[pt] Neste trabalho é apresentado um estudo teórico-experimental da propagação de perturbações acústicas num escoamento de ar, em regime turbulento e subsônico, no interior de um duto circular (comprimento 3000mm, diâmetro 50,8mm). Introduziram-se perturbações senoidais no escoamento, por intermédio de um alto-falante colocado na parede de uma câmara de estabilização, situada a montante do tubo de teste. Estudou-se a propagação da onda ao longo do escoamento e os efeitos da mesma nas distribuições de pressão, de velocidade e de intensidade de turbulência. Realizaram-se experimentos, em regime hidrodinâmico caracterizado por um número de Reynolds 70000, introduzindo perturbações acústicas no escoamento correspondentes à primeira e segunda frequências de ressonância do tubo, respectivamente, 56Hz e 112Hz (números de Strouhal 0,13 e 0,26). A 56Hz, a intensidade da perturbação acústica foi 3 por cento (valor eficaz da onda de velocidade, na frequência de perturbação, na entrada do tubo, normalizada na velocidade média na seção de entrada no centro do tubo); a 112Hz aplicaram-se duas intensidades de perturbação, 3 por cento e 18 por cento. Em várias posições ao longo do tubo, foram medidos, entre r/R=0 e r/R=0,96, os perfis transversais da velocidade média temporal, da intensidade da turbulência e do componente de onda. A distribuição de pressão foi medida por intermédio de tomadas de pressão posicionadas ao longo da parede do tubo. Foi estudada, teoricamente, a propagação da onda ao longo do tubo, considerando um modelo sem dissipação e, outro, com dissipação. Os resultados experimentais confirmaram as estimativas de dissipação baseadas no modelo, segundo as quais, nas condições do caso estudado (designadamente para a faixa de frequências de perturbação consideradas, e comprimento do tubo da ordem do comprimento de onda), a dissipação tem um efeito bastante moderado na propagação da onda. Nestas condições, grande parte dos aspectos do comportamento da onda é interpretada a partir do modelo sem dissipação, que mostrou boa concordância com os resultados experimentais. O modelo com dissipação permitiu interpretar alguns aspectos essencialmente ligados à dissipação, designadamente o comportamento da onda na vizinhança da ressonância e os perfis transversais da onda de velocidade, e interpretar as razões da validade aproximada, no caso estudado, no modelo sem dissipação. As diferenças entre o comportamento previsto pelos modelos apresentados e os resultados experimentais foram da ordem de grandeza dos erros de medida. Com base na análise efetuada, afigura-se que, para as condições estudadas, nem as estruturas de turbulência afetam significativamente a onda acústica, nem as perturbações acústicas impostas afetam significamente as características do escoamento turbulento (velocidade média temporal, intensidade de turbulência e distribuição de pressão estatística). Afigura-se, assim, que uma aproximação linear, baseada na técnica da superposição, usada nos modelos teóricos apresentados, é apropriada para descrever o escoamento turbulento resultante da aplicação da perturbação acústica. / [en] In this work, it is presented a theoretical-experimental study of acoustic perturbations propagation, in turbulent, subsonic, air flow in a circular pipe (lenght: 3000mmm; diameter: 50,8mm). Sinusoidal perturbations were introduced in the flow, by means of a loud-speaker, placed at the wall of a settling chamber, upstream of the test pipe. The wave propagation along the flow was studied, as well as its effects on pressure, velocity and turbulance intensity distributions. The experiments were conducted at flow Reynolds Number 70000, introducing acoustic perturbations corresponding to the first and second resonant frequencies of the pipe, namely 56Hz and 112Hz (Strouhal Numbers 0.13 and 0.26). At 56Hz the intensity of the acoustic perturbation was 3 percent (r.m.s. value of the wave component of the velocity, at the perturbation frequency, at the pipe entrance, normalized by the pipe entrance centerline mean velocity); at 112Hz two perturbation intensities were applied: 3 percent and 18 percent. The mean velocity, turbulance intensity and wave component profiles were measured at several stations along the pipe, between r/R=0 and r/R=0,96. The wave propagation along the pipe was theoretically studied. Two models were considered, a model without dissipation and a model with dissipation. The experimental results confirmed the dissipation estimates based on the model, and have shown that, for the studied case conditions (namely for the frequency range considered, and pipe lenght of the order of the wave lenght), the dissipation has a moderate effect on the wave propagation. So, a great part of the wave behavior is a interpreted on the basis of the model without dissipation, that has shown good agreement with the experimental results. The model with dissipation allows to intepret some aspects strongly connected with dissipation, namely the wave behavior in the vicinity of the ressonance and the transversal profiles of the wave component of the velocity, in the studied case, of the model without dissipation. The differences between the behavior forseen by the presented models, and the experimental results, were of the order of magnitude of the measurement errors. According to the analysis performed, it appears that, for the studied conditions, neither the turbulance structure significantly affects the acoustic wave, nor the acoustic perturbations significantly affect the turbulent flow characteristics (mean velocity, turbulance intensity and pressura distribution). So, it appears that, a linear approach, based on a superposition technique, used in the presented theoretical models, is adequate to describe the overall disturbed turbulent flow.

[pt] Uma câmera de alta velocidade foi utilizada para visualizar o processo de quebra de gota em um misturador rotor - estator e através de um orifício em um duto em condições de escoamento turbulento. Dois casos especiais foram considerados: quebra de emulsões diluídas e quebra de gotículas de óleo individuais. Dois óleos minerais de viscosidade moderada foram dispersos em duas fases continuas diferentes, água da torneira e uma fase contínua formada por uma mistura de água do mar padrão e o surfactante aniônico STEOL CS-330 (Stepan Company). No caso de quebra no misturador rotor - estator, dois mecanismos foram identificados. Uma fragmentação inicial é causada pela combinação do vórtice (gerado pelo movimento circular do rotor) e a região de jato emergente dos furos do estator. O segundo mecanismo é uma quebra mecânica causada pelas altas taxas de cisalhamento que as gotas sofrem na abertura entre o rotor e o estator. No caso de quebra através do orifício, foi mostrado que a ruptura das gotículas ocorre somente a jusante da restrição, após percorrida certa distancia a partir da borda do orifício. Nesse comprimento de quebra, o gradiente radial de velocidade axial no escoamento é suficientemente grande para superar as tensões resistivas (exercidas pelas gotículas) e produzir a ruptura da gota. Esses resultados estão em concordância com as observações previas feitas por Galinat et al. (2005) para o caso de quebra de gota através de uma placa de orificio. No entanto, a partir das observações feitas neste trabalho, foi possível concluir que o comprimento do orifício não influencia os mecanismos de quebra. Também, a visualização permitiu analisar a influencia relativa da tensão interfacial e da viscosidade da fase dispersa para os dois casos considerados. Dados experimentais do tamanho de gota máximo estável foram obtidos para o caso de quebra de gota de emulsões de óleo em água diluídas nos dois casos estudados. A análise dos dados revelou que os tamanhos de gota máximos estáveis encontravam-se dentro da sub-faixa inercial, caracterizada exclusivamente pela taxa de dissipação de energia por unidade de massa, Épsilon. Um modelo mecanístico linear para a sub-faixa inercial, baseado na teoria de turbulência isotrópica de Kolmogorov, foi desenvolvido para ajudar na interpretação dos dados e suprir uma base para correlação. O modelo foi ajustado aos dados experimentais utilizando uma ferramenta de otimização não linear baseada no código GRG2 (Generalized Reduced Gradient), e sua precisão calculada a partir da raiz quadrada media das diferenças entre os dados experimentais e os previstos. Boas previsões foram obtidas para o rompimento no misturador, no entanto, este não foi o caso da quebra através do orifício. A baixa precisão relativa do modelo utilizado para correlacionar a quebra através do orifício reside na falta de consideração da escala de tempo requerida para a ruptura. Além disso, uma regressão linear baseada em um modelo Power Law mostrou que os efeitos interfaciais dominam o processo de quebra de gota na restrição. / [en] A high-speed camera has been used to visualize the drop breakup process at turbulent conditions in a rotor - stator mixer and through an orifice in a pipe. Two special cases were considered: the breakup of diluted emulsions and the breakup of single oil droplets. Two mineral oils of moderate viscosity were dispersed in two different continuous phases, tap water and a continuous phase formed by a mixture of substitute ocean water and the anionic surfactant STEOL CS-330 (Stepan Company). For the case of breakup in the rotor - stator mixer, two mechanisms were identified. An initial fragmentation is caused by the combination of the vortex (generated by the circular motion of the rotor) and the jet zone emerging from the stator holes. The second mechanism is a mechanical breakup caused by the high shear stresses that droplets suffer in the rotor - stator gap. In the case of breakup through an orifice in a pipe, it was shown that breakage only occurs downstream of the restriction and takes place at a certain distance from the edge of the orifice. At this breakup length, the radial velocity gradient in the flow is large enough to overcome the resistance stresses (exerted by the droplet) and produce the rupture of the droplet. These results were in agreement with previous observations made Galinat et al. (2005) for the case of drop breakup through an orifice plate. However, from the observations made in this work, it was possible to conclude that the orifice length does not influence the breakup mechanisms. In addition, visualization has allowed to analyze the relative influence of interfacial tension and dispersed phase viscosity for both cases. Experimental values for the maximum stable drop diameter were obtained for the breakup of diluted oil-in-water emulsions in both studied cases. Analysis of the data revealed that maximum stable drop sizes were in the inertial sub range, characterized exclusively by the energy dissipation rate per unit mass, Epsilon. A linear mechanistic model for the inertial sub-range, based in Kolmogorov s theory of isotropic turbulence, was developed to aid in data interpretation and to provide a basis for correlation. The model was adjusted to experimental data using a nonlinear optimization tool based in the generalized reduced gradient code (GRG2), and its precision was calculated from the root mean squared difference between experimental and predicted data. Good predictions were obtained for the breakup in the mixer; however, this was not the case for the breakup through the orifice. The relative low precision of the model used to correlate the breakup through the restriction lied in the lack of consideration of the time scale required for the breakup. In addition, a linear curve fitting based in a power law model, showed that interfacial effects drive the breakup process in the restriction.

[pt] Determinou-se experimentalmente o coeficiente local de troca de calor, para o escoamento turbulento interno, em tubos de seção transversal elíptica. As condições de contorno impostas foram, temperatura constante na parede e entrada abrupta, com canto vivo, em uma placa plana. Foram obtidos resultados na região de entrada e na região desenvolvida, cobrindo a faixa de número de Reynolds de 7 000 a 60 000. Foram investigadas as razões de aspecto 0,12, 0,25 e 0,5 e os resultados, comparados com os encontrados na literatura para placa plana e tubo circular. Uma diferença máxima de 16 por cento, foi encontrada em relação aos resultados para tubo circular. Portanto, a utilização de tubos elípticos em trocadores de calor é, em geral, vantajosa do ponto de vista térmico. / [en] Experiments were performed to determine local heat transfer coefficients for the turbulent flow in a duct with elliptical cross section. The boundary conditions imposed were isothermal wall and abrupt-contraction at the entrance built into a large wall. Both entrance-region and fully-developed results were obtained, whereas the Reynolds number was varied in the overall range 7,000-60,000. The aspect ratios 0.12, 0.25 and 0.5 were investigated and the results compared with the ones for parallel planes and for circular tubes, found in the open literature. The measured heat transfer coefficients displayed a maximum deviation of 16 percent relative to the results for the circular tube. Therefore, using elliptical ducts in heat exchangers is in general advisable as far as heat transfer is concerned.