ESTUDO DA GEOMETRIA DO DISTRIBUIDOR DE CAUDAL

Inicialmente, a ideia era construir um distribuidor para o caudal com geometria cónica com o intuito de facilitar a condução do ar aos tubos dispostos na tampa superior do mesmo. Porém, logo de inicio, se achou que seria necessário alguma forma geométrica para encaminhar melhor o ar, garantindo uma divisão mais uniforme do caudal por cada tubo. Surgiu então a ideia, baseada nas turbinas de aviões, de inserir um cone no interior do distribuidor. Realizou- se então uma simulação inicial desta estrutura com as condições de fronteira indicadas na tabela 5.

Tabela 5: Condições de fronteira iniciais para a análise computacional do distribuidor de caudal.

Condição de fronteira de entrada Condição de fronteira de saída

caudal constante de 0.05 [m3/s] pressão estática de 101325 [Pa]

perfil de velocidade uniforme temperatura de 293.5 [K]

20% de turbulência

Na condição de fronteira de entrada considerou-se 20% de turbulência, como sendo uma estimativa razoável da turbulência que seria realmente gerada por um ventilador a insuflar ar para o interior do túnel. A figura 32 mostra a condição de fronteira que inicialmente foi definida tendo um perfil de velocidade uniforme com velocidades maiores no centro e velocidade zero junto as paredes do distribuidor.

Figura 32: Cut plot do perfil de velocidade na entrada do distribuidor cónico.

Para esta configuração, as linhas de trajectória do caudal são mostradas na figura 33. Observa- se nesta figura uma pequena turbulência junto às paredes do distribuidor.

Figura 33: Linhas de trajectória percorridas pelo ar no interior do distribuidor cónico.

Na figura 34 pode-se analisar os perfis de velocidade do ar obtidos na saída do distribuidor cónico.

Figura 34: Cut plot dos perfis de velocidade do ar na saída do distribuidor cónico.

Verifica-se pela figura 34 que os perfis de velocidade não são exactamente iguais, por conseguinte o caudal também não é o mesmo em cada tubo.

Realizou-se também uma simulação para o distribuidor cónico, utilizando como condição de fronteira de entrada um perfil de velocidade com “swirl”, ou seja, um perfil de velocidade com velocidade angular gerada pelas pás de um ventilador. Se utilizou para a velocidade de

rotação deste perfil a máxima velocidade angular fornecida pelo catálogo do ventilador radial escolhido (ver Anexo D) que corresponde a 1230 R.P.M, ou seja, 128.8 rad/s. Esta rotação foi definida apenas para teste e só é atingida pelo ventilador para o máximo caudal de ar que o

mesmo consegue fornecer, que corresponde a 0.2 m3/s, que equivale a quatro vezes mais o

caudal do projecto.

Esta velocidade de rotação mais elevada foi testada por acreditar que se nesta condição extrema, se o distribuidor conseguisse gerar uma distribuição mais ou menos equilibrada do caudal pelos tubos inseridos na tampa superior, seria um bom indicio de que na prática o funcionamento desta peça também seria satisfatório. Na figura 35 pode-se analisar as linhas de trajectórias no interior do distribuidor cónico para o perfil de velocidade com rotação.

Figura 35: Linhas de trajectória percorridas pelo ar no interior do distribuidor cónico considerando como condição de fronteira na entrada 128.8 rad/s de velocidade angular.

Pela figura 35 pode-se verificar uma maior variação da velocidade a saída dos tubos inseridos na tampa superior do distribuidor.

Questionou-se então a relação custo benefício, bem como a dificuldade de construção de uma estrutura cónica do género da planeada para o distribuidor do caudal. Após esta análise, surgiu uma ideia um pouco mais simples, de utilizar um distribuidor cilíndrico, com tubos também inseridos na tampa superior, porém, penetrando para dentro da caixa cilíndrica cerca de duas vezes o seu respectivo diâmetro.

Utilizou-se então as mesmas condições de fronteira definidas inicialmente para o distribuidor

Figura 36: Cut plot dos perfis de velocidade do ar no interior do distribuidor cilíndrico considerando na entrada um perfil de velocidade uniforme.

A ideia do funcionamento deste distribuidor é que o ar, ao entrar na caixa do distribuidor vá chocar contra a tampa superior, se distribuindo por todo o meio. Por conseguinte, como os tubos estão dispostos simetricamente, espera-se que após um certo tempo de estabilização após o ventilador ter sido ligado, necessário para o ar preencher todo o interior do distribuidor, que o caudal que irá entrar nos tubos inseridos na tampa superior seja praticamente o mesmo.

Na figura 37 tem-se a distribuição de pressão estática no interior do distribuidor cilíndrico.

Figura 37: Cut plot (no plano central) da distribuição da pressão estática do ar no interior do distribuidor cilíndrico.

Pode-se verificar pela figura 37 que as maiores pressões estão situadas próximo da tampa superior onde o caudal de ar colide. Observa-se também uma distribuição bem uniforme da pressão do ar no interior do cilindro.

Na figura 38 pode-se analisar um cut plot do perfil de velocidade do ar na saída do

distribuidor cilíndrico. Assim como no distribuidor cónico, pode-se verificar que há pequenas variações de velocidade de um tubo para o outro, visto que a simulação não contempla o tempo de estabilização, referido anteriormente, necessário para preencher de ar todo o interior do distribuidor.

Figura 38: Cut plot do perfil de velocidade do ar nos tubos na saída do distribuidor cilíndrico.

Tal como se fez uma simulação para o distribuidor cónico utilizando uma condição de fronteira na entrada com o ar a uma data velocidade angular, também se simulou este tipo de condição para o distribuidor cilíndrico. A figura 39 mostra a vista superior das linhas de trajectórias do ar entrando com a velocidade angular de 128.8 rad/s.

Para a definição de uma velocidade angular como condição de fronteira na entrada, o perfil de velocidade passa a ter velocidades menores na porção central e velocidades maiores junto às paredes do distribuidor. A figura 40 mostra o surface plot do perfil de velocidade dos tubos de

saída e cut plot do perfil de velocidade do ar na entrada do distribuidor com velocidade

Figura 40: Surface plot do perfil de velocidade nos tubos na saída do distribuidor e cut plot do perfil de velocidade do ar na entrada, considerando 128.8 rad/s de velocidade angular.

Pode-se verificar pela figura 40 que na saída dos tubos do distribuidor, o valor médio da velocidade, mesmo considerando uma velocidade angular na entrada, permanece em torno de 2.5 m/s.

Foram feitos os cálculos das velocidades e pressões no distribuidor cónico e no distribuidor cilíndrico para as condições de fronteira iniciais (tabela 5) tanto na entrada como na saída. A tabela 6 mostra os valores obtidos.

Tabela 6: Comparativo dos valores calculados de pressão e velocidade na entrada e na saída do distribuidor cónico e do distribuidor cilíndrico.

Distribuidor Cónico Distribuidor Cilíndrico

Entrada Saída Perda de carga [Pa] Entrada Saída Perda de carga [Pa]

Pressure [Pa] 101329 101325 11 101335 101325 18

Velocity [m/s] 4.30 2.55 4.44 2.45

Verifica-se que a perda de carga no distribuidor cilíndrico é maior que no cónico e que consequentemente, as velocidades na saída dos tubos também são menores no distribuidor cilíndrico.

No projecto do túnel de vento optou-se por construir o distribuidor cilíndrico devido a facilidades construtivas e por se acreditar que o ar irá se distribuir melhor no interior do distribuidor cilíndrico antes de sair para os tubos da tampa superior, garantindo assim uma distribuição mais balanceada do caudal por cada tubo. Pode-se verificar na simulação feita com o distribuidor cónico (figura 33) que parte do ar se encaminha logo para alguns tubos da tampa superior. Já no distribuidor cilíndrico, o ar irá chocar inicialmente contra a tampa, gerando uma série de turbulências no interior do distribuidor, para depois escapar pelos tubos inseridos simetricamente na porção marginal da tampa (figura 36).