XXIV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA PUNTA DEL ESTE, URUGUAY, NOVIEMBRE 2010

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1 IAHR XXIV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA PUNTA DEL ESTE, URUGUAY, NOVIEMBRE 2010 AIIH VELOCIMETRIA A LASER POR PROCESSAMENTO DE IMAGENS PARA BOLHAS DE OZÔNIO Marcio Ricardo Salla Universidade Federal de Uberlândia, Brasil Faculdade de Engenharia Civil Tel: (34) mrsalla@feciv.ufu.br Carlos Eugenio Pereira Universidade Federal de Uberlândia, Brasil Faculdade de Engenharia Civil Tel: (34) carloseugenio@feciv.ufu.br Harry Edmar Schulz Universidade de São Paulo, Brasil Escola de Engenharia de São Carlos Tel: (16) heschulz@sc.usp.br RESUMO: A velocidade ascensional das bolhas de ozônio é um parâmetro muito importante no estudo da transferência de massa do ozônio no meio líquido. O método PIV (Particle Image Velocimetry) é utilizado na obtenção das imagens para determinação dos campos de velocidade instantâneos em um campo bi-dimensional. Os experimentos foram realizados nos níveis líquidos de 0,30 m, 0,60 m, 0,90 m, 1,20 m, 1,50 m e 1,80 m. Em cada nível líquido, determinou-se a velocidade ascensional ao longo de toda a profundidade, em 5 cortes diferentes, simétricos a partir da corte longitudinal central. Os campos de velocidades instantâneos para cada nível líquido/posição vertical/corte longitudinal foram estudados para as vazões de 50, 100, 150, 200, 250 e 300 L.h -1. Este estudo mostrou: a velocidade média das bolhas de ozônio aumenta com o aumento da vazão de ozônio aplicada; as bolhas ascensionais, em todas as posições verticais, não preencheram toda a seção transversal da coluna, principalmente para vazões baixas; constatou-se que o valor da velocidade média alcança o pico sempre no corte central, consequência das coalescências ocorridas nesta região, onde aumenta o tamanho das bolhas, e, com isso, aumenta a velocidade ascensional das bolhas. Por outro lado, havendo escoamento preferencial para cima no centro da coluna, há evidentemente maior arraste de água para cima. Como a conservação de massa deve ser verificada, deve haver escoamento de água em contracorrente em regiões mais afastadas do centro, o que implica em maior resistência ao movimento das bolhas e, conseqüentemente no retardo de seu movimento ascensional. ABSTRACT: The upward velocity of the ozone bubbles is a very important parameter in the study of the mass transfer of ozone in the liquid. The method PIV (Particle Image Velocimetry) is used in the attainment of the images for determination of the instantaneous fields velocity in a two-dimensional field. The experiments had been carried through in the liquid levels of 0.30 m, 0.60 m, 0.90 m, 1.20 m, 1.50 m and 1.80 m. In each liquid level, it was determined upward velocity throughout all the depth, in 5 different cut, symmetrical cuts from the central longitudinal. The instantaneous fields velocty for each liquid level/vertical position/longitudinal cut had been studied for flows of 50, 100, 150, 200, 250 and 300 L.h -1. This study showed that: the average velocity of the ozone bubbles increases with the increase of the applied ozone flow; the upward bubbles, in all the vertical positions, had not filled all the transversal section of the column, mainly for low flows; it was evidenced that the value of the average velocity always reaches the peak in the central cut, because of the occured coalescency in this central region, where it increases the size of the bubbles, and, with this, it increases the upward velocity of the ozone bubbles. On the other hand, having preferential draining for top in the center of the column, it has evidently bigger drags of water for top. As the mass conservation must be verified, it must more have water draining in countercurrent in regions moved away from the center of the column, what it implies in bigger resistance to the movement of the bubbles and, consequently in the retardation of its upward movement. Palavras-chave: velocimetria a laser; ozonização; método PIV.

2 INTRODUÇÃO A ozonização de águas residuárias é uma técnica de pós-tratamento muito eficiente na oxidação de matéria orgânica biodegradável e desinfecção de microorganismos patogênicos (Chiang, 1999). A velocidade ascensional das bolhas de ozônio é um parâmetro muito importante no estudo da transferência de massa do ozônio no meio líquido, neste caso, água residuária. As equações de coeficiente de transferência de massa gás-líquido existentes na literatura contêm a variável velocidade ascensional das bolhas no equacionamento (Salla, 2002). De acordo com Lima (2003), existem poucos trabalhos na literatura sobre Velocimetria a Laser por Processamento de Imagem (VLPI), onde se determina a velocidade ascensional em um plano bidimensional. Os trabalhos existentes levam em consideração a velocidade ascensional de bolhas individuais. Observa-se, de longa data, que existem diferenças entre velocidades ascensionais de bolhas individuais e de um conjunto de bolhas. A diferença está na ocorrência da coalescência entre as bolhas no plano bi-dimensional, o qual propicia um aumento na velocidade das bolhas ascensionais em função do aumento do diâmetro das bolhas na região de coalescência. Entretanto, também há efeitos de retardamento decorrentes da existência de maiores concentrações de bolhas. Com isso, é nesta vertente que este trabalho foi realizado. Neste projeto foi determinado o campo de velocidade das bolhas de ozônio em várias alturas de água dentro da coluna de ozonização. Para cada altura de água, estudou-se o campo de velocidade ao longo de toda a altura em 5 cortes diferentes. O objetivo em estudar 5 cortes foi verificar a diferença da velocidade das bolhas entre a extremidade (rente à parede da coluna) e o meio da coluna. Realizou-se o estudo entre extremidades para constatar a ocorrência ou não de similaridade da velocidade ascensional a partir do meio da coluna. Também, houve a preocupação em estudar o campo de velocidade ao longo da altura de água para averiguar se existem diferenças significativas no valor da velocidade ao longo da altura de água dentro da coluna. Através do estudo de várias alturas dentro da coluna foi possível, para uma mesma Seção e Corte, verificar se ocorre interferência da pressão da coluna de água na velocidade ascensional das bolhas de ozônio. MATERIAIS E MÉTODOS Coluna de ozonização A coluna possui seção transversal quadrada de 0,19 m de lado e 2,00 m de altura, com faces transparentes que possibilitam a visualização das bolhas ascensionais para a utilização do Laser (estudo dos campos de velocidades das bolhas). As bolhas foram geradas através de um difusor de plástico microporoso com poros de 20 μm, 75 mm de diâmetro em sua base e 70 mm de altura, com formato cônico e capacidade de vazão até 3,0 m 3 /h. O equipamento gerador de ozônio utilizado produz no máximo 3,0 g O 3 /h, na porcentagem de produção de ozônio máxima de 100% e vazão de ozônio aplicada de 300 L/h (5 L/min) em 5 minutos de contato entre as bolhas de ozônio e o meio líquido. Laser: O método de Velocimetria a Laser por Processamento de Imagens (VLPI) ou método PIV (Particle Image Velocimetry) é utilizado na obtenção das imagens para determinação dos campos de velocidade instantâneos em um campo bi-dimensional do escoamento. O princípio de

3 funcionamento do método de Velocimetria a Laser por Processamento de Imagens (VLPI) consta de um feixe de luz laser que ilumina quaisquer partículas suspensas no escoamento que passam pelo campo bi-dimensional do feixe. O feixe de luz laser ilumina todas as bolhas ascensionais que passam pelo feixe. As bolhas ascensionais iluminadas são registradas através de uma câmera CCD. As imagens instantâneas registradas pela câmera CCD são processadas em um programa computacional, objetivando determinar os campos de velocidades instantâneos. Neste caso, a câmera CCD conseguiu obter 15 imagens (frames) por segundo. A vantagem principal da utilização do método de Velocimetria a Laser por Processamento de Imagens (VLPI) na determinação dos campos de velocidade instantâneos é que se trata de um método não-intrusivo, não atrapalhando o escoamento normal das bolhas (Lima, 2003). Os componentes do conjunto Laser necessários são: - Fonte de Laser: A única finalidade da luz de laser na determinação dos campos de velocidade instantâneo é de iluminar uma seção bi-dimensional de interesse, possibilitando ótima visualização das bolhas ascensionais. Para a visualização podem ser utilizados lasers pulsantes ou contínuos. Os lasers pulsantes fornecem grande potência de iluminação em cada pulso, tendo, portanto, maior preferência. Já os contínuos fornecem potência menor de iluminação para visualização dos escoamentos, pois a potência fornecida para a iluminação do escoamento é igual à média, nos intervalos de tempo requeridos para as exposições. Para este artigo foi utilizado um laser de vapor de cobre, com alta taxa de repetição de pulsos de iluminação. Este laser oferece pulsos de iluminação de alta potência, que propicia uma folha de luz de alta densidade (W/m 2 ). As potências médias na saída do feixe estão entre 10 e 20 W, com uma taxa de repetição de pulsos de 10 khz, com duração do pulso entre 20 e 60 ns. O laser é emitido em dois comprimentos de onda que são: verde (510,6 nm) e amarelo (578,2 nm). Para a emissão de luz laser em uma potência de 24 W (um pouco acima da potência média nominal), 1/3 da emissão de luz laser ocorre no comprimento de onda de cor amarela e 2/3 no comprimento de onda de cor verde. A limpeza no interior do tubo Laser é realizada através do gás Neon (grau de pureza de 99,99%). A circulação do gás néon dentro do tubo laser é garantida por bomba de vácuo. - Refrigerador: Existem dois refrigeradores externos usados no controle da temperatura do tubo de laser. A temperatura do tubo do laser pode chegar a aproximadamente 1400ºC, que provoca a vaporização do cobre. Existe um refrigerador auxiliar que possibilita manter a temperatura nos dois refrigeradores externos em aproximadamente 17ºC, otimizando o funcionamento do conjunto laser. - Bloqueador-atenuador e conversor de feixe: Na saída da geração do feixe de laser há um bloqueador e um atenuador do feixe do laser, que podem ser manuseados manualmente ou por um mecanismo de controle. Quando o bloqueador está em funcionamento, não há transmissão da luz laser. Com o atenuador, a potência de saída do laser é diminuída em 90%. O conversor de feixe tem a finalidade de introduzir o feixe na fibra ótica, a qual conduz a luz ao longo de grandes distâncias. Dificuldades operacionais existem, como a necessidade de alinhamento do feixe de luz antes da introdução na fibra ótica, para que haja a máxima potência disponível. Contudo, um desvio do ponto focal pode implicar em "queima" da ponta da fibra, ou seja, escurecimento e impedimento da passagem normal da luz. - Fibra Ótica: A finalidade da fibra ótica é transportar o feixe de luz laser a grandes distâncias. O diâmetro interno da fibra ótica é de 1,0 mm. Devido ao problema de conversão da luz, o uso da fibra ótica implica em perda inevitável de potência de iluminação. Com uma fibra de 15,0 m há perda de 30% da potência de iluminação. Mas, mesmo com a perda de potência de iluminação, aprova-se a utilização da fibra ótica devido à flexibilidade de deslocamento do feixe de luz laser.

4 - Fibresheet: Trata-se de um conjunto de lentes convergentes e divergentes, que tem a finalidade de gerar um plano de luz. O fibresheet é conectado no final do cabo da fibra ótica. A espessura da folha de Luz Laser é de aproximadamente 4 mm, com um ângulo de abertura de 28 o, de acordo com a Figura 1. Figura 1. Plano de luz lazer iluminando bolhas ascensionais de ozônio. - Câmera CCD: A câmera CCD (Charge Coupled Device) utilizada neste trabalho possui resolução de 1024 x 1024 pixels. Tem a finalidade de captar as imagens na área selecionada do escoamento iluminada pelo laser e armazenar em micro-computador. O ângulo formado entre o plano de luz laser e o eixo longitudinal da objetiva da câmera deve ser o mais próximo possível de 90 o, a fim de que os campos de velocidades obtidos através de imagens sucessivas tenham uma representação real. Câmeras utilizadas para obtenção de imagens sucessivas devem permitir a visualização de deslocamentos sucessivos de bolhas, através de grande número de exposições por segundo, a fim de que possam ser determinados adequadamente os campos de velocidade bidimensionais. A câmera utilizada neste trabalho tem capacidade de obter 15 imagens (frames) por segundo. Na calibração da câmera, uma régua graduada em centímetros colocada no plano da folha de luz, permite ao programa utilizado transformar a informação de centímetros para número de pixels. Já existem trabalhos sendo feitos para determinar o campo de velocidades em grandes áreas. Cita-se Fujita (1996, apud BARBOSA, 1998), o qual estudou propagação de cheias e vertedouros em áreas de 4 a 45 m 2. Como em grandes áreas de estudo costuma-se ter velocidades do escoamento menores (em experimentos de bancada), a iluminação do escoamento costuma ser feita através da fonte de luz laser contínua. - Processamento das imagens: As imagens obtidas através da câmera CCD são trabalhadas em micro, dentro do programa VISIFLOW, objetivando a determinação dos campos de velocidades ascensionais das bolhas. O programa VISIFLOW, instalado em ambiente Windows, possibilita escolher o algoritmo de análise das imagens, que pode ser de auto-correlação, de correlação cruzada e de rastreamento de partículas. Permite também a interpolação dos campos de velocidade incompletos, a binarização das imagens, abrir as opções da câmera CCD dentro do programa Visiflow, converter de centímetros em pixels a área de estudo, mudar o tom de preto da imagem, visualização da animação dos campos de velocidade, determinação do campo médio, linhas de corrente, vórtices, entre muitos outros recursos. As imagens gravadas são comumente analisadas por correlação e rastreamento de partículas. De forma simples, o rastreamento de partículas acompanha o movimento de partículas isoladas, registrando posições e intervalos de tempo. Contudo, quando o escoamento é turbulento, pode haver a "sobreposição" de partículas, acarretando dificuldades para identificar "qual partícula registrada seguiu qual caminho". Nesse caso, uma análise de todo o campo é necessário, buscando-se a situação mais provável para o escoamento. Como se trata de um processo estatístico, no qual

5 posições são correlacionadas em tempos sucessivos, este método recebeu o nome de Análise de Correlação. Uma imagem bi-dimensional é captada pela câmera CCD, onde bolhas estão presentes. Após um intervalo de tempo muito pequeno, capta-se outra imagem com as mesmas dimensões da primeira imagem. Observa-se novamente, na segunda imagem, a presença das mesmas bolhas contidas na primeira imagem. A única diferença é que, comparando as mesmas bolhas nas duas imagens, houve um pequeno deslocamento. Visto que a dimensão da imagem, em número de pixels, é muito grande, o programa computacional Visiflow possibilita dividir uma imagem em muitas áreas menores, com poucos números de pixels (16 x 16 pixels, 32 x 32 pixels, 64 x 64 pixels, 128 x 128 pixels, etc). Esta divisão da imagem em muitas áreas menores facilita a análise de correlação, tornando-a mais precisa. A velocidade é calculada para cada área menor (poucos números de pixels) usando a velocidade média das bolhas que foram analisadas nessa pequena área, fornecendo um único vetor com módulo e direção definidos. O campo de velocidade instantâneo, para a região de interesse, é determinado pela união de todos os vetores calculados em cada área menor pré-definidas. A correlação de imagens é dividida em auto-correlação e correlação cruzada. Na auto-correlação ocorre a sobreposição da imagem sobre si mesma, necessitando de um único frame. Já na correlação cruzada, ocorre a sobreposição de uma imagem sobre outra imagem, necessitando de número par de imagens (frames). Na auto-correlação são fornecidos o módulo e a direção de cada vetor. Já a correlação cruzada, além de fornecer o módulo e a direção, também fornece o sentido de cada vetor de velocidade. Na utilização da auto-correlação é necessário, dentro do programa VISIFLOW, definir o sentido de cada vetor. É aconselhável definir o sentido de cada vetor apenas quando estiver claro (visualmente) o sentido do escoamento. Neste artigo, o sentido de escoamento médio das partículas (bolhas), obviamente, é sempre ascensional. A qualidade dos campos de velocidade instantâneos dos métodos de correlação e rastreamento de partículas depende da densidade das bolhas dentro da imagem (frame). Caso a densidade das bolhas seja baixa, aconselha-se utilizar o método de rastreamento de bolhas na obtenção dos campos de velocidade. Se a densidade das bolhas for alta, torna-se mais eficaz utilizar o método de correlação, já que ocorre a sobreposição de bolhas dificultando o rastreamento. Experimentos com Laser (VLPI) O meio líquido usado na realização dos experimentos foi água potável. Determinaram-se os campos de velocidades instantâneos ao longo de toda a altura de água na coluna. Foram registradas imagens em 6 alturas: 0,30m, 0,60m, 0,90m, 1,20m, 1,50m e 1,80m. De acordo com a Figura 2, a captação das imagens para a altura 0,30m englobou as seções 1 e 2; para a altura 0,60m, seção 1 até seção 4; para a altura 0,90m, Seção 1 até seção 6; para a altura 1,20m, seção 1 até seção 8; para a altura 1,50m, seção 1 até seção 10; e, finalmente, para a altura 1,80m, seção 1 até seção 12. Em cada seção foram captadas imagem de bolhas ascensionais em 5 posições diferentes, ou seja, o plano de luz laser fixou-se em 5 cortes diferentes. Depois de fixada a altura do nível de água dentro da coluna, focada a câmera CCD na seção de interesse e ajustado o plano de luz laser no corte de interesse (dentro da seção onde a câmera CCD estava focada), obtinha-se imagens sucessivas de bolhas ascensionais para 6 vazões diferentes. As vazões estudadas foram de 50, 100, 150, 200, 250 e 300 L/h. O procedimento completo, passo a passo, desde a ligação do aparelho laser até a determinação final dos campos de velocidade ascensionais das bolhas de ozônio está ilustrado a seguir:

6 Figura 2. Regiões estudadas na obtenção das imagens de bolhas ascensionais. - fixa-se o nível líquido na coluna de ozonização; - foca-se a câmera CCD na seção de interesse, visualizando a imagem focada no monitor do micro; - fixa-se o Fibresheet no corte de interesse (dentro da mesma seção que a câmera CCD está focada); - Depois de fixado o plano de luz laser, procedeu-se a calibração da imagem focada. O princípio da calibração é transformar centímetros em número de pixels dentro da imagem focada. Mergulha-se uma régua graduada em 19 cm x 14 cm na posição exata dentro da coluna, ou seja, na seção de interesse e no corte de interesse. A dimensão de todas as seções foi de 19cm x 14cm; - Capta-se uma única imagem da régua graduada dentro da coluna. Essa imagem foi armazenada no PC. - Depois de armazenada no micro, a imagem era calibrada dentro do programa computacional VISIFLOW. No processo de calibração, o ato de transformar centímetros em número de pixels gerava um número denominado fator de conversão de unidades; - A partir daí, o sistema experimental estava pronto para começar a captar imagens; - Ligava-se o ozonizador (20% de produção de ozônio) e fixava-se a vazão no rotâmetro acoplado junto ao ozonizador; - Depois de fixada a vazão, a câmera CCD começava a captar as imagens (frames). Para cada vazão captaram-se 200 imagens. Através do grande número de imagens consegue-se aproximar o campo de velocidade médio do campo médio real. Neste trabalho, conseguiu-se captar 15 imagens por segundo; - Terminada a captação das imagens, mudava-se a vazão, repetindo novamente a captação das 200 imagens (para a nova vazão);

7 - Captada as imagens para todas as vazões, bloqueava-se o fornecimento da folha de luz laser, desligava-se o ozonizador e esvaziava-se a coluna de ozonização. A captação de imagens para outra seção de interesse e corte de interesse segue todos os passos descritos até aqui; - Estando armazenadas no micro, deste modo, as imagens eram estudadas dentro do programa computacional VISIFLOW, objetivando determinar campos de velocidades instantâneos das bolhas de ozônio; - No programa computacional VISIFLOW, otimizou-se a aparência das imagens, fixando-se tempo de exposição = 0,1272 milisegundos e nível de preto = 0; - Na escolha do método de análise, fixou-se auto-correlação, com regiões quadradas de 64 x 64 pixels e 75% de sobreposição da área. O ajuste foi realizado pelo algoritmo Gaussiano. Dentro da opção parâmetros de escoamento, fixou-se o pulso de separação em 33333,33 micro-segundos. O número de microns por pixel é diferente em cada conjunto seção/posição. Este número deve ser anotado separadamente, quando na realização da calibração da imagem, conforme já foi dito anteriormente (na calibração da imagem); - Depois de fixados todos estes parâmetros, calculavam-se os campos de velocidades instantâneos clicando na opção Análise do Escoamento (flow analyses). Obteve-se 200 campos de velocidades instantâneos em cada conjunto Seção/Corte/Vazão de interesse; - Posteriormente ao cálculo dos campos de velocidades instantâneos foi calculado o campo médio de velocidade para cada conjunto Seção/Corte/Vazão de interesse. RESULTADOS Os campos de velocidades instantâneos para cada conjunto de interesse Altura/Seção/Corte/Vazão foram determinados através do Laser VLPI com o uso do programa computacional VISIFLOW. Nas Figuras 3, 4, 5, 6, 7 e 8 visualizam-se a sobreposição de campo de velocidade instantâneo sobre o seu respectivo frame (imagem), para conjuntos Seção/Corte/Vazão aleatórios. 7.0 mm mm/s a VISIFLOW Figura 3. - Altura de água dentro da coluna de ozonização = 0,30 m; Seção estudada = 1; Corte estudado = 3; Vazão de ozônio aplicado = 300 l/h; Porcentagem de produção do ozonizador = 20%; Distância da câmera CCD até o início da coluna de ozonização = 0,59 m; Dimensões da Imagem obtida pela câmera CCD = 19 x 14 cm (Área = 266 cm 2 ); Dimensões da Imagem no programa VISIFLOW = 448 x 314 pixels; n o. de microns por pixel = 437, ; Tempo de exposição da câmera CCD = 0,1272 ms; Black level = 0; Pulse separation (micro-segundos) = 33333,33; Método de Análise = Auto-Correlação.

8 7.0 mm mm/s b Figura 4. - Altura de água dentro da coluna de ozonização = 0,60 m; Seção estudada = 1; Corte estudado = 3; Vazão de ozônio aplicado = 300 l/h; Porcentagem de produção do ozonizador = 20%; Distância da câmera CCD até o início da coluna de ozonização = 0,59 m; Dimensões da Imagem obtida pela câmera CCD = 19 x 14 cm (Área = 266 cm 2 ); Dimensões da Imagem no programa VISIFLOW = 448 x 314 pixels; N o. de VISIFLOW microns por pixel = 437, ; Tempo de exposição da câmera CCD = 0,1272 ms; Black level = 0; Pulse separation (micro-segundos) = 33333,33; Método de Análise = Auto-Correlação. 6.9 mm mm/s a Figura 5. - Altura de água dentro da coluna de ozonização = 0,90 m; Seção estudada = 5; Corte estudado = 3; Vazão de ozônio aplicado = 200 l/h; Porcentagem de produção do ozonizador = 20%; Distância da câmera CCD até o início da coluna de ozonização = 0,59 m; Dimensões da Imagem obtida pela câmera CCD = 19 x 14 VISIFLOW cm (Área = 266 cm 2 ); Dimensões da Imagem no programa VISIFLOW = 448 x 314 pixels; N o. de microns por pixel = 432, ; Tempo de exposição da câmera CCD = 0,1272 ms; Black level = 0; Pulse separation (micro-segundos) = 33333,33; Método de Análise = Auto-Correlação.

9 7.1 mm mm/s a Figura 6. - Altura de água dentro da coluna de ozonização = 1,20 m; Seção estudada = 3; Corte estudado = 3; Vazão de ozônio aplicado = 50 l/h; Porcentagem de produção do ozonizador = 20%; Distância da câmera CCD até o início da coluna de ozonização = 0,59 m; Dimensões da Imagem obtida pela câmera CCD = 19 x 14 VISIFLOW cm (Área = 266 cm 2 ); Dimensões da Imagem no programa VISIFLOW = 448 x 314 pixels; N o. de microns por pixel = 443, ; Tempo de exposição da câmera CCD = 0,1272 ms; Black level = 0; Pulse separation (micro-segundos) = 33333,33; Método de Análise = Auto-Correlação. 7.5 mm mm/s a Figura 7. - Altura de água dentro da coluna de ozonização = 1,50 m; Seção estudada = 2; Corte estudado = 3; Vazão de ozônio aplicado = 100 l/h; Porcentagem de produção do ozonizador = 20%; Distância da câmera CCD até o início da coluna de ozonização = 0,59 m; Dimensões da Imagem obtida pela câmera CCD = 19 x VISIFLOW 14 cm (Área = 266 cm 2 ); Dimensões da Imagem no programa VISIFLOW = 448 x 314 pixels; N o. de microns por pixel = 467, ; Tempo de exposição da câmera CCD = 0,1272 ms; Black level = 0; Pulse separation (micro-segundos) = 33333,33; Método de Análise = Auto-Correlação.

10 7.5 mm mm/s a Figura 8. - Altura de água dentro da coluna de ozonização = 1,80 m; Seção estudada = 2; Corte estudado = 3; Vazão de ozônio aplicado = 50 l/h; Porcentagem de produção do ozonizador = 20%; Distância da câmera CCD até o início da coluna de ozonização = 0,59 m; Dimensões da Imagem obtida pela câmera CCD = 19 x 14 VISIFLOW cm (Área = 266 cm 2 ); Dimensões da Imagem no programa VISIFLOW = 448 x 314 pixels; N o. de microns por pixel = 467,98029; Tempo de exposição da câmera CCD = 0,1272 ms; Black level = 0; Pulse separation (micro-segundos) = 33333,33; Método de Análise = Auto-Correlação. Após determinados os 200 campos de velocidades instantâneos para cada conjunto de interesse Altura/Seção/Corte/Vazão, o programa computacional VISIFLOW determinou, para cada conjunto de interesse (para 200 campos instantâneos), um único campo médio de velocidade ascensional das bolhas de ozônio. Neste único campo médio, com configuração similar aos 200 campos de velocidades instantâneos, existem 400 vetores individuais de velocidade. Cada vetor individual abrange uma região quadrada de 64 x 64 pixels. Um vetor individual da posição x,y do campo médio é a média resultante dos 200 vetores da posição x,y dos 200 campos de velocidades instantâneos. O valor desejado da velocidade ascensional das bolhas de ozônio a ser introduzido em equações tradicionais da literatura na determinação do coeficiente de transferência de massa gás-líquido vem do campo médio de velocidade obtido em cada conjunto de interesse Altura/Seção/Corte/Vazão. A Figura 9 mostra um campo médio de velocidade obtido neste trabalho para a altura de água dentro da coluna de ozonização de 1,50 m. A posição do conjunto de lentes convergentes e divergentes na determinação do campo médio de velocidade da Figura 9 foi Seção 1/Corte 3 e com vazão de 250 L/h.

11 Figura 9. Campo médio de velocidade ascensional de bolhas de ozônio. (h = 1,50m, Seção 1, Corte 3, Q = 250 L/h). De acordo com as configurações do programa computacional VISIFLOW, as cores dos vetores individuais significam que: - Vetores vermelhos: são os vetores resultantes da região onde não havia bolhas de ozônio presentes, portanto, região onde não houve interpolações das bolhas. São considerados vetores inválidos; - Vetores azuis: são os vetores resultantes da região onde houve limitada presença de bolhas de ozônio. São vetores aceitáveis, pois as bolhas situadas nesta região sofreram interpolações; - Vetores verdes: vetores resultantes da região onde houve grande presença de bolhas de ozônio. São vetores considerados ótimos, pois todas as bolhas situadas nesta região sofreram interpolações. Na Figura 9, o valor de 151,3 mm/s mostrado representa o valor médio de todos os vetores individuais presentes. Este valor, em tese, seria o valor utilizado nas equações tradicionais da literatura para determinação do coeficiente de transferência de massa gás-líquido. Neste artigo, cometer-se-ia um erro significativo caso utilizasse este valor médio para representar a média real dos vetores individuais das bolhas de ozônio, pois como já explicado anteriormente, os vetores vermelhos são inválidos (ausência de bolhas). Portanto, a determinação correta do vetor médio real foi feita através da média dos vetores azuis e verdes. O procedimento de determinação da média dos vetores azuis e verdes foi: após determinado o campo médio de velocidade para cada conjunto de interesse Altura/Seção/corte/Vazão, exportouse para o EXCEL apenas os valores dos vetores azuis e verdes. Finalmente, dentro do programa EXCEL, determinou-se a média dos vetores azuis e verdes (valor utilizado nas equações tradicionais da literatura para determinação do coeficiente de transferência de massa gás-líquido). É preciso enfatizar que eventuais questionamentos sobre a determinação dos campos médios de velocidade ascensional de bolhas de ozônio podem ser feitos, porém a experiência acumulada por parte dos pesquisadores e alunos de pós-graduação do Laboratório de Hidráulica Ambiental do CRHEA-EESC/USP, permite conferir credibilidade ao programa VISIFLOW.

12 Os resultados das velocidades médias obtidos podem ser analisados de várias maneiras, através da variação de apenas uma variável de cada vez. Sabe-se que as variáveis de interesse são: altura de água dentro da coluna de ozonização, h(m); Seção; Corte; Vazão de ozônio aplicada, Q(L/h). Analisando as velocidades médias obtidas através da metodologia apresentada acima (exclusão dos vetores vermelhos), resulta: - h(constante)/ Seção(constante)/ Corte(constante)/ Q(variável): focando a análise do comportamento da velocidade ascensional média das bolhas de ozônio apenas na variação da vazão de ozônio aplicada dentro da coluna de ozonização, pôde-se observar que a velocidade média das bolhas de ozônio aumenta com o aumento da vazão de ozônio aplicada. Esta constatação é esperada. Através da Figura 10 é possível observar o comportamento geral das bolhas ascensionais, dentro de uma mesma ordem de grandeza. Figura 10. Velocidade média das bolhas de ozônio (m/s) em função da vazão de ozônio aplicada (L/h). (h = 1,80m / Seção 3 / Corte 3) - h(constante)/ Seção(constante)/ Corte(variável)/ Q(constante): analisando o comportamento da velocidade média das bolhas apenas para a variação do Corte, constatou-se que o valor da velocidade média alcança o pico sempre no Corte 3 (corte central). A partir do corte central, o valor da velocidade média diminui até encontrar seu valor mínimo nos cortes junto às paredes da coluna de ozonização. Tais constatações são observadas através da Figura 11. Figura 11. Velocidade média das bolhas de ozônio (m/s) em função dos Cortes, para as vazões de ozônio aplicada de 250 L/h e 300 L/h. (Seção 8). De acordo com a Figura 11, o motivo que levou a velocidade média das bolhas ter o pico no corte 3 (corte central) foram as coalescências ocorridas nesta região central. Com a ocorrência da

13 coalescência o tamanho das bolhas aumenta. Sabe-se que com o aumento do tamanho das bolhas de ozônio, aumenta-se também a velocidade ascensional das bolhas de ozônio. Por outro lado, havendo escoamento preferencial para cima no centro da coluna, há evidentemente maior arraste de água para cima. Como a conservação de massa deve ser verificada, deve haver escoamento de água em contracorrente em regiões mais afastadas do centro da coluna, o que implica em maior resistência ao movimento das bolhas e, conseqüentemente no retardo de seu movimento ascensional. - h(constante)/ Seção(variável)/ Corte(constante)/ Q(constante): Neste caso analisou-se o comportamento da velocidade média das bolhas apenas com a variação da Seção de interesse. A Figura 12 mostra o comportamento da velocidade média das bolhas de ozônio para a altura de água dentro da coluna de ozonização em 1,80m e Corte 3. Figura Velocidade média das bolhas de ozônio (m/s) em função das Seções, para todas as vazões de ozônio estudadas. (Corte 3) Como pode ser observado na Figura 12, existem comportamentos regionais parecidos para todas as vazões de ozônio estudadas. Na Seção 1 (logo da saída do difusor) a velocidade média das bolhas é menor, para uma mesma vazão, em função da maior resistência da pressão de coluna de água encontrada. Já na Seção 2, a velocidade média das bolhas é maior do que na Seção 1, para uma mesma vazão estudada, em função da significativa ocorrência de coalescência nesta região e, também, em função da menor pressão da coluna de água nesta Seção. Para as seções seguintes, mediante a aproximação da constância dos valores da velocidade média para uma mesma vazão, considera-se que não houve influência da coalescência e influência da pressão da coluna de água sobre o valor da velocidade média. Também na Figura 12 pode ser observado que para a mesma seção, a velocidade média das bolhas aumenta com o aumento da vazão de ozônio aplicada (constatação já apresentada anteriormente). - h(variável)/ Seção(constante)/ Corte(constante)/ Q(constante): finalizando, foi estudado o comportamento da velocidade média das bolhas de ozônio variando a altura de água dentro da coluna de ozonização. A Figura 13 mostra o comportamento das bolhas ascensionais em posições e vazões diversas dentro da coluna. Mediante uma visualização global verifica-se que para um mesmo conjunto de interesse Seção/Corte/Vazão observa-se que a velocidade média das bolhas de ozônio não tem uma tendência preferencial definida. Constata-se que não houve interferência significativa da pressão de coluna de água sobre a velocidade média das bolhas.

14 Caso houvesse a interferência significativa da pressão de coluna de água, teriam gráficos decrescentes, ou seja, para um mesmo conjunto de interesse Seção/Corte/Vazão a velocidade média das bolhas decresceria com o aumento da altura de água dentro da coluna de ozonização. Figura Velocidade média das bolhas de ozônio (m/s) em função das alturas de água dentro da coluna de ozonização estudadas, em conjuntos de interesse Seção/Corte/Vazão diversos. CONCLUSÕES Através da VLPI (Velocimetria a Laser por Processamento de Imagens) e o uso do programa Visiflow foi possível constatar que os resultados obtidos são coerentes com a realidade. Também, algumas conclusões importantes foram obtidas, a saber: - As bolhas ascensionais, em todas as seções, não preencheram toda a seção transversal da coluna de ozonização. Para a Seção 1, existiam bolhas apenas no Corte 3 (corte central). Para todas as outras seções dificilmente existiam bolhas ascensionais no Corte 1 e Corte 5 (cortes situados junto às paredes da coluna), principalmente para vazões baixas (50 L/h, 100 L/h e 150 L/h), como pode ser visualizado na Figura 14; - Acredita-se que existiram alguns equívocos na obtenção de valores de velocidade média, principalmente no Corte 5. No ato da captação das imagens através da câmera CCD, quando não haviam bolhas ascensionais iluminadas pelo feixe de luz laser no Corte1, pressupunha-se que também não existiriam bolhas ascensionais iluminadas no Corte 5. Frequentemente, bolhas de ozônio ascensionais foram erroneamente visualizadas no Corte 5, para as mais diversas Seções estudadas. Na realidade, as bolhas que eram visualizadas no Corte 5 pertenciam a outras seções. Para que a câmera conseguisse captar as imagens reais do Corte 5, necessitava-se eliminar a interferência das bolhas contidas nos Corte 1 até Corte 4. Existiu esta significativa interferência em função de uma pequena parcela da luz de laser que refletia sobre as bolhas ascensionais iluminando toda a Seção estudada. Tal iluminação da Seção, ao invés de captar imagens confiáveis do Corte 5, ocasionalmente obtinha imagens dos Cortes precedentes. Tal problema não foi observado na obtenção das velocidades médias nos outros Cortes (Corte 1 até Corte 4). Tendo em vista as conclusões obtidas na determinação dos campos de velocidade de ozônio, recomenda-se:

15 - Usando o difusor microporoso aqui descrito, para a otimização de transferência de massa de ozônio para o meio-líquido, recomenda-se diminuir a seção transversal da coluna de ozonização. Ou, sem alterar a seção transversal, pode-se substituir o difusor microporoso. O novo difusor microporoso adquirido deve proporcionar os mesmos tamanhos de bolhas, além de ter uma seção transversal maior, possibilitando uma maior distribuição das bolhas dentro da coluna; - Para uma confiável obtenção das imagens no Corte 5 recomenda-se posicionar a câmera CCD do outro lado da coluna de ozonização, ficando de frente para o Corte 5; REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Barbosa. A.A. (1998). Correntes de densidade em reservatórios. 272 p. Tese (Doutorado em Hidráulica e Saneamento) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. Chiang, P.C, et. al. (1999). Modeling an ozone bubble column for predicting its disinfection efficiency and control of DBP formation. Chemosphere, Oxsford, v. 39, n. 1, p Inoue, M.R. (2001). Caracterização hidrodinâmica de colunas de ozonização operando em regime de escoamento em contra-corrente p. Dissertação (Mestrado em Hidráulica) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo. Jakubowski, C.A.; Atkinson, B.W.; Dennis, P.; Evans, G.M. (2003). Ozone mass transfer in a confined plunging liquid jet contactor. Ozone Science and Engineering, v. 25, n. 1, p. 1-12, february. Le Sauze, N.; Laplanche, A.; Martin, N.; Martin, G. (1993). Modelling of ozone transfer in a bubble column. Water Research. v. 27, n. 6, p Lima, A.C.M. (2003). Caracterização da estrutura turbulenta em escoamentos aerados em canal de forte declividade com auxílio de técnicas de velocimetria a laser p. Tese (Doutorado em Hidráulica e Saneamento) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. Mitani, M.M.; Keller, A.A.; Sandall, O.C.; Rinker, R.G. (2005). Mass Transfer of Ozone using a microporous diffuser reactor system. Ozone Science and Engineering, v. 27, p , february. Salla, M. R. (2002). Bases hidrodinâmicas para processos de transferência de gases em colunas com difusores p. Dissertação (Mestrado em Hidráulica e Saneamento) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. Schulz, H.E. (1989). Investigação do mecanismo de reoxigenação da água em escoamento e sua correlação com o nível de turbulência junto à superfície p. v2. Tese (Doutorado em Hidráulica e Saneamento) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. Zhou, H.; Smith, D.W.; Stanley, S.J. (1994). Modeling of dissolved ozone concentration profiles in bubble columns. Journal of Environmental Engineering, v.120, n.4, p , july/august.