Introdução
O tubo de Venturi é amplamente utilizado para medição de vazão e controle de fluxo em diversas aplicações industriais. Sua geometria particular causa variações de pressão e velocidade do fluido, possibilitando estudos detalhados do comportamento hidrodinâmico. Neste post, apresentamos a simulação de escoamento em um tubo de Venturi utilizando o método de Lattice Boltzmann (LBM), com foco em analisar a velocidade do fluido, os fenômenos interfaciais envolvidos e como diferentes parâmetros físicos influenciam o comportamento do escoamento.
Geometria do Sistema
A geometria do tubo de Venturi usada na simulação é descrita abaixo:
- Entrada de Fluido (Inflow): Representada por um cilindro de raio 20 unidades entre as coordenadas (0, 50, 50) e (5, 50, 50).
- Saídas de Fluido (Outflow): Duas saídas são simuladas:
- Cilindro entre (200, 50, 50) e (190, 50, 50) com raio de 20.
- Cilindro entre (115, 3, 50) e (115, 7, 50) com raio de 10.
- Tubo de Venturi:
- Cilindro 1: (5, 50, 50) a (40, 50, 50), raio 20.
- Cone 1: (40, 50, 50) a (80, 50, 50), raio de 20 a 10.
- Cilindro 2: (80, 50, 50) a (120, 50, 50), raio 10.
- Cone 2: (120, 50, 50) a (160, 50, 50), raio de 10 a 20.
- Cilindro 3: (160, 50, 50) a (195, 50, 50), raio 20.
A geometria inclui transições suaves para representar variações de área ao longo do tubo, capturando a dinâmica do fluido com precisão.
Parâmetros Físicos e de Discretização
Os parâmetros gerais utilizados nas simulações são:
- Resolução: 1 voxel por comprimento característico (CharPhysLength = 0,1 unidades).
- Velocidade Característica: 0,2 unidades.
- Propriedades do Fluido:
- Viscosidade cinemática: Varia conforme o experimento.
- Densidade: Varia conforme o experimento.
- Velocidade Máxima do Fluido: 2 m/s.
Fenômenos Interfaciais no Tubo de Venturi
Os fenômenos interfaciais desempenham um papel importante na análise de escoamento no tubo de Venturi, especialmente em aplicações industriais como a flotação e o controle de fluidos multifásicos. A seguir, discutimos os principais fenômenos interfaciais presentes:
Tensão Superficial: Em aplicações que envolvem misturas ou interfaces líquido-gás, a tensão superficial afeta a formação de bolhas e gotas. No tubo de Venturi, a alta velocidade nas regiões de garganta pode gerar cisalhamento suficiente para criar novas interfaces.
Potencial Zeta: Em sistemas multifásicos, como emulsões ou partículas suspensas, o potencial zeta determina a estabilidade das interfaces e o comportamento de partículas no fluxo.
Gradientes de Pressão: As transições de diâmetro criam regiões de alta e baixa pressão, promovendo efeitos interfaciais como cavitação (quando o fluido atinge a pressão de vapor) e mudanças no comportamento de misturas bifásicas.
Transferência de Massa entre Fases: Em sistemas envolvendo gás e líquido, o tubo de Venturi facilita a dissolução de gases em líquidos devido ao aumento da área interfacial proporcionado pela turbulência.
Cavitação: O rápido decréscimo de pressão na garganta pode induzir a formação de cavidades de vapor, um fenômeno interfacial importante em processos como flotação e limpeza industrial.
Esses fenômenos são relevantes para a otimização de projetos envolvendo tubos de Venturi em sistemas multifásicos.
Experimentos Realizados
Simulação de Escoamento no Tubo de Venturi - Experimento 1
Título: Simulação de Escoamento no Tubo de Venturi - Fluido Padrão
- Descrição: Simulação básica de escoamento em um fluido com viscosidade e densidade padrão.
- Parâmetros:
- Viscosidade cinemática: 0,001 m²/s.
- Densidade: 1 kg/m³. Parâmetros de entrada completos aqui!
Simulação de Escoamento no Tubo de Venturi - Experimento 2
Título: Simulação de Escoamento no Tubo de Venturi - Fluido com Alta Viscosidade e Alta Densidade
- Descrição: Simulação de fluido viscoso, representando óleos industriais.
- Parâmetros:
- Viscosidade cinemática: 0,05 m²/s.
- Densidade: 1500 kg/m³. Parâmetros de entrada completos aqui!
Simulação de Escoamento no Tubo de Venturi - Experimento 3
Título: Simulação de Escoamento no Tubo de Venturi - Fluido Leve com Baixa Viscosidade
- Descrição: Simulação de um fluido leve, como a água.
- Parâmetros:
- Viscosidade cinemática: 0,001 m²/s.
- Densidade: 800 kg/m³. Parâmetros de entrada completos aqui!
Simulação de Escoamento no Tubo de Venturi - Experimento 4
Título: Simulação de Escoamento no Tubo de Venturi - Fluido Não Newtoniano
- Descrição: Simulação de um fluido de alta viscosidade e baixa densidade, representando misturas ou emulsões.
- Parâmetros:
- Alta viscosidade (ajustada).
- Baixa densidade (ajustada). Parâmetros de entrada completos aqui!
Simulação de Escoamento no Tubo de Venturi - Experimento 5
Título: Simulação de Escoamento no Tubo de Venturi - Fluido Denso com Baixa Viscosidade
- Descrição: Simulação de fluido com baixa viscosidade e alta densidade, representando água do mar.
- Parâmetros:
- Viscosidade cinemática: Baixa (ajustada).
- Densidade: Alta (ajustada). Parâmetros de entrada completos aqui!
O Papel do Tubo de Venturi na Flotação
O tubo de Venturi é essencial em processos de flotação, usados em separações industriais e tratamento de água. A zona de baixa pressão na garganta do tubo favorece a formação de bolhas de gás, essenciais para capturar partículas sólidas e aumentar a eficiência do processo. Fenômenos interfaciais como cavitação, transferência de massa e gradientes de pressão são fundamentais para o desempenho desses sistemas.
Conclusão
As simulações realizadas demonstram a flexibilidade do método de Lattice Boltzmann para estudar o comportamento de fluidos em tubos de Venturi, considerando diferentes condições de fluido e propriedades físicas. Este estudo fornece insights importantes para aplicações industriais como medição de fluxo, flotação e controle de escoamentos complexos.