[pt] MEDIÇÕES DO ESCOAMENTO TURBULENTO EM TUBOS NA PRESENÇA DE POLÍMEROS REDUTORES DE ATRITO

[en] TURBULENCE MEASUREMENTS IN PIPE FLOW WITH DRAG REDUCING POLYMER ADDITIVES

[pt] LADY MARYLIN PUMISACHO OCAÑA

[pt] QUEDA DE PRESSAO

[pt] ESCOAMENTO EM DUTO

[pt] REDUCAO DE ATRITO

[en] PRESSURE DROP

[en] PIPELINE FLOW

[en] FRICTION REDUCTION

[pt] O fato que a dissolução de pequenas quantidades de polímero de cadeias moleculares longas em fluxo turbulento através dutos reduz drasticamente o atrito, é conhecido há muitos anos. No entanto, muitos aspectos fundamentais deste fenômeno ainda não são bem compreendidos, particularmente os mecanismos de interação entre o polímero e o solvente. O presente trabalho descreve os resultados de um estudo voltado para fornecer informações detalhadas sobre as características da turbulência no escoamento de água com aditivo polimérico através de tubos. Para isto, foram realizados experimentos para medir o campo instantâneo de velocidade em uma seção longitudinal de um tubo, empregando a técnica de Velocimetria de Partículas por Imagem, PIV, em sua versão bidimensional. As grandezas estatísticas turbulentas foram obtidas a partir de uma série de 2.500 campos instantâneos de velocidade medidos para cada configuração de escoamento caracterizada pelo número de Reynolds e pela concentração de polímero em água. Foram medidos campos de velocidade média, de flutuações de velocidade dadas por valores RMS e perfis de tensão turbulenta. Especial atenção foi dedicada ao projeto da seção de testes, de modo a minimizar as distorções de imagem junto à parede do tubo. Na região de visualização, a parede do tubo foi usinada com uma espessura de 500 μm para minimizar a refração óptica da superfície curva. Esta tubulação de paredes finas, em combinação com uma caixa de acrílico preenchida com água posicionada ao redor do tubo, permitiu medições de velocidade com a técnica PIV em posições a cerca de 250 μm da parede do tubo, o que equivale a menos de 10 unidades em coordenadas de parede. A análise dos campos de deslocamento das partículas traçadoras nas imagens capturadas empregou uma combinação da técnica PIV clássica com técnicas de acompanhamento de partículas, resultando em medidas com resolução espacial substancialmente melhorada. Os testes foram conduzidos para uma faixa de números de Reynolds de 23000 a 80000, e para 20 ppm de concentração de polímero Superfloc A110 em água. As medidas da queda de pressão indicaram reduções no coeficiente de atrito da ordem de 50%. Os resultados obtidos demonstraram que a presença do aditivo polimérico produz alterações na estrutura do escoamento turbulento junto à parede, o que se reflete em mudanças na camada de amortecimento do perfil de velocidade.

[en] The fact that dissolving a minuscule amount of long-chain polymer molecules in a turbulent pipe flow reduces drastically the frictional drag, has been known for many years. However, many fundamental aspects of this phenomenon are still not well understood, particularly the mechanisms of interaction between the polymer and the solvent. The present paper describes the results of an ongoing project aimed at providing detailed information on the turbulence characteristics of turbulent pipe flow of water with polymer additive. To this end, an experimental program was conducted for measuring the instantaneous longitudinal velocity field employing a two-dimensional Particle Image Velocimetry technique – PIV. Turbulence statistics were obtained from a series of approximately 2500 instantaneous velocity fields measured for each flow configuration characterized by the pipe Reynolds number and the polymer concentration. Profiles of Time-averaged velocity, RMS velocity fluctuations and turbulent shear stresses were measured. Special attention was dedicated to the test section design so as to minimize image distortions close to the pipe wall. At the visualization region, the pipe wall was machined to a thickness of 500 μm to minimize optical refraction of the curved surface. This thin-walled pipe in combination with a plexiglass box filled the water surrounding the pipe, allowed for PIV velocity measurements at approximately 250 μm from the pipe wall, which is equivalent to less than 10 wall units. A combination of classical PIV with particle tracking techniques was employed in the analysis of the particle displacements, what substantially enhanced the spatial resolution of the measurements. Tests were conducted for a Reynolds number range from 23000 to 80000, and for 20 ppm of Superfloc A110 polymer in water. Wall pressure measurements indicated reductions in the friction factor of the order of 50%. The results obtained demonstrated that the presence of the polymer additive alters the turbulence structure at the wall, what produces a shift in the buffer layer of the velocity profile.

LUIS FERNANDO ALZUGUIR AZEVEDO

LUIS FERNANDO ALZUGUIR AZEVEDO

LUIZ EDUARDO BITTENCOURT SAMPAIO

MARCELO ANDREOTTI

2011-08-31

2011-02-21

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PORTUGUÊS

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.18180