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COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Nº 173946
Novos caminhos em mecânica dos fluídos Marcos Tadeu Pereira Nilson Massami Taira Daniel Maziero Nehring
Palestra apresentada no evento Novos Caminhos em Mecânica dps Fluídos, aos engenheiros da SABESP, Sãio Paulo, SP2015.
A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT
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www.ipt.br
Novos caminhos em mecânica dos fluidos.
Marcos Tadeu Pereira
Nilson Massami Taira
Daniel Maziero Nehring
Novos caminhos em mecânica dos fluidos.
Uma abordagem sobre possibilidades que serão exploradas
nos próximos anos
Novos caminhos em mecânica dos fluidos. Esta apresentação está dividida em três partes: 1) Novos paradigmas em mecânica dos fluidos, eficiência energética e aplicações (40 min.) 2) Revisão de conceitos em incerteza em medição de vazão (40 min.) 3) Pitotmetria com perfis de velocidade deformados – novas abordagens (20 a 30 min.)
Os escoamentos precisam ser resolvidos com
engenharia, não é um “jogo de encaixar” tubos,
conexões, bombas e outros dispositivos.
“Cientistas descobrem o mundo que existe;
engenheiros criam o mundo que nunca existiu.”
Dada a extrema dificuldade das equações da
mecânica dos fluidos, os engenheiros a resolveram
(como sempre) no campo prático.
Entender melhor os escoamentos faz uma enorme
diferença como se verá nos casos descritos em seguida e
será muito mais exigido dos engenheiros no futuro.
Caso 1. Sistemas de bombeamento.
Se o sistema de bombeamento for projetado:
• como um “jogo de encaixar”,
• sem balizar o projeto pela eficiência energética
da instalação e pela análise do ciclo de vida da
instalação,
100% de certeza de falha do projeto, em
funcionalidade e custo do ciclo de vida da instalação.
realidade
mas aí está o problema, o sistema funciona!
entrega vazão e pressão desejadas, mas:
• eficiência energética reduzida;
• maiores gastos com manutenção.
100% de certeza de falha do projeto, em
funcionalidade e custo do ciclo de vida da instalação.
Mantra dos gerentes de plantas: não parar a produção!
A planta irá funcionar assim toda a vida útil (20 anos?)
Prática: substituir bomba
por qquer outra do
almoxarifado e aí vira
permanente. Ƞ < 30%.
Corolário de problemas:
• despesa muito maior com energia
• despesas de manutenção muito agravadas
• Custo de Ciclo de Vida elevado
mas escoamento estará resolvido para a produção.
• economia de energia em sistemas de bombeamento
pode ser muito maior que em qualquer outro setor,
• e é maior que energias “alternativas” possíveis.
(Stone)
PNEf setor de saneamento brasileiro pode
economizar 45%, (~1,2% do consumo total)
90% disso é consumido por sistemas de
bombeamento de água, esgoto e ar.
Os problemas da mecflu são muito “permissivos”: há um grau de tolerância absurdamente alto para problemas de escoamento.
Qualquer coisa çerve
Não se projeta o escoamento, usa-se o “jogo de
encaixar”.
Hunt: “...muitas decisões de projeto... são tomadas
por engenheiros, cientistas, empreendedores ou
planejadores cujo entendimento geral do
escoamento de fluidos é muito limitado.”
Muitos projetos de sistemas de movimentação de
fluidos podem ter erros, como os que foram
mencionados.
A origem destes erros pode muito bem estar na
distância entre o conhecimento mais profundo
da ciência/técnica da mecflu, e a forma de solução
encontrada pelos projetistas: o “jogo de encaixar”.
Hunt:
“...há um perigo de que quando cálculos são feitos
eles podem ser pouco mais que cosméticos, isso
se não forem francamente enganadores;
...muitos... desacreditam qualquer estimativa obtida
sem cálculos computacionais extensivos, não
importa quão não confiáveis sejam as bases de
tais cálculos.”
Hunt aborda um ponto muito interessante: atualmente há
muitos softwares que oferecem cálculos, soluções e
projetos em assuntos ligados ao escoamento de fluidos
nas mais diversas situações, e muitos confiam cegamente
nestes resultados.
Teorema do SISO (Shit In, Shit Out).
Mas nada substitui o ato de pensar e projetar o
escoamento, com o apoio posterior do melhor software
para acelerar e multiplicar soluções.
Temos um problema de projeto de engenharia,
na mecânica dos fluidos.
Grande problema.
Hunt: “Muito frequentemente...no projeto de dispositivos...
como válvulas, filtros, tubulações, as tabelas não fornecem a
informação requerida para um tipo particular de
escoamento...
Então o projetista, por conjecturas, e possivelmente apoiado
por visualização do escoamento, tem que extrapolar a partir
de tabelas, que podem levar a cálculos enganosos, como
tenho visto!”
Hunt merece um altar com flores.
Ex.: O cálculo de perda de carga em tubulações
Darcy-Weisbach: ℎ𝑓 = 𝑓𝑙
𝐷
𝑉2
2𝑔
𝑓 levantado a partir de um único conjunto de experimentos,
Nikuradse (1932), com von Kármàn e Prandtl.
Colebrook e White em 1939 e Rouse (Moody) em 1944:
1
𝑓= −2𝑙𝑜𝑔10
𝑘
3,7𝐷+
2,51
𝑅𝑒 𝑓
A equação de Colebrook parte de uma incerteza de 15%
Perdas singulares chegam a incertezas de 250%.
Os dados (de 1932!) de Nikuradse:
• revisão em 1960, Bureau of Reclamation
• revisão em 1996, Princeton e de Oregon,
resultados criticados
Usamos resultados de 1930 na Alemanha
(realizados com tubos da época, e com areia
simulando rugosidade).
Melhor explicação:
Barenblatt, em seu livro de 2003, “Scaling”:
“Prandtl 1930: “... Devido à fórmula de Kármàn, esforços
adicionais nesta direção se tornaram desnecessários.
As fórmulas estão em tão boa concordância com os
experimentos de Nikuradse em tubos...que completa
confiança pode ser colocada nelas para sua aplicação em
números de Reynolds arbitrariamente elevados...”
“...Prandtl era o Big Boss. Isto explica pelo menos
parcialmente porque em mais ou menos 70 anos (o livro de
Barenblatt é de 2003) os experimentos de Nikuradse de
1932 nunca foram estendidos a números de Reynolds
maiores. Mais ainda, a cultura destes experimentos, de
fato muito sutis, decaiu e até certo ponto foi perdida.”
Prandtl afirmou que nada mais era necessário após o
trabalho de von Kármàn. Cometeu aqui um erro.
Resolveu uma questão séria com uma “carteirada”.
Isto infelizmente atrapalhou muitos estudos, e repercute até
hoje:
• engenheiros assumiram que o cálculo de perda de
carga em dutos está resolvido
• hoje se sabe que estes resultados estão
superdimensionados
• E levam logicamente a seleção de bombas também
superdimensionadas.
Isto deve ser compreendido pelos engenheiros:
muitos projetos e instalações foram feitos sem
conhecimento de escoamentos, ou no mínimo com
uma abordagem deficiente.
Mas as instalações acabam funcionando, embora de
maneira precária, com eficiência energética extremamente
reduzida e/ou problemas de qualidade e de manutenção.
O que fazer para melhorar esta situação?
Proposições.
Ou, como poderá ser o futuro.
No futuro:
Convergência e Inter-relações complexas de
tecnologias:
• projeto, teoria, estudos computacionais e
instalações efetivamente construídas vão interagir
com:
WEAQs (Água, Energia, Eficiência Energética,
Esgoto, Efluentes e Qualidade do Ar) no olho do
furacão.
Zizek: Especulação financeira, Produção, Meio
Ambiente
1) Adotar um Balizador no projeto e operação:
eficiência energética de instalações com
escoamentos de fluidos.
Nos próximos anos a busca de eficiência
energética e de redução de emissões será o
grande desafio da sociedade e da engenharia em
particular.
6. Proposições
2) Os engenheiros deverão projetar o
escoamento, ao invés de “jogo de encaixar”.
O projeto do tipo “jogo de encaixar” será
abandonado para melhorar a eficiência energética
de instalações.
Projetar o escoamento
O termo inglês é mais amplo: design
3) Novos experimentos para verificar como se
comporta a perda de carga em dutos em números
de Reynolds elevados.
Novos dados devem ser ligados aos estudos
teóricos sobre perfis de velocidades próximos a
paredes, rugosidade e turbulência no interior de
dutos.
Isto tem relevância científica, de engenharia e na
aplicação prática.
4) Medição de vazão em situações complexas
• em situações fora de norma (trechos retos
insuficientes e/ou com singularidades severas
(efeitos de sistema)
• com variações temporais (de vazão e pressão)
Incorporação de mais engenharia e menos “sistema
de qualidade” nas medições.
Qualquer situação poderá ser resolvida.
5) Métodos numéricos crescerão em
importância
Os métodos numéricos de simulação de
escoamentos internos via CFD irão ganhar força
crescente nos próximos anos.
6) Saneamento irá incorporar métodos setor de
petróleo
Conclusão
1) Adotar um Balizador: eficiência energética.
2) Projetar o escoamento.
3) Revisar perda de carga- equações e coeficientes
4) Medição de vazão em situações complexas
5) Métodos numéricos crescerão em importância
6) Saneamento irá incorporar métodos setor petróleo
Isto não está nos livros, está aqui e agora. Pode
ser uma pequena revolução.
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