Energia. Em se tratando da vazão, esta pode ser obtida através da medição da velocidade em diferentes pontos. 2.4 Procedimentos Utilizou-se um sistema de tubulações (Figura 6) interligadas e conectadas a uma caixa de armazenamento de água de regime constante. A caixa d'água conta com uma bomba hidráulica para promover o escoamento pelos tubos, uma vez que esta se encontra num nível inferior ao sistema. Figura 6: À esquerda, o sistema de tubulações e à direita, o reservatório. Fonte: Fotografia dos Alunos, 2019 Ao sair do reservatório, a água passa por um pitot (Figura 7), contorna parte da tubulação, passa por um manômetro e retorna ao reservatório, onde repete o ciclo. Figura 7: Pitot inserido dentro da tubulação transparente. Fonte: Fotografia dos Alunos, 2019. 11 Foram tomadas as medidas de temperatura do ar externo e da água no sistema e identificaram-se os raios do tubo e do pitot, que está inserido dentro deste, no ponto central “C” (Figura 8). Figura 8: Projeção de planta baixa indicando a disposição do pitot na tubulação. Fonte: Fotografia dos Alunos e desenho de autoria própria, 2019 Feito isso, foi dado início ao escoamento do fluido pelo sistema, acionando a bomba hidráulica e logo após leu-se o manômetro. O pitot foi afastado, através de um movimento de empurrão, até a lateral “A” da tubulação. Neste ponto o pitot está a 17,1 mm do centro. Neste ponto foi feita a leitura do manômetro. A partir daí iniciou-se uma sequência de medidas, onde o pitot foi puxado gradativamente na direção contrária a “A”, acompanhado pela leitura do manômetro a cada movimentação. Na tabela a seguir estão listadas as movimentações do pitot e suas respectivas leituras manométricas. 12 Tabela 2: Dados coletados na prática Medições Posição Manômetro Relativa (mm) Radial (mm) L1 (mm) L2 (mm) 1 *Lateral A 17,7 340 340 2 0 17,2 388 300 3 1 16,2 395 294 4 2 15,2 401 288 5 4 13,2 408 279 6 7 10,2 417 272 7 12 5,2 421 267 8 17 0,2 423 261 9 22 -4,8 422 266 10 27 -9,8 419 270 11 31 -13,8 409 279 12 33 -15,8 402 286 13 34 -16,8 396 293 14 34,2 -17,2 393 294 15 *Lateral B -17,7 340 340 1.5 Planilhas de Leituras e Cálculos Cálculos de acordo com as medições: Medição 2: ● Cálculo da pressão (P): (Equação 05)P ρ ∆H ∆ = a × g × P 997, 5 kg/m³ , 07 m/s² 88 m ∆ = 0 × 9 8 × 13 P 60, 70 P a ∆ = 8 4 ● Cálculo da velocidade (V): (Equação 06) V = √ ρ2∆p , 13 m/s V = √ 997,567 kg/m³2 ×(860,470 P a) = 1 3 Medição 3: ● Cálculo da pressão (P): P ρ ∆H ∆ = a × g × P 997, 5 kg/m³ , 07 m/s² 01 m ∆ = 0 × 9 8 × 1 P 87, 85 P a ∆ = 9 5 ● Cálculo da velocidade (V): V = √ ρ2∆p , 07 m/s V = √ 997,567kg/m³2 × (987,585 P a) = 1 4 Medição 4: ● Cálculo da pressão (P): P ρ H ∆ = a × g × ∆ P 997, 5 kg/m³ , 07 m/s² 13 m ∆ = 0 × 9 8 × 1 P 104, 922 P a ∆ = 1 ● Cálculo da velocidade (V): V = √ ρ2∆p , 88 m/s V = √ 997,567 kg/m³2 × (1104,922 P a) = 1 4 Os cálculos de pressão e velocidade das demais linhas da tabela foram realizados analogamente. Esses valores se encontram na tabela 3 abaixo. Vale lembrar que os valores 14 para as laterais do tubo foram todos nulos. Por serem muito próximos à parede interna do tubo, os valores da variação de pressão são nulos, assim como a velocidade do escoamento. Tabela 3: Cálculo das velocidades em cada posição do tubo de Pitot PITOMETRIA LOCAL: Lab. de Hidráulica CÓDIGO: CIV 271 DATA: 13/09/2019 SONDA: Pitot MEDIÇÃO: 1º MÉTODO: Pitometria Temp. Início: 23ºC Temp. final: 23º C Temp. Amb.: 25º C Hora Início: 14h32min Hora Término: 15h10min Fluido: Água Fluido Manômetro: Água COMENTÁRIOS: Raio do tubo R = 17,7 mm raio do Pitot r = 0,5 mm Medição POSIÇÃO MANÔMETRO DIF. DE PRESSÃO (Pa) VELOCIDADE (m/s) OBSERVA- ÇÕES RELAT I-VA (mm) RADIAL (mm) L1 (mm) L2 (mm) ∆H (mm) 1 Lateral A 17.7 340 340 0 0.000 0.000 Parede 2 0 17.2 388 300 88 860.470 1.313 - 3 1 16.2 395 294 101 987.585 1.407 - 4 2 15.2 401 288 113 1104.922 1.488 - 5 4 13.2 408 279 129 1261.371 1.590 - 6 7 10.2 417 272 145 1417.820 1.686 - 7 12 5.2 421 267 154 1505.823 1.738 - 8 17 0.2 423 261 162 1584.047 1.782 - 9 22 -4.8 422 266 156 1525.379 1.749 - 10 27 -9.8 419 270 149 1456.932 1.709 - 11 31 -13.8 409 279 130 1271.149 1.596 - 12 33 -15.8 402 286 116 1134.256 1.508 - 13 34 -16.8 396 293 103 1007.141 1.421 - 14 34.3 -17.2 393 294 99 968.029 1.393 - 15 Lateral B -17.7 340 340 0 0.000 0.000 Parede 15 Tabela 4: Tabela de cálculos para cada velocidade Gráfico 1: Perfil de velocidade 16 Vazão Parcial: (Equação 07) Q parcial = π . v . r . Δr| | Parcial QMov (Equação 08)π . v . r . Δr|| 2 || Parcial Energia Cinética (Equação 09) E c = π . v². r . Δr| | Vazão: A vazão do escoamento foi obtida somando-se todas as vazões parciais encontradas para cada posição radial do tubo de Pitot, a partir da Equação 07. Como as vazões parciais estão em m³/s, multiplicou-se seu somatório por 1000, obtendo-se assim um resultado em dm³/s ou, no SI, L/s. 0, 015348657 m³/s x 1000 1.5348657 L/s Q = 0 = Área da seção transversal do tubo de diâmetro D = 35,4 mm 0, 0098423 m/sA = 4 πD2 = 4 3,141592654 x (0,035,4 m)² 0 Número de Reynolds e > R 8.356, 799R = 4QπDv = e = 4 × 0,0015348657 m .s3 −1 3,141592654 × 0,0354 m × 0,946 × 10 m .s−6 2 −1 = 5 0 Velocidade média: A velocidade média do escoamento foi obtida a partir da média simples das velocidades em cada posição radial analisada, todas elas descritas na tabela 4. 1, 59 m/s V méd = 3 Posição radial para velocidade média: A posição radial para esta velocidade média de 1,359 m/s foi obtida a partir da análise do perfil de velocidade do escoamento, obtendo-se o valor de 16,9 mm. 17 Coeficiente de Boussinesq , 129β = V ² A ² dA∫ A v = 1 0 Coeficiente de Coriolis , 48α = V ³ A ³ dA∫ A v = 1 0 2.6 Resultados e Análises As medições realizadas em laboratório com o auxílio do tubo de Pitot e do manômetro permitiram os cálculos de grandezas, como pressão, vazão e velocidade do fluido. Após a análise dos valores encontrados para a pressão e velocidade em cada ponto, notou-se que estes aumentaram de forma inversamente proporcional à posição radial no tubo, de maneira que quanto menor a posição radial, ou seja, quanto mais próximo da linha central do tubo, maior a velocidade e pressão do fluido. Isso pode ser demonstrado através do Gráfico 1, que representa o perfil de velocidade do escoamento, onde os valores das posições radiais, medidos inicialmente, são indicados por cada ponto ao longo do perfil. Conforme a posição radial diminui, a velocidade de escoamento aumenta, pois há tensão de cisalhamento na parte interna da tubulação. Logo, pontos próximos à extremidade do tubo apresentam menores velocidades. Quanto ao tipo de escoamento, como demonstrado na Parte 1, é possível determiná-lo baseado no cálculo do número de Reynolds, sendo este , isto é, trata-se e R = 8.356, 799 5 0 de um escoamento turbulento. Por fim, calculou-se a velocidade média, de maneira que fosse possível o cálculo dos coeficientes de Boussinesq (fator de correção de quantidade de movimento) e Coriolis (fator de correção de energia cinética). Para escoamentos turbulentos, como o escoamento em questão, o coeficiente de Boussinesq deve estar entre 1,02 e 1,04 e o coeficiente de Coriolis 18 deve estar entre 1,05 e 1,10. Portanto, ambos coeficientes apresentaram valores próximos aos esperados 1,0129, 1,048).β ( = α = 2.7 Conclusões Realizando o escoamento do fluido na tubulação e obtendo leituras no manômetro com auxílio do tubo de Pitot, o perfil de velocidade foi estruturado evidenciando um Escoamento turbulento com vazão total de 1,5348657 L/s e coeficientes de Boussinesq e Coriolis, iguais a 1,0129 e 1,048, que estão de acordo com o comportamento de um escoamento turbulento, segundo a literatura. Podemos comprovar que a posição radial e as forças atuantes no fluido que escoa (já comentadas nas discussões dos resultados), influenciam diretamente na cinética do sistema de escoamento, em que, no contato com as paredes da tubulação, o fluido apresenta diferenças quando que comparada a cinética no centro do líquido. Bibliografia RODRIGUES, Luiz. Mecânica dos Fluidos. Disponível em: http://www.engbrasil.eng.br/pp/mf/aula10.pdf Acesso em 22/09/2019 MEUSITEMACKENZIE. Escoamento Laminar e Escoamento Turbulento. Disponível em: http://meusite.mackenzie.com.br/eangelo/Exp_Reynolds.pdf Acesso em: 22/09/2019 MEIRA, Daniel. Apostila de Fenômenos de Transporte. Disponível em: https://engenhariauniplan.files.wordpress.com/2018/02/fenc3b4menos-de-transporte-e28093- np1-2018.pdf Acesso em: 22/09/2019 SMITH, Paulo. Medição de vazão e velocidade dos fluidos. Disponível em: http://www.ufrgs.br/medterm/areas/area-ii/vazao_mt.pdf Acesso em: 22/09/2019 UNESP. Projeto Tubo de Pitot. Disponível em: https://www.sorocaba.unesp.br/Home/Extensao/Engenhocas/projeto-tubo-de-pitot.pdf Acesso em: 22/09/2019 DA SILVA, Gilberto Queiroz. Lições de Hidráulica Geral. Ouro Preto, 2015. (Apostila). 19 http://www.engbrasil.eng.br/pp/mf/aula10.pdf http://meusite.mackenzie.com.br/eangelo/Exp_Reynolds.pdf https://engenhariauniplan.files.wordpress.com/2018/02/fenc3b4menos-de-transporte-e28093-np1-2018.pdf https://engenhariauniplan.files.wordpress.com/2018/02/fenc3b4menos-de-transporte-e28093-np1-2018.pdf http://www.ufrgs.br/medterm/areas/area-ii/vazao_mt.pdf https://www.sorocaba.unesp.br/Home/Extensao/Engenhocas/projeto-tubo-de-pitot.pdf
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