[pt] O fato que a dissolução de pequenas quantidades de polímero de cadeias
moleculares longas em fluxo turbulento através dutos reduz drasticamente o atrito, é
conhecido há muitos anos. No entanto, muitos aspectos fundamentais deste fenômeno
ainda não são bem compreendidos, particularmente os mecanismos de interação entre o
polímero e o solvente. O presente trabalho descreve os resultados de um estudo voltado
para fornecer informações detalhadas sobre as características da turbulência no
escoamento de água com aditivo polimérico através de tubos. Para isto, foram realizados
experimentos para medir o campo instantâneo de velocidade em uma seção longitudinal
de um tubo, empregando a técnica de Velocimetria de Partículas por Imagem, PIV, em
sua versão bidimensional. As grandezas estatísticas turbulentas foram obtidas a partir de
uma série de 2.500 campos instantâneos de velocidade medidos para cada configuração
de escoamento caracterizada pelo número de Reynolds e pela concentração de polímero
em água. Foram medidos campos de velocidade média, de flutuações de velocidade dadas
por valores RMS e perfis de tensão turbulenta. Especial atenção foi dedicada ao projeto
da seção de testes, de modo a minimizar as distorções de imagem junto à parede do
tubo. Na região de visualização, a parede do tubo foi usinada com uma espessura de 500
μm para minimizar a refração óptica da superfície curva. Esta tubulação de paredes finas,
em combinação com uma caixa de acrílico preenchida com água posicionada ao redor do
tubo, permitiu medições de velocidade com a técnica PIV em posições a cerca de 250 μm
da parede do tubo, o que equivale a menos de 10 unidades em coordenadas de parede. A
análise dos campos de deslocamento das partículas traçadoras nas imagens capturadas
empregou uma combinação da técnica PIV clássica com técnicas de acompanhamento de
partículas, resultando em medidas com resolução espacial substancialmente melhorada.
Os testes foram conduzidos para uma faixa de números de Reynolds de 23000 a 80000, e
para 20 ppm de concentração de polímero Superfloc A110 em água. As medidas da queda
de pressão indicaram reduções no coeficiente de atrito da ordem de 50%. Os resultados
obtidos demonstraram que a presença do aditivo polimérico produz alterações na
estrutura do escoamento turbulento junto à parede, o que se reflete em mudanças na
camada de amortecimento do perfil de velocidade. / [en] The fact that dissolving a minuscule amount of long-chain polymer molecules in a
turbulent pipe flow reduces drastically the frictional drag, has been known for many
years. However, many fundamental aspects of this phenomenon are still not well
understood, particularly the mechanisms of interaction between the polymer and the
solvent. The present paper describes the results of an ongoing project aimed at providing
detailed information on the turbulence characteristics of turbulent pipe flow of water with
polymer additive. To this end, an experimental program was conducted for measuring the
instantaneous longitudinal velocity field employing a two-dimensional Particle Image
Velocimetry technique – PIV. Turbulence statistics were obtained from a series of
approximately 2500 instantaneous velocity fields measured for each flow configuration
characterized by the pipe Reynolds number and the polymer concentration. Profiles of
Time-averaged velocity, RMS velocity fluctuations and turbulent shear stresses were
measured. Special attention was dedicated to the test section design so as to minimize
image distortions close to the pipe wall. At the visualization region, the pipe wall was
machined to a thickness of 500 μm to minimize optical refraction of the curved surface.
This thin-walled pipe in combination with a plexiglass box filled the water surrounding
the pipe, allowed for PIV velocity measurements at approximately 250 μm from the pipe
wall, which is equivalent to less than 10 wall units. A combination of classical PIV with
particle tracking techniques was employed in the analysis of the particle displacements,
what substantially enhanced the spatial resolution of the measurements. Tests were
conducted for a Reynolds number range from 23000 to 80000, and for 20 ppm of
Superfloc A110 polymer in water. Wall pressure measurements indicated reductions in
the friction factor of the order of 50%. The results obtained demonstrated that the
presence of the polymer additive alters the turbulence structure at the wall, what produces
a shift in the buffer layer of the velocity profile.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:18180 |
| Date | 31 August 2011 |
| Contributors | LUIS FERNANDO ALZUGUIR AZEVEDO |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | TEXTO |
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