Departamento de Engenharia Mecânica - PUC-Rio Relatório Anual PIBIC 2012

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1 REDUÇÃO DE ATRITO NO ESCOAMENTO EM DUTOS POR ADIÇÃO DE POLÍMEROS Aluno: Renato Bichara Vieira Orientador: Luis Fernando A. Azevedo Introdução Os estudos de redução de atrito iniciaram-se na década de 30, porém, até a década de 60, as ideias consistiam em otimizar a geometria aero e hidrodinâmica do escoamento e na redução da rugosidade superficial, fabricando superfícies cada vez mais lisas. A partir dos anos 70, a crise do petróleo elevou consideravelmente o preço do óleo, impulsionando os estudos em redução de atrito em escoamento turbulento. A indústria e o setor de transportes já estavam mais sofisticados e visavam controlar as estruturas coerentes com a manipulação da camada limite, buscando efeitos benéficos, particularmente na redução de atrito. O uso de polímeros de cadeia longa, dissolvidos em água ou solventes orgânicos pode reduzir drasticamente a perda de carga por atrito em escoamentos turbulentos. Experimentos em tubulações já demonstraram que a perda por atrito pode ser reduzida em até 80% com a dissolução de algumas partes por milhão [1]. A redução de atrito por adição polímeros tem sido uma área de intensa investigação, como [1 [2], [ [4] e [5]. Objetivo Estudar o efeito de redução de atrito no escoamento desenvolvido laminar e turbulento de água, através de medições de queda de pressão. Realizar medições ópticas de campos de velocidade utilizando a técnica de PIV. Seção de Testes A seção de testes com polímeros redutores de arraste está montada nas dependências do Departamento de Enegnharia Mecânica da PUC-Rio. Esta seção de testes consiste em um duto de acrílico de 34 mm de diâmetro interno, D, e comprimento até a 1

2 seção de visualização (L) de 6 m, resultando em uma distância de desenvolvimento de 176 diâmetros. Os fluidos de trabalho foram água pura e água contendo polímero redutor de atrito. Todos os testes foram feitos em circuito fechado, como indicado esquematicamente na Figura 1. Figura 1: Esquema da seção de testes construída para os experimentos. O escoamento é gerado por gravidade. A bomba de cavidade progressiva e o circuito de retorno tem somente a função de manter o nível no tanque constante. Um medidor de vazão eletromagnético Incontrol com faixa de medição de 5 a 180 L/min ±0,35%, encontra-se a jusante do tanque superior. Após passar pelo medidor, o fluido chega à caixa de entrada, responsável pela normalização do escoamento na entrada do tubo da seção de testes. Um sistema de controle de vazão por estrangulamento de mangueira se encontra a montante da caixa de visualização para minimizar as tensões cisalhantes no fluido, evitando a degradação prematura do polímero usado. A caixa de visualização utilizada é feita em acrílico preenchida com água. Seu formato é ortogonal permitindo que as câmeras sejam posicionadas sempre perpendiculares à parede da caixa, reduzindo distorções nas imagens capturadas. A medição do campo de velocidade através da técnica de PIV utiliza um laser Nd:YAG pulsado de 120mJ por pulso a uma freqüência de 15Hz modelo Big Sky, uma câmera de 4 Megapixels modelo 4MP da TSI Inc., um sincronizador modelo da 2

3 TSI Inc., uma placa de captura modelo X64 da TSI Inc., além do software INSIGHT 3G da TSI Inc. para captura, processamento e pós-processamento das imagens e o software TECPLOT 10 da Amtec para visualização dos campos de velocidade. Ao longo do tubo de acrílico da seção de testes existem tomadas de pressão, para á g ã x é ô U invertido e inclinado com água e óleo Spindle. Realizam-se experimentos com água pura e posteriormente com a solução de polímero. Utiliza-se 20 ppm do polímero Superfloc A110 da Cytec. Este polímero, tipo poliacrilamida, é utilizado devido à boa resistência à degradação. Resultados Para cada um dos quatro Reynolds estudados, 5.46 x 10 3, 1.10 x 10 4, 2.29 x 10 4, 4.23 x 10 4, mediu-se o gradiente de pressão e 600 campos instantâneos de velocidade utilizando a técnica PIV estereoscópica. Os resultados estão resumidos nesta subseção. A redução de atrito DR é calculada através da razão entre o fator de atrito do solvente puro f s e o da mistura com polímero f p, Esta reduçao de atrito é obtida para Reynolds constante DR Re. A Figura apresenta g á çã ú R y obtidos experimentalmente com e sem a adição de polímero. Esses dados foram comparados com o fator de atrito de Blasius para tubo liso. Nota-se que a redução do fator de atrito aumenta consideravelmente com o aumento do número de Reynolds. 3

4 Figura 2: Tabela e gráfico do fator de atrito hidrodinâmico em função do número de Reynolds para os experimentos realizados com e sem a adição de polímeros. A Figura 2 apresenta um exemplo de campo instantâneo de velocidade em uma seção transversal do tubo. Na figura, os vetores velocidades são mostrados de forma bidimensional e tridimensional, com magnitude de velocidade dada em metros por segundo. Figura 2 Campo instantâneo de velocidade medido em regime turbulento em uma seção da tubulação para Re = 4,2 x

5 A Figura (A) mostra os perfis médios de velocidade axial W obtidos para quatro números de Reynolds. Como neste plano, superior/inferior, não há distorções significativas foi possível medir valores de velocidade em posições próximas à parede. Para a apresentação dos perfis, para o eixo das abscissas será utilizada a coordenada r/d, onde r representa a distância do ponto medido até o centro da tubulação. A Figura (B) mostra uma imagem do campo médio de velocidade tridimensional gerado a partir dos 600 campos de velocidade medidos. Nota-se que o campo obtido é bastante homogêneo e simétrico. É possível observar que há uma distorção do campo próximo às paredes laterais. Essa distorção foi causada pela baixa intensidade de luz nestas regiões. Para minimizar estas distorções seria necessário reduzir a espessura da parede do tubo de acrílico ou minimizar a diferença entre os índices de refração da água e do tubo. Re = 5,46 x 10 3 Re = 1,10 x 10 4 Re = 2,29 x 10 4 Re = 4,23 x 10 4 Figura 4: (A) Perfis médios adimensionais de velocidade axial / máx, em função de r/d para diversos valores de Re. A coordenada radial, associada ao eixo Y, representa a distância do ponto até o centro do tubo. (B) Campo tridimensional médio de velocidade para Re = 4,2 x

6 Conclusões O efeito de redução de atrito foi avaliado pela medição da queda de pressão ao longo do tubo, representado em termos do fator de atrito hidrodinâmico. Alguns perfis instantâneos e médios de velocidade foram medidos. Os resultados obtidos mostraram queda no fator de atrito devido a adição de polímero, chegando a 50% para os maiores valores de Reynolds investigados. Para baixos valores de Reynolds, não foi observada redução significativa no fator de atrito. Alguns campos de velocidade foram obtidos com a técnica PIV estereoscópica. Os campos médios gerados apresentaram algumas distorções laterais devido à falha na iluminação destas regiões. Nas regiões superior e inferior não foram observadas distorções. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio recebido pela PETROBRAS e CNPq. Referências 1. DEN TOONDER J.M.J.. D g R y P y A T P F w. L y N Ex DEN TOONDER J.M.J. NIEUWSTADT F.T.M. & KUIKEN G.D.C.. T elongational viscosity in the mechanism of g y y. A. Sci. Res., DEN TOONDER, J.M.J.; DRAAD, A.A.; KUIKEN, G.D.C. & NIEUWSTADT, F.T.M.. D g y g w. A. S. R LI, F.C; KAWAGUCHI Y. & OSHIMA M.. I g a drag-reduced turbulent channel flow with surfactant additive by stereoscopic particle g y. Ex F , HOYT, J.W.. P y. P. I. Symp. on Seawater Drag Reduction. pp. 1-5,