Tipos de regime de escoamento: Introdução

Classificar os tipos de regime de escoamento é um dos primeiros passos para a aplicação dos fluidos na engenharia. E, dentro da mecânica dos fluidos, uma grande subárea se destaca: a hidráulica.  Portanto, para domínio desse campo, é imprescindível uma boa base em Fenômenos do Transporte (apenas outro nome bonito para “mecânica dos fluidos”).

A primeira área da teoria da mecânica dos fluidos altamente desenvolvida trata do escoamento incompressível e sem atrito (FOX, 1981). Apesar de rebuscada, a teoria delimita-se em torno do paradoxo de d’Alembert.

“Nenhum corpo experimenta arrasto quando se movimenta em um fluido sem atrito”

Posto de outra maneira, um corpo que se movimenta em um fluido, que se estende ao infinito, não apresenta força. Um resultado que não é consistente com qualquer comportamento real, diga-se de passagem.

-PERA, JOÃO! Mas o que isso tem a ver com o assunto do artigo?!

Calma, jovem. Estou apenas te ambientando para o primeiro de diversos artigos relacionados a essa área que eu trarei a você.

Agora, vamos ao que interessa: tipos de regime de escoamento.

Introdução – regime de escoamento

Para se estabelecer equações da hidrodinâmica, são necessários conceitos hidrostáticos e cinemáticos dos fluidos. Aqueles abordam as propriedades e características, tais como pressão, densidade, viscosidade etc. Estes, por seu turno, buscam compreender os efeitos resultantes do movimento de um fluido, como perda de carga, por exemplo.

Entretanto, precisamos determinar as condições e tipos de regime de escoamento! O movimento do líquido pode ser classificado de diversas maneiras. Pode ser quanto a direção da trajetória, variação no tempo, variação na trajetória, movimento de rotação, quanto a viscosidade, quanto ao meio (livre ou forçado) etc.

Vamos entender cada uma delas.

Quanto à variação no tempo

Classificam-se como permanente (estacionário) ou variado (transitório). Até aqui tudo bem, não é mesmo?

1) Regime permanente é aquele em que as propriedades do fluido são invariáveis em cada ponto ao longo do tempo. Observe: as propriedades podem variar ao longo do fluido (posição), mas não ao longo do tempo. Esteja ele em movimento ou não!

Assim, um fluido pode possuir diferentes valores de pressão em sua extensão. Contudo, estes valores não sofrerão mudanças com o tempo.

Por exemplo, um grande reservatório com água terá pressão nula (escala relativa de pressões) quando em contato com a atmosfera. O mesmo não pode ser dito sobre a pressão no fundo. Mas, independentemente do tempo decorrido, esses valores não sofrerão qualquer alteração.

2) Regime variável ou não permanente, em contrapartida, vai de encontro com o exposto acima. Ou seja, propriedades como velocidade, massa específica, pressão etc., em alguns pontos variam com o passar do tempo.

Quanto à variação do vetor velocidade

Neste caso, a classificação dependerá do vetor velocidade do fluido. Podendo ser uniforme ou variado (não uniforme).

1) No regime uniforme, o vetor velocidade é o mesmo em todos os pontos para um determinado instante. Logo, é considerado uniforme quando todas as seções transversais forem iguais e a velocidade média fora a mesma. Este tipo ocorre em tubulações longas de diâmetro constante.

2)Assim, para o regime variado, nos resta compreender que ele ocorrerá quando a velocidade variar de ponto a ponto. Ocorre, por exemplo, nas correntes convergentes, originárias de orifícios e
também nas correntes de seção.

Quanto ao movimento de rotação

Sem muita enrolação, se as partículas do fluido possuírem rotação em relação a um dos eixos, será rotacional (vorticoso). Portanto, cada partícula está sujeita à velocidade angular ω em relação ao seu centro de massa. Em virtude da viscosidade, o escoamento dos fluidos reais é sempre do tipo rotacional.

Caso contrário, será dito irrotacional. Neste modelo, então, as partículas não se deformam, desprezando a influência da viscosidade

Quanto à trajetória das partículas

Aqui, o movimento alterna entre três estados, a depender do número de Reynolds: laminar, transitório e turbulento.

1) O escoamento laminar ocorre quando as partículas se movem em camadas paralelas ou em lâminas de trajetória bem definidas. Em geral, ocorre a baixas velocidades, e/ou em tubulações de grande diâmetro e/ou em fluidos com alta viscosidade.  Assim, quando vemos aquele fio de água escoando por uma torneira que foi mal fechada, estamos diante do escoamento laminar.

2) O escoamento transitório é aquele em que há algumas flutuações intermitentes do fluido em um escoamento laminar, embora não seja suficiente para caracterizar um escoamento turbulento.

3) Por fim, o escoamento turbulento é aquele em que as partículas do fluido se misturam rapidamente enquanto se movimentam. O movimento irregular ocasiona flutuações aleatórias no campo tridimensional de velocidade.

Em engenharia, a turbulência é um fenômeno comumente indesejável, pois seu movimento implica transferência de quantidade de movimento dentro da massa líquida. Logo, esse movimento aleatório cria maior resistência ao escoamento

Além disso, é importante ressaltar que estes movimentos podem coexistir em um mesmo sistema.

Sua caracterização pode ser feita com base nos resultados do famoso experimento de Reynolds. Assim, quanto menor for o número de Reynolds, mais próximo o movimento estará do regime laminar. Quanto maior for, consequentemente, mais próximo estará do regime turbulento.

 

Palavras finais

Meus queridos, há MUITA coisa que ainda merece ser dita sobre este assunto. O que eu busquei neste artigo foi trazer uma abordagem geral sobre os diversos tipos de escoamento.

Oportunamente, nos aprofundaremos ainda mais neste tema. Contudo, por hoje, finalizamos aqui. Te vejo no nosso próximo artigo.

 

Abraços do João!