Análise das perdas de carga em escoamentos de fluídos pseudoplásticos e viscoplásticos

Abstract

Este trabalho compreendeu simulações numéricas de escoamentos de fluidos pseudoplásticos e viscoplásticos através de um duto reto bem como de uma expansão abrupta, ambos axissimétricos, com o objetivo de analisar as perdas de carga, tanto distribuída, no primeiro caso, quanto localizada, por ocasião da expansão, no segundo caso. As simulações foram desenvolvidas por meio da metodologia de Elementos Finitos de Galerkin Mínimos-Quadrados (GLS), com base na modelagem que contou com as equações da continuidade e balanço de quantidade de movimento, acopladas ao modelo constitutivo, para fluidos com propriedades pseudoplásticas e viscoplásticas, de SMD. As perdas de carga distribuídas foram analisadas por meio do coeficiente de atrito de Darcy, f, e as localizadas em função da chamada correção de entrada, C. Ambas apresentaram redução juntamente com a diminuição do expoente de power-law n, de 1 (fluido Newtoniano) até 0,2, caso de maior pseudoplasticidade. No caso de escoamentos viscoplásticos, tanto f quanto C apresentaram aumento com o incremento no número de Bingham, Bn, o qual representa o nível de viscoplasticidade no fluido, ou seja, a quantidade de regiões que não apresentarão escoamento, comportando-se como corpos rígidos. No caso da expansão abrupta, foi ainda analisado o comprimento da recirculação localizada após a expansão, uma forma de dissipação de energia, a qual diminuiu com a redução no valor de n, bem como com o aumento de Bn. Por fim, foram obtidas correlações entre as grandezas de interesse, notavelmente f e C, e parâmetros do fluido ou ainda do escoamento, n ou Bn, permitindo o cálculo das perdas de carga com base nestes.

This work comprehended numerical simulations for pseudoplastic and viscoplastic fluid flows through an axissimetric duct and also abrupt expansion. The objective was analyzing its pressure losses, both distributed and local, due to the expansion. The simulations has been developed through the Galerkin Least-Squares (GLS) Finite Element methodology, based in a model considering mass and momentum balance equations coupled to the SMD model, able to describe both pseudoplastic and viscoplastic fluids behavior. Distributed pressure losses has been analyzed through Darcy friction coefficient, f, and the local ones through the called entrance correction, C. Both showed reduction with reduction of the power-law index, n, from 1 (Newtonian fluid) to 0.2, most pseudoplastic situation. For viscoplastic flows, both f and C showed growth with increasing of the Bingham number, Bn, which represents the level of viscoplasticity of the fluid, or amount of regions not flowing (with rigid-like behavior). In the abrupt expansion case, has been also analyzed the length of recirculation after the expansion, an energy dissipation mechanism, which decreased with n reduction such as with Bn increasing. Finally, correlations between f and C with n and Bn has been obtained, allowing calculation of pressure losses.