Efeitos tridimensionais no escoamento em torno de cilindros confinados

Mestrado em Engenharia Química

Tendo em consideração a elevada relevância do estudo do escoamento de fluidos newtonianos e não-newtonianos no desenvolvimento e melhoramento de muitos processos industriais, onde estes escoamentos apresentam na sua maioria carácter tridimensional, a realização deste trabalho tem como principal objectivo o estudo dos efeitos tridimensionais do escoamento laminar de fluidos newtonianos em torno de um cilindro confinado. Com o objectivo de estudar e quantificar os efeitos tridimensionais no escoamento laminar em torno de um cilindro confinado, pretende-se neste trabalho estudar experimentalmente o efeito da razão de forma AR = 8 (razão entre a largura da secção rectangular e a sua profundidade - AR) e razão de bloqueio BR=50% (razão entre o diâmetro do cilindro e a profundidade da secção rectangular - BR), através da caracterização do escoamento em diferentes condições. Utilizaram-se para o efeito dois fluidos newtonianos, a água e uma solução aquosa de glicerina a 46,3 %. Para se efectuar a caracterização do escoamento utilizam-se duas técnicas. A visualização de escoamentos, através de uma técnica fotográfica de elevado tempo de exposição, e a medição detalhada do campo de velocidade, utilizando a técnica denominada por velocimetria por imagem de partículas (PIV). Os resultados obtidos experimentalmente são posteriormente comparados com previsões numéricas efectuadas. O estudo do efeito da variação da razão de forma é efectuado apenas numericamente para AR = 1 e AR = 8 para diferentes números de Reynolds. Através da caracterização do fluido (visualização de escoamentos e PIV), pode-se concluir que existem quatro picos de velocidade no escoamento em torno do cilindro nas condições estudadas experimentalmente (AR = 8 e BR = 50%). Estes picos de velocidade correspondem ao local onde o comprimento da recirculação é mínimo. Comparando o escoamento para AR = 8 e AR = 1 conclui-se que para AR = 8 o efeito do cilindro é dominante enquanto que para AR = 1 o escoamento é dominado pelo efeito do cilindro e pelo efeito das paredes laterais.

The study of Newtonian and non-Newtonian fluids around a confined cylinder reveals a great importance in the development and improvement of some real flow phenomena that happens in industrial processes such as polymer extrusion and injection molding, where the Reynolds numbers are quite low due to the high fluid viscosity. The main goal of this work is to investigate experimental and numerically the threedimensional effects on the laminar flow of Newtonian fluids around a confined cylinder. The effect of the aspect ratio, AR (ratio between the width of the rectangular section and it depth) was studied experimentally for AR = 8 and for blockage ratio BR = 50% (ratio between the cylinder diameter and the depth of rectangular section), through the characterisation of different flow conditions. The fluids used were water and an aqueous solution of glycerine 46,3 wt%. Flow visualisations were carried out using streak line photography and the velocity field of the flow was measured in detail using Particle Image Velocimetry (PIV). The experimental results obtained were also compared with numerical predictions. Moreover, the effect of the variation of the aspect ratio was studied numerically for AR = 1 and AR = 8. Through the characterization of the fluid (flow visualizations and PIV measurements), one can conclude that there are four velocity peaks around the cylinder under the conditions studied experimentally (AR = 8 and BR = 50%). These velocity peaks correspond where the length of the recirculation is minimal. Comparing the flow for AR = 8 and AR = 1, one can conclude that for AR = 8 the effect of cylinder is dominant, while for AR = 1 the flow is dominated by the effect of cylinder and the effect of the side walls.