Classificação dos regimes de fluxo
Outra classificação geralmente mais comum dos regimes de fluxo é de acordo com a forma e o tipo de linhas de fluxo . Todo o fluxo de fluido é classificado em uma de duas grandes categorias. O fluxo de fluido pode ser laminar ou turbulento e, portanto, essas duas categorias são:
O fluxo laminar é caracterizado por caminhos suaves ou regulares de partículas do fluido. Portanto, o fluxo laminar também é conhecido como fluxo aerodinâmico ou viscoso . Ao contrário do fluxo laminar, o fluxo turbulento é caracterizado pelo movimento irregular das partículas do fluido. O fluido turbulento não flui em camadas paralelas, a mistura lateral é muito alta e há uma ruptura entre as camadas. A maioria dos fluxos industriais , especialmente os de engenharia nuclear, são turbulentos .
Fluxo laminar
Na dinâmica de fluidos, o fluxo laminar é caracterizado por trajetos lisos ou regulares das partículas do fluido, em contraste com o fluxo turbulento, caracterizado pelo movimento irregular das partículas do fluido. O fluido flui em camadas paralelas (com mistura lateral mínima), sem interrupção entre as camadas. Portanto, o fluxo laminar também é conhecido como fluxo aerodinâmico ou viscoso .
O termo fluxo de corrente de fluxo é descritivo do fluxo porque, no fluxo laminar, camadas de água fluindo umas sobre as outras em velocidades diferentes, praticamente sem mistura entre as camadas, as partículas de fluido se movem em caminhos ou linhas de fluxo definidos e observáveis.
Quando um fluido está fluindo através de um canal fechado, como um tubo ou entre duas placas planas, pode ocorrer um dos dois tipos de fluxo (fluxo laminar ou fluxo turbulento), dependendo da velocidade , viscosidade do fluido e do tamanho do tubo . O fluxo laminar tende a ocorrer em velocidades mais baixas e com alta viscosidade . Por outro lado, o fluxo turbulento tende a ocorrer em velocidades mais altas e baixa viscosidade.
Como o fluxo laminar é comum apenas nos casos em que o canal de fluxo é relativamente pequeno, o fluido se move lentamente e sua viscosidade é relativamente alta, o fluxo laminar não é comum em processos industriais. A maioria dos fluxos industriais, especialmente os de engenharia nuclear, são turbulentos. No entanto, o fluxo laminar ocorre em qualquer número de Reynolds próximo a limites sólidos em uma camada fina adjacente à superfície, essa camada é geralmente chamada de subcamada laminar e é muito importante na transferência de calor.
Veja também: Número de Reynolds
Veja também: Número crítico de Reynolds
Fluxo Laminar Externo – Número Nusselt
O número médio de Nusselt em toda a placa é determinado por:
Essa relação fornece o coeficiente médio de transferência de calor para toda a placa quando o fluxo é laminar sobre toda a placa.
Fluxo Laminar Interno – Número de Nusselt
Temperatura constante da superfície
No fluxo laminar em um tubo com temperatura constante da superfície, o fator de atrito e o coeficiente de transferência de calor permanecem constantes na região totalmente desenvolvida.
Fluxo de calor de superfície constante
Portanto, para fluxo laminar totalmente desenvolvido em um tubo circular sujeito a constante fluxo de calor na superfície , o número de Nusselt é uma constante. Não há dependência dos números de Reynolds ou Prandtl .
Fluxo turbulento
Na dinâmica de fluidos, o fluxo turbulento é caracterizado pelo movimento irregular de partículas (pode-se dizer caótico ) do fluido. Ao contrário do fluxo laminar, o fluido não flui em camadas paralelas, a mistura lateral é muito alta e há uma ruptura entre as camadas. A turbulência também é caracterizada por recirculação, redemoinhos e aleatoriedade aparente . No fluxo turbulento, a velocidade do fluido em um ponto está continuamente sofrendo alterações na magnitude e na direção.
O conhecimento detalhado do comportamento do regime de fluxo turbulento é importante na engenharia, porque a maioria dos fluxos industriais , especialmente os de engenharia nuclear, são turbulentos . Infelizmente, o caráter altamente intermitente e irregular da turbulência complica todas as análises . De fato, costuma-se dizer que a turbulência é o “último problema não resolvido da física matemática clássica”.
A principal ferramenta disponível para sua análise é a análise CFD . O CFD é um ramo da mecânica de fluidos que utiliza análise e algoritmos numéricos para resolver e analisar problemas que envolvem fluxos de fluidos turbulentos. É amplamente aceito que as equações de Navier-Stokes (ou equações simplificadas de Navier-Stokes, com média de Reynolds ) são capazes de exibir soluções turbulentas, e essas equações são a base de praticamente todos os códigos CFD.
Fluxo Turbulento Externo – Número Nusselt
O número médio de Nusselt em toda a placa é determinado por:
Essa relação fornece o coeficiente médio de transferência de calor para a placa inteira somente quando o fluxo é turbulento sobre a placa inteira ou quando a região de fluxo laminar da placa é muito pequena em relação à região do fluxo turbulento.
Fluxo Turbulento Interno – Número Nusselt
Veja também: Equação de Dittus-Boelter
Para um fluxo turbulento totalmente desenvolvido (hidrodinamicamente e termicamente) em um tubo circular liso, o número local de Nusselt pode ser obtido a partir da conhecida equação de Dittus-Boelter . A equação Dittus® Boelter é fácil de resolver, mas é menos precisa quando existe uma grande diferença de temperatura no fluido e é menos precisa para tubos ásperos (muitas aplicações comerciais), pois é adaptada para tubos lisos.
A correlação de Dittus-Boelter pode ser usada para diferenças de temperatura pequenas a moderadas, T wall – T avg , com todas as propriedades avaliadas a uma temperatura média T avg .
Para fluxos caracterizados por grandes variações de propriedades, as correções (por exemplo, um fator de correção de viscosidade μ / μ de parede ) devem ser levadas em consideração, por exemplo, como recomendam Sieder e Tate .
Cálculo do número de Nusselt usando a equação de Dittus-Boelter
Para um fluxo turbulento totalmente desenvolvido (hidrodinamicamente e termicamente) em um tubo circular liso, o número local de Nusselt pode ser obtido a partir da conhecida equação Dittus® Boelter .
Para calcular o número de Nusselt , precisamos saber:
- o número de Reynolds , que é Re Dh = 575600
- o número Prandtl , que é Pr = 0,89
O número de Nusselt para a convecção forçada dentro do canal de combustível é então igual a:
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