Zona de vórtice

O nome desta zona faz referência ao vórtice formado pela introdução de uma componente tangencial no escoamento médio. A esta componente tangencial está associado um momento angular em torno do eixo de simetria. O per- fil radial deste momento angular afeta sensivelmente os termos de produção, de dissipação e de redistribuição das equações de transporte das tensões de Reynolds e da taxa de dissipação da energia cinética turbulenta. Apesar dos mecanismos através dos quais estes termos são afetados não serem conhe- cidos, o comportamento líquido da energia cinética turbulenta nas seguintes zonas é conhecido.

Zona de vórtice forçado (V F) A zonaV F é caracterizada por perfis de mo- mento angular em torno do eixo axial crescentes com a direção radial. Esta característica é responsável pela diminuição da energia cinética turbulenta po- dendo, inclusive, levar à relaminarização.

Zona de vórtice livre (V L) A zona V L é caracterizada por perfis de mo- mento angular em torno do eixo axial decrescentes com a direção radial. Esta característica é responsável por um aumento da energia cinética turbulenta.

Além dos gradientes radiais de momento angular existentes nestas zonas, o fato de existirem componentes tangenciais implica curvaturas de linhas de corrente que também afetam os termos de produção, de dissipação e de re- distribuição das equações de transporte das tensões de Reynolds e da taxa de dissipação da energia cinética turbulenta. As zonasV F eV L sobrepõe-se sobre as demais zonas do escoamento.

1.3 Objetivos 23

1.3

Objetivos

O principal objetivo desta tese é avaliar os efeitos inerciais e de pressão do es- coamento médio sobre o próprio escoamento médio de jatos axiais em dutos (JAD), vide Figura1.6.

Os escoamentos turbulentos de jatos confinados considerados no presente trabalho são isotérmicos, incompressíveis e compostos por fluidos simples.

Os efeitos de pressão são mais pronunciados nas zonas de expansão (EX P). No entanto, a descrição dos tipos de escoamentos apresentada na seção 1.2.2mostra que esta zona está acoplada com as zonas de recirculação (REP

e REN). As zonas de recirculação são influenciadas pelos efeitos de curva- tura da linha de corrente. Portanto, o isolamento dos efeitos de pressão só é possível se os casos estudados limitarem-se à condição imediatamente antes da formação das regiões de recirculação. Portanto, a presente tese limita-se a esta região.

Além do objetivo principal, a presente tese possui os seguintes objetivos inter- mediários.

1. Levantar na literatura

• os parâmetros adimensionais que caracterizam os jatos bi-dimensionais confinados; e

• os dados experimentais disponíveis para este tipo de escoamento. 2. Analisar os efeitos físicos considerados pelos parâmetros adimensionais

usados na literatura.

3. Desenvolver parâmetros adimensionais que separem os efeitos inerciais dos de pressão.

4. Desenvolver regras de escalonamento para as propriedades do escoa- mento médio de jatos confinados por meio de análise integral e adimen- sional.

5. Avaliar a abrangência das condições operacionais dos dados de litera- tura disponíveis por meio da análise integral e adimensional desenvol-

vida, e em função desta definir as condições experimentais a serem ca- racterizadas em experimentos próprios.

6. Projetar e construir um túnel de vento axi-simétrico para estudo de jatos confinados em dutos.

7. Desenvolver os procedimentos experimentais de caracterização do es- coamento do túnel de vento axi-simétrico da presente tese.

8. Caracterizar experimentalmente o escoamento do túnel de vento em di- versas condições operacionais.

9. Validar as regras de escalonamento desenvolvidas por meio da aplica- ção destas aos dados de literatura disponíveis. Ou seja, verificar se as regras de escalonamento indicam existência de similaridades.

10. Avaliar a qualidade dos dados experimentais de literatura e próprios por meio da aplicação das regras de escalonamento desenvolvidas.

11. Apresentar correlações para os dados experimentais analisados.

O gradiente de pressão média não tem influência direta sobre a turbulência de acordo com as equações de transporte de k,ε eu′_iu′_j. O gradiente de pressão médio deforma o campo de velocidade média e esta deformação modifica a turbulência.

Os escoamentos estudados na presente tese recebem a seguinte classifica- ção adicional.

Gradiente de pressão reduzido: são os escoamentos nos quais os efeitos de pressão são pequenos em relação aos efeitos inerciais. Portanto, a turbulência é influenciada apenas por termos inerciais, e vice-versa. Gradiente de pressão elevado: são os escoamentos nos quais os efeitos de

pressão são comparáveis aos efeitos inerciais. Portanto, a turbulência é influenciada por termos inerciais e os termos inerciais são influenciados pela turbulência e pelo gradiente de pressão média.

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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O objetivo da presente seção é apresentar o levantamento feito na literatura sobre

• os parâmetros adimensionais que caracterizam os jatos bi-dimensionais confinados; e

• os dados experimentais disponíveis para este tipo de escoamento.

O primeiro passo de uma metodologia de ajuste de modelos integrais e/ou di- ferenciais para jatos confinados é a definição de um conjunto de parâmetros independentes que caracterizam o escoamento. A definição destes parâme- tros envolve a identificação dos fenômenos dominantes e a sua organização na forma de parâmetros e variáveis adimensionais.

Na literatura referente à combustão industrial, os parâmetros adimensionais dos jatos confinados foram desenvolvidos para lidar com dois tipos de proble- mas: escalonamento (“scale-up” ou “scale-down”) de equipamentos; e deter- minação do perfil de reação das chamas por meio de analogias entre escoa- mentos isotérmicos e reativos (SOUSA; ARIMA,1998).

A presente seção apresenta os seguintes parâmetros adimensionais:

• Thring e Newby(1952);

• Curtet(1958); e

Estes parâmetros foram desenvolvidos para caracterizar os jatos confinados. A presente tese classifica estes parâmetros como clássicos. A apresentação dos parâmetros clássicos feita na presente seção tem como objetivo mostrar a linha de desenvolvimento dos respectivos autores de cada parâmetro. Por- tanto, muitas das passagens intermediárias do desenvolvimento destes parâ- metros serão remetidas aos trabalhos originais.

A presente seção apresenta também as seguintes informações.

• Correções e correlações semi-empíricas em função dos parâmetros adi- mensionais clássicos para jatos confinados, seção2.4.

• Estudos paramétricos sobre jatos confinados:

– para as características globais do escoamento, seção2.5.1; e

– para os perfis das variáveis que caracterizam o escoamento, seção 2.5.2.

• Conclusões da revisão bibliográfica, seção2.6.

A nomenclatura utilizada nesta seção segue a utilizada pelos respectivos tra- balhos referenciados na revisão bibliográfica. Esta nomenclatura não é apre- sentada na lista de nomenclatura da tese. Desta forma, evita-se confusões com o redesenvolvimento unificado feito na seção 3da presente tese.