A Experimento de Reynolds

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Figura 1 - Esquema da unidade experimental para a experiência de Reynolds.

As principais características dos escoamentos são:

a) Escoamento laminar: é definido como aquele no qual o fluido se move em camadas, ou lâminas, uma camada escorregando sobre a adjacente havendo somente troca de quantidade de movimento molecular. Qualquer tendência para instabilidade e turbulência é amortecida por forças viscosas de cisalhamento que dificultam o movimento relativo entre as camadas adjacentes do fluido.

b) Escoamento turbulento: é aquele no qual a velocidade apresenta componentes transversais ao movimento geral do conjunto ao fluido. O escoamento turbulento apresenta também as seguintes características importantes: Irregularidade, Difusividade, Altos números de Reynolds, Flutuações tridimensionais (vorticidade), Dissipação de energia.

O número de Reynolds (Re) é um número adimensional usado em mecânica dos fluídos e várias outras áreas da engenharia, para o cálculo do regime de escoamento de determinado fluido dentro de um tubo ou sobre uma superfície. É utilizado, por exemplo, em projetos de tubulações industriais e asas de aviões. O seu significado físico é um quociente entre as forças de inércia e as forças de viscosidade.

Reynolds verificou que a velocidade crítica na qual o fluxo laminar passa a turbulento depende de quatro variáveis:

- Diâmetro interno do tubo [L];

- Viscosidade do fluido [ML-1T-1];

- Densidade do fluido [ML-3];

- Velocidade média do fluido [LT-1].

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Sendo:

Re - Número de Reynolds, [-];

r - Densidade do fluido, [ML-3];

V - Velocidade média de escoamento, [LT-1];

D - Diâmetro interno da tubulação, [L];

m - Viscosidade dinâmica do fluido, [ML-1T-1].

Através da análise adimensional, ele obteve o chamado número de Reynolds (Re). Um número adimensional é toda variável cuja equação dimensional é da forma:

[p] = Fº Lº Tº

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Contudo, o escoamento turbulento obedece aos mecanismos da mecânica dos meios contínuos e o fenômeno da turbulência não é uma característica dos fluidos, mas sim do escoamento.

A importância fundamental do número de Reynolds é a possibilidade de se avaliar a estabilidade do fluxo podendo obter uma indicação se o escoamento flui de forma laminar ou turbulenta. O número de Reynolds constitui a base do comportamento de sistemas reais, pelo uso de modelos reduzidos. Um exemplo comum é o túnel aerodinâmico onde se medem forças desta natureza em modelos de asas de aviões. Pode-se dizer que dois sistemas são dinamicamente semelhantes se o número de Reynolds, for o mesmo para ambos. Dessa forma, foi estabelecido por Reynolds:

- para Re ≤ 2000 - escoamento laminar;

- para 2000

- para Re ≥ 2400 - escoamento turbulento.

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METODOLOGIA EXPERIMENTAL

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Materiais e equipamentos

• Tanque com tubo cilíndrico horizontal;

• Tanque com torneira para injeção de corante;

• Corante (azul de Metileno)

• Cronômetro digital;

• Termômetro de vidro;

• Válvula do tipo globo;

• Balança digital;

• Baldes;

• Béqueres.

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Procedimento

A realização do experimento foi baseada na unidade experimental mostrada na Figura

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Figura 2 Esquema da unidade experimental para a experiência de Reynolds.

Primeiramente encheram-se os tanques A e B da figura com água, sendo que ao tanque B, adicionou-se ainda corante. Em seguida, abriram-se a válvula 1, que libera a água para o condutor circular, a válvula 2, que libera o corante para o tubo capilar do interior do condutor circular, e a válvula 3, de escoamento da água. Esta última válvula teve sua abertura controlada de acordo com o tipo de escoamento desejado para análise, sendo uma pequena abertura para o escoamento laminar, uma abertura um pouco maior para o escoamento de transição e uma abertura maior para o escoamento turbulento. Para cada abertura da válvula coletou-se uma quantidade de água em um béquer, o tempo gasto para tal coleta, e a temperatura da água; esse procedimento foi realizado cinco vezes para cada tipo de escoamento. A água coletada em cada caso foi pesada a fim de se obter a densidade da água à temperatura do experimento.

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RESULTADOS E DISCUSSÃO

A partir do experimento de Reynolds é possível determinar o escoamento laminar e turbulento em tubulações. Utilizando os dados da Tabela 1A do Anexo 1 e alguns valores tabelados pode-se determinar o número de Reynolds (Re), e através dele o tipo de escoamento na tubulação. Conhecendo o escoamento é possível determinar a expressão do perfil de velocidade. Todos os cálculos encontram-se no Anexo I.

A vazão é a variável manipulada do experimento, através da sua alteração é possível observar visualmente e determinar com os devidos cálculos a mudança no escoamento.

Observa-se na Figura 3, imagem registrada durante o experimento, que em baixas vazões não há dispersão do corante e ele permanece num único filamento, pois o fluido escoa em camadas (lâminas), e não pode se notar de forma macroscópica