Escoamento ao redor de esferas



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ESTUDO DA TURBULÊNCIA NA ESTEIRA DE ESFERAS LISAS

M.F. Pelegrini e E.D.R. Vieira

Departamento de Engenharia Mecânica, FEIS, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Av. Brasil Centro, 56, Ilha Solteira, S.P., cep: 15.385.000.



Palavras chaves: Esfera, Visualização, Vórtices, Anemometria de fio Quente.

RESUMO

O estudo do escoamento ao redor de esferas rígidas desperta a atenção de inúmeros pesquisadores sendo objeto de muitos trabalhos experimentais e numéricos devido à importância que este tipo de escoamento possui em diversas aplicações características da engenharia. Segundo Johnson & Patel (1999), embora tenhamos atualmente um conhecimento considerável sobre este tipo de escoamento, (obtido principalmente através de esforços experimentais), existem ainda muitos aspectos fenomenológicos não completamente esclarecidos, principalmente relativos à transição da esteira turbulenta e dos mecanismos de geração e desprendimento dos vórtices.



No presente artigo, o estudo do escoamento, para número de Reynolds até 103, ao redor de uma esfera rígida lisa sem movimento de rotação é realizado visando a determinação de parâmetros qualitativos e quantitativos da esteira turbulenta. Os ensaios foram conduzidos em um túnel hidrodinâmico vertical de baixa turbulência de 146146500 mm de seção de testes, da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, operando em regime contínuo. O perfil de velocidade relativa (U/U) e a intensidade turbulenta média (IT%) para várias posições na esteira de vórtices de uma esfera de D = 35,50 mm de diâmetro foram obtidos utilizando-se de um anemômetro de filme quente e uma placa de aquisição A/D. A freqüência de aquisição do sinal foi de 100 Hz e a amostragem de 4096 pontos, totalizando-se um tempo de amostragem de 40,96 s. Imagens capturadas da esteira, mostradas na Figura 1, foram geradas com o túnel operando em blow-down, utilizando-se a técnica de injeção de corantes líquidos denominada de dye wash. Maiores detalhes da instalação experimental e das técnicas utilizadas são encontrados no trabalho de Pelegrini & Vieira (2003).












(a) Re = 28

(b) Re = 251

(c) Re = 297

(d) Re = 367

(e) Re = 557

Figura 1 – Visualizações da esteira turbulenta de uma esfera em função do Reynolds.
Os perfis de velocidades e intensidade turbulenta média foram obtidos para Reynolds igual a 1000. As Fig. 2 e 3 apresentam respectivamente estes valores para diferentes posições verticais à jusante da esfera. O valor da intensidade turbulenta foi calculado pelo valor médio quadrado RMS.





Figura 2 - Perfis de velocidade (U/U) Re = 1000.

Figura 3 - Intensidade Turbulenta Média (IT) - Re = 1000.

As Figuras 4 e 5 apresentam, respectivamente, o ângulo de descolamento da camada limite e o comprimento adimensional (L/D) da bolha de recirculação em função do número de Reynolds.








Fig. 4 Ângulo de descolamento

Fig. 5 Bolha de recirculação vs logRe

Neste trabalho, visualizações da esteira turbulenta de uma esfera foram realizadas permitindo a identificação de diversas topologias deste tipo de escoamento para diferentes valores de Reynolds. Através do processamento digital de baixo nível das imagens, obteve-se ainda dois importantes dados referentes ao comportamento do ângulo de descolamento e do comprimento da bolha de recirculação em função do número de Reynolds. Adicionalmente, medidas do perfil de velocidades e da intensidade turbulenta da esteira foram realizados com auxílio de anemometria de filme quente. Tais resultados revestem-se de importantes subsídios para validação de códigos numéricos de mecânica dos fluidos computacional.



Agradecimentos


Os autores agradecem o apoio financeiro da FAPESP, FUNDUNESP e PROex-UNESP.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
Johnson, T. A. e Patel, V. C., 1999, “Flow past a sphere up to a Reynolds number of 300”, Journal of Fluid Mechanics, vol. 378, pp. 19-70.

Pelegrini, M. F. e Vieira, E. D. R., 2003, “Flow Around Sphere: A didatic Experiment”, ICECE 2003 International Conference on Engineering and Computer Education, Santos.

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