Tese: Caracterização experimental de jato incidente sobre superfície côncava em espaço anular
Aluno(a) : Luiz Fernando Bermero NardiOrientador(a): Igor de Paula
Área de Concentração: Termociências
Data: 19/09/2018
Link para tese/dissertação: http://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.36406
Resumo: Vibrações induzidas por escoamento tem apresentado cada vez mais importância na indústria do petróleo, devido a número de Reynolds cada vez maiores no interior de poços. Apesar de ser inofensiva à maior parte das estruturas presentes em poços, a exposição prolongada a fenômenos de vibração pode causar o desgaste de micro-componentes da coluna de produção, principalmente, se somados aos ciclos de temperatura e pressão que agem naturalmente sobre a tubulação.Apesar de o escoamento em dutos ter sido extensivamente investigado, pouco foi produzido para escoamentos anulares de alta vazão, em especial, no que diz respeito a fenômenos de turbulência e vibração. Este estudo pretende investigar os vórtices formados em geometrias básicas de injeção em espaço anular, bem como as implicações de tais vórtices na vibração das estruturas. O método escolhido foi a velocimetria por imagem de partículas (PIV), seguida por Decomposição Ortogonal Própria (POD), para identificar eventos turbulentos dominantes.A geometria escolhida foi inédita, em toda a literatura estudada, portanto, para fins de comparação, foram estudadas geometrias semelhantes, principalmente a do jato incidente sobre superfície côncava.Jatos incidentes tem ampla aplicação, na indústria. Eles aumentam consideravelmente a transferência de calor e massa numa superfície. Entre as mais comuns aplicações estão o resfriamento de circuitos eletrônicos, câmaras de combustão e altos-fornos.Os jatos também podem ser encontrados na indústria da energia, em poços de injeção de água ou gás. Nesses poços, altas vazões são lançadas contra as paredes da tubulação, através de pequenos orifícios de válvulas de controle de fluxo. Durante essa injeção, algumas complicações podem surgir, devido ao fenômeno da vibração induzida por escoamento.Em poços injetores, é comum a ocorrência de altos números de Reynolds, muitas vezes da ordem de 10 ^6, sendo essa condição muito difícil de ser reproduzida em túnel de vento.Os jatos incidentes podem ser divididos em quatro regiões: camada de cisalhamento livre, esteira turbilhonar, região de estagnação e, finalmente, jato de parede. Também é possível definir o núcleo potencial, como a região onde a velocidade do jato cai até 95% do valor a montante.Em 1999, Cornaro et al. Visualizou um jato incidente em diversos tipos de anteparo, inclusive superfícies côncavas e convexas, através de visualização com fumaça. Foram usados altos valores de curvatura relativa (até d/D = 0,38). A autora demonstrou que, caso a distância entre jato e parede fique abaixo do comprimento do núcleo potencial, serão formados vórtices coerentes junto às superfícies curvas. Porém, para grandes distâncias, assim como para alguns valores críticos de L/D, ocorrerão fortes oscilações do ponto de estagnação. L/D é a distância adimensional entre jato e parede.Outra contribuição importante na caracterização desses jatos foi feita por Hashiebaf, em 2015. Ele mediu jatos incidentes sobre superfícies côncavas. Diversos perfis de velocidade foram obtidos e mostraram-se muito semelhantes aos perfis do jato livre, exceto na região de parede, onde se observa queda abrupta na velocidade. O autor também conseguiu descrever as estruturas turbulentas notáveis ao redor do jato.Para a análise de transferência de calor, valem ser mencionadas as contribuições de Choi (2001) e Kayansayan (2001), que conseguiram observar o segundo pico do número de Nusselt na parede, provavelmente associado com a maior turbulência dessa região, se comparado ao ponto de estagnação.