VELOCIMETRIA POR IMAGEM DE PARTÍCULAS HOLOGRÁFICA PARA ESTUDO DA REDUÇÃO DE ARRASTE COM POLÍMEROS

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1 Departamento de Engenharia Mecânica VELOCIMETRIA POR IMAGEM DE PARTÍCULAS HOLOGRÁFICA PARA ESTUDO DA REDUÇÃO DE ARRASTE COM POLÍMEROS Relatório Anual Aluno: Ian Santos Vasconcellos Julho de 2015 Apresenta-se neste relatório um resumo do trabalho desenvolvido ao longo do último ano no projetos experimental de velocimetria 3D do LEF Laboratório de Engenharia de Fluidos do Departamento de Engenharia Mecânica. Trata-se de um projeto grande, no qual até então apenas a técnica holográfica vinha sendo testada. Na próxima etapa do projeto, outra técnica 3D o PIV Tomográfico será utilizada simultaneamente na mesma bancada. Assim, na fase descrita aqui, visou-se predominantemente a elaboração de um projeto de adaptação da seção de testes em que, a partir de agora, serão realizadas medições em duas estações, uma para cada técnica. A idéia é que os resultados venham a se complementar. O projeto em questão é de longo prazo, envolvendo desde o desenvolvimento e teste de técnicas de medição avançadas como o PIV Holográfico e o Tomográfico, passando por desenvolvimento de software de processamento de hologramas e dados, até o projeto de cada detalhe da seção de testes, e adaptação destas ao escoamento a ser estudado. Assim, foram projetados novos módulos para o canal, com o objetivo de proporcionar melhor qualidade na visualização e permitir que as duas técnicas de observação fossem utilizadas na mesma seção de testes sem gerar dificuldades operacionais. Introdução Com os avanços alcançados no projeto de velocimetria holográfica e com a motivação de aplicar também a velocimetria tomográfica, fez-se necessária a elaboração de uma nova seção de testes que comportasse ambos os experimentos no laboratório sem que se perdesse qualidade de preparação, calibração e visualização, e manipulação dos equipamentos e válvulas do circuito. As técnicas se complementam, especialmente no que concerne a região do escoamento a ser estudada: a técnica holográfica mede apenas pequenos volumes, neste caso um volume de 2 mm x 2 mm x 2 mm na parede inferior do canal, enquanto a

2 tomográfica é capaz de medir uma região volumétrica maior, neste caso uma fatia que contém toda a seção reta do canal. Tendo em vista que alguns módulos da seção de testes antiga apresentavam degradações devido à utilização em realizações experimentais anteriores, e não atendiam as expectativas dos dois projetos (Tomo PIV e Holo PIV), foram projetados novos módulos, alguns deles com janelas de visualização próprias para que se alcançasse a maior precisão possível na observação. Após a elaboração dos módulos, iniciou-se a montagem efetiva da seção de testes, que será descrita com mais detalhes a seguir. A Seção de Testes Modificada A nova seção de testes consiste em tanques de entrada, bomba de água, medidor de vazão, caixa de entrada, canal de escoamento, caixa de saída e tanques de saída, além de válvulas, filtros, e outros equipamentos. O canal propriamente dito possui 4 metros de comprimento no total (da caixa de entrada até a caixa de saída) e seção reta quadrada (40 mm x 40 mm), sendo formado por oito módulos distintos que se acoplam. O comprimento total da seção foi aumentado em relação à anterior, principalmente para possibilitar que o escoamento já se encontre hidrodinamicamente desenvolvido a montante da primeira estação de medição, i.e., a tomográfica. A Fig. 1 mostra uma foto capturada da entrada da seção de testes, com caixa de entrada, primeiros módulos do canal pelos quais o escoamento passa, e câmeras móveis posicionadas, com auxílio de estrutura controlada por motores, para captura das imagens do projeto Tomo PIV. O escoamento se dá da esquerda para a direita nesta imagem. No sexto módulo (visualização e medição do Tomo PIV) e o no último módulo (visualização e medição do Holo PIV), o escoamento já se encontra desenvolvido o suficiente para as observações nos experimentos. A Fig. 2 mostra uma foto capturada do fim da seção de testes. Nela, pode-se observar as câmeras posicionadas no sexto módulo do canal, e abaixo do último módulo, encontra-se, posicionada sobre uma mesa, toda a ótica utilizada para a observação e medição do Holo PIV. O escoamento é de cima para baixo na imagem, e observa-se também parte da caixa de saída da seção, por onde o escoamento segue de volta para a caixa de entrada (circuito fechado), ou para o descarte (circuito aberto), de acordo com a regulagem das válvulas da tubulação da seção de testes. Grande parte do trabalho consistiu não só na elaboração de novos módulos, mas também na reestruturação do circuito e de suas conexões, e principalmente na montagem, instalação e teste dos novos equipamentos envolvidos nas medições tomográficas como laser, câmeras, mesa motorizada, entre outros.

3 Figura 1: Foto da parte inicial da seção de testes.

4 Figura 2: Detalhe das duas estações de medição. A Técnica Holográfica O PIV (da sigla em inglês correspondente a Velocimetria por Imagem de Partículas) é um método ótico utilizado para se obter medições instantâneas e estatísticas de campos de velocidade na região de interesse do escoamento. A técnica existe em diferentes configurações, indo da básica PIV 2D até versões tridimensionais. O PIV Holográfico é uma das formas de se obter medições 3D em

5 pequenos volumes. Como se pode observar na Fig. 3, correspondente ao presente experimento, partículas de densidade muito próxima à do fluido são adicionadas ao escoamento, neste caso apenas na proximidade da parede, onde se deseja efetuar as medições. Um feixe de laser ilumina o volume de medição por cima, enquanto uma câmera captura uma série de imagens desfocadas dos campos de partículas, denominadas hologramas, constituídas de padrões de franjas de interferência cujas modulações carregam informação sobre as posições em profundidade das partículas. A presença de uma lente objetiva amplia os hologramas de forma a aumentar a resolução das franjas. Estes hologramas são então reconstruídos numericamente através de um software desenvolvido no laboratório, recuperando os campos volumétricos de partículas originais nos diferentes instantes de tempo. A partir de pares de volumes de partículas reconstruídos, algoritmos de correlação de imagens e de acompanhamento de partículas são utilizados para calcular os campos 3D de velocidade. Figura 3: Configuração ótica para emprego da técnica de velocimetria holográfica. A Técnica Tomográfica A técnica de Velocimetria por Imagem de Partícula (PIV) é empregada na caracterização do campo de velocidade em diversos tipos de escoamentos. A técnica PIV do tipo tomográfica (Tomographic PIV ou PIV Tomográfico) possibilita a determinação do campo de velocidade do fluido em três dimensões em um volume maior (em relação à técnica holográfica) do escoamento. Também são utilizadas partículas que seguem fielmente o escoamento.

6 O PIV Tomográfico faz uso de visualizações simultâneas do volume de partículas iluminado por laser. Múltiplas câmeras são utilizadas para registrar imagens em foco a partir de perspectivas diferentes, de forma a permitir que a distribuição volumétrica das partículas na região de medição seja reconstruída posteriormente. Uma vez reconstruído, o volume é então analisado através de algoritmos de correlação cruzada 3D, que estimam o deslocamento de um grupo de partículas dentro de "volumes de interrogação" entre dois instantes de tempo conhecidos. Este procedimento de análise gera então as três componentes do deslocamento para cada volume de interrogação. Diferentes algoritmos de reconstrução e métodos de interrogação podem ser estudados e empregados. A reconstrução do volume a partir das imagens registradas pelas câmeras digitais requer o conhecimento da função de mapeamento entre os diferentes planos de imagem e o espaço físico, o que é feito através de um procedimento de calibração similar ao do PIV estereoscópico, mas com a função de mapeamento sendo definida em um domínio volumétrico. Figura 4: Câmeras posicionadas (Tomo PIV)

7 Figura 5: Configuração para emprego da técnica de velocimetria tomográfica no experimento de canal turbulento. No procedimento de calibração, a relação entre a imagem (projeção) e as coordenadas do espaço físico (o objeto) é estabelecida. Cada câmera registra imagens de um alvo calibração em várias posições de profundidade em todo o volume. A partir dessas imagens o procedimento de calibração retorna uma função de mapeamento. Procedimentos Realizados para Montagem da Nova Seção de Testes Projeto dos módulos Foram projetados novos módulos, com auxílio do software SolidWorks. Dentre esses módulos, foram desenvolvidas quatro variações, cada uma adaptada para se encaixar melhor em determinada posição do canal. Foram elas: 1) Módulo com Janela Extremidade TomoPIV: Módulo principal para as medições com TomoPIV, com encaixe para prisma de visualização conforme apresentado na Fig. 5. O prisma fica preenchido com água durante os experimentos, e possui as janelas em ângulos ortogonais aos eixos das câmeras. Estes cuidados reduzem efeitos óticos negativos que poderiam ocorrer devido a mudanças de índice de refração. Na extremidade deste módulo também se encontra uma janela circular, que pode ser utilizada no futuro para a introdução

8 de outro tipo de sonda, como um anemômetro (medida pontual de velocidade), por exemplo. Figura 6: Projeto SolidWorks do Módulo com Janela de Extremidade 2) Módulo Plano: módulo projetado para aumento do comprimento total da seção, conforme explicado anteriormente. Figura 7: Projeto SolidWorks do Módulo Plano

9 3) Novo módulo de visualização HoloPIV: módulo anterior se encontrava deteriorado e foi refeito. Além disso, no caso das medições holográficas, a injeção de partículas é localizada (injeção só na região de medição, para que os hologramas não fiquem ruidosos demais). Testes feitos no período anterior com injeção de rodamina líquida [3] revelaram que a posição de injeção deveria ser mais afastada em relação à janela de visualização. Assim, aproveitou-se a oportunidade para fabricar o rasgo de injeção de partículas na nova posição. Figura 8: Projeto SolidWorks do Módulo HOLO Os desenhos técnicos correspondentes, com a explicação de cada sub-parte numerada, se encontram como apêndices no fim deste relatório. Alinhamento da estrutura e higienização da seção de testes Após a elaboração dos projetos, estes foram encaminhados para a fabricação dos módulos, e nesse meio tempo, foi dado início à construção e ao alinhamento da estrutura que suporta o canal e as caixas de entrada e saída. Todas as dimensões foram devidamente calculadas de acordo com os projetos dos módulos que ficariam prontos em breve e verificadas com as devidas tolerâncias para que com os módulos em mãos, fosse possível encaixá-los na seção sem que houvesse erros de montagem, o que possivelmente acarretaria em perda de tempo.

10 A estrutura que suporta a seção de testes foi alinhada milimetricamente nas três direções cartesianas com auxílio de aparelhos niveladores como, por exemplo, um nível a laser. Todos esses cuidados e precauções no alinhamento da seção são de extrema importância para a obtenção de um resultado mais preciso nas medições. Não menos importante é a higienização da seção de testes, visto que os tanques e caixas de entrada e saída se encontravam extremamente sujos desde sua última utilização. Portanto, com o auxílio de baldes e esponjas e ainda provocando um escoamento na seção em regime fechado, foi possível remover os resíduos de polímeros utilizados anteriormente e retirar sujeiras grudadas nas paredes dos tanques e caixas e poeiras que flutuavam na água residual. Conclusões Importantes avanços na montagem da nova seção de testes foram conduzidos nesta etapa do projeto, sem os quais não se poderia prosseguir com a aquisição final de resultados de ambos os experimentos citados neste relatório. O processo de montagem foi concluído com êxito e testes de vazamento foram conduzidos. A seção se encontra portanto pronta para funcionamento, agora com alternância entre medições com Holo e TomoPIV. Espera-se que as técnicas venham a se complementar, sendo que uma delas (Tomo) irá investigar um volume grande compreendendo toda a seção reta do canal e observando as macroestrururas turbulentas, e a outra (Holo), um pequeno volume adjacente à parede do canal, com foco nas microestruturas do escoamento e na tensão cisalhente na parede. Estes resultados finais serão adquiridos com ambas as técnicas para os casos sem polímeros e com polímeros. Referências 1. Abrantes, J.K., Holographic Particle Image Velocimetry for Wall Turbulence Measurements, PhD Thesis, ECL/PUC-Rio, Elsinga, G.E., Scarano, F., Wieneke, B., Tomographic Particle Image Velocimetry. Eaxperiments in Fluids, vol. 41, pp , Miranda, C. Estudo de Escoamento Turbulento e Redução de Arraste por Adição de Polímeros através da Técnica de Velocimetria por Imagem de Partículas Holográfica (PIV Holográfico). Relatório Anual, 2014.

11 4. Ocaña, M.P., Medições do Escoamento Turbulento em Tubos na Presença de Polímeros Redutores de Atrito, Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Mecânica, PUC-Rio, Robinson, S., Coherent Motions in the Turbulent Boundary Layer. Annual Review of Fluid Mechanics, vol. 23, 1991.

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