Caracterização de fluidos em regimes de fluxo laminar e turbulento por medidas óticas
Universidade Estadual de Campinas
palavras-chave: poli(óxido de etileno), densidade ótica, reologia
A presença de moléculas poliméricas em fluidos altera suas propriedades reológicas, podendo modificar seus padrões estruturais e atribuir-lhes propriedades como a redução do atrito hidrodinâmico. Esse efeito é observado em soluções poliméricas diluídas, sob regime de fluxo turbulento, produzindo uma significativa redução da energia necessária para o deslocamento do fluido.
Além da fragmentação do jato e de sua amplitude de oscilação, os quais têm sido investigados por medidas de densidade ótica, outros aspectos parecem estar envolvidos nas modificações estruturais em jatos de água na presença de poli(óxido de etileno), PEO. A finalidade deste trabalho é investigar a influência do polímero sobre as estruturas de fluxo, caracterizando-as em regimes laminar e turbulento por visualização de fluxo e medidas de densidade ótica.
Os jatos foram produzidos em um reômetro de fluxo pressurizando-se o fluido (1L) com N2 a 4, 12, 18 e 24 kgf.cm-2 e fazendo-o escoar em um tubo de aço inoxidável de 1m de comprimento e 6,35 mm de diâmetro interno. Foram também feitos ensaios com o fluido escoando apenas sob ação da gravidade. O fluido foi estudado ao longo de 25 cm após sua saída do tubo (escoamento vertical). As medidas óticas foram feitas incidindo-se um feixe de luz de um laser semicondutor (670 nm, 1 mW) perpendicularmente ao jato e analisando-se: a) a intensidade da radiação transmitida através dele e b) a transmissão da radiação ao longo do fluxo. A radiação que é transmitida através do material possui informações que, reconstruídas em um plano de fundo, representam espacial e temporalmente a estrutura do jato. A imagem formada é analisada após sua captura e tratada graficamente. A filmagem da estrutura do jato e da radiação transmitida foi feita com uma câmera CCD com velocidades de captura de 1/10.000s e 1/250s, respectivamente.
Os jatos produzidos com escoamento laminar apresentaram comportamento característico de lentes cilíndricas, convergindo os raios luminosos que incidem em sua superfície predominantemente no meridiano horizontal. Com a aumento da turbulência, a propagação da radiação ocorre principalmente ao longo da própria estrutura de fluxo (Figura 1); neste caso, a radiação transmitida através do fluido atinge o plano de fundo formando padrões luminosos semelhantes a nebulosas, que estão associados às múltiplas reflexões do feixe luminoso.
Figura 1:Incidência de laser em jatos de água; a) jato escoando sob ação da gravidade; b) jato produzido a pressão de 18 kgf.cm-2 (nebulosa fora de contraste).
Os resultados de densidade ótica obtidos a partir da leitura da intensidade da radiação transmitida através do jato (nebulosa) não só refletem esse comportamento mas, principalmente, o efeito das moléculas de PEO no fluido. A presença do polímero altera significativamente a distribuição espacial da intensidade transmitida em fluxos em regime laminar. A diferença do perfil gráfico dos jatos de água em diferentes regimes de fluxo e a influência da adição de PEO estão apresentadas na Figura 2.
Figura 2: Medidas de densidade ótica de jatos de água e de solução diluída de PEO; intensidade transmitida através do jato a) em regime laminar, b) em regime turbulento (18 kgf.cm-2); --- água, --·--60 ppm PEO, 8 milhões, --‚-- 200 ppm de PEO, 4 milhões.
A caracterização estrutural dos fluidos pela metodologia desenvolvida tem permitido observar a influência de diferentes parâmetros poliméricos na estrutura do fluxo. As dependências temporal e espacial da intensidade transmitida com a natureza do fluxo refletem as modificações das estruturas de fluxo, seja pelo número de estruturas de turbulência presentes, seja pela presença de moléculas poliméricas.
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(CNPq, FAEP, White-Martins)