Estudo da transição reversa no escoamento em tubulações

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12333 (2023) Citar este artigo

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Na transição reversa no fluxo do tubo, o fluxo turbulento muda para um fluxo laminar menos perturbado. A entropia do fluxo parece diminuir. Este estudo examinou a transição reversa experimental e teoricamente usando modelos de mudança de entropia e equilíbrio de momento, não em termos de perturbação no fluxo. A transição reversa foi realizada diminuindo o número de Reynolds. As transições correlacionaram-se aproximadamente com os números de Reynolds locais. O número de Reynolds inicial da transição tornou-se maior e a pressão em números de Reynolds baixos foi maior do que no fluxo de tubulação comum. Esses comportamentos foram causados ​​pelo fluxo turbulento no tubo passando por uma transição reversa. Mostramos que a entropia não diminuiu na transição reversa ao incluir a entropia devido ao atrito na região de desenvolvimento.

A transição laminar para turbulenta foi descrita pela primeira vez por Reynolds no século XIX1, e desde então tem sido estudada em escoamentos de tubulações e dutos. Embora o fenómeno de transição seja comum e aparentemente simples, vários problemas permanecem por resolver. Um dos problemas é a ocorrência de “relaminarização”, também conhecida como transição reversa2,3,4,5,6,7,8,9. Neste fenômeno, o fluxo turbulento perturbado muda para um fluxo laminar menos perturbado. Consequentemente, a entropia do fluxo parece diminuir. Narasimha e Sreenivasan2 relataram que “uma reação comum quando o assunto era mencionado costumava ser a de que a transição implícita da desordem para a ordem era termodinamicamente impossível!” Patel e Head3 examinaram as semelhanças e diferenças nas transições reversas em fluxos de tubos e camadas limites. Sibulkin6 relatou que a transição relaminarizante ocorreu mais rapidamente em números de Reynolds menores. Narayanan7 relatou a distância necessária para a transição reversa. Seki e Matsubara8 discutiram o número de Reynolds crítico no caso de relaminarização. Esses estudos realizaram uma transição reversa diminuindo o número de Reynolds para menos do que o número de Reynolds crítico, que foi relatado como variando de 1400 a 1700. Abaixo do número de Reynolds crítico, não há transição de fluxo laminar para turbulento. A transição reversa foi discutida em termos de dissipação de perturbação. Contudo, não houve resposta à questão de saber se a transição inversa parece violar a segunda lei da termodinâmica.

Kanda10 estudou uma transição típica de laminar para turbulento em fluxo de tubo reto por equilíbrio de momento na região de transição. Hattori et al.11 revelaram que a turbulência de entrada da região de desenvolvimento para a região de transição afetou a condição de transição a jusante pela mudança de entropia, não em termos de perturbação. Essas relações são fundamentais na física mesmo quando o fluxo é laminar ou turbulento, independentemente de haver perturbação.

No presente estudo, a transição reversa no escoamento da tubulação foi examinada experimental e teoricamente. A condição para uma transição reversa e a transição laminar para turbulenta no fluxo de tubos submetidos a uma transição reversa foram examinadas usando modelos de mudança de entropia e equilíbrio de momento. Este artigo mostra os resultados experimentais e analíticos.

As condições de fluxo da tubulação foram monitoradas através de visualização de tinta e medição de pressão. Dois tubos de uretano com diâmetros diferentes foram conectados por um duto divergente. A Figura 1 mostra esquemas da configuração experimental. Dois tubos de uretano com diâmetros diferentes foram conectados por um duto divergente.

Configuração experimental. (a) Esquema da configuração experimental, (b) bloco de tubo divergente do Tubo A e (c) bloco de tubo divergente do Tubo B.

Nesta situação, o número de Reynolds foi menor na tubulação a jusante do que na tubulação a montante. Para investigar a influência da relação divergente das tubulações montante/jusante na transição reversa, foram testados dois conjuntos de tubulações conectadas. No tubo A, um tubo com diâmetro interno D1 = 6,5 mm e comprimento L1 = 1,73 m foi conectado a um tubo a jusante com diâmetro interno D2 = 11 mm e comprimento L2 = 2,13 m. Na tubulação B, foi utilizado um tubo com diâmetro interno D1 = 8 mm e comprimento L1 = 2,13 m para a tubulação a montante. Para efeito de comparação, o tubo a jusante foi testado sozinho como um tubo comum, designado Tubo C.