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INPE-13603-TDI/1042 ANÁLISE DE DISTRIBUIÇÃO DE PRESSÃO EM VÁLVULAS DE DIAFRAGMA POROSO José Carlos Lombardi Tese de Doutorado do Curso de Pós-Graduação em Computação Aplicada, orientada pelo Dr. Jerônimo dos Santos Travelho, aprovada em 30 de março de 2005. INPE São José dos Campos 2006

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INPE-13603-TDI/1042 ANÁLISE DE DISTRIBUIÇÃO DE PRESSÃO EM VÁLVULAS DE

DIAFRAGMA POROSO

José Carlos Lombardi

Tese de Doutorado do Curso de Pós-Graduação em Computação Aplicada, orientada pelo Dr. Jerônimo dos Santos Travelho, aprovada em 30 de março de 2005.

INPE São José dos Campos

2006

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681.3 LOMBARDI, J. C. Análise de distribuição de pressão em válvulas de diafragma poroso. / J. C. Lombardi. – São José dos Campos: INPE, 2005. 125p.; - (INPE-13603-TDI/1042). 1.Dinâmica dos fluidos computacional. 2.Fluidos hidráulicos. 3.Golpe de Aríete. 4.Materiais porosos. 5.Método dos volumes finitos. I.Título.

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Para Gabi,

Juliana e Luciana.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço a todas pessoas que me ajudaram a vencer mais esta etapa da vida. Ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE pela oportunidade de estudos e utilização de suas instalações. Aos professores do INPE pelo conhecimento compartilhado. À Universidade de Taubaté – UNITAU pelo auxílio financeiro. Ao meu orientador, Dr. Jerônimo dos Santos Travelho, pelo conhecimento passado, e pela orientação e apoio na realização deste trabalho. Ao meu amigo Jeff, pelas lições de vida. Ao meu amigo Hélcio Francisco Villa Nova pela ajuda técnica no uso do software CFX e, principalmente, pelo apoio moral nos momentos difíceis. Ao meu amigo Maurício Ribeiro Baldan pelo apoio, incentivo e companheirismo. Aos amigos que conheci durante o curso e que passaram a fazer parte da minha vida, principalmente as mulheres nota 10, Maju e Nanci. Às minhas amigas dos momentos felizes e dos momentos difíceis, Alindacir, Claudia e Maysa. A meus pais por terem me dado a vida.

A Deus, sem Quem nada seria possível.

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RESUMO

Neste trabalho é proposto o uso de elementos porosos para estudo de dispositivos de fechamento em tubulações. A simulação numérica é feita via um código comercial de DFC (Dinâmica dos Fluidos Computacional), que emprega um esquema numérico baseado em discretização por Volumes Finitos. O objetivo principal está em comparar os resultados 3-D da distribuição de pressão nas faces de fechamento do equipamento em manobra com os resultados obtidos em 1-D, pelo Método das Características, visando obter parâmetros mais precisos para o projeto estrutural de válvulas e comportas empregadas no controle de vazão em tubulações gerais. O emprego de elementos porosos permitirá uma análise fluido-estrutura da válvula e um controle mais suave na manobra de fechamento. Muitos autores têm apresentado resultados referentes a 1-D de instalações hidráulicas. Porém, visões 2-D e 3-D têm sido suprimidas em virtude da limitação do Método das Características, normalmente empregado na solução desses problemas. Este trabalho marca exatamente a possibilidade de implementações mistas, 1-D e 3-D, com métodos apropriados para cada situação.

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ANALYSIS OF PRESSURE IN VALVES WITH POROUS DIAPHRAGM

ABSTRACT

This work proposes the use of porous elements to study the valves in pipe net. The numerical simulation is made by a commercial Computational Fluid Dynamic (CFD) software that applies the Finite Volume Method in discretizing the FDE. The main goal of this work is to compare the results in 3-D of pressure distribution on the faces of the valve against the results 1-D obtained from the Method of Characteristics. The 3-D results will provide better parameters in structural project of valves. The use of porous media will permit an analysis fluid-structure and a smooth control of the valve closing. Many works have been made about 1-D hydraulic installations, but 2-D or 3-D results have been suppressed due the limitations of the Characteristics Method used to solve this kind of problem. This work brings the possibility of mixed implementations, 1-D and 3-D, using the appropriated method for each case.

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SUMÁRIO

Pág.

LISTA DE FIGURAS LISTA DE SÍMBOLOS CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO...................................................................................... 21 1.1 Descrição do Trabalho....................................................................................................21 1.2 Estrutura Geral do Presente Trabalho.............................................................................22 1.3 Revisão Bibliográfica .....................................................................................................23 1.4 Descrição do Problema...................................................................................................25 1.5 Natureza do Golpe de Aríete ..........................................................................................26 1.6 Tubulações ... .............................................................................................................27 1.7 Golpe de Aríete em Instalações de Bombeamento.........................................................30 CAPÍTULO 2 FORMULAÇÃO MATEMÁTICA ........................................................ 35 2.1 Equação do Momento.....................................................................................................35 2.2 Equação da Continuidade ...............................................................................................38 2.3 Equações Características ................................................................................................43 2.4 Método dos Volumes Finitos..........................................................................................45 2.5 Escoamentos Turbulentos...............................................................................................49 2.5.1

Turbulência ........................................................................................................ 50

2.5.2 Modelos de Turbulência ..............................................................................................51

2.5.2.1 Equações de Reynolds (RANS)................................................................................ 52 2.5.2.2 O Modelo de Turbulência ε−Κ .............................................................................. 55 2.5.2.3 Equações do modelo ε−Κ ..................................................................................... 56 2.6 Lei de Manobra de Válvulas...........................................................................................57 CAPÍTULO 3 ANÁLISE 1-D DE ESCOAMENTOS TRANSIENTES ....................... 59 3.1 Descrição........ ... .............................................................................................................59 3.2 Solução Pelo Método das Características.......................................................................59 3.2.1 Condições de Contorno ...............................................................................................61

3.3 Implementação.... ...........................................................................................................62 3.4 Visualização dos Resultados 1-D ...................................................................................63 CAPÍTULO 4 ANÁLISE 3-D DE ESCOAMENTOS TRANSIENTES ....................... 65 4.1 Descrição................ ........................................................................................................65 4.2 Introdução à Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC) ...........................................65 4.2.1 Evolução da DFC ........................................................................................................65

4.2.2 Teoria Matemática da DFC .........................................................................................66

4.2.3 Aplicações da DFC......................................................................................................66

4.2.4 Metodologia da DFC ...................................................................................................67

4.3 Descrição do Código Comercial CFX-5.........................................................................69 4.3.1 Estrutura do CFX-5 .....................................................................................................70

4.4 Discretização Numérica no CFX-5 ................................................................................70 4.4.1 Algoritmo de Solução do CFX-5.................................................................................71

4.4.2 Solução Geral no CFX-5 .............................................................................................72

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4.4.3 Solução do Sistema de Equações Lineares no CFX-5.................................................73

4.4.4 Técnica Multigrid Implementada no CFX-5 ...............................................................73

4.5 Simulação de Escoamento em Material Poroso no CFX-5 ............................................76 4.5.1 Modelo de Perda Direcional ........................................................................................78

4.5.2 Visualização dos Resultados 3-D ................................................................................79

CAPÍTULO 5 COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS.............................................. 107 5.1 Preâmbulo.....................................................................................................................107 5.2 Comparação dos Resultados.........................................................................................113 CAPÍTULO 6 CONCLUSÕES E PROPOSTAS DE TRABALHOS FUTUROS ...... 117 6.1 Conclusões....................................................................................................................117 6.2 Propostas de Trabalhos Futuros....................................................................................117 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 119 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA.................................................................................... 123

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LISTA DE FIGURAS

1.1: Esquema da Válvula com Distribuição da Pressão ................................................. 21 2.1: Volume de Controle Elementar ............................................................................... 35 2.2: Volume de Controle para Balanço de Massa .......................................................... 38 2.3: Volume de Controle de Volumes Finitos ................................................................ 47 2.4: Distribuição de Pressão em Manobras Rápidas ...................................................... 58 2.5: Distribuição da Pressão em Manobras Lentas......................................................... 58 3.1: Gráfico das Retas Características ............................................................................ 59 3.2: Sistema Reservatório-Tubulação-Válvula............................................................... 62 3.3: Variação da Pressão em função do Tempo.............................................................. 63 3.4: Variação da Pressão em função do Tempo.............................................................. 64 3.5: Variação da Pressão em função do Tempo.............................................................. 64 4.1: Volume de Controle usado no CFX-5..................................................................... 71 4.2: Esquema de Malhas usadas na Técnica Multigrid .................................................. 76 4.3: Vista de um seção do tubo contendo a região da válvula........................................ 77 4.4: Vista da válvula em ângulo lateral .......................................................................... 77 4.5: Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 0,5 s.................................. 80 4.6: Distribuição da Pressão após o Diafragma – Tempo: 0,5 s..................................... 80 4.7: Vetor Velocidade – Tempo: 0.5 s............................................................................ 81 4.8: Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 1.0 s................................... 82 4.9: Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 1.0 s...................................... 82 4.10: Vetor Velocidade - Tempo: 1.0 s .......................................................................... 83 4.11: Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 1,5 s................................. 84 4.12: Distribuição da Pressão após do Diafragma - Tempo: 1,5 s.................................. 84 4.13: Vetor Velocidade - Tempo:1,5 s ........................................................................... 85 4.14: Vetor Velocidade - Tempo: 1,8 s .......................................................................... 85 4.15: Vetor Velocidade - Tempo: 1,9 s .......................................................................... 86 4.16: Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 2.0 s................................. 87 4.17: Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 2.0 s.................................... 87 4.18: Vetor Velocidade - Tempo: 2.0 s – Válvula Fechada ........................................... 88 4.19: Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 3,5 s................................. 89 4.20: Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 3.5 s.................................... 89 4.21: Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 4.0 s................................. 90 4.22: Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 4,0 s.................................... 91 4.23: Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 0,5 s................................. 92 4.24: Distribuição de Pressão após o Diafragma - Tempo: 0,5 s.................................... 92 4.25: Vetor Velocidade - Tempo: 0,5 s .......................................................................... 93 4.26: Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 1.0 s................................. 94 4.27: Distribuição de Pressão após o Diafragma - Tempo: 1,0 s.................................... 94 4.28: Vetor Velocidade - Tempo: 1,0 s .......................................................................... 95 4.29: Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 1,5 s................................. 96 4.30: Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 1,5 s.................................... 96 4.31: Vetor Velocidade - Tempo: 1,5 s .......................................................................... 97 4.32: Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 2.0 s................................. 98 4.33: Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 2.0 s.................................... 98

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4.34: Vetor Velocidade - Tempo: 2,0 s .......................................................................... 99 4.35: Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 0,5 s.............................. 100 4.36: Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 0,5 s.................................. 100 4.37: Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 1,0 s............................... 101 4.38: Distribuição da Pressão após o Diafragma – Tempo: 1,0 s................................. 102 4.39: Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 1,5 s............................... 103 4.40: Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 1,5 s.................................. 103 4.41: Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 2.0 s............................... 104 4.42: Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 2.0 s ................................ 105 5.1: Comparação entre Resultados Experimentais, Método das Características e CFX108 5.2: Distribuição da Pressão no Tubo - Caso Estacionário........................................... 108 5.3: Efeito do Refinamento da Malha no CFX............................................................. 109 5.4: Malha usada nas simulações (aproximadamente 2 milhões de nós) ..................... 109 5.5: Malha refinada (aproximadamente 4 milhões de nós) .......................................... 110 5.6: Variação de Pressão na Válvula - Porosidade: 2e-1.............................................. 111 5.7: Variação de Pressão na Válvula – Porosidade 5e-1 .............................................. 111 5.8: Variação de Pressão na Válvula – Porosidade 1e-5 .............................................. 112 5.9: Diferença de Pressão na Válvula – Porosidade: 1e-5............................................ 112 5.10: Pressão antes e depois do Diafragma - VF: 0,25 m/s .......................................... 114 5.11: Diferença de Pressão na Válvula - VF: 0,25 m/s ................................................ 114 5.12: Diferença de Pressão antes e depois da Válvula - VF: 0,5 m/s ........................... 115 5.13: Diferença de Pressão - VF: 0,5 m/s ..................................................................... 115

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LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolos Latinos

A Área da seção transversal do tubo

A Vetor área do escoamento em meio poroso

A’ Vetor área disponível para escoamento em meio poroso

AG Área de abertura da Válvula

a Velocidade do pulso de pressão ou celeridade

C Coeficiente que introduz os efeitos da relação de Poisson

−+ CC , Equações características

Cd Coeficiente de descarga na válvula

CM,CP Constantes conhecidas das equações características

CR1 Coeficiente de resistência linear em meio poroso

CR2 Coeficiente de resistência quadrático em meio poroso

dt Quantidade infinitesimal de tempo

D Diâmetro do Tubo

dx Distância incremental

E Energia; Módulo de Elasticidade linear do tubo

ijE Tensor da taxa média de deformação em escoamento turbulento

e Espessura da parede do Tubo

ije Tensor da taxa de deformação em escoamento turbulento

'ije Tensor da componente flutuante da taxa de deformação

f Fator de atrito de Darcy-Weisbach

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F Força

g Aceleração da Gravidade

H,h Altura Piezométrica

H0 Pressão média para o caso estacionário

HR Pressão da coluna d’água no reservatório

HP Pressão desconhecida em algum ponto computacional

k Energia cinética por unidade de massa

K Módulo de Elasticidade Volumétrica; Condutividade Hidráulica

K Energia cinética média do modelo ε−Κ

Kloss Coeficiente de perda empírico em meio poroso

K Tensor simétrico de segunda ordem ou tensor de área de porosidade

L Comprimento da tubulação

m Massa

nr Vetor normal

M Número de Mach

P Ponto de solução em um plano xt; Pressão média no modelo ε−Κ

p Pressão

Q Vazão instantânea em uma seção do tubo

r Raio do Tubo

S Termo Fonte nas equações de Navier-Stokes

SM Fonte geral de momentum em meio poroso

Sspec Fontes de momentum

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t Tempo; Como subscrito especifica diferenciação parcial em relação ao tempo

tc Tempo de fechamento de uma Válvula

Ti Intensidade da turbulência

U Velocidade na direção x

U0 Velocidade média do escoamento

Uref Velocidade de referência

U Vetor velocidade

u Componente x do vetor velocidade U

''jiuu Tensores do stress de Reynolds

V Velocidade na direção x; Volume físico do meio poroso; Volume

'V Volume disponível para escoamento em meio poroso

v Componente y do vetor velocidade U; Volume

W Velocidade na direção z

w Componente z do vetor velocidade U

x Distância ao longo do Tubo

y Diferença entre a altura do Tubo e o nível do reservatório

Z,z Altura em relação ao solo no sentido vertical

Símbolos Gregos

α Ângulo de inclinação da tubulação

δx Distância infinitesimal

δt Quantidade infinitesimal de tempo

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∆A Variação da área transversal do tubo

∆p Variação da pressão

∆x Intervalo espacial da malha

∆t Intervalo de tempo da malha

∆V Variação do Volume

ε Taxa de dissipação de energia cinética turbulenta no modelo ε−Κ

ε1 Contração longitudinal relativa do tubo

ε2 Dilatação transversal relativa do tubo

φ Valor escalar

rmsφ Valor médio quadrático das flutuações no modelo ε−Κ

'φ Componente escalar que varia com o tempo em regimes turbulentos

Φ Valor médio usado nas equações de modelos de turbulência

Γ Coeficiente de difusão

γ Peso específico do fluido; Fator de permeabilidade

Κ Energia cinética no modelo ε−Κ

λ Multiplicador usado no Método das Características

µ Relação de Poisson; viscosidade; coeficiente de viscosidade;

ν Viscosidade cinemática

π Número adimensional Pi

θ Relação entre as dimensões da malha, ∆t/∆x

ρ Massa específica do fluido

σ

Tensão de tração

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τ Tempo de fechamento da Válvula; Período da tubulação

0τ Tensão de cisalhamento

ψ Valor escalar

'ψ Componente escalar que varia com o tempo em regimes turbulentos

Ψ Valor médio usado nas equações de modelos de turbulência

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CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

Este trabalho estuda os processos transientes em escoamentos hidráulicos. Nele é

proposto um novo modelo de válvula para controle de vazão em que o elemento

obturador é construído com material poroso. Várias simulações são apresentadas com

elementos de porosidades diferentes, utilizando o software comercial CFX-5. Este

software permite, através de modelo matemático, simular o escoamento de um fluido

em material poroso. Os resultados são comparados com soluções obtidas pelo Método

das Características apresentado em (Wylie & Streeter, 1978). A FIGURA 1.1 mostra o

esquema de um protótipo da válvula a ser construída com elemento poroso e o

comportamento do campo de pressão no momento de um transiente hidráulico.

FIGURA 1.1 - Esquema da Válvula com Distribuição da Pressão.

1.1 Descrição do Trabalho

Neste trabalho é proposto o uso de elementos porosos na construção de dispositivos de

controle de escoamento em tubulações. A proposta inicial é parar o fluxo de fluido na

tubulação através de uma válvula com obturador construído com elemento poroso. Para

isso, foram testadas várias porosidades, apropriadas para barrar o fluxo em

determinadas pressões. Conforme mostrado na FIGURA 1.1, no momento do

fechamento da válvula há um crescimento da pressão antes do obturador e uma

conseqüente queda da pressão após o obturador. Tais variações de pressão podem levar

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22

a tubulação ao colapso caso não sejam instalados dispositivos de proteção. No caso da

válvula construída com elemento poroso, no momento do fechamento, e conseqüente

aumento da pressão, o obturador permitirá a passagem de uma certa quantidade de

fluido até que a pressão caia ao nível normal. Esta quantidade de fluido que atravessa o

meio poroso alivia o aumento de pressão antes do obturador assim como alivia a queda

de pressão após o obturador. Conseqüentemente, funciona como um dispositivo de

proteção, ao mesmo tempo em que controla o escoamento na tubulação. Outra

contribuição importante do trabalho é a determinação do campo de pressão antes do

obturador através de simulações com o software CFX-5 (Ansys, 1996). Diferente do

Método das Características, comumente usado na solução deste tipo de problema, onde

é determinada a pressão média no obturador limitando as informações para o projetista

(Wylie & Streeter, 1978), conhecendo-se o campo de pressão no obturador pode-se ter

parâmetros mais precisos para o projeto estrutural da válvula.

1.2 Estrutura Geral do Presente Trabalho

Este trabalho foi dividido em mais cinco capítulos, descritos a seguir.

• CAPÍTULO 2 – FORMULAÇÃO MATEMÁTICA: Neste Capítulo é tratada a

formulação matemática envolvida na solução do problema.

• CAPÍTULO 3 – ANÁLISE DE TRANSIENTES HIDRÁULICOS 1-D: Neste

Capítulo é tratado o problema da análise de transientes hidráulicos 1-D através

de um programa em linguagem Fortran, utilizando o Método das

Características.

• CAPÍTULO 4 - ANÁLISE DE TRANSIENTES HIDRÁULICOS 3-D: Neste

Capítulo é tratada a análise de transientes hidráulicos 3-D utilizando o

software comercial CFX-5.

• CAPÍTULO 5 – COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS: Neste Capítulo são

comparados os resultados 1-D e 3-D.

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23

• CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES E PROPOSTAS DE TRABALHOS

FUTUROS: Neste Capítulo são apresentadas as conclusões e propostas de

trabalhos futuros.

1.3 Revisão Bibliográfica

Os conceitos básicos e as equações para análise de transientes hidráulicos foram

desenvolvidos e confirmados experimentalmente por Joukowsky, em 1898 e por Allievi,

em 1903 (Streeter & Wylie, 1967). Os métodos de análise dos transientes hidráulicos

baseiam-se nas equações de momento, continuidade ou energia, aplicadas de alguma

forma. A partir destas equações básicas, diferentes métodos, empregando diferentes

níveis de restrições, foram desenvolvidos. Em (Wylie & Streeter, 1978), os autores

apresentaram um estudo dos diversos métodos de análise de transientes hidráulicos, tais

como o método aritmético, gráfico, algébrico, entre outros, mas, principalmente

mostraram as vantagens do uso do método das características através de soluções

numéricas utilizando programas de computador. (Kirik e Gradle, 1981) analisaram o

problema do transiente hidráulico causado pelo fechamento rápido de uma válvula, em

uma linha de distribuição de água. Propuseram um modelo analítico do fechamento da

válvula para prever os efeitos do golpe de aríete e constataram que, com o fechamento

no tempo adequado os efeitos eram bastante atenuados. Os resultados foram

comparados com resultados experimentais, mostrando que o modelo analítico

apresentava estimativas razoáveis. (Popi, 1982), estudou os escoamentos transientes

unidimensionais e bidimensionais em meios porosos não-saturados, tanto de forma

analítica como experimental. Os resultados experimentais foram comparados com um

modelo analítico para o escoamento unidimensional horizontal. Foram feitas

considerações sobre a determinação analítica do coeficiente de difusão da água em

meios porosos. (Koelle, 1983) apresentou um trabalho sobre transientes hidráulicos em

instalações de condutos forçados. Neste trabalho, uma metodologia para a representação

e equacionamento dos dispositivos de uma instalação hidráulica foi apresentada. (Lessa,

1984), apresentou um modelo matemático computacional destinado à análise de

fenômenos transitórios em sistemas complexos de adução de água. As equações são

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resolvidas através do Método das Características. (Mendonça, 1986), fez um estudo dos

transientes hidráulicos em uma instalação experimental de bombeamento de água, em

especial em um trecho situado logo após o conjunto moto-bomba, provocados por

interrupção da energia elétrica. Ensaios de campo foram realizados para diferentes

vazões, o que permitiu observar as variações de pressão máximas e mínimas. Com a

finalidade de examinar teoricamente a questão, Mendonça desenvolveu um modelo

computacional baseado, também, no Método das Características, para simulação das

condições transitórias. (Camargo, 1989), apresentou um artigo em que, baseado nas

equações básicas do golpe de aríete, propõe um método gráfico para representar as

pressões, sobre-pressões e sub-pressões a que a tubulação está sujeita. (Porto, 1990)

apresenta uma formulação adimensional para sistemas de bombeamento, constituídos

por bomba-chaminé de equilíbrio-válvula borboleta, analisando, em função de vários

parâmetros, transientes causados pelo corte de energia. (Camargo, 1991) fez uma

análise no golpe de aríete pelo Método das Características, baseando-se nas teorias

desenvolvidas em (Wylie & Streeter, 1978). (Izquierdo & Iglesias, 2002), apresentaram

um modelo matemático para análise de transientes hidráulicos em sistemas simples de

distribuição, baseado no Método das Características, que resultou no desenvolvimento

de um programa de computador chamado DYAGATS. Os resultados foram comparados

com resultados obtidos pelo software comercial SURGE5. Os mesmos (Izquierdo &

Iglesias, 2004), generalizaram o programa desenvolvido em (Izquierdo & Iglesias,

2002) para sistemas hidráulicos mais complexos, através de um aprimoramento na

definição das condições de contorno. (Nieves, 2004) apresenta um estudo fluido-

estrutura onde analisa problemas de vibrações por ressonância de freqüências a alta e

baixa velocidade de escoamento, bem como técnicas para suavizar o golpe de aríete. No

presente trabalho é proposta uma solução para encontrar o campo de pressão

bidimensional no obturador da válvula, comparando os resultados com soluções

apresentadas na literatura usando o Método das Características. Além disso, é proposta a

construção de uma válvula cujo obturador é construído de material poroso. As

simulações numéricas para determinar a porosidade adequada do obturador são feitas

usando o software comercial CFX-5 (Ansys, 1996).

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1.4 Descrição do Problema

Em sistemas hidráulicos, constituídos de tubulação com água ou qualquer outro líquido

sob pressão, ocorrem com freqüência alterações nas condições de escoamento

caracterizadas pela variação de pressão e de velocidade de escoamento do fluido em

função do tempo, ocasionando regimes variados. Tais regimes, chamados de transientes

ou transitórios hidráulicos, acontecem durante a passagem de um regime permanente

para outro regime permanente devido à alteração das condições de contorno. Durante o

transitório hidráulico, as oscilações de pressão ao longo da canalização ocorrem de

maneira brusca, provocando ruídos que se assemelham a pancadas. Por isso, o

transitório hidráulico é, também, chamado de Golpe de Aríete. As sobre-pressões e sub-

pressões que ocorrem durante o transitório hidráulico podem causar sérios problemas à

tubulação e seus equipamentos, se estes não forem dimensionados para suportar tais

sobrecargas ou então, que medidas atenuantes sejam adotadas. Se tais cuidados não

forem tomados, certamente serão comprometidos a segurança, o funcionamento e a

integridade do sistema. Assim, a determinação das pressões máximas e mínimas é de

fundamental interesse do engenheiro, a fim de poder dimensionar a tubulação e

introduzir equipamentos protetores adequados, cuja finalidade é amortecer as variações

de carga, prejudiciais à vida útil da instalação. A análise do Golpe de Aríete nos

sistemas hidráulicos é baseada na equação da continuidade e na equação da quantidade

de movimento. Essas duas equações formam um sistema de equações diferenciais cuja

solução exata não está disponível, sendo necessário utilizar técnicas específicas para

determinar uma solução aproximada do problema. Desse modo, foram criados

diferentes métodos gráficos e analíticos, baseados em diferentes suposições restritivas.

Esses métodos, porém, são pouco precisos e difíceis de serem aplicados a sistemas

complexos. Apesar dos fenômenos transitórios serem conhecidos desde o início do

século, foi só recentemente, com o surgimento e aperfeiçoamento dos computadores

digitais, que estes fenômenos puderam ser estudados mais detalhadamente, sem a

necessidade de simplificações grosseiras (Streeter & Wylie, 1967; Wylie & Streeter,

1978). Para o estudo do Golpe de Aríete é necessário o conhecimento das condições

iniciais do regime permanente e das condições de contorno da instalação, que são os

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pontos onde ocorrem descontinuidades das grandezas físicas, como pressão e

velocidade do escoamento.

1.5 Natureza do Golpe de Aríete

As variações de pressão, resultantes da variação da vazão causadas por perturbações no

escoamento permanente, em condutos forçados, são conhecidas por Golpe de Aríete.

Estas alterações de pressão variam com o tempo e se propagam em forma de ondas ao

logo da tubulação. Entre os diversos eventos que podem causar o Golpe de Aríete estão

as operações de abertura ou fechamento de válvulas ou paradas de eletrobombas, que

provocam o transitório. Durante este regime variável, a pressão pode atingir níveis

indesejáveis, causando danos à tubulação e aos dispositivos instalados. Uma descrição

do fenômeno pode ser feita, por exemplo, analisando o fechamento de uma válvula na

extremidade de uma tubulação. Como a energia cinética do escoamento não pode ser

anulada, esta energia, ou parte dela, é transformada em energia de pressão, aumentando

a pressão em relação à pressão reinante antes do evento (Macintyre, 1997). Esta sobre-

pressão é o Golpe de Aríete, um dos chamados fenômenos transitórios. A energia de

pressão resultante do Golpe de Aríete se converte em trabalho de compressão do líquido

e de deformação das paredes da tubulação, válvulas e máquinas, em locais onde a onda

de sobre-pressão se propaga. Supondo-se uma massa m de líquido, escoando com

velocidade V, a quantidade de movimento a que essa massa está sujeita, dada por mV, é

igual à impulsão gerada por uma força F agindo durante um tempo t, ou seja:

( ) ∫+

=∆tt

tFdtmV

δ0

0

(1.1)

Se o tempo tδ se reduzisse a zero, no caso de uma manobra instantânea de fechamento

da válvula, F tenderia ao infinito. Na prática o fechamento leva sempre um certo tempo

e a energia a ser absorvida se transforma em esforços de compressão do líquido e

deformação das paredes da tubulação e dos dispositivos que fazem parte da tubulação.

O volume que contém o líquido parado irá se expandir, na forma de uma onda de

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pressão, ao longo da tubulação, a uma certa velocidade a denominada velocidade de

propagação da onda de pressão ou celeridade. No estudo do Golpe de Aríete as

variáveis dependentes, podem ser a pressão p e a velocidade média V, ou,

alternativamente, a carga H e a vazão Q. As variáveis independentes são sempre a

posição x, medida ao longo do eixo do tubo, e o tempo t, sempre com origem a partir do

início da manobra que produziu o transitório. Os parâmetros de interesse para o estudo

do Golpe de Aríete são: o diâmetro interno do tubo D, a espessura da parede do tubo e,

o comprimento L e a duração da manobra de fechamento τ . As propriedades físicas

envolvidas são: a massa específica ρ , o módulo de elasticidade volumétrica do líquido

K e o módulo de elasticidade linear do material do tubo E.

1.6 Tubulações

As tubulações podem ser feitas de vários materiais tais como aço, pvc, concreto, etc.

Cada tipo de material tem suas características próprias que interferem no

comportamento do escoamento do fluido em seu interior. Um dos parâmetros mais

importantes a ser estudado, e que depende do material do qual é feita a tubulação e de

como ela está ancorada, é a velocidade de propagação da onda de pressão no fluido ou

celeridade (Koelle, 2002), que é dada por:

pA

eAKD

K

a

∆∆

+=

1

ρ

(1.2)

onde K é o módulo de elasticidade volumétrica do líquido, ρ é a massa específica do

fluido, D é o diâmetro interno da tubulação e e é a espessura da parede do tubo. A

determinação de ∆A/A.∆p , que relaciona o efeito da deformação transversal

relativa AA /∆ da tubulação com a variação da pressão ∆p que provoca essa deformação,

é efetuada para cada tipo de estrutura e condições de assentamento (vínculos) da

tubulação, o que define as condições de deformação. Sendo E o módulo de Elasticidade

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de Young do material do tubo, pode-se definir um número adimensional que depende

das características elásticas do conduto:

pE

AAC

∆∆

= (1.3)

Com o uso desse número adimensional, a equação para a celeridade fica:

CeEKD

K

a+

=1

ρ

(1.4)

A celeridade, então, vai depender das características do fluido K/ρ, das características

do material da tubulação (E), da geometria (D/e), e de como a tubulação está instalada

fisicamente (Koelle, 2002).

A determinação de C é feita para os vários casos a seguir.

• Tubulação Rígida

Neste caso, 0=∆A , e portanto, 0=C . A celeridade é máxima e dada por ρK que é

a velocidade do som no fluido.

• Tubulação Elástica com Parede Fina

Por parede fina entende-se as tubulações com relação entre o diâmetro (D) e a espessura

da parede (e) maior que 40, ou seja, 40/ >eD . Nestas condições, quando a tubulação é

submetida a um aumento da pressão interna p∆ , a dilatação transversal é acompanhada

de uma contração longitudinal proporcional, sendo esta proporcionalidade constante

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entre os limites elásticos, para um determinado material. Esta constante designada por

µ , é chamada de Relação de Poisson, e dada por:

1

2

....

εεµ ==

relativaallongitudincontraçãorelativaltransversadilatação

(1.5)

Para materiais com a mesma propriedade elástica em todas as direções (materiais

isótropos), Poisson achou, analiticamente, o valor de 25,0=µ . Para este tipo de

tubulação podem-se considerar três casos:

a) O movimento longitudinal é restrito pela pressão interna exercida no

extremo do tubo pela válvula fechada. Neste caso, tem-se:

eDC

−=

21 µ

(1.6)

b) A tubulação é ancorada nos extremos e impedida de deformar-se

longitudinalmente. Tem-se, então:

( )eDC 21 µ−=

(1.7)

c) Se a tubulação não transmite tensões longitudinais, como é o caso de

tubulações com juntas elásticas do tipo ponta e bolsa, com anéis de

vedação, tem-se:

eDC =

(1.8)

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• Tubulação com Parede Espessa

Para as mesmas situações do item anterior, tem-se:

para o caso a:

( )

+

++=2

11

12 µµ

Dee

DC (1.9)

para o caso b:

( ) ( )211

12 µµ −

+

++=

Dee

DC (1.10)

para o caso c:

( )

+

++=

Dee

DC1

12 µ (1.11)

1.7 Golpe de Aríete em Instalações de Bombeamento

O Golpe de Aríete em instalações de bombeamento pode ocorrer por vários motivos,

entre eles a atuação rápida das válvulas e dispositivos de regularização, pela interrupção

da corrente elétrica que alimenta o motor, deliberadamente ou não, e, eventualmente,

pela ocorrência de um defeito mecânico da bomba. O desenvolvimento do Golpe de

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Aríete em uma instalação de bombeamento acontece da seguinte maneira

(Macintyre,1997)

Fase 1 - Quando o fornecimento de energia elétrica é interrompido, a única energia que

mantém o rotor girando por algum tempo é a energia cinética dos elementos rotatórios

do conjunto moto-bomba. Esta energia, porém, é pequena para manter a descarga sob a

altura manométrica da instalação, de modo que a velocidade angular do rotor decresce

rapidamente. A redução da velocidade angular provoca diminuição da descarga. A

coluna líquida na linha de recalque prossegue escoando em virtude da inércia e à

energia residual do rotor, também em virtude da inércia do conjunto rotatório. Nesta

fase ocorre redução na pressão interna da tubulação, sendo maior no início, na união

com a bomba e propagando-se ao longo do encanamento no sentido da saída. É o

chamado Golpe de Aríete Negativo. Cada elemento do encanamento se contrai por uma

diminuição elástica do diâmetro enquanto a onda de depressão se propaga até o

reservatório, com uma velocidade a, que pode ser calculada pela fórmula de Allievi

(Koelle, 2002):

eDK

a+

=3,48

9900 (1.12)

onde

D é o diâmetro do tubo, em metros;

e é a espessura da parede do tubo, em metros;

K assume valores diferentes para cada material usado na construção do tubo.

Se a distância entre a bomba e o reservatório é l, o tempo que a onda leva para chegar ao

reservatório é al . Após este tempo, a tubulação está em depressão ao longo de toda sua

extensão e o líquido fica imóvel.

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Fase 2 - Devido à sua elasticidade, o encanamento retorna ao seu diâmetro normal. O

líquido retorna à bomba e, ao fim de novo tempo al a contar do início do fenômeno,

ou seja, al2 a onda de pressão chega à bomba. Nessa situação, duas coisas podem

ocorrer, dependendo da existência ou não de uma válvula de retenção antes da bomba.

a) Se houver a válvula, o liquido ao encontrá-la será parado, e uma onda de

pressão em sentido contrário irá percorrer o encanamento até o

reservatório, provocando a compressão do líquido e expansão da

tubulação, que é o golpe de aríete positivo. Se a válvula de retenção se

fechar no momento preciso, a sobre-pressão na válvula poderá atingir

valores de até 90% da altura estática de elevação. Os efeitos do golpe de

aríete irão se repetir de forma oscilatória, até a energia ser absorvida pelas

forças elásticas do encanamento (dilatação e contração).

b) Se não houver a válvula de retenção, o liquido irá escoar na bomba no

sentido inverso, embora durante algum tempo, o rotor por sua inércia,

continue girando no mesmo sentido. É a fase de dissipação da energia. O

rotor vai girando cada vez mais devagar, sua velocidade de rotação passa

por zero e começa, depois, a girar em sentido contrário como se fosse uma

turbina hidráulica sob a ação da água que vem da linha de recalque.

Fase 3 - Os elementos sucessivos do encanamento irão sofrer os efeitos da onda de

pressão à medida que ela se propaga. Ao fim de novo tempo al , ou seja, al3 a partir

do início, todo o encanamento terá se dilatado com o líquido submetido à sobre-pressão

e estará imóvel.

Fase 4 - Novamente, devido à sua elasticidade, o encanamento recupera seu diâmetro

primitivo, no sentido de volta à bomba. Ao fim de um novo tempo al , ou seja, al4 a

partir do início, volta-se à situação que existia no momento do desligamento da bomba.

O período do movimento total é, então, al4 . O ciclo se repetiria indefinidamente se

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não houvesse o efeito amortecedor das perdas de carga e da elasticidade do material do

encanamento.

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35

CAPÍTULO 2

FORMULAÇÃO MATEMÁTICA

As equações do movimento transiente são derivadas de duas equações básicas da

mecânica que são a equação da continuidade e a segunda lei de Newton ou equação de

momento, cujo desenvolvimento e aplicação dados a seguir foram baseados em

(Camargo, 1991).

2.1 Equação do Momento

Considere-se o elemento de fluido especificado na FIGURA 2.1:

FIGURA 2.1 - Volume de Controle Elementar.

FONTE: Adaptada de Streeter & Wylie (1967).

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Nesta figura têm-se como variáveis dependentes, a pressão p e a velocidade V, e como

variáveis independentes, a distância x e o tempo t. A equação do movimento baseia-se

no somatório das forças que atuam no elemento de fluido. Assim, tem-se:

a) Força resultante da diferença de pressão entre as seções,

dxxpAAdx

xpppA

∂∂

−=

∂∂

+− (2.1)

b) Força resultante da componente do próprio peso,

dxxZgAgAdx

∂∂

−= ραρ sen (2.2)

uma vez que senα = ∂Z/∂x e ρ é a massa específica do fluido.

c) Força resultante da resistência devida ao atrito com o conduto,

dxDVfV

AdxD

fVgADdx22

2

0 ρρπτ =±= (2.3)

com

8/20 fVρτ = (2.4)

onde f é o fator de atrito de Darcy-Weisbach. A Equação 2.4 é derivada da

equação de Darcy-Weisbach, dada por

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37

2

2VDfLp ρ

=∆ (2.5)

e do balanço de forças no tubo quando em escoamento permanente dado

por

DLDp τππ=∆

4

2

(2.6)

pela eliminação de ∆p. Usa-se VVV =2 para levar em conta o sinal

adequado quando da inversão do fluxo transitório. De acordo com a

segunda lei de Newton, a soma destas forças deve ser igual ao produto da

massa ρAdx do elemento de fluido pela componente tangencial da

aceleração dV/dt. Assim, a equação do momento será:

tVAdxdx

DVfV

AdxxZgAdx

xpA

∂∂

=+∂∂

−∂∂

− ρρρ2

(2.7)

Dividindo a Equação 2.7 por ρAdx, obtém-se,

dtdV

DVfV

xZg

xp

=+∂∂

−∂∂

−2

(2.8)

Como o termo tV

xVV

∂∂

<<∂∂ , então

tV

dtdV

∂∂

≅ . Levando-se isto em conta

mais o fato de que Q = AV , Z = H − h e p = ρgh, podemos escrever:

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38

02

=+∂∂

+∂∂

DAQfQ

xHgA

tQ

(2.9)

que é a equação diferencial parcial do movimento.

2.2 Equação da Continuidade

FIGURA 2.2 - Volume de Controle para Balanço de Massa.

FONTE: Adaptado de Streeter & Wylie, (1967).

Aplicando-se o princípio da conservação de massa ao Volume de Controle da FIGURA

2.2, sabe-se que a quantidade de massa que atravessa a superfície de fronteira do

volume será igual à variação de massa contida em seu interior. Então, tem-se,

( ) ( )dxAVx

dxAVx

AVAV ρρρρ∂∂

−=

∂∂

+− (2.11)

A variação de massa no tempo é dada por:

( )Adxtt

m ρ∂∂

=∂∂

(2.12)

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39

Somando-se as Equações 2.11 e 2.12, obtém-se:

( ) ( ) 0=∂∂

+∂∂ Adx

tdxAV

xρρ

(2.13)

Desenvolvendo as derivadas parciais, e dividindo por ρAdx, a Equação 2.13 fica:

011=++

∂∂

dtd

dtdA

AxV ρ

ρ

(2.14)

mas,

dtdp

eED

dtdA

A=

1 (2.15a)

e

dtdp

Kdtd 11

ρ

(2.15b)

Porém, como o escoamento está sendo tratado como compressível, e supondo-se um

certo volume v de líquido com massa específica ρ submetido a uma pressão p,

comprimido por uma força F, a massa total do fluido, ρν , permanece constante, ou

seja:

( ) 0=+= ρρρ vddvvd (2.16)

que resulta em

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40

ρρ

ddvv

=− (2.17)

Se os dois membros são multiplicados por dp, então:

Kddp

vdvdp

==−

ρρ

(2.18)

A grandeza K é definida como o módulo de elasticidade volumétrica do fluido. Fazendo

as transformações convenientes na Equação 2.18 e dividindo por dt, chega-se à:

dtdp

Kdtd 11

ρ

(2.19)

Com relação à elasticidade da parede do tubo, verifica-se que:

rdrArdrdA 22 == π

(2.20)

Pela lei de Hooke, quando se trabalha com sólidos de comportamento elástico linear,

tem-se:

Erdrd

(2.21)

Substituindo a Equação 2.21 na Equação 2.20, obtém-se:

σdEAdA 2

= (2.22)

Sendo r o raio do tubo e e a espessura da parede, chega-se a:

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41

dperd =σ

(2.23)

Substituindo-se a Equação 2.23 na Equação 2.22, obtém-se:

dpeEADdp

er

EAdA ==

2 (2.24)

que, após as operações apropriadas, produz:

dtdp

eED

dtdA

A=

1 (2.25)

Substituindo-se as Equações 2.25 e 2.19 na Equação 2.14, obtém-se

01=++

∂∂

dtdp

Kdtdp

eED

xV

(2.26)

O segundo membro da equação 2.26 representa os efeitos da deformação da tubulação

devida à variação de pressão. Conforme definido no Capítulo 1, Seção 1.7 (Tubulações),

quando uma tubulação é submetida a um aumento da pressão interna, a dilatação

transversal é acompanhada de uma contração longitudinal, cuja relação definida como

µ, é conhecida como Relação de Poisson. Esta relação é introduzida pelo número

adimensional C, definido na Seção 1.7 para os vários casos de assentamento da

tubulação, e, obtém-se:

011=

++

∂∂

eEKDC

dtdp

KxV

(2.27)

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42

Usando-se a definição de celeridade dada na Equação 1.4, aqui convenientemente

reescrita:

eEKDC

K

a+

=1

ρ (2.28)

e, elevando-se ao quadrado, fica:

eEKDC

K

a+

=1

2 ρ

(2.29)

Multiplicando-se a Equação 2.27 pela Equação 2.29, obtém-se:

01 2 =+dxdVa

dtdp

ρ

(2.30)

Mas, como:

tp

xVV

dtdp

∂∂

+∂∂

= (2.31)

e como o termo

tp

xpV

∂∂

<<∂∂

(2.32)

então, ................ .................................................................................................................

tp

dtdp

∂∂

≅ (2.33)

Levando-se isto em conta, mais o fato de que Q = AV e que

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43

tHg

tp

∂∂

≅∂∂ ρ

(2.34)

pode-se reescrever a Equação 2.30 como:

02

=∂∂

+∂

∂xQ

gAa

tH

(2.35)

que é a equação diferencial parcial da continuidade.

2.3 Equações Características

As Equações 2.9 e 2.35 representadas por L1 e L2 e aqui reescritas:

02

1 =+∂∂

+∂∂

=DA

QfQxHgA

tQL

(2.36)

022

=∂∂

+∂

∂=

xQ

gAa

tHL

(2.37)

são as equações diferenciais de derivadas parciais, não lineares, do movimento e da

continuidade, para líquidos compressíveis que escoam em tubulações de material com

comportamento elástico (Camargo, 1991). Possuem duas variáveis dependentes Q e H, e

duas independentes x e t. As propriedades do fluido e da tubulação são consideradas

através da celeridade a. Fazendo-se uma combinação linear de L1 e L2, com L = L1 +

λL2, sendo λ um parâmetro qualquer, com a substituição de valores e operações

convenientes, obtém-se:

02

12 =+

∂∂

+∂

∂+

∂∂

+∂∂

DAQfQ

xH

tHgA

xQa

tQ

λλλ

(2.38)

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44

Sendo as funções Q = Q(x, t) e H = H (x, t) soluções das Equações L1 e L2, analisando

a Equação 2.38 verifica-se que o primeiro termo entre parênteses é a derivada total

dQ/dt, se λa2 = dx/dt, já que:

xQa

tQ

dtdx

xQ

tQ

dtdQ

∂∂

+∂∂

=∂∂

+∂∂

= 2λ (2.39)

Analogamente, o segundo termo entre parênteses é a derivada total dH/dt, se 1/λ =

dx/dt, pois:

xH

tH

dtdx

xH

tH

dtdH

∂∂

+∂

∂=

∂∂

+∂

∂=

λ1

(2.40)

Para que as Equações 2.39 e 2.40 estejam corretas, então, é preciso que:

λλ 12 == a

dtdx

(2.41)

ou, então:

a1

±=λ (2.42)

Assim,

adtdx

±= (2.43)

Substituindo-se as Equações 2.39, 2.40 e 2.42 na Equação 2.38, obtém-se:

02

=++DA

QfQdt

dHa

gAdtdQ

(2.44)

se

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45

adtdx

= (2.45)

ou, obtém-se:

02

=+−DA

QfQdt

dHa

gAdtdQ

(2.46)

se

adtdx

−= (2.47)

2.4 Método dos Volumes Finitos

Soluções analíticas para as equações de Navier-Stokes existem apenas para os fluxos

mais simples e sob condições ideais. Para obter a solução para casos reais de

escoamentos um método numérico deve ser adotado. Assim, as equações são

substituídas por aproximações algébricas que podem ser resolvidas por um método

numérico (Versteeg, 1995). No caso do software comercial usado neste trabalho o

método numérico utilizado é o Método dos Volumes Finitos. Em termos físicos, o

Método dos Volumes Finitos permite a solução numérica de equações diferenciais

parciais baseado no balanço de massa, energia e quantidade de movimento,

considerando-se um determinado volume de meio contínuo. Este método evoluiu do

método das diferenças finitas e não apresenta problemas de instabilidade ou

convergência por garantir que, em cada volume discretizado, a propriedade em estudo,

como por exemplo, a massa, obedece à lei da conservação (Maliska, 1995; Fortuna,

2000). É utilizado largamente na resolução de problemas envolvendo transferência de

calor ou massa e em mecânica dos fluidos. Para explicar o funcionamento do Método

dos Volumes Finitos, pode-se analisar a equação diferencial que exprime as leis de

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46

conservação para o transporte de uma grandeza escalar φ em um fluxo transiente dada

por:

( ) ( ) ( ) φφφρρφ Sut

+∇Γ⋅∇=⋅∇+∂∂ r

(2.48)

O primeiro termo do lado esquerdo da equação representa a taxa de variação da

grandeza φ , ao longo do tempo. Assim, para analisar problemas transientes, este termo

deve ser mantido na equação. O segundo termo do lado esquerdo da equação representa

o transporte convectivo. Do lado direito da equação, o primeiro termo representa o

transporte difusivo e o segundo termo representa o termo fonte. A integração do volume

finito para a Equação 2.48, em um volume de controle CV, deve ser feita para cada

passo de tempo dt. Substituindo-se as integrais de volume dos termos convectivos e

difusivos por integrais de superfície aplicando o teorema de Gauss, obtém-se:

( ) ( )

( ) dVSdAn

dtdAundVdtt

tt

t CV

tt

t A

tt

t ACV

tt

t

∫ ∫∫ ∫

∫ ∫∫ ∫∆+∆+

∆+∆+

+

∇Γ⋅

=

⋅+

∂∂

φφ

φρρφ

r

rr

(2.49)

Para ilustrar o processo de discretização da Equação 2.49, será feita a discretização dos

termos difusivo e termo fonte para um volume de controle VC, unidimensional. A

integração do VC é o passo principal da técnica do Método dos Volumes Finitos, e que

distingue esse método de outras técnicas de Dinâmica dos Fluidos Computacional

(DFC). Sendo assim, no caso da difusão e termo fonte integra-se os seguintes termos:

( ) 0=+

∇Γ⋅ ∫∫ dVSdAn

CVAφφr

(2.50)

Para discretizar a Equação 2.50 será usado o VC apresentado na FIGURA 2.3.

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47

FIGURA 2.3 - Volume de Controle de Volumes Finitos.

FONTE: Versteeg (1995).

Baseadas na Figura 2.3 serão introduzidas as técnicas para obter a equação discretizada,

inicialmente em 1-D, que poderá ser entendida para 2-D e 3-D. O primeiro passo do

Método dos Volumes Finitos é dividir o domínio de integração em volumes de controle

discretos. Sendo assim, um espaço delimitado pelos pontos A e B, será dividido em n

pontos. Os limites ou faces de cada volume de controle são posicionados a meio

caminho entre os pontos da divisão, chamados nós. Então, cada nó é englobado em um

volume de controle ou célula. Para facilitar o entendimento, usa-se um sistema de

notação já consagrado na literatura e apresentado em (Versteeg,1995). Essa notação é a

mostrada na Figura 2.3. Nesta figura, um ponto genérico, identificado por P, tem seus

vizinhos a oeste e leste identificados respectivamente por W e E. A face oeste do

volume de controle é identificada por w e a face leste, identificada por e. As distâncias

entre os nós W e P, e entre os nós P e E são identificadas por δxWP e δxPE

respectivamente. Similarmente, as distâncias entre as faces w e o ponto P e entre o

ponto P e a face e são dados por δxwP e δxPe. Nesta figura é mostrado, também, que o

tamanho do volume de controle é ∆x = δxwe. A discretização da Equação 2.50, é dada

por:

0=∆+

Γ−

Γ VS

dxdA

dxdA

we

φφ (2.51)

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48

Uma das principais vantagens do Método dos Volumes Finitos é o fato de ter uma

interpretação física direta. A Equação 2.51 mostra que o fluxo difusivo de φ que sai pela

face Leste menos o fluxo difusivo de φ que entra pela face Oeste é igual a geração de φ

dentro do volume de controle, ou seja, é uma equação do balanço de φ no volume de

controle. Para o cálculo das derivadas, é preciso conhecer o valor do coeficiente de

difusão Γ e do gradiente dxdφ nas faces e e w. Como é comum atribuir-se valores da

propriedade φ e do coeficiente de difusão Γ nos pontos nodais, é preciso fazer uma

aproximação dos valores nas faces. Uma aproximação linear é a maneira mais simples e

natural de fazer estas aproximações. Esta prática é conhecida como diferença central.

Em uma malha uniforme, valores interpolados linearmente para eΓ e wΓ são dados por:

2PW

wΓ+Γ

=Γ (2.52)

2EP

eΓ+Γ

=Γ (2.53)

E os termos do fluxo difusivo nas faces são dados por:

−Γ=

Γ

PE

PEee

e xA

dxdA

δφφφ

(2.54)

−Γ=

Γ

WP

WPww

w xA

dxdA

δφφφ

(2.55)

Em situações reais, o termo fonte S pode ser uma função da variável dependente. Nestes

casos, o Método dos Volumes Finitos aproxima o termo fonte por meio de uma

expressão linear:

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49

PPu SSVS φ+=∆ (2.56)

Substituindo-se as Equações 2.54, 2.55 e 2.56 na Equação 2.51, obtém-se:

( ) 0=++

−Γ−

−Γ PPu

WP

WPww

PE

PEee SS

xA

xA φ

δφφ

δφφ

(2.57)

que pode ser reescrita como:

uEePE

eWw

WP

wPPw

WP

we

PE

e SAx

Ax

SAx

Ax

+

Γ+

Γ=

Γ+

Γ φδ

φδ

φδδ

(2.58)

Identificando os coeficientes de wφ e eφ na Equação 2.58 como sendo wa e ea , e

o coeficiente de Pφ como sendo Pa , ela pode ser escrita como:

ueewwPP Saaa ++= φφφ (2.59)

Onde se tem:

TABELA 2.1- Coeficientes de φ

Wa Ea Pa

wWP

w AxδΓ

ePE

e AxδΓ PEW Saa −+

2.5 Escoamentos Turbulentos

Qualquer caso real de escoamento, desde os mais simples aos mais complexos, torna-se

instável em regimes acima de um certo número de Reynolds, em torno de 2300, dado

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50

por UL/ν, onde U e L são, respectivamente, a velocidade característica e comprimento

característico do escoamento e ν é a viscosidade cinemática. A baixos números de

Reynolds, (Re < 2000), o escoamento é laminar. A altos números de Reynolds, observa-

se um comportamento turbulento do escoamento. Um estado aleatório e caótico se

desenvolve no qual a velocidade e a pressão mudam continuamente em relação ao

tempo em determinadas regiões do fluxo. As maiorias dos fluxos que tem significância

em engenharia são turbulentas. Assim, estudar regimes turbulentos tem aplicação

prática e não apenas teórica. Este tópico dará uma breve introdução à física do regime

turbulento e sua modelagem em Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC) baseado

em (Versteeg, 1995).

2.5.1 Turbulência

O número de Reynolds de um escoamento dá a relação entre as forças de inércia

(associadas com os efeitos convectivos) e as forças viscosas. Em experimentos observa-

se que com número de Reynolds abaixo de um valor crítico, em torno de 2300

(Versteeg, 1995), o escoamento é suave e camadas adjacentes de fluido deslizam uma

pela outra de forma ordenada. Se as condições de contorno não mudam com o tempo, o

escoamento é estável. Este regime é chamado laminar. Com números de Reynolds

acima desse valor crítico, uma série de eventos acontecem e levam a mudanças radicais

nas características do escoamento. No estágio final o comportamento do escoamento é

aleatório e caótico. Este regime é chamado de turbulento. Assim, a turbulência consiste

na flutuação das características do escoamento no tempo e no espaço. É um processo

complexo, principalmente porque é tridimensional, instável e composto de muitas

escalas, provocando efeitos significantes na característica do escoamento. A turbulência

ocorre quando as forças de inércia no fluido se tornam significantes comparadas às

forças viscosas. Em princípio, as equações de Navier-Stokes descrevem tanto fluxos

laminares como turbulentos sem a necessidade de informações adicionais. Entretanto,

escoamentos turbulentos produzem regimes que, geralmente, exigem o uso de malhas

tão refinadas para capturar as nuances do fluxo que tornam inviável a análise numérica

do fenômeno. A Simulação Numérica Direta, (DNS), destes escoamentos, requer um

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poder de computação muitas ordens de magnitude maior do que o que está disponível

atualmente (Fortuna, 2000). Para permitir que os efeitos da turbulência sejam

analisados, pesquisas em DFC têm concentrado esforços na obtenção de métodos que

usem modelos de turbulência. Os modelos de turbulência tem sido desenvolvidos com o

objetivo de permitir a análise dos efeitos da turbulência sem que seja necessário o uso

de malhas extremamente refinadas ou o uso de DNS. A maioria dos modelos de

turbulência são modelos estatísticos, descritos a seguir.

2.5.2 Modelos de Turbulência

Um modelo de turbulência é um procedimento computacional para resolução das

equações de Reynolds. Para um modelo de turbulência ser útil em um código DFC de

propósito geral, ele precisa ter grande aplicabilidade, ser acurado, simples e requerer o

mínimo de esforço computacional (Ansys, 1996). Quando são analisados em escalas de

tempo muito maiores que as escalas de tempo das flutuações turbulentas, escoamentos

turbulentos podem ser estudados analisando suas características médias e mais uma

componente flutuante em função do tempo. Por exemplo, a velocidade pode ser dividida

em uma componente média e uma componente flutuante em função do tempo. Em

geral, modelos de turbulência modificam as equações originais de Navier-Stokes pela

introdução de quantidades médias e flutuantes, produzindo as equações de Navier-

Stokes pelas Médias de Reynolds, (do inglês: Reynolds Avereged Navier-Stokes:RANS).

Estas equações representam as quantidades médias do escoamento, modelando os

efeitos da turbulência sem a necessidade de resolver as flutuações turbulentas. Modelos

de turbulência baseados nas equações de RANS são conhecidos como Modelos

Estatísticos de Turbulência devido ao procedimento de médias estatísticas, empregado

para obter as equações. A simulação das equações de RANS reduz substancialmente o

esforço computacional comparado a Simulação Numérica Direta e, geralmente, é

adotado nos cálculos práticos de engenharia. Entretanto, o procedimento das médias

introduz termos desconhecidos formados por produtos cruzados das quantidades

flutuantes, que agem como estresse adicional no fluido. Estes termos, chamados

turbulentos ou estresses de Reynolds, são difíceis de determinar diretamente e se tornam

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incógnitas adicionais. Os estresses turbulentos precisam ser modelados por equações

adicionais baseadas em quantidades conhecidas para poder fechar o sistema de

equações. As equações utilizadas para fechar o sistema definem o tipo de modelo de

turbulência.

2.5.2.1 Equações de Reynolds (RANS)

Como descrito no item anterior, modelos de turbulência procuram resolver um conjunto

modificado de equações de transporte pela introdução de uma média e uma flutuação

temporal das quantidades envolvidas. Por exemplo, uma propriedade φ pode ser

dividida entre uma componente média, Φ , e uma componente que varia com o tempo, 'φ , ou seja:

( ) ( )tt 'φφ +Φ= (2.60)

No sentido de facilitar a escrita, não será mais explicitada a dependência do tempo de φ

e 'φ . O valor médio no tempo da flutuação 'φ é dado por:

01

0

'' ≡∆

= ∫∆

dtt

t

φφ (2.61)

Informações sobre a parte flutuante do fluxo podem ser obtidas do valor médio

quadrático (rms) das flutuações:

( ) ( )21

0

2'2' 1

== ∫∆t

rms dtt

φφφ (2.62)

A energia cinética k (por unidade de massa) associada à turbulência é definida como:

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53

( ) ( ) ( )

++=

2'2'2'

21 wvuk (2.63)

A intensidade da turbulência iT está ligada à energia cinética e a uma velocidade de

referência do fluxo Uref pela equação:

refi U

kT

21

32

=

(2.64)

Antes de derivar as equações do fluxo médio para um regime turbulento, será feito um

sumário das regras que governam as médias temporais de flutuação das propriedades e

suas combinações, derivadas e integrais:

;0'' ==ψφ ;Φ=Φ ;ss ∂

Φ∂=

∂∂

∫∫ Φ= ;dsdsφ

(2.65a)

;Ψ+Φ=+ψφ ;φψφψ +ΦΨ= ;ΦΨ=Ψφ ;0' =Ψφ (2.65b)

As regras 2.65 podem ser estendidas a uma quantidade vetorial flutuante a=A+a’ e suas

combinações com um escalar flutuante 'φφ +Φ= , ou seja:

A;a ⋅∇=⋅∇ ( ) ( ) ( );aAa ''φφ ⋅∇=Φ⋅∇=⋅∇

(2.66a)

( ) ( );Φ∇⋅∇=∇⋅∇ φ (2.66b)

Para mostrar a influência das flutuações turbulentas no fluxo médio, consideram-se as

equações da continuidade e de Navier-Stokes para um fluxo incompressível com

viscosidade constante. Isto irá simplificar a álgebra envolvida sem perda de validade do

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54

método. Usam-se coordenadas Cartesianas, o que implica em um vetor u com

componente u, v e w para as coordenadas x, y e z respectivamente. Estas equações são

dadas por:

0u =⋅∇ (2.67)

( ) ( )uvxpu

tu

∇⋅∇+∂∂

−=⋅∇+∂∂

ρ1u

(2.68)

( ) ( )vvxpv

tu

∇⋅∇+∂∂

−=⋅∇+∂∂

ρ1u

(2.69)

( ) ( )wvxpw

tu

∇⋅∇+∂∂

−=⋅∇+∂∂

ρ1u

(2.70)

Substituindo-se o vetor u e suas componentes u, v e w, e a variável p pela soma de uma

média e uma componente flutuante, e aplicando as regras estipuladas nas equações

(2.65) e (2.66) obtemos as equações de Reynolds, dadas a seguir:

( ) ( )

∂∂

−∂

∂−

∂∂

−+∇⋅∇+∂∂

−=⋅∇+∂

∂zwu

yvu

xuUv

xpU

tU ''''2'1U

ρ

(2.71)

( ) ( )

∂∂

−∂

∂−

∂∂

−+∇⋅∇+∂∂

−=⋅∇+∂∂

zwv

yv

xvuVv

ypV

tV ''2'''1U

ρ (2.72)

( ) ( )

∂∂

−∂

∂−

∂∂

−+∇⋅∇+∂∂

−=⋅∇+∂

∂z

wyvu

xvuWv

zpW

tW 2'''''1U

ρ (2.73)

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55

2.5.2.2 O Modelo de Turbulência ε−Κ

A energia cinética instantânea de um escoamento turbulento, definida por k(t), é a soma

da energia cinética média, dada por K=1/2(U2+V2+W2) e a energia cinética turbulenta,

dada por

++=

2'2'2' wvuk , ou seja:

kKtk +=)( (2.74)

Uma equação para a energia cinética média é obtida pela multiplicação da equação de

Reynolds para a componente x (2.71) por U, a componente y (2.72) por V, e a

componente z (2.73) por W. Após as transformações algébricas necessárias, obtém-se a

equação para a energia média do escoamento (Tennekes & Lumley, 1972), citado em

(Versteeg, 1995):

( ) ( ) ( ) ijjiijijjiij EuuEEuuEPKtK

⋅+⋅−−+−⋅∇=⋅∇+∂

∂ '''' 2UU2UU ρµρµρρ (2.75a)

Traduzindo em palavras, para a energia cinética média K, tem-se (Taxa de variação de K

+ Transporte de K por convecção = Transporte de K pela pressão + Transporte de K

pelas forças viscosas + Transporte de K por Reynolds – Taxa de dissipação de K +

Produção da Turbulência).

A equação para a energia cinética turbulenta k é dada por:

( ) ( )

ijjiijijjiiij Euueeuuue

ktk

⋅+⋅−

⋅−+−⋅∇

=⋅∇+∂

''''''''''' 221u2up

U

ρµρµ

ρρ

(2.75b)

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56

Traduzindo em palavras, para a energia cinética turbulenta k, tem-se (Taxa de variação

de k + Transporte de k por convecção = Transporte de k pelas forças viscosas +

Transporte de k por Reynolds – Taxa de dissipação de k + Produção da Turbulência).

2.5.2.3 Equações do modelo ε−Κ

O modelo tradicional ε−Κ tem duas equações, uma para Κ , referente à energia

cinética e outra para ε , referente à taxa de dissipação da energia cinética, conforme

apresentado em (Launder & Spalding, 1974), citado em (Versteeg, 1995). Estas

equações são apresentadas a seguir.

( ) ( ) ρεµσµρρ

−⋅+

∇⋅∇=⋅∇+

∂∂

ijijtk

t EEkktk 2U

(2.76)

( ) ( )k

CEEk

Ckt ijijt

t2

21 2U ερµεσµρερε

εεε

−⋅+

∇⋅∇=⋅∇+

∂∂

(2.77)

Traduzindo em palavras, tem-se (Taxa de variação de k ou ε + Transporte de k ou ε por convecção = Transporte de k ou ε por difusão + Taxa de produção de k ou ε - Taxa de

destruição de k ou ε). As equações contém cinco constantes de ajuste1,,, CC k εµ σσ e

2C. O modelo padrão

ε−Κ usa valores para estas constantes que se ajustam a uma

larga faixa de escoamentos turbulentos, dada a seguir:

;09,0=µC ;00,1=kσ ;30,1=εσ ;44,11 =C ;92,12 =C (2.78)

O modelo ε−Κ é o modelo padrão usado no Software CFX-5, empregado nas

simulações apresentadas neste trabalho.

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57

2.6 Lei de Manobra de Válvulas

As manobras de abertura ou fechamento de válvulas podem ser lentas ou rápidas. Uma

manobra é lenta quando seu tempo de duração é superior ao período da tubulação τ .

Esse período é calculado por

aL2

=τ (2.79)

onde L é o comprimento da tubulação e a é a velocidade de propagação da onda de

pressão provocada pela manobra, também chamada de celeridade. A maior sobre-

pressão ocorre quando a manobra é rápida. Ela pode ser calculada, no extremo da linha,

pela expressão a seguir, dada por JOUKOWSKY (Costa et al., 2001):

gaUH 0

max = (2.80)

Esta lei permite determinar a pressão máxima provocada pelo fechamento brusco de

uma válvula instalada em uma tubulação conforme mostra a distribuição de pressão da

FIGURA 2.4. A tubulação AB é alimentada pelo reservatório sob a carga H0. A

tubulação tem um diâmetro constante D, onde circula água em movimento permanente

com velocidade média U0. Se a válvula em B se fechar instantaneamente, a coluna

líquida de comprimento x terá sua velocidade anulada no tempo t.

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FIGURA 2.4 - Distribuição de Pressão em Manobras Rápidas.

FONTE: Adaptada de Costa et al (2001).

Se a manobra for lenta, usa-se a fórmula de MICHAUD (Costa et al., 2001), dada por:

gtLUH 0

max2

= (2.81)

onde t é o tempo que leva a manobra. Neste caso, a distribuição de pressão é a mostrada

na FIGURA 2.5.

FIGURA 2.5 - Distribuição da Pressão em Manobras Lentas.

FONTE: Adaptada de Costa et al (2001).

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CAPÍTULO 3

ANÁLISE 1-D DE ESCOAMENTOS TRANSIENTES

3.1 Descrição

A análise 1-D de escoamentos transientes é a forma mais comum e popular de tratar

esses fenômenos, utilizando como ferramenta o Método das Características. Neste caso,

obtém-se o valor médio da pressão na tubulação.

3.2 Solução Pelo Método das Características

As equações de continuidade e de momento, Equações (2.36) e (2.37), formam um par

de equações diferenciais parciais hiperbólicas quase-lineares, em termos de duas

variáveis dependentes, vazão Q e elevação H e duas variáveis independentes, distância

ao longo da tubulação x e tempo t. Estas equações são transformadas em quatro

equações diferenciais ordinárias pelo método das características resultando nas

Equações (2.44), (2.45), (2.46) e (2.47). Pode-se chamar o conjunto de Equações (2.44)

e (2.45) de C+ e o conjunto de Equações (2.46) e (2.47) de C−, ou seja, converteu-se as

Equações diferenciais parciais (2.9) e (2.35) em duas Equações diferenciais totais,

(2.44) e (2.46), ambas restritas à validade das Equações (2.45) e (2.47),

respectivamente. A FIGURA 3.1 mostra o gráfico das Equações (2.45) e (2.47).

FIGURA 3.1 - Gráfico das Retas Características.

FONTE: Streeter & Wylie, (1967).

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Como o parâmetro a geralmente é constante para um determinado tubo, o resultado do

gráfico no plano xt é uma reta para cada equação, uma com inclinação +1/a e outra com

inclinação −1/a. Estas linhas no plano xt são as linhas “características” ao longo das

quais as Equações (2.44) e (2.46) são válidas. Estas equações são conhecidas como

equações de compatibilidade, válidas apenas na linha característica apropriada. A

subdivisão do plano xt na malha (∆x, ∆t) convenientemente obedece a condição ∆t =

∆x/a (Streeter & Wylie, 1967), onde tem-se:

( ) taxttaxx APAP ∆=∆⇒−=− (3.1)

o que faz com que as linhas características a partir de A e B, chamadas de C+ e C−, se

cruzem em P, conforme mostra a F. Como não foi feita nenhuma aproximação

matemática nestas transformações, cada solução para os conjuntos C+ e C− será uma

solução para o sistema original dado pelas Equações (2.36) e (2.37). Multiplicando-se as

Equações (2.44) e (2.46) por adt/gA, pode-se isolar o termo dH, colocando estas

equações numa forma apropriada para integração ao longo das linhas C+ e C−:

02 2 =++ ∫∫∫ dxQQ

gDAfdQ

gAadH B

A

B

A

B

A

x

x

Q

Q

H

H

(3.2)

A variação de Q em função de x na integral do último termo é desconhecida, a priori.

Assim, uma aproximação é introduzida na avaliação. Uma aproximação de primeira

ordem é satisfatória para a maioria dos problemas. A integração da equação (3.2), que

corresponde à linha característica C+ e uma integração similar para linha característica

C− geram:

( ) 02 2 =

∆+−+− AAAPAP QQ

gDAxfQQ

gAaHH

(3.3)

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( ) 02 2 =

∆+−+− BBBPBP QQ

gDAxfQQ

gAaHH

(3.4)

Estas duas equações de compatibilidade são relações algébricas básicas que descrevem

a propagação do transiente de pressão e o escoamento em um tubo (Wylie & Streeter,

1978). Resolvendo estas equações para HP , elas podem ser escritas como:

( ) AAAPAP QRQQQBHHC −−−=+ : (3.5)

( ) BBBPBP QRQQQBHHC −−−=− : (3.6)

onde

B = a/gA e

R = f∆x/(2gDA2).

3.2.1 Condições de Contorno

Em cada ponta de uma tubulação, apenas uma das equações de compatibilidade é válida

para duas variáveis, ou seja, é preciso encontrar uma equação auxiliar para especificar

QP e HP ou alguma relação entre eles. Cada condição de contorno é resolvida

independente da outra e independente, também, do cálculo dos pontos interiores. No

exemplo de implementação apresentado na FIGURA 3.2, reservatório com elevação

conhecida e válvula no final da tubulação, tem-se:

• Condição de contorno no reservatório: Em reservatórios muito grandes, a

altura da linha d’água normalmente pode ser assumida como constante durante

um curto transiente hidráulico. A condição de contorno fica sendo RP HH =1

onde RH é o nível do reservatório em relação a uma superfície de referência.

• Condição de contorno na válvula: Neste caso considera-se a válvula como um

orifício e aplica-se a equação para escoamento em estado estacionário através

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dela, ou seja, ( ) 000 2gHACQ Gd= onde 0Q é o escoamento em estado

estacionário, 0H é a perda de carga através da válvula, e Gd AC é a área de

abertura da válvula multiplicada pelo coeficiente de descarga.

FIGURA 3.2 - Sistema Reservatório-Tubulação-Válvula.

FONTE: Costa et al (2001).

3.3 Implementação

O procedimento para resolver um transiente hidráulico numericamente envolve um

certo número de repetições de cálculos. Portanto, um programa de computador é a

maneira mais adequada para resolver tal procedimento, dado a seguir:

(1) Leitura dos valores dos dados que descrevem o sistema e as características

do transiente.

(2) Cálculo das constantes e condições iniciais do estado estacionário,

armazenagem dos valores iniciais de Qi e Hi para t = 0.

(3) Impressão dos valores de Qi e Hi em cada seção da tubulação, e dos valores

do tempo e abertura da válvula.

(4) Incremento do tempo de ∆t e cálculo dos pontos interiores QP2 a QPn, HP2 a

HPn, e então calcular os valores dos contornos QP1, HP1, QPns e HPns.

(5) Armazenar os valores de QPi, HPi, Qi e Hi, respectivamente.

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(6) Voltar ao passo de impressão (passo 3), ou ao passo de incremento de

tempo (passo 4) e verificar se o tempo t atingiu o valor Tmax. Se não

atingiu, continuar com os cálculos.

3.4 Visualização dos Resultados 1-D

A seguir são apresentados os gráficos com as curvas de H x t, para os resultados obtidos

pelo Método das Características, utilizando o programa em linguagem Fortran

disponível em (Koelle, 2002). Os dados de entrada para o programa foram fornecidos

baseando-se numa tubulação de água com tubo de PVC com 0,5 m de diâmetro e 250 m

de comprimento, tendo uma válvula localizada na posição correspondente a 200 m. A

celeridade é de 1200 m/s e o nível do reservatório está a 150 m. A velocidade de

fechamento da válvula é determinada em função do tempo de fechamento. Foram

usados três valores característicos de tempo de fechamento de válvulas (Costa, 2001),

que são 0,1 m/s, 0,25 m/s e 0,5 m/s. A FIGURA 3.3 mostra os resultados para a

velocidade de 0,1 m/s, levando um tempo de 5 s para o fechamento total da válvula.

Observa-se que, neste caso, a variação de pressão é bastante suave.

FIGURA 3.3 - Variação da Pressão em função do Tempo.

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A FIGURA 3.4 mostra os resultados para a velocidade de 0,25 m/s e tempo total de

fechamento da válvula de 2 s. Neste caso há um pico de pressão bem mais evidente

provocado pela maior velocidade de fechamento.

FIGURA 3.4 - Variação da Pressão em função do Tempo.

A FIGURA 3.5 mostra os resultados para a velocidade de 0,5 m/s e tempo total de

fechamento de 1 s. Percebe-se claramente que, na medida em que se aumenta a

velocidade de fechamento da válvula há um significativo aumento na variação da

pressão, tanto a montante como a jusante do diafragma mostrando que o transiente

hidráulico é bastante dependente da velocidade de fechamento da válvula.

FIGURA 3.5 - Variação da Pressão em função do Tempo.

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CAPÍTULO 4

ANÁLISE 3-D DE ESCOAMENTOS TRANSIENTES

4.1 Descrição

A análise 2-D ou 3-D de transientes hidráulicos tem sido suprimida da literatura pelo

fato dos métodos utilizados para tal serem bastante simplificados (Koelle, 2002),

fornecendo resultados em apenas uma dimensão. Porém, usando um software

desenvolvido para solução de problemas de Dinâmica dos Fluidos Computacional

(DFC), é possível e viável obter resultados em 2-D ou 3-D, como mostrado no presente

trabalho.

4.2 Introdução à Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC)

Dinâmica dos Fluidos Computacional é uma ferramenta baseada em computadores

usada na simulação do comportamento de sistemas envolvendo o escoamento de

fluidos, transferência de calor e outros processos físicos relacionados. Ela permite a

solução das equações do escoamento de fluidos sobre uma região de interesse, com

condições de contorno especificadas para aquela região.

4.2.1 Evolução da DFC

Computadores tem sido usados para resolver problemas de escoamentos de fluidos

desde a muito tempo. Inúmeros programas foram desenvolvidos para resolver

problemas específicos. No começo dos anos 80, algoritmos de propósito gerais

começaram a exigir computadores com alto poder de processamento, além de um

conhecimento profundo da dinâmica dos fluidos, bem como um grande tempo de

processamento para ajustar as simulações. Conseqüentemente, DFC era uma ferramenta

usada quase que exclusivamente em centros de pesquisa. Recentes avanços no poder de

processamento dos novos computadores, mais a evolução dos recursos gráficos e

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interatividade na manipulação de imagens 3-D tornaram a DFC menos trabalhosa,

reduzindo o tempo e conseqüentemente, o custo do seu uso, principalmente pelo uso de

algoritmos mais avançados que permitiram soluções mais robustas em um tempo mais

razoável. Como resultado destes fatores, DFC é, hoje, uma ferramenta usada pela

indústria como alternativa mais econômica nos novos projetos. DFC é uma alternativa

de melhor custo-benefício do que os testes de modelos em escala, com variações na

simulação sendo feitas rapidamente, oferecendo óbvias vantagens.

4.2.2 Teoria Matemática da DFC

O conjunto de equações que descrevem o processo de momentum, transferência de calor

e transferência de massa é conhecido como equações de Navier-Stokes (Ansys, 1996).

São equações diferenciais parciais que foram desenvolvidas no início do século

dezenove. Elas não têm uma solução analítica geral conhecida, mas podem ser

discretizadas e resolvidas numericamente. Equações que descrevem outros processos,

tais como combustão, podem também ser resolvidas em conjunto com as equações de

Navier-Stokes. Geralmente, um modelo aproximado é usado para derivar estas equações

adicionais, sendo os modelos de turbulência um exemplo particular importante. Existem

vários métodos de discretização numérica. No caso do software CFX-5, é usado o

Método dos Volumes Finitos. Nesta técnica, a região de interesse é dividida em

pequenas sub-regiões, chamadas volumes de controle. As equações são discretizadas e

resolvidas iterativamente para cada volume de controle. Como resultado, uma

aproximação do valor de cada variável em pontos específicos dentro do domínio é

obtida.

4.2.3 Aplicações da DFC

DFC é usada por engenheiros e cientistas em um vasto campo de aplicações. Aplicações

típicas incluem (Ansys, 1996):

a) Processos Industriais: Tanques de mistura, Reatores químicos;

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b) Saúde e Segurança: Investigação dos efeitos de fogo e fumaça;

c) Indústria Automotiva: Modelagem de sistemas de combustão,

Aerodinâmica dos carros;

d) Indústria Aeronáutica e Espacial;

e) Eletrônica: Transferência de calor nos circuitos eletrônicos;

f) Meio Ambiente: Dispersão de poluentes no ar ou na água;

g) Previsão Numérica do Tempo;

h) Hidráulica: Análise de escoamentos em tubulações.

4.2.4 Metodologia da DFC

DFC pode ser usada para determinar a validade de um componente no estágio de projeto

ou pode ser usada para encontrar maneiras de melhorar as características de

componentes já implementados. Isto pode levar a modificações de projeto que podem

ser testadas pela mudança da geometria do modelo da DFC e realizar as simulações para

verificar os efeitos das mudanças. O processo de simulação via DFC é dividido em

quatro estágios descritos a seguir.

• Geometria e Malha

Este processo interativo é o primeiro estágio do pré-processamento. Seu objetivo é

produzir uma malha onde serão especificados os parâmetros físicos usados no pré-

processamento. Antes, porém, de produzir a malha, é preciso criar a geometria de um

sólido a ser modelado. A geometria e a malha podem ser criadas por qualquer

ferramenta e o resultado importado pelo pre-processador. Os passos básicos do pré-

processamento são:

a) Definição da geometria da região de interesse.

b) Criação das regiões do fluxo do fluido, regiões sólidas e superfícies com

respectivos nomes.

c) Ajustar as propriedades da malha.

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• Definição física

Este processo interativo é o segundo estágio do pré-processamento e é usado para criar

os parâmetros de entrada para o solver. O arquivo com dados da malha é lido pelo pre-

processador e, então, as seguintes propriedades são definidas:

a) O modelo físico que será usado na simulação é especificado.

b) As propriedades do fluido são especificadas.

c) As condições de contorno são especificadas.

• O Solver

O Solver é o componente que resolve o problema em DFC, produzindo os resultados

requeridos em um processo não-interativo. Ele usa para isso os seguintes passos:

a) As equações diferenciais parciais são integradas nos volumes de controle

dentro da região de interesse. Isto é equivalente a aplicar as leis de

conservação ao volume de controle.

b) Estas equações integrais são convertidas em um sistema de equações

algébricas pela geração de um conjunto de aproximações para os termos

das equações integrais.

c) As equações algébricas são resolvidas iterativamente.Um processo

iterativo é necessário por causa da natureza não-linear das equações e, na

medida que a solução se aproxima da solução exata, assume-se que ela está

convergindo. Para cada iteração, um erro ou resíduo é comparado a uma

precisão especificada. Quão próximo o resultado vai ficar da solução exata

depende de uma série de fatores, entre eles o tamanho e formato do volume

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de controle e ordem de grandeza dos resíduos. Processos físicos

complexos, tais como combustão e turbulência, são geralmente modelados

usando relações empíricas e as aproximações, inerentes a esses modelos,

também contribuem para aumentar ou diminuir a diferença entre a solução

da DFC e o resultado real. O Solver produz um arquivo com os resultados

que são passados para o pos-processador.

• O pos-processador

O pos-processador é o componente usado na análise, visualização e apresentação dos

resultados, de forma interativa. Exemplos de características importantes do pos-

processamento são:

a) Visualização da geometria e volumes de controle.

b) Gráficos dos vetores mostrando a direção e magnitude do fluxo.

c) Visualização das variáveis escalares tais como temperatura, pressão e

velocidade.

d) Animações.

4.3 Descrição do Código Comercial CFX-5

CFX-5 é um código para DFC de propósito geral que combina um solver robusto, que

produz resultados confiáveis, com uma grande capacidade de pré e pos-processamento.

O pre-processador trabalha com diferentes formatos de malhas, permitindo que

geometrias complexas sejam modeladas com a malha apropriada. As principais

características do CFX-5 são:

a) Um solver robusto e confiável.

b) Pacote completo de solução, desde a definição do problema, resolução,

análise e apresentação dos resultados.

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c) Um processo de ajuste interativo, com o uso de menus e gráficos

avançados.

d) Ajuda on-line detalhada.

4.3.1 Estrutura do CFX-5

CFX-5 é composto de quatro módulos, que são ativados no processo de solução de um

problema por DFC. O primeiro módulo permite a geração ou importação da malha e

especificação da geometria. O segundo módulo é o pré-processamento no qual são feitas

as especificações do tipo de escoamento a ser estudado, das condições de contorno, dos

valores iniciais e parametrização do problema para uso do solver. O terceiro módulo vai

ativar o solver que, usando as condições especificadas no pré-processamento, irá obter a

solução do problema. O quarto módulo vai ativar o pos-processamento que tem como

características principais ferramentas gráficas de última geração para visualização dos

resultados, definição de variáveis pelo usuário, geração de objetos gráficos nos quais

visibilidade, transparência e suavização podem ser facilmente controladas. CFX-5 faz a

modelagem de:

a) Fluxos estacionários e transientes.

b) Fluxos laminares e turbulentos.

c) Fluxos subsônicos, trans-sônicos e supersônicos.

d) Transferência de calor e radiação térmica.

e) Fluxos não-Newtonianos.

f) Fluxos multifase.

g) Combustão.

h) Trajetória de partículas

4.4 Discretização Numérica no CFX-5

Soluções analíticas das equações de Navier-Stokes existem apenas para os fluxos mais

simples, sob condições ideais. Para obter soluções para fluxos reais um método

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numérico deve ser usado, onde as equações são substituídas por aproximações

algébricas que podem ser resolvidas numericamente (Ansys, 1996). CFX-5 usa o

método dos Volumes Finitos já descrito anteriormente (Maliska, 1995; Versteeg,

1995). Esta estratégia envolve a discretização do domínio espacial em volumes de

controle finitos, usando uma malha computacional não-estruturada. As equações

governantes são integradas sobre cada volume de controle, de maneira que quantidades

relevantes como massa, momento e energia são conservados em um sentido discreto

para cada volume de controle. A FIGURA 4.1 mostra uma malha típica com

profundidade unitária (2-D), na qual a superfície de um volume finito é representada

pela área achureada. Nesta figura fica claro que cada nó está rodeado por um conjunto

de superfícies que formam o volume finito. Todas as soluções das variáveis e

propriedades do fluido são armazenadas nos nós da malha.

FIGURA 4.1 - Volume de Controle usado no CFX-5.

FONTE: Adaptada de Ansys (1996).

4.4.1 Algoritmo de Solução do CFX-5

A maioria dos solvers usa uma estratégia de solução onde as equações de momento são

resolvidas primeiro, usando uma previsão para a pressão, e, em seguida, obtendo uma

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equação para a correção da pressão. Devido à natureza “previsão e correção” deste

sistema, um grande número de iterações é necessária para atingir a convergência além

de requerer uma seleção cuidadosa dos parâmetros de relaxação das variáveis. O

software CFX-5 usa um solver que, para escoamentos incompressíveis, usa uma malha

co-localizada, com uma técnica similar à apresentada em (Rhie & Chow, 1982) e citada

em (Ansys-Solver Theory, 1996). Para escoamentos compressíveis, resolve as equações

hidrodinâmicas (para u, v, w e p) como um único sistema. Esta estratégia de solução usa

uma discretização implícita das equações. Para o estado estacionário o passo de tempo

funciona como um parâmetro de aceleração, que leva a solução aproximada, de uma

maneira física, a um estado estacionário. Isto reduz o número de iterações necessárias

para a convergência ao estado estacionário, ou a necessidade de calcular a solução para

cada passo de tempo em análises dependentes do tempo.

4.4.2 Solução Geral no CFX-5

A solução de cada conjunto de equações consiste de duas operações numéricas

intensivas. Para cada passo de tempo, tem-se:

1) As equações não-lineares são linearizadas pela iteração dos coeficientes e

montadas em uma matriz de solução.

2) As equações lineares são resolvidas usando um método algébrico

multigrid.

A iteração a cada passo de tempo é controlada pelo passo de tempo físico (global) ou

fator de passo de tempo local ajustado para avançar a solução no tempo para cada

estado estacionário da simulação.

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4.4.3 Solução do Sistema de Equações Lineares no CFX-5

CFX-5 usa uma técnica de fatorização Multigrid Incomplet Lower Upper (ILU) para

solução do sistema de equações discretas linearizadas. Esse sistema de equações pode

ser escrito na forma matricial a seguir:

[ ][ ] [ ]bA =φ (4.1)

onde [A] é a matriz dos coeficientes, [φ] é o vetor solução e [b] é o vetor dos termos

independentes. O sistema de equações acima pode ser resolvido iterativamente,

começando com uma solução aproximada, nφ , que será melhorada com uma

correção 'φ , levando a uma solução melhor 1+nφ , ou seja:

'1 φφφ +=+ nn (4.2)

onde 'φ é a solução para

nrA ='φ (4.3)

com nr , o resíduo, obtido por:

nn Abr φ−= (4.4)

Repetidas aplicações deste algoritmo levarão a uma solução com a precisão desejada.

4.4.4 Técnica Multigrid Implementada no CFX-5

A técnica multigrid nasceu da necessidade de se reduzir o tempo de processamento na

obtenção de soluções numéricas para equações diferenciais e integrais. Os primeiros

resultados práticos foram conseguidos por (Brandt, 1973) e descoberto

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independentemente por (Hackbusch, 1976) ambos citados em (Moro Filho, 2004).

Multigrid é uma técnica iterativa que demanda menor tempo de processamento que

outras técnicas quando aplicada à resolução de equações diferenciais. Pode ser utilizada

para tratar de problemas lineares e não lineares, e pode ser implementada utilizando um

método iterativo qualquer. Para se obter o máximo de vantagem da técnica multigrid,

várias malhas devem ser utilizadas. Normalmente o tamanho dos elementos contidos

nas malhas é aumentado por um fator de dois a cada nível de malha que se acrescenta. A

passagem de cálculo de uma malha mais refinada para uma mais grosseira, ou seja, com

menor número de nós, ocorre na fase conhecida por restrição. A passagem dos cálculos

de uma malha para outra mais refinada ocorre na etapa de prolongação. A seqüência de

restrições e prolongações adotadas na marcha de cálculo recebe o nome de ciclo. A

técnica multigrid pode ser aplicada utilizando tantas malhas quantas forem possíveis de

serem geradas a partir de uma malha original. A ordem de visitação destas malhas pode

ser fixa ou adaptativa. Fixa caso se defina com antecedência a ordem de restrições e

prolongações formando uma seqüência fixa ou ciclo. As seqüências adaptativas são

dependentes dos resultados de cada etapa de restrição ou prolongação. A partir do

resultado, o algoritmo define qual será a próxima etapa do ciclo. A convergência da

técnica de inversão de matriz usada no CFX-5 pode ser melhorada pelo uso da técnica

Multigrid. Esta técnica envolve o uso de uma malha refinada nas primeiras iterações e

depois o uso de malhas mais grosseiras nas iterações subseqüentes. Os resultados são,

então, transferidos das malhas grosseiras para a malha refinada. Do ponto de vista

numérico a técnica Multigrid traz uma vantagem significativa, pois para um dado

refinamento de malha, solvers iterativos são eficientes na redução de erros que tem

escala da ordem do espaçamento da malha. Assim, enquanto erros de pequena escala

desaparecem rapidamente, erros de escala maiores, da ordem da dimensão do domínio

em estudo, podem levar um tempo extremamente longo para desaparecer. A técnica

Multigrid resolve este problema usando uma série de malhas grosseiras de maneira que

erros de escala maior aparecem como pequenos, relativos ao espaçamento da malha.

Para evitar a necessidade de criar malhas para a geometria usando uma série de

diferentes espaçamentos, CFX-5 usa a técnica de Multigrid Algébrica (Raw & Chow,

1996) citado em (Ansys-Solver Theory, 1996). Essa técnica forma um sistema de

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equações discretas para uma malha grosseira pela soma das equações da malha refinada.

Isto faz com que se trabalhe virtualmente em uma malha grosseira e se obtenha o

resultado real com a malha refinada. Esta técnica melhora significativamente a taxa de

convergência, além de ser menos custosa do que outras técnicas Multigrid, uma vez que

a discretização das equações não-lineares é feita apenas uma vez, para a malha refinada.

CFX-5 usa uma implementação particular da técnica Multigrid Algébrica chamada

Correção Adítica (Hutchinson & Raithby, 1986) citado em (Ansys-Solver Theory,

1996). Esta técnica está idealmente ajustada à implementação do solver do CFX-5,

porque ela se aproveita do fato de que as equações discretas representam um balanço da

conservação das quantidades dentro de um volume de controle finito. As equações da

malha grosseira são criadas sobre volumes de controle formados pela união de volumes

de controle da malha original refinada. Isto resulta na criação de malhas virtuais mais

grosseiras durante as iterações, e posteriormente, no refinamento destas malhas virtuais

para obter uma solução mais acurada. Esta técnica melhora significantemente as taxas

de convergência. A FIGURA 4.2 mostra a criação das malhas virtuais a partir da malha

refinada original.

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FIGURA 4.2 - Esquema de Malhas usadas na Técnica Multigrid.

FONTE: Adaptada de Ansys-Solver Theory (1996).

Como pode ser visto na FIGURA 4.2, o Volume de Controle da malha grosseira criado

a partir de Volumes de Controle da malha refinada aparece como regular. Mas, em

geral, sua forma se torna bastante irregular. As equações da malha grosseira, então,

impõem as leis de conservação sobre um volume maior e, fazendo isso, reduz a

componente devida a erros numéricos de larga escala.

4.5 Simulação de Escoamento em Material Poroso no CFX-5

Escoamento em meio poroso no CFX-5 é calculado usando um modelo para simulação

da perda de momento, baseado numa generalização das equações de Navier-Stokes e na

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Lei de Darcy, comumente usados em escoamentos em regiões porosas. Este modelo

conserva tanto os termos convectivos como os difusivos e pode ser usado onde os

efeitos de escoamento em meios porosos for importante, como no caso da simulação do

obturador da válvula construído por material poroso, proposta neste trabalho. A

geometria para simulação, criada pelo módulo 1 do CFX-5, é mostrada na FIGURA 4.3 e

na FIGURA 4.4.

FIGURA 4.3 - Vista de uma seção do tubo contendo a região da válvula.

FIGURA 4.4 - Vista da válvula em ângulo lateral.

Na derivação das equações assume-se que os volumes de controle infinitesimais e as

superfícies são grandes relativamente aos espaços intersticiais do meio poroso, embora

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pequenos relativamente às escalas do problema que se deseja resolver. Assim, assume-

se que as células e superfícies de controle contêm tanto regiões sólidas como fluidas. A

porosidade volumétrica γ em um dado ponto é dada pela relação entre o volume V’

disponível para o escoamento em uma célula de controle infinitesimal envolvendo o

ponto, e o volume físico V da célula. Assim,

VV γ=' (4.5)

Assume-se que o vetor área disponível para o escoamento, A’, em uma superfície de

controle planar infinitesimal do vetor área A é dada por:

AKA' ⋅= (4.6)

onde Kij é um tensor simétrico de segunda ordem, chamado de tensor de área de

porosidade. A equação geral para difusão-advecção de um escalar Φ em um meio

poroso se torna:

( ) ( ) ( ) St

γργρ =Φ∇⋅Γ⋅∇−Φ⋅⋅∇+Φ∂∂ KUK

(4.7)

4.5.1 Modelo de Perda Direcional

A equação geral de fonte de momento em um meio poroso é representada por:

spec

M SUUCRUCRs +−−= 21 (4.8)

Uma forma generalizada da lei de Darcy é dada por:

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UUKUKx

Ploss ρ

µ+=

∂∂

(4.9)

Comparando as Equações (4.8) e (4.9), os coeficientes de resistência podem ser

definidos como segue:

KCR µ

=1

(4.09)

ρlossKCR =2 (4.10)

4.5.2 Visualização dos Resultados 3-D

Resultados 3-D para distribuição de pressão e vetor velocidade foram gerados para uma

velocidade de fechamento da válvula de 0,25 m/s e simulando um elemento poroso

utilizando a Equação 4.8 com CR1=1010. Nesta simulação foram desprezados os termos

de segunda ordem e termo fonte da Equação 4.8. A pressão de referência usada na

simulação pelo software CFX-5 foi de 1,5 MPa. Percebe-se claramente que não há uma

esperada simetria na distribuição de pressão. A explicação para isso está no fato de que

a malha cresce aleatoriamente, criando os elementos tridimensionais de maneira

desigual a fim de adaptar-se à geometria do volume. Para garantir a simetria seria

necessária a criação da malha de metade da geometria, usando-se um eixo de simetria e

depois fazer o rebatimento dos resultados obtidos. As distribuições de pressão no

diafragma são mostradas na FIGURA 4.5 a montante da válvula e na FIGURA 4.6 a

jusante da válvula para o instante 0,5 s e porosidade 10e-10. O vetor velocidade para o

mesmo instante e mesma porosidade é mostrado na FIGURA 4.7.

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FIGURA 4.5 - Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 0,5 s.

FIGURA 4.6 - Distribuição da Pressão após o Diafragma – Tempo: 0,5 s.

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FIGURA 4.7 - Vetor Velocidade – Tempo: 0.5 s.

Para o instante 1,0 s e porosidade 10e-10, as distribuições de pressão no diafragma são

mostradas na FIGURA 4.8 a montante da válvula e na FIGURA 4.9 a jusante da

válvula. O vetor velocidade para o mesmo instante e mesma porosidade é mostrado na

FIGURA 4.10.

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FIGURA 4.8 - Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 1.0 s.

FIGURA 4.9 - Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 1.0 s.

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FIGURA 4.10 - Vetor Velocidade - Tempo: 1.0 s.

Para o instante 1,5 s e porosidade 10e-10, as distribuições de pressão no diafragma são

mostradas na FIGURA 4.11 a montante da válvula e na FIGURA 4.12 a jusante da

válvula. O vetor velocidade para o mesmo instante e mesma porosidade é mostrado na

FIGURA 4.13. São mostrados, também, para a mesma porosidade, os vetores

velocidade para os instantes 1,8 s, na FIGURA 4.14 e 1,9 s, na FIGURA 4.15, que

apresentam claramente o comportamento do escoamento nos instantes finais do

fechamento da válvula.

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FIGURA 4.11 - Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 1,5 s.

FIGURA 4.12 - Distribuição da Pressão após do Diafragma - Tempo: 1,5 s.

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FIGURA 4.13 - Vetor Velocidade - Tempo: 1,5 s.

FIGURA 4.14 - Vetor Velocidade - Tempo: 1,8 s.

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FIGURA 4.15 - Vetor Velocidade - Tempo: 1,9 s.

Para o instante 2,0 s e porosidade 10e-10, as distribuições de pressão no diafragma são

mostradas na FIGURA 4.16 a montante da válvula e na FIGURA 4.17 a jusante da

válvula. O vetor velocidade para o mesmo instante e mesma porosidade é mostrado na

FIGURA 4.18.

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FIGURA 4.16 - Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 2.0 s.

FIGURA 4.17 - Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 2.0 s.

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FIGURA 4.18 - Vetor Velocidade - Tempo: 2.0 s – Válvula Fechada.

Para o instante 3,5 s e porosidade 10e-10, as distribuições de pressão no diafragma são

mostradas da FIGURA 4.19 a montante da válvula e na FIGURA 4.20 a jusante da

válvula.

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FIGURA 4.19 - Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 3,5 s.

FIGURA 4.20 - Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 3.5 s.

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Para o instante 4,0 s e porosidade 10e-10, as distribuições de pressão no diafragma são

mostradas da FIGURA 4.21 a montante da válvula e na FIGURA 4.22 a jusante da

válvula.

FIGURA 4.21 - Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 4.0 s.

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FIGURA 4.22 - Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 4,0 s.

Os resultados mostrados a seguir foram gerados nas mesmas condições onde se obteve

os resultados anteriores, porém com CR=105. Para o instante 0,5 s e porosidade 10e-5,

as distribuições de pressão no diafragma da válvula são mostradas na FIGURA 4.23 a

montante da válvula e na FIGURA 4.24 a jusante da válvula. O vetor velocidade para o

mesmo instante e mesma porosidade é mostrado na FIGURA 4.25.

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FIGURA 4.23 - Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 0,5 s.

FIGURA 4.24 - Distribuição de Pressão após o Diafragma - Tempo: 0,5 s.

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FIGURA 4.25 - Vetor Velocidade - Tempo: 0,5 s.

Para o instante 1,0 s e porosidade 10e-5, as distribuições de pressão no diafragma são

mostradas da FIGURA 4.26 a montante da válvula e na FIGURA 4.27 a jusante da

válvula. O vetor velocidade para o mesmo instante e mesma porosidade é mostrado na

FIGURA 4.28.

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FIGURA 4.26 - Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 1.0 s.

FIGURA 4.27 - Distribuição de Pressão após o Diafragma - Tempo: 1,0 s.

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FIGURA 4.28 - Vetor Velocidade - Tempo: 1,0 s.

Para o instante 1,5 s e porosidade 10e-5, as distribuições de pressão no diafragma são

mostradas da FIGURA 4.29 a montante da válvula e na FIGURA 4.30 a jusante da

válvula. O vetor velocidade para o mesmo instante e mesma porosidade é mostrado na

FIGURA 4.31.

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FIGURA 4.29 - Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 1,5 s.

FIGURA 4.30 - Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 1,5 s.

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FIGURA 4.31 - Vetor Velocidade - Tempo: 1,5 s.

Para o instante 2,0 s e porosidade 10e-5, as distribuições de pressão no diafragma são

mostradas da FIGURA 4.32 a montante da válvula e na FIGURA 4.33 a jusante da

válvula. O vetor velocidade para o mesmo instante e mesma porosidade é mostrado na

FIGURA 4.34.

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FIGURA 4.32 - Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 2.0 s.

FIGURA 4.33 - Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 2.0 s.

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FIGURA 4.34 - Vetor Velocidade - Tempo: 2,0 s.

No caso em que CR=2e1, e usando as mesmas condições dos resultados anteriores, são

mostrados apenas os gráficos com a distribuição de pressão, uma vez que não houve

mudança significativa no comportamento do escoamento. Para o instante 0,5 s e

porosidade 2e-1, as distribuições de pressão no diafragma são mostradas na FIGURA

4.35 a montante da válvula e na FIGURA 4.36 a jusante da válvula.

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FIGURA 4.35 - Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 0,5 s.

FIGURA 4.36 - Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 0,5 s.

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Para o instante 1,0 s e porosidade 2e-1, as distribuições de pressão no diafragma são

mostradas da FIGURA 4.37 a montante da válvula e na FIGURA 4.38 a jusante da

válvula.

FIGURA 4.37 - Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 1,0 s.

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102

FIGURA 4.38 - Distribuição da Pressão após o Diafragma – Tempo: 1,0 s.

Para o instante 1,5 s e porosidade 2e-1, as distribuições de pressão no diafragma da

válvula são mostradas da FIGURA 4.39 a montante da válvula e na FIGURA 4.40 a

jusante da válvula.

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103

FIGURA 4.39 - Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 1,5 s.

FIGURA 4.40 - Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 1,5 s.

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Para o instante 2,0 s e porosidade 2e-1, as distribuições de pressão no diafragma da

válvula são mostradas da FIGURA 4.41 a montante da válvula e na FIGURA 4.42 a

jusante da válvula.

FIGURA 4.41 - Distribuição da Pressão antes do Diafragma - Tempo: 2.0 s.

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105

FIGURA 4.42 - Distribuição da Pressão após o Diafragma - Tempo: 2.0 s.

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107

CAPÍTULO 5

COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS

5.1 Preâmbulo

O objetivo deste trabalho foi mostrar a possibilidade de aplicação de material poroso na

construção de dispositivos de controle de vazão, seja estancando o escoamento ou

simplesmente funcionando como dispositivo de proteção para suavização dos efeitos

nocivos dos transientes hidráulicos. Baseados nesta idéia são comparados a seguir os

resultados obtidos pelo uso do software CFX-5, com os resultados obtidos pelo Método

das Características, método tradicionalmente usado para análise de transientes

hidráulicos (Streeter & Wylie, 1967). Procurou-se mostrar primeiro a viabilidade do uso

do CFX-5 na solução deste tipo de problema. Percebeu-se que a máquina onde está

instalada a licença do software CFX-5.7, no laboratório de computação da CAP, um PC

com processador Athlon de 3,0 Ghz, com 768 Mbytes de memória RAM, limitou a

obtenção de resultados mais precisos, pois os tempos de execução se tornariam

inviáveis. Mas, levando-se em conta a qualidade dos resultados obtidos pelo Método

dos Volumes Finitos, vale a pena o uso de um equipamento com melhor configuração,

quando certamente os tempos de execução ficarão dentro de um faixa razoável. A

FIGURA 5.1 mostra a comparação entre dados experimentais (Streeter & Wylie, 1967),

resultados obtidos pelo Método das Características e resultados obtidos pelo software

CFX-5, onde se observa um casamento muito bom entre os três resultados. Verifica-se

que o Método das Características, por não levar em conta as perdas de carga, acusa uma

alta pressão no início do fechamento da válvula. No caso do CFX-5, o gráfico começa

com uma pressão mais baixa, o que está de acordo com o gráfico da FIGURA 5.2 que

mostra a distribuição de pressão para o caso estacionário, usada como dados iniciais

para os cálculos do regime transiente no CFX-5, concordando melhor, também, com os

resultados experimentais. Na FIGURA 5.3 é mostrada a comparação entre o Método das

Características e o CFX-5 calculado com duas malhas, uma malha grossa

(aproximadamente 2 milhões de nós) mostrada na FIGURA 5.4 e outra malha mais

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108

refinada (aproximadamente 4 milhões de nós), mostrada na FIGURA 5.5,

principalmente na região de interesse que é a válvula, ficando claro que os resultados

com a malha refinada não justificam o maior custo computacional a menos que se

deseje uma análise muito detalhada na região de interesse.

FIGURA 5.1 - Comparação entre Resultados Experimentais, Método das Características

e CFX.

FIGURA 5.2 - Distribuição da Pressão no Tubo - Caso Estacionário.

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109

FIGURA 5.3 - Efeito do Refinamento da Malha no CFX.

FIGURA 5.4 - Malha usada nas simulações (aproximadamente 2 milhões de nós).

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110

FIGURA 5.5 - Malha refinada (aproximadamente 4 milhões de nós).

Os resultados pelo Método dos Volumes Finitos, utilizando material poroso como

obturador da válvula, mostram que quando uma porosidade adequada é usada, o

diafragma deixa passar fluido suficiente para amenizar tanto a sobre-pressão antes da

válvula como a sub-pressão após a válvula, como mostra o gráfico da FIGURA 5.6,

para uma porosidade de 2e-1 e o gráfico da FIGURA 5.7, para uma porosidade de 5e-1.

A FIGURA 5.8 mostra os gráficos da pressão à jusante e à montante do diafragma e a

FIGURA 5.9 mostra o gráfico da diferença entre estas duas pressões, ambas para uma

porosidade de 1e-5. Isto indica que, mesmo que não seja possível a construção de uma

válvula com diafragma de material com porosidade baixa o suficiente para estancar o

escoamento, certamente esta idéia poderá ser usada na construção de um dispositivo de

segurança para amenizar os efeitos dos transientes hidráulicos.

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111

FIGURA 5.6 - Variação de Pressão na Válvula - Porosidade: 2e-1.

FIGURA 5.7 - Variação de Pressão na Válvula – Porosidade 5e-1.

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112

FIGURA 5.8 - Variação de Pressão na Válvula – Porosidade: 1e-5.

FIGURA 5.9 - Diferença de Pressão na Válvula – Porosidade: 1e-5.

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5.2 Comparação dos Resultados

Para comparação dos resultados obtidos pelo Método das Características e pelo Método

dos Volumes Finitos foram gerados gráficos da variação da Pressão pelo Tempo na

região da válvula para duas velocidades típicas de fechamento da válvula, 0,25 m/s e 0,5

m/s. Na FIGURA 5.10 é feita a comparação entre os resultados obtidos pelo Método das

Características e pelo CFX-5 a montante da válvula para a velocidade de 0,25 m/s. O

mesmo gráfico mostra a pressão a jusante da válvula mostrando que há uma grande

depressão pouco antes do fechamento total do diafragma. Na FIGURA 5.11 é mostrada

a diferença entre a pressão a montante e a pressão a jusante do diafragma para a mesma

velocidade de fechamento da válvula. A FIGURA 5.12 e a FIGURA 5.13 mostram as

mesmas informações das figuras 60 e 61, porém para uma velocidade de fechamento de

0,5 m/s. Pode-se observar pelos resultados que, quando a porosidade é alta, o

escoamento flui normalmente. Na medida em que se diminui a porosidade, diminui-se a

velocidade do escoamento. Percebe-se, porém, que claramente o material poroso está

atenuando os efeitos do transiente hidráulico. Verificou-se que nas simulações com alta

porosidade (10-1, 10-2) pode-se trabalhar com um passo de integração relativamente

grande, de 0.01 s. Nas simulações de porosidade menores (10-10), o passo de integração

teve que ser reduzido para 0.001 s. A explicação para isso é devida ao fato de que,

quando usada porosidade mais baixa, a simulação se aproxima mais da condição real de

fechamento da válvula, aparecendo com mais evidência o transiente hidráulico e todos

os seus efeitos no escoamento.

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FIGURA 5.10 - Pressão antes e depois do Diafragma - VF: 0,25 m/s.

FIGURA 5.11 - Diferença de Pressão na Válvula - VF: 0,25 m/s.

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FIGURA 5.12 - Diferença de Pressão antes e depois da Válvula - VF: 0,5 m/s.

FIGURA 5.13 - Diferença de Pressão - VF: 0,5 m/s.

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CAPÍTULO 6

CONCLUSÕES E PROPOSTAS DE TRABALHOS FUTUROS

6.1 Conclusões

Pelos resultados obtidos conclui-se que o Método das Características tem, como

principal vantagem a facilidade e a rapidez de implementação. Porém, a sua

implementação requer algumas simplificações que prejudicam a qualidade do resultado.

Sobretudo, em uma análise 2-D ou 3-D do fenômeno transiente. Já com o CFX, que é

um código 3-D, os resultados se mostraram ser mais confiáveis e próximos da

realidade, principalmente levando-se em conta que ele dá uma visão em 3 dimensões do

fenômeno, além de considerar as perdas de carga devidas às forças viscosas. Mais

importante, ainda, é o fato de o CFX mostrar não só as pressões médias, como no caso

do Método das Características, mas principalmente mostrar as pressões máximas à que

o diafragma está sujeito, permitindo um projeto mais realista e adequado a cada tipo de

aplicação. Tendo em vista os gráficos apresentados na seção 4.5.2, o código 3-D usando

Volumes Finitos mostra-se bastante vantajoso em relação ao código Fortran 1-D pelo

Método das Características. A principal vantagem está na visualização dos resultados,

distribuição de pressão e velocidade, efeitos de turbulência e viscosidade. Tudo isso

obtido com pouco potencial computacional comparado àquele do Método das

Características. Além disso, a análise transiente empregada traz uma novidade, até então

não encontrada na bibliografia especializada, que é a implementação do elemento

poroso para este tipo de análise. Isto está rendendo a elaboração de uma nova concepção

de válvula de fechamento rápido com elementos porosos.

6.2 Propostas de Trabalhos Futuros

Com o uso de computadores mais potentes, será possível o tratamento de problemas

mais complexos pois no presente caso, com uma tubulação de 250 m, chegou-se ao

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limite de processamento do equipamento utilizado. Portanto, para trabalhos futuros,

visando aplicações que empreguem geometrias de grandes escalas, tais como:

aplicações na área hidrologia, no estudo de projeto de represas e reservatórios, estudo de

escoamentos que envolvam capilares será necessário o emprego de equipamentos com

capacidade superior. Assim sendo, estudos envolvendo mudanças de análise 1-D para 3-

D e vice-versa, o que representaria nos dias de hoje um grande passo no casamento da

DFC com o método das Características, pode ser feito com os elementos porosos.

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