Entendendo a turbulência do fluxo
Turbulência de fluxo é um movimento caótico e irregular do fluido — flutuações aleatórias de velocidade, redemoinhos e vórtices — no interior de bombas, ventiladores, compressores e sistemas de tubagem. Ao contrário do fluxo laminar regular, no qual as partículas do fluido se deslocam em trajetórias paralelas e ordenadas, o fluxo turbulento é genuinamente tridimensional e aleatório, com a velocidade e a pressão a variarem continuamente de um instante para o outro. Em máquinas rotativas, essa instabilidade é importante: a turbulência exerce forças instáveis sobre os impulsores e as pás, gerando vibração e ruído, dissipando energia e alimentando o componente fadiga. É inevitável que haja alguma turbulência e, muitas vezes, esta é até desejável — pois promove a mistura e a transferência de calor —, mas a turbulência excessiva resultante de más condições na entrada, de um funcionamento fora dos parâmetros de projeto ou da separação do fluxo causa problemas de vibração, reduz a eficiência e acelera o desgaste mecânico.
1. Definição: O que é a turbulência do fluxo?
A característica distintiva da turbulência, do ponto de vista do diagnóstico, é que se trata de banda larga. Uma avaria mecânica, como desequilíbrio concentra a sua energia numa frequência discreta; a turbulência espalha a sua energia por uma ampla banda, elevando todo o ruído de fundo do espetro de vibração em vez de apresentar um pico acentuado. É o reconhecimento dessa distinção que permite a um analista afirmar «trata-se de um problema de fluxo, não de natureza mecânica» — e orientar a resposta para as condições de funcionamento e a rede de condutas, em vez de para os rolamentos e os contrapesos.
2. Características do fluxo turbulento
Transição do regime de fluxo
O fluxo passa de laminar para turbulento em função do número de Reynolds:
- Número de Reynolds (Re): Re = (ρ × V × D) / µ.
- Onde ρ = densidade, V = velocidade, D = dimensão característica, µ = viscosidade
- Fluxo laminar: Abaixo de 2300 (suave, ordenado).
- Transitório: De 2300 a 4000.
- Fluxo turbulento: Acima de 4000 (caótico, irregular).
- Maquinaria industrial: funciona quase sempre em regime turbulento.
Uma vez que o regime depende deste único grupo adimensional, uma rápida Cálculo do número de Reynolds permite determinar imediatamente se um determinado fluxo é laminar ou turbulento para um determinado diâmetro de tubagem e fluido.
Características da turbulência
- Flutuações aleatórias da velocidade: a velocidade instantânea oscila caoticamente em torno do seu valor médio.
- Redemoinhos e vórtices: estruturas em espiral que abrangem uma vasta gama de tamanhos.
- Cascata de energia: os grandes redemoinhos fragmentam-se em redemoinhos cada vez mais pequenos.
- Mistura: mistura rápida de momento, calor e massa.
- Dissipação de energia: O atrito turbulento transforma a energia cinética em calor.
3. Fontes de turbulência nas máquinas
Perturbações na entrada
- Mau projeto da entrada: curvas acentuadas, obstruções ou comprimento insuficiente do tubo reto.
- Redemoinho: pré-rotação do fluido à medida que este entra no impulsor ou no ventilador.
- Velocidade não uniforme: um perfil de velocidade que se desvia do ideal.
- Efeito: maior intensidade de turbulência, vibração elevada e desempenho reduzido.
Separação de fluxos
- Gradientes de pressão adversos: o fluxo separa-se das superfícies.
- Funcionamento fora das condições nominais: Ângulos de fluxo incorretos provocam a separação do ar nas pás.
- Parar: separação ampla no lado de sucção da lâmina.
- Resultado: intensidade de turbulência muito elevada e forças caóticas.
Regiões de vigília
- Formam-se rastos turbulentos a jusante das pás, dos suportes e dos obstáculos.
- A intensidade da turbulência é elevada na esteira.
- Os componentes a jusante sofrem as forças instáveis resultantes.
- A interação entre a lâmina e o rasto é especialmente importante em máquinas de múltiplos estágios.
Regiões de alta velocidade
- A intensidade da turbulência aumenta geralmente com a velocidade.
- As pontas do impulsor e os bicos de descarga são zonas de elevada turbulência.
- Isto provoca forças elevadas e desgaste localizados.
4. Efeitos nas máquinas
Geração de vibrações
- Vibração de banda larga: A turbulência produz forças aleatórias numa ampla gama de frequências.
- Espectro: um ruído de fundo elevado, em vez de picos isolados.
- Amplitude: aumenta com a intensidade da turbulência.
- Faixa de frequência: normalmente entre 10 e 500 Hz no caso de vibrações induzidas por turbulência.
Geração de ruído
- A turbulência é a principal fonte de ruído aerodinâmico.
- Produz um som de banda larga semelhante a um «sibilo» ou a um «ruído de corrente».
- O nível de ruído varia proporcionalmente à sexta potência da velocidade — sendo, portanto, extremamente sensível à velocidade.
- Pode ser a principal fonte de ruído em ventiladores de alta velocidade.
Perdas de eficiência
- O atrito turbulento dissipa energia útil.
- Reduz tanto o aumento da pressão como o caudal fornecido.
- As perdas por turbulência variam normalmente entre 2 % e 10 % da potência de entrada.
- Esses problemas agravam-se quando o equipamento não é utilizado de acordo com as especificações.
Fadiga dos componentes
- As forças aleatórias e variáveis exercem uma tensão cíclica.
- O ciclo de tensão tem uma frequência elevada.
- Contribui para a fadiga das pás e da estrutura, especialmente quando coincide com um ressonância da lâmina.
- Isto é especialmente preocupante a velocidades elevadas.
Erosão e desgaste
- A turbulência agrava a erosão em condições de abrasão.
- As partículas mantidas em suspensão pela turbulência colidem com as superfícies.
- O desgaste é acelerado em zonas de elevada turbulência.
5. Detecção e diagnóstico
Indicadores do espectro de vibração
- Banda larga de alta velocidade: um ruído de fundo elevado em todo o espectro.
- Ausência de picos distintos: ao contrário das avarias mecânicas, que se manifestam em frequências específicas.
- Dependente do fluxo: O nível de banda larga varia em função do caudal.
- Mínimo no BEP: A turbulência é mínima no ponto de projeto.
É precisamente esta característica de banda larga e dependente do caudal que um analisador portátil serve para confirmar no local. A leitura do espectro nas caixas de rolamentos com o Balanset-1A permite a um engenheiro determinar se um nível geral elevado se deve a um ruído de fundo aumentado — indicando turbulência — ou a um pico isolado de 1×, indicando um desequilíbrio que exige equilibragem no local. Observar como esse nível se altera à medida que o caudal varia permite, muitas vezes, confirmar o diagnóstico sem ser necessário abrir a máquina.
Análise acústica
- Tomar nível de pressão sonora medidas.
- Um aumento do ruído de banda larga indica turbulência.
- O espectro acústico reflete o espectro de vibração.
- Microfones direcionais podem localizar fontes de turbulência.
Visualização do fluxo
- Dinâmica de fluidos computacional (CFD) durante a fase de projeto.
- Fitas de fluxo ou visualização de fumo durante os ensaios.
- Medições de pressão que revelam as flutuações.
- Velocimetria por imagem de partículas (PIV) em contextos de investigação.
6. Estratégias de mitigação
Melhorias no projeto da entrada
- Preveja um trecho de tubagem reta a montante com comprimento adequado — no mínimo, de 5 a 10 diâmetros.
- Elimine curvas acentuadas imediatamente antes da entrada.
- Instale alisadores de fluxo ou aletas defletoras.
- Utilize entradas em forma de campânula ou aerodinâmicas para reduzir a formação de turbulência.
Otimização do ponto de funcionamento
- Operar próximo do ponto de máxima eficiência (BEP).
- Nesse caso, os ângulos de fluxo coincidem com os ângulos das pás, minimizando a separação.
- A geração de turbulência está no seu nível mais baixo.
- O controlo de velocidade variável ajuda a manter esse ponto ideal.
Alterações ao projeto
- Transições suaves nas passagens de fluxo, sem cantos acentuados.
- Difusores para desacelerar o fluxo gradualmente.
- Supressores de vórtices ou dispositivos anti-redemoinho.
- Revestimento acústico para absorver ruídos gerados pela turbulência
7. A turbulência em comparação com outros fenómenos de fluxo
A turbulência é uma das várias fontes de vibração de banda larga relacionadas com o fluxo, e distingui-la das outras fontes permite um diagnóstico mais preciso.
Turbulência vs. cavitação
- Turbulência: de banda larga, contínua e dependente do caudal.
- Cavitação: impulsivo, com frequência mais elevada e dependente do NPSH.
- Ambos: podem coexistir e ambas geram vibrações de banda larga.
Turbulência vs. recirculação
- Turbulência: aleatórios, de banda larga e presentes em todos os caudais.
- Recirculação: uma instabilidade organizada com pulsações de baixa frequência que só se manifesta em condições de baixo caudal.
- Relação: As zonas de recirculação são, por si só, altamente turbulentas.
Também vale a pena distinguir a turbulência do fluxo da noção mais ampla de turbulência tal como se manifesta num sinal de vibração, e das cargas aerodinâmicas catalogadas em forças aerodinâmicas — a mesma física, vista do ponto de vista estrutural da máquina.
A turbulência do fluxo é uma característica inerente ao fluxo de fluidos a alta velocidade em máquinas rotativas. Embora seja inevitável, a sua intensidade e os seus efeitos podem ser minimizados através de um bom projeto da entrada, do funcionamento próximo do ponto de projeto e de uma otimização cuidadosa do fluxo. Compreender a turbulência como a fonte de vibrações e ruído de banda larga permite ao analista distingui-la claramente de falhas mecânicas de frequência discreta e direcionar os esforços de correção para as condições do fluxo, em vez de para reparações mecânicas.
