Entendendo a turbulência do fluxo
Definição: O que é turbulência de fluxo?
Turbulência de fluxo A turbulência é um movimento fluido caótico e irregular, caracterizado por flutuações aleatórias de velocidade, redemoinhos e vórtices em bombas, ventiladores, compressores e sistemas de tubulação. Ao contrário do fluxo laminar suave, onde as partículas do fluido se movem em trajetórias paralelas ordenadas, o fluxo turbulento exibe um movimento tridimensional aleatório com velocidade e pressão continuamente variáveis. Em máquinas rotativas, a turbulência cria forças instáveis em rotores e pás, gerando vibrações de banda larga. vibração, ruído, perdas de energia e contribuição para a fadiga dos componentes.
Embora alguma turbulência seja inevitável e até desejável em muitas aplicações (o fluxo turbulento proporciona melhor mistura e transferência de calor), a turbulência excessiva resultante de condições de entrada inadequadas, operação fora do projeto ou separação de fluxo cria problemas de vibração, reduz a eficiência e acelera o desgaste mecânico em bombas e ventiladores.
Características do fluxo turbulento
Transição do regime de fluxo
Transições de fluxo de laminar para turbulento com base no número de Reynolds:
- Número de Reynolds (Re): Re = (ρ × V × D) / µ
- Onde ρ = densidade, V = velocidade, D = dimensão característica, µ = viscosidade
- Fluxo laminar: Ré < 2300 (suave, ordenado)
- Transitório: Re 2300-4000
- Fluxo turbulento: Re > 4000 (caótico, irregular)
- Máquinas industriais: Opera quase sempre em regime turbulento.
Características da turbulência
- Flutuações aleatórias de velocidade: A velocidade instantânea varia caoticamente em torno da média.
- Redemoinhos e vórtices: Estruturas espirais de vários tamanhos
- Cascata de energia: Grandes redemoinhos se desfazem em redemoinhos progressivamente menores.
- Mistura: Mistura rápida de momento, calor e massa
- Dissipação de energia: O atrito turbulento converte energia cinética em calor.
Fontes de turbulência em máquinas
Perturbações na entrada
- Projeto de entrada inadequado: Curvas acentuadas, obstruções, comprimento reto insuficiente
- Redemoinho: Pré-rotação do fluido que entra no impulsor/ventilador
- Velocidade não uniforme: Perfil de velocidade distorcido em relação ao ideal
- Efeito: Aumento da intensidade da turbulência, vibração elevada, desempenho reduzido.
Separação de fluxo
- Gradientes de pressão adversos: O fluxo se separa das superfícies.
- Operação fora do projeto: Ângulos de fluxo incorretos causam separação nas pás.
- Parar: Separação extensa no lado de sucção da lâmina
- Resultado: Intensidade de turbulência muito alta, forças caóticas
Regiões de Wake
- Rastros turbulentos a jusante de pás, suportes ou obstruções.
- Alta intensidade de turbulência na esteira.
- Os componentes a jusante experimentam forças instáveis
- A interação entre a esteira das pás é importante em máquinas de múltiplos estágios.
Regiões de Alta Velocidade
- A intensidade da turbulência geralmente aumenta com a velocidade.
- Regiões da ponta do impulsor, bocais de descarga, áreas de alta turbulência
- Cria forças localizadas elevadas e desgaste.
Efeitos nas máquinas
Geração de vibração
- Vibração de banda larga: A turbulência cria forças aleatórias em uma ampla faixa de frequência.
- Espectro: Nível de ruído elevado em vez de picos discretos
- Amplitude: Aumenta com a intensidade da turbulência
- Faixa de frequência: Normalmente, a frequência de vibração induzida por turbulência varia entre 10 e 500 Hz.
Geração de ruído
- A turbulência é a principal fonte de ruído aerodinâmico.
- Som de "zumbido" ou "corrente" de banda larga
- Nível de ruído proporcional à velocidade^6 (muito sensível à velocidade)
- Pode ser a principal fonte de ruído em ventiladores de alta velocidade.
Perdas de Eficiência
- O atrito turbulento dissipa energia.
- Reduz o aumento da pressão e a vazão.
- Perdas típicas por turbulência: 2-10% de potência de entrada
- Aumenta com operação fora do projeto
Fadiga de componentes
- Forças flutuantes aleatórias criam tensão cíclica
- Ciclos de estresse de alta frequência
- Contribui para a lâmina e a estrutura. fadiga
- Particularmente preocupante em altas velocidades.
Erosão e desgaste
- A turbulência intensifica a erosão em serviços abrasivos.
- Partículas suspensas pela turbulência impactam superfícies
- Desgaste acelerado em regiões de alta turbulência
Detecção e Diagnóstico
Indicadores de Espectro de Vibração
- Banda larga de alta velocidade: Nível de ruído elevado em todo o espectro.
- Ausência de picos discretos: Ao contrário das falhas mecânicas com frequências específicas
- Dependente do fluxo: O nível de banda larga varia de acordo com a taxa de fluxo.
- Mínimo no BEP: Turbulência mínima no ponto de projeto
Análise Acústica
- medições de nível de pressão sonora
- O aumento do ruído de banda larga indica turbulência.
- Espectro acústico semelhante ao espectro de vibração
- Microfones direcionais podem localizar fontes de turbulência.
Visualização de fluxo
- Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) durante o projeto
- Visualização de fluxos ou fumaça em testes
- Medições de pressão mostrando flutuações
- Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV) em pesquisa
Estratégias de Mitigação
Melhorias no projeto da entrada
- Providencie um comprimento adequado de tubo reto a montante (mínimo de 5 a 10 diâmetros).
- Elimine as curvas acentuadas imediatamente antes da entrada.
- Utilize direcionadores de fluxo ou palhetas de desvio.
- Entradas em forma de sino ou aerodinâmicas reduzem a geração de turbulência.
Otimização do Ponto de Operação
- Operar próximo ao ponto de melhor eficiência (BEP)
- Os ângulos de fluxo correspondem aos ângulos das pás, minimizando a separação.
- Geração mínima de turbulência
- Controle de velocidade variável para manter o ponto ideal
Modificações de design
- Transições suaves em passagens de fluxo (sem cantos vivos)
- Difusores para desacelerar o fluxo gradualmente
- Supressores de vórtice ou dispositivos anti-redemoinho
- Revestimento acústico para absorver ruídos gerados pela turbulência
Turbulência versus outros fenômenos de fluxo
Turbulência vs. Cavitação
- Turbulência: Banda larga, contínua, dependente do fluxo
- Cavitação: Impulsivo, de alta frequência, dependente de NPSH
- Ambos: Podem coexistir, ambos criam vibração de banda larga
Turbulência vs. Recirculação
- Turbulência: Aleatório, de banda larga, presente em todos os fluxos
- Recirculação: Instabilidade organizada, pulsações de baixa frequência, apenas em fluxo baixo.
- Relação: As zonas de recirculação são altamente turbulentas.
A turbulência do fluxo é uma característica inerente ao escoamento de fluidos em alta velocidade em máquinas rotativas. Embora inevitável, sua intensidade e seus efeitos podem ser minimizados por meio de um projeto adequado da entrada, operação próxima ao ponto de projeto e otimização do fluxo. Compreender a turbulência como a fonte de vibração e ruído de banda larga permite distingui-la de falhas mecânicas de frequência discreta e orienta ações corretivas apropriadas, focadas nas condições do fluxo em vez de reparos mecânicos.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 