Visualização de Escoamentos

Ricardo Miguel Costa Ferreira

Métodos Experimentais em Energia e Ambiente

OBJECTIVOS

• Perceber o porquê da visualização de escoamentos

• Enunciar os diferentes métodos de visualização

• Compreender as diferenças e semelhanças, vantagens e desvantagens das diferentes técnicas

O QUE É A VISUALIZAÇÃO DE

ESCOAMENTOS?• A visualização de escoamentos é a obtenção de imagens que permitam identificar os fenómenos associados ao escoamento, imagens essas que depois de gravadas em fotografia ou vídeo possibilitem a compreensão desses mesmos fenómenos.

• Para além de dar uma ideia qualitativa dos escoamentos, a visualização pode também ser quantitativa, através do processamento das imagens adquiridas.

• O processamento das imagens baseia-se na focagem dos pontos “importantes” do escoamento.

• Recorrendo aos resultados obtidos é possível assim a análise e a validação (ou não) de modelos matemáticos.

MÉTODOS DE VISUALIZAÇÃO DE ESCOAMENTOS

• Traçadores

• Tufos

• Controlados electronicamente

• Reacção química

• Ópticos

MÉTODOS TRAÇADORES

Dentro dos métodos traçadores existem várias técnicas, nomeadamente:

•Partículas

•Filme de óleo

•Corantes

•Cristais líquidos

MÉTODOS TRAÇADORES (PARTÍCULAS I)

Existem vários tipos de partículas usadas na visualização de escoamentos, como por exemplo:

•Pó de poliestireno (meio aquoso)•Pó de alumínio (meio gasoso)•Bolhas hidrogénio (meio aquoso)•Bolhas hélio (meio gasoso)•Bolhas vapor (água)

A escolha do tipo de partícula tem que ser cuidadosa, de modo a que esta não interfira com o escoamento, ou seja, não seja solúvel no meio em causa, e a sua dimensão tem que ser tal que garanta que esta segue de facto o escoamento, mas que também não o altere.

MÉTODOS TRAÇADORES (PARTÍCULAS II)

O escoamento é habitualmente iluminado de modo a que a gravação em fotografia ou vídeo seja nítida.

Recorre-se também a partículas luminescentes de modo a promover esse mesmo efeito.

Esta técnica tem como grandes vantagens a sua simplicidade, preço e o facto de permitir identificar facilmente as linhas de corrente.

A principal desvantagem desta técnica é que se a partícula não for adequada pode interferir no escoamento e as imagens obtidas não reflectem o fenómeno desejado mas outra coisa qualquer.

MÉTODOS TRAÇADORES (PARTÍCULAS III)

•Bolhas de hélio

MÉTODOS TRAÇADORES (PARTÍCULAS IV)

•Pó alumínio

•Pó poliestireno

MÉTODOS TRAÇADORES (PARTÍCULAS V)

•Bolhas de vapor de água em convecção

MÉTODOS TRAÇADORES(FILME DE ÓLEO I)

Esta técnica baseia-se em depositar um filme de óleo pigmentado numa superfície em contacto com o escoamento. A força de corte do fluido sobre a superfície actua também no filme, formando-se assim um padrão indicativo da direcção do escoamento na superfície.

Recorrendo a esta técnica é possível identificar a transição e a separação do escoamento. Pode ser usada quer em escoamento estacionário quer em não estacionário.

As principais vantagens desta técnica são as de poder ser usada em meios aquosos ou gasosos, e de revelarem o escoamento na própria superfície em estudo.

A principal desvantagem é que a formação do padrão é afectada por forças como a gravítica e, se for o caso, centrifuga.

MÉTODOS TRAÇADORES(FILME DE ÓLEO II)

Escoamento em torno de uma asa delta

MÉTODOS TRAÇADORES (CORANTES I)

Esta técnica consiste em injectar continuamente no escoamento um fluido corante que funciona como traçador a partir orifícios colocados no modelo. São formadas então as linhas de corrente que mostram o estado do escoamento.

As vantagens associadas a esta técnica são a capacidade de ser usada em meios aquosos ou gasosos, e de revelarem claramente as linhas de corrente do escoamento.

A principal desvantagem é que ao fim de algum tempo (relativamente curto) o meio fica “contaminado” de corante e já não é possível uma identificação clara do escoamento.

MÉTODOS TRAÇADORES (CORANTES II)

MÉTODOS TRAÇADORES (CORANTES III)

MÉTODOS TRAÇADORES

(CRISTAIS LÍQUIDOS I)A superfície em análise é coberta por cristais líquidos que têm a particularidade de mudar de cor com a temperatura. O laser de iões de árgon é usado para aquecer a superfície, enquanto que o de hélio-neon é apontado para a mesma zona e é reflectido para o detector fotomultiplicador que detecta a mudança de cor. É esta mudança que define o estado do escoamento.

MÉTODOS TRAÇADORES (CRISTAIS LÍQUIDOS II)

Esta técnica é especialmente indicada para a medição de tensões superficiais.

Para além de ser cara e complexa, esta técnica está limitada a superfícies, mas pode ser usada em ambientes aquosos ou líquidos.

TUFOS I

Tufos de lã são ligados á superfície em teste ou perto desta e na presença do escoamento eles indicam a direcção deste.

São principalmente usados para a visualização da separação dos escoamentos através das flutuações que os tufos apresentam nessa situação.

Por vezes são utilizados tufos fluorescentes que com uma iluminação adequada permitem melhores visualizações.

As principais vantagens desta técnica são a sua grande utilidade em escoamentos não estacionários, a sua facilidade de implantação e observação, o seu baixo custo, e podem ser utilizados em meios gasosos ou aquosos.

A grande desvantagem é que conforme o modelo os tufos utilizados podem interferir com o escoamento.

TUFOS II

Flutuação do tufo

Tufos colocados na asa de um avião

TUFOS III

Tufos colocados numa pá de uma turbina éolica

Grelha de tufos em torno de edifícios

TUFOS IV

Escoamento numa bomba centrifuga radial

Escoamento em torno de uma asa delta

MÉTODOS CONTROLADOS ELECTRONICAMENTE

Existem diferentes tipos de métodos de visualização de escoamentos controlados electronicamente, tais como:

•Bolhas de hidrogénio

•Fumo

•Faísca

MÉTODOS CONTROLADOS ELECTRONICAMENTE

(BOLHAS DE HIDROGÉNIO)

Em escoamentos aquosos, pequenas bolhas de hidrogénio são geradas por electrólise em forma de uma malha nas condições de escoamento não perturbado. Essas bolhas actuam como uma espécie de traçador. As perturbações ao escoamento são então identificadas.

MÉTODOS CONTROLADOS ELECTRONICAMENTE (FUMO I)

Fumo branco é gerado num fio metálico com óleo por onde passa uma corrente eléctrica que aquece o fio e gasifica o óleo. O fumo resultante funciona como traçador que segue o escoamento.

O escoamento pode ser iluminado, tipicamente por uma folha laser.

Para além de ser de fácil implementação, esta técnica é muito versátil, pois pode ser utilizada numa vasta gama de velocidades.

No entanto a técnica só é aplicável a escoamentos gasosos.

MÉTODOS CONTROLADOS ELECTRONICAMENTE (FUMO

II)Escoamento em torno do perfil NACA 66 018

Escoamento em torno de um perfil com flaps

Visualização da camada limite numa placa plana

MÉTODOS CONTROLADOS ELECTRONICAMENTE

(FUMO III)

Escoamento em torno de um automóvel

Escoamento em torno do F18 com auxílio de folhas de luz laser

MÉTODOS CONTROLADOS ELECTRONICAMENTE (FAÍSCA

I)

A visualização por faísca consiste em descargas eléctricas pulsadas de alta voltagem entre eléctrodos. A primeira descarga a montante da secção de teste representa um padrão ionizado que se move com o escoamento. As seguintes faíscas sentindo as perturbações impostas pelo escoamento vão-se deformar definindo a forma deste.

Esta técnica é muito indicada para identificar flutuações ou alterações no campo de velocidades.

Para além de ser uma técnica de montagem complexa, só pode ser usado em meio gasoso (alta resistência eléctrica).

MÉTODOS CONTROLADOS ELECTRONICAMENTE (FAÍSCA

II)

Escoamento em torno de um perfil alar

MÉTODOS BASEADOS EM REACÇÕES QUÍMICAS

A visualização de escoamentos recorrendo a métodos baseados em reacções químicas são habitualmente visíveis naturalmente. De entre vários métodos existem particularmente:

•Indicadores de pH

•Reacções com tetraclorido de titânio (TiCl4)

MÉTODOS BASEADOS EM REACÇÕES QUÍMICAS

(INDICADORES DE pH I)

Esta técnica consiste fundamentalmente em injectar o escoamento a visualizar para dentro de um reservatório com uma substância indicadora, reagindo por exemplo ao ião H3O+. Mediante a presença deste ião, o escoamento muda de cor habitualmente de amarelo (ácido, pH<2) para azul (básico, pH>8).

O problema desta técnica está na “poluição de cor” dentro do reservatório que acontece ao fim de algum tempo, não permitindo uma correcta visualização do escoamento. Também só é aplicável a meios aquosos.

MÉTODOS BASEADOS EM REACÇÕES QUÍMICAS

(INDICADORES DE pH II)

MÉTODOS BASEADOS EM REACÇÕES QUÍMICAS (TiCl4 I)

O TiCl4 em contacto com o ar húmido reage libertando fumos brancos. O princípio de funcionamento desta técnica baseia-se nisso: ao perfil em análise é aplicado TiCl4, que em contacto com vapor de água liberta os fumos brancos que permite identificar o escoamento.

Escoamento em torno de um perfil alar para diferentes velocidades

MÉTODOS BASEADOS EM REACÇÕES

QUÍMICAS (TiCl4 II)Escoamento em torno de um perfil alar com ângulo de ataque de 80º

Simulação de incêndio num edifício

MÉTODOS ÓPTICOS

Existe uma grande variedade de métodos ópticos para a visualização de escoamentos. Vão ser aqui abordados os seguintes:

•Folha de luz

•Shadowgrafia

•Schlieren

•Interferometria

MÉTODOS ÓPTICOS (FOLHA DE LUZ I)

Esta técnica consiste numa fina folha de luz laser que ilumina o escoamento permitindo ver por exemplo os fumos.

Está limitado ao plano da folha.

É especialmente indicado para visualização de vórtices subsónicos.

MÉTODOS ÓPTICOS (FOLHA DE LUZ II)

Escoamento numa asa delta swirl

MÉTODOS ÓPTICOS (SHADOWGRAFIA)

É sabido que a variação da densidade no espaço é proporcional à refracção de luz. É exactamente neste conceito que se baseia a shadowgrafia.

Uma fonte emite um veio luminoso paralelo que passa através do escoamento na secção de teste e é projectado num ecrã ou filme fotográfico. O estado do fluido é indicado pelo padrão de brilho, isto é, quanto mais denso estiver o fluido mais luz ele absorve.

É importante referir que a shadowgrafia é proporcional à segunda derivada espacial da densidade.

Esta técnica é especialmente utilizada em escoamento compressível, visto que é sensível a diferenças de densidade.

MÉTODOS ÓPTICOS (SCHLIEREN I)

O Schlieren é um método óptico de visualização de escoamentos com um princípio de funcionamento muito parecido à shadowgrafia, pois em vez de ser proporcional à segunda derivada espacial da densidade é proporcional à primeira.

Este facto representa por si só uma vantagem desta técnica face à anterior: como a shadowgrafia só é sensível à segunda derivada poderão existir variações na primeira que não detecta, ao contrário do Schlieren. Conclui-se então que o Schlieren é mais sensível.

As superfícies da instalação são habitualmente polidas de modo a incrementar o índice de refracção.

MÉTODOS ÓPTICOS (SCHLIEREN II)

Escoamento em torno de um perfil alar

MÉTODOS ÓPTICOS (INTERFEROMETRIA I)

A interferometria consiste num raio de luz que é dividido em dois; um dos raios passa pela secção de teste e é depois recombinado com o outro que funciona como padrão. A combinação dos dois raios formam uma imagem que pode ser visualizada num ecrã ou filme fotográfico.

A imagem obtida não é mais que a interferência provocada pelo escoamento no raio de luz.

Os métodos ópticos são habitualmente os mais caros e complexos.

MÉTODOS ÓPTICOS (INTERFEROMETRIA II)

Escoamento no interior de um tubo circular

Líquidos imiscíveis

Escoamento numa cascata de pás

RESUMO

•Os tufos são o método mais baratos e de mais fácil implementação, logo seguido dos traçadores.

•Os métodos baseados em reacções quimicas são visiveis naturalmente mas têm o problema da contaminação do meio. O mesmo acontece com os corantes.

•Os métodos controlados electronicamente são versáteis, bons para detectar variações do escoamento, mas não são de grande simplicidade de implantação.

•Os métodos ópticos são os mais caros e complexos, podem ser utilizados em meios aquosos ou gasosos, são especialmente indicados para escoamentos compressíveis, e dão provavelmente resultados mais fiáveis.