Relatório de plano de trabalho



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Superintendência de Divulgação e Comunicação Institucional – SCI

Coordenadoria de Tecnologia e Formação de Recursos Humanos - CTC

PRH-ANP/MCT nº

14





PLANO DE TRABALHO DE PESQUISA


1 – IDENTIFICAÇÃO

Nome do Bolsista

Rodrigo Márcio da Silva

Matrícula

2007.0684-0

Título do Programa


Engenharia de Processos em Plantas de Petróleo e Gás Natural

Título do Curso / Especialização

Graduação em Engenharia Mecânica

Instituição

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

Sigla
UFRN


Nome do Orientador (1)


José Ubiragi de Lima Mendes

Nome do Orientador (2)






2 – TÍTULO DO TRABALHO

Influência da textura superficial no comportamento aerodinâmico em elementos estruturais cilíndricos






3 – INTRODUÇÃO / OBJETIVO (no máximo 1 página)

Estruturas metálicas como torres de transmissão, plataformas marítimas e outras, compostas por elementos cilíndricos, são susceptíveis a esforços/vibrações induzidos pelo deslocamento de massas fluidas de ar escoando sobre as mesmas. Estas forças aerodinâmicas provocam arrasto, forças laterais e momentos, que podem induzir deformações, instabilidade ou até mesmo a queda destas estruturas. Um dos parâmetros utilizados por pesquisadores é o coeficiente de arrasto e sabe-se que a rugosidade na superfície do cilindro modifica este coeficiente.

Este projeto tem por objetivos medir experimentalmente o coeficiente de arrasto para diferentes rugosidades; estudar a influência da textura superficial no comportamento aerodinâmico; verificar qual o melhor acabamento superficial para otimização da resistência a ação do vento, segundo o coeficiente de arrasto, em elementos estruturais cilíndricos (determinar faixa crítica) e plotar gráfico coeficiente de arrasto x Re variando a rugosidade.

O estudo da influência do acabamento superficial é importante para o dimensionamento de estruturas metálicas. Um melhor dimensionamento provoca conseqüentemente uma economia maior. Para estruturas que utilizam coeficiente de segurança baixo e/ou que possuem escalonamentos, cantos vivos, seu estudo é importante.








4 – RELEVÂNCIA DO TEMA / JUSTIFICATIVA (no máximo 1 página)

O escoamento de ar ao longo de diversas geometrias provoca o desprendimento de vórtices. Assim, surgem efeitos tridimensionais que alteram essa formação. Um dos parâmetros utilizados e pesquisados para a determinação do coeficiente de arrasto é a rugosidade na superfície do cilindro.

Variando-se a velocidade do escoamento de uma massa fluida, e também a rugosidade do corpo submetido a essas cargas, ocorre uma brusca variação de comportamento aerodinâmico.

Essa variação de comportamento é uma grande preocupação na formulação de projeto da área de Engenharia Estrutural e sabemos que o perfeito cálculo deve ser efetuado para atender as normas regulamentadoras NBR 6123.

Uma perfeita análise desse fenômeno pode evitar inúmeros acidentes e danos que aconteceram ao longo dos anos devido ao não correto cálculo estrutural, como: desabamento de estruturas metálicas como treliças; flambagem em torres originando falhas de transmissão; vibrações mecânicas em postes de alta tensão originando falta de energia em diversas cidades, etc.






5 – ESTADO DA ARTE E METODOLOGIA (no máximo 3 páginas)



Um corpo de qualquer forma, quando imerso em um fluido em escoamento, fica sujeito a forças e momentos (White, 1986). Estas forças são três: o arrasto, que age numa direção paralela à direção da corrente livre, e duas forças de sustentação, que agem em direções ortogonais.

Geralmente o arrasto aumenta com o aumento da rugosidade superficial nos corpos delgados como os perfis aerodinâmicos. Isto se deve a que o escoamento se torna turbulento. Nesta condições a maior contribuição para o arrasto total se deve ao arrasto por atrito (CDf) que é muito maior no escoamento turbulento que no escoamento laminar. Por outro lado nos corpos rombudos, como um cilindro circular ou esferas, o aumento da rugosidade superficial pode causar uma diminuição do arrasto total. Para uma esfera lisa quando o Re atinge o valor crítico (Re_3x105), a camada limite se torna turbulenta. Nesta condição a esteira atrás da esfera fica mais estreita. Isto origina uma diminuição significativa do arrasto por pressão (CDp) e um leve aumento do arrasto por atrito (CDf).

A combinação desta duas parcelas de arrasto (CDp + CDf) fornece um arrasto total menor que nas condições de escoamento laminar. O aumento da rugosidade superficial pode conseguir que a camada limite se torne turbulenta para um Re mais baixo e com isto conseguir um arrasto total menor. Esta é, por exemplo, a técnica utilizada nas bolas de golfe que apresentam uma rugosidade artificial exagerada para conseguir um escoamento turbulento com menor Re (4x104) e diminuir assim o arrasto. Desta forma com uma tacada a bola pode alcançar maiores distâncias percorridas comparadas com o caso de uma esfera lisa.

Esse mesmo estudo pode ser realizado para treliças e demais corpos cilíndricos. A preocupação com o coeficiente de arrasto, rugosidade e geometria de treliças foi evidenciada no “Informativo de tecnologia: Estudo da Ação do Vento sobre Treliçados Seccional Brasil” que cita os cuidados que devem ser tomado nos dimensionamentos.

As referências bibliográficas sobre esse assunto são bem restritas. Uma das poucas referências é o engenheiro Pinheiro que fez um estudo sobre vibrações aeroelásticas em torres esbeltas, analisando variados parâmetros tanto de vibrações mecânicas como na área de mecânica dos fluidos. Ao longo da sua tese, ele faz um estudo rico na avaliação de coeficiente de arrasto e a respectiva influência de parâmetros como rugosidade.




  • METODOLOGIA

Primeiramente um estudo bibliográfico sobre o tema. Depois corpos de prova com rugosidades diferentes foram confeccionados, utilizando diversos processos de fabricação com o objetivo de se obter esse parâmetro característico de cada processo de usinagem. Os ensaios foram efetuados em um túnel aerodinâmico com área da secção transversal do jato de vento de (0.50m X 0.50m) e comprimento 3.75m, máxima velocidade de aproximadamente 4m/s, obtida usando um motor elétrico monofásico de potência máxima de 5HP (3.7kW). O Túnel aerodinâmico é do tipo de circuito aberto, a área da câmara de ensaios é de (0.25m2), com razão de contração de 2:1 que foi escolhida para aumentar a velocidade do fluído. Foi feita a medição das diferenças de pressão ao longo escoamento, essas efetuadas logo após a esteira; a coordenada do final da esteira foi verificada utilizando simulação através do software CFX. Em seguida foi feita a plotagem das curvas por meio de um método matemático denominado método de Jones. A partir disso foi feita à análise dos resultados comparando com os já existentes na literatura.










6 – ETAPAS (no máximo 2 páginas)

Foram realizadas pesquisas bibliográficas. O túnel de vento foi montado com o seu motor, e a instrumentação necessária (tubo de pitot, réguas, etc). Os corpos de prova foram confeccionados utilizando torno mecânico, com velocidade, ângulo de ferramenta e característica do material previamente analisado.

Medições de Rugosidade realizadas através de ensaios tribológicos. Em seguida, foi feito os ensaios preliminares utilizando o cilindro.

Comprovada a validade do ensaio, foi feita uma análise sistemática por meio do software CFX. Novamente realizados novos ensaios, e mais adiante plotagem de curvas e análise dos respectivos resultados comparando-os com os da literatura.






7 – CRONOGRAMA DE TRABALHO (no máximo 1 página)




Atividade

Trimestres

















Revisão Bibliográfica

OK

 

OK




OK










Disciplinas

OK

OK

OK

 OK

 OK

OK 

 

 

Montagem do Túnel de Vento.

OK


OK

OK

OK

 

 

 

 

Confecção de corpos de prova.

 

OK

 OK

OK

 

 

 

 

Ensaio Experimental/ Simulação em Software.

 

OK

OK

OK

OK

OK

 




Análise dos Resultados

 

 

 

OK

OK

OK






Redação de monografia, artigos científicos e de divulgação e relatórios

 

OK

 

 

 




OK

 OK

Estágio

 

 



 



 

OK

X









8 – DISCIPLINAS DA ESPECIALIZAÇÃO (listar as disciplinas complementares obrigatórias para o PRH-ANP que pretende cursar)



Mecânica dos Fluidos Aplic. A Indústria do Petróleo.

Elementos finitos na análise de equipamentos da Indústria Petroquímica

Textura e Integridade de Superfícies Técnicas

Introdução à Engenharia de Petróleo

Metrologia

Seminários de Petróleo e Gás Natural






9 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS




  • FOX, R. W & McDONALD, ª T. – Introdução à mecânica dos Fluidos, Editora Guanabara, 1988, Rio de Janeiro.

  • Tese de doutorado: VIBRAÇÕES AEROELÁSTICAS EM TORRES ESBELTAS, M. A. S. Pinheiro – Engenharia Civil – UFRJ

  • Apostila de Mecânica dos fluidos da PUCRS, cap.11, forças aerodinâmicas.

  • Informativo de tecnologia: Estudo da Ação do Vento sobre Treliçados Seccional Brasil: Coeficientes de Arrasto para um Módulo de Torre - UFRGS







10 – OBSERVAÇÕES PERTINENTES (por exemplo recursos financeiros envolvidos etc)

O Trabalho foi apresentado no V - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica (Salvador, agosto de 2008).


Local
Natal


Data
_19_/11_/2008_______





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