simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

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SIMULADORES PARA O C ´ ALCULO DO FATOR DE ATRITO PARA FLUIDOS LEI DE POT ˆ ENCIA EM DUTOS CIRCULARES E ANULARES Yuri Lemos de Oliveira Pinto Projeto de Gradua¸ ao apresentado ao Curso de Engenharia Mecˆ anica da Escola Polit´ ecnica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como partedosrequisitosnecess´arios`aobten¸c˜aodo ıtulo de Engenheiro. Orientador: Daniel Onofre de Almeida Cruz D.Sc. Rio de Janeiro Mar¸co de 2016

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Page 1: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

SIMULADORES PARA O CALCULO DO FATOR DE ATRITO PARA FLUIDOS

LEI DE POTENCIA EM DUTOS CIRCULARES E ANULARES

Yuri Lemos de Oliveira Pinto

Projeto de Graduacao apresentado ao Curso de

Engenharia Mecanica da Escola Politecnica, da

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessarios a obtencao do

tıtulo de Engenheiro.

Orientador: Daniel Onofre de Almeida Cruz

D.Sc.

Rio de Janeiro

Marco de 2016

Page 2: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

SIMULADORES PARA O CALCULO DO FATOR DE ATRITO PARA FLUIDOS

LEI DE POTENCIA EM DUTOS CIRCULARES E ANULARES

Yuri Lemos de Oliveira Pinto

PROJETO DE GRADUACAO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO

CURSO DE ENGENHARIA MECANICA DA ESCOLA POLITECNICA

DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE

DOS REQUISITOS NECESSARIOS PARA A OBTENCAO DO GRAU DE

ENGENHEIRO MECANICO.

Examinado por:

Prof. Atila Pantaleao Silva Freire, Ph.D.

Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz, D.Sc.

Prof. Juliana Braga Rodrigues Loureiro, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

MARCO DE 2016

Page 3: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Pinto, Yuri Lemos de Oliveira

Simuladores para o Calculo do Fator de Atrito

para Fluidos Lei de Potencia em Dutos Circulares e

Anulares/Yuri Lemos de Oliveira Pinto. – Rio de Janeiro:

UFRJ/Escola Politecnica, 2016.

XIV, 59 p.: il.; 29, 7cm.

Orientador: Daniel Onofre de Almeida Cruz D.Sc.

Projeto de Graduacao – UFRJ/Escola Politecnica/Curso

de Engenharia Mecanica, 2016.

Referencias Bibliograficas: p. 45 – 47.

1. Fator de atrito. 2. Abaco de Moody. 3. Fluidos

Lei de Potencia. 4. Escoamento interno turbulento. 5.

Duto anular. I. D.Sc., Daniel Onofre de Almeida Cruz. II.

Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politecnica,

Curso de Engenharia Mecanica. III. Tıtulo.

iii

Page 4: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Aos meus avos.

iv

Page 5: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Agradecimentos

Primeiramente, gostaria de agradecer aos meus avos, Jose Soares e Wilma. Nada

do que consegui na minha vida ate agora seria possıvel sem seu apoio e amor

incondicionais. Nunca serei capaz de retribuir tamanha generosidade. Gostaria

tambem de agradecer a minha mae, Rita de Cassia, e ao meu irmao, Joao Victor,

por estarem sempre presentes na minha vida.

Aos meus tios, Braulio e Steven, cujo carinho nao conhece fronteiras. As minhas

tias, Didi e Lili, e minha avo Aparecida por tantos domingos em famılia. As pessoas

desse paragrafo, devo lembra-los que a distancia atual e somente geografica.

Gostaria de agradecer aos professores Atila Freire e Juliana Loureiro ao se

disporem com prontidao a compor a banca avaliadora deste trabalho. Ao professor

Daniel Cruz, principalmente, pela orientacao, paciencia, inspiracao e exemplo.

Aos colegas e professores do NIDF, em especial a Cecilia Mageski, Daniel Ramos

e Gabriel Farah pela ajuda fundamental, ora em mecanica dos fluidos, ora em

programacao ora em qualquer outro assunto. Suas sugestoes e respostas as minhas

duvidas significaram muito para mim e foram de imensa contribuicao para este

trabalho.

As coordenadoras do Projeto Alunos Contadores de Historias, Regina Fonseca,

Sonia Motta e Veronica Viana pela oportunidade de contar historias no IPPMG e de

me tornar um aluno apoiador. Aos demais alunos e pessoas que conheci por conta

do projeto, em especial a Filipe, Marcia, Mariana, Raphael e Vivianne. Todos voces

mudaram a minha historia.

A Felipe, Marcelo, Paulo e Vitor, cuja nossa amizade remete aos nossos tempos

de pH e ja tem quase uma decada. Impressionante e perceber que so se trata do

comeco. Aos meus amigos de Colegio Metropolitano que datam de um tempo ainda

mais remoto. Saibam que voces sempre terao lugar no meu futuro.

Aos meus colegas de engenharia mecanica e de UFRJ, por toda contribuicao

que deram a minha vida academica e pessoal. Aos meus amigos de Duisburg e de

toda a Alemanha. Ihr seid aus einer anderen Welt. Nao vou nomea-los por serem

muitos e por ter total certeza de que os proprios sabem quem sao. A Universitat

Duisburg-Essen, em especial a Florian Vollweiler, por ter me acolhido como aluno. A

CAPES e ao DAAD pelo apoio e pela oportunidade unica.

v

Page 6: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Resumo do Projeto de Graduacao apresentado a Escola Politecnica/UFRJ como

parte dos requisitos necessarios para a obtencao do grau de Engenheiro Mecanico.

SIMULADORES PARA O CALCULO DO FATOR DE ATRITO PARA FLUIDOS

LEI DE POTENCIA EM DUTOS CIRCULARES E ANULARES

Yuri Lemos de Oliveira Pinto

Marco/2016

Orientador: Daniel Onofre de Almeida Cruz D.Sc.

Curso: Engenharia Mecanica

O fator de atrito e fundamental no calculo da perda de carga e no subsequente

dimensionamento de bombas. Dutos circulares e anulares sao de grande importancia

na industria do petroleo. Na maior parte do tempo, sao escoados nesses dutos fluidos

lei de potencia.

Contudo, poucas equacoes para o fator de atrito para esses fluidos na literatura

contem a rugosidade. Este trabalho fornece ao leitor um simulador capaz de obter

o fator de atrito para fluidos lei de potencia em dutos circulares e gerar abacos de

Moody para eles. Para isso, lanca-se mao de uma equacao valida para fluidos lei de

potencia com o termo rugoso. Alem disso, apresenta-se um codigo computacional

que calcula o fator de atrito para dutos anulares do mesmo modelo de fluidos.

Palavras-chave: Fator de atrito, Abaco de Moody, Fluidos Lei de Potencia,

Escoamento interno turbulento, Duto anular

vi

Page 7: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment

of the requirements for the degree of Engineer.

FRICTION FACTOR CALCULATORS FOR POWER LAW FLUIDS IN

CIRCULAR AND ANNULAR PIPES

Yuri Lemos de Oliveira Pinto

March/2016

Advisor: Daniel Onofre de Almeida Cruz D.Sc.

Department: Mechanical Engineering

The friction factor is crucial to calculate the pressure drop in pipes and subse-

quently in the dimensioning of pumps. Pipe and annular flow are truly important to

the oil industry. Most of the time power law fluids are flowing through those pipes.

However, few friction factor equations for this type of fluids in the literature

contain roughness. This work provides the reader a simulator capable of obtaining

the friction factor for power law fluids in pipe flow. It also plots a Moody’s chart

for the specified fluid. In order to do that, a friction factor equation for power law

fluids that has a roughness term is used. Besides that, a computer code for power

law fluids annular flow is presented.

Keywords: Friction factor, Pressure drop, Moody chart, Power-law fluids, Turbu-

lent pipe flow, Annular pipe

vii

Page 8: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Sumario

Lista de Figuras x

Lista de Tabelas xi

1 Introducao 1

1.1 Motivacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Organizacao do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Revisao Bibliografica e Estado da Arte 3

2.1 Fluidos newtonianos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 Fluidos nao newtonianos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.3 Regimes de escoamento e os numeros de Reynolds . . . . . . . . . . . 7

2.4 Escoamento interno laminar completamente desenvolvido em um duto 8

2.5 Escoamento turbulento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.6 Fator de atrito de Darcy-Weisbach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.6.1 Escoamento laminar em dutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.6.2 Escoamento turbulento em dutos: A equacao de Colebrook . . 17

2.6.3 Outras equacoes importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.6.4 Correlacao utilizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.6.5 Fator de atrito em dutos anulares . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.7 Abaco de Moody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.8 Perda de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.8.1 Perda de carga distribuıda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.8.2 Perda de carga localizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.9 Caracterizacao da geometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.9.1 Dutos circulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.9.2 Dutos anulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.10 Funcoes transcendentais e implıcitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.11 Calculo de raızes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

viii

Page 9: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

3 Metodologia 29

3.1 Implementacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2 Validacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4 Simulador para dutos circulares 33

4.1 Dados de entrada e saıda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.2 Interface com o usuario e descricao do codigo implementado . . . . . 34

5 Resultados e Discussao 36

5.1 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.2 Discussao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6 Consideracoes Finais 43

6.1 Conclusao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

6.2 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Referencias Bibliograficas 45

A Codigos em Python para dutos circulares 48

A.1 Contas.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

A.2 Moody.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

B Codigo no Mathematica para dutos anulares 58

ix

Page 10: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Lista de Figuras

2.1 Aproximacao da taxa de cisalhamento . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2 Classificacao reologica de fluidos. Adaptado de STEFFE [1996]. . . . 5

2.3 Velocidade axial em um duto liso para tres tipos de fluidos: n = 1,

n = 0.75 e n = 0.5 de cima para baixo. O escoamento acontece da

esquerda para direita. Branco representa alta velocidade. Os dados e

a figura sao provenientes de simulacoes DNS de ANBARLOOEI et al.

[2015a]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.4 Volume de controle diferencial em um duto. . . . . . . . . . . . . . . 9

2.5 Perfis de velocidade laminar e turbulento. . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.6 Estrutura da camada limite turbulenta. . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.7 Divisoes Estrutura da camada limite turbulenta. . . . . . . . . . . . . 15

2.8 Abaco de Moody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1 Fluxograma para obtencao o fator de atrito e dos resultados subsequentes 31

5.1 Pagina do Laboratorio de Escoamentos Multifasicos. . . . . . . . . . 37

5.2 Abaco de Moody para n = 0.7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.3 Abaco de Moody para n = 0.9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.4 Abaco de Moody para n = 1.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.5 Comparacao entre dados experimentais e do modelo para o fator de

atrito anular com as equacoes (2.61) e COLEBROOK e WHITE [1937]. 39

5.6 Graficos para 3 ındices de comportamento diferente. . . . . . . . . . . 40

5.7 Erro relativo da comparacao entre dados experimentais e do modelo

para o fator de atrito anular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

x

Page 11: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Lista de Tabelas

2.1 Diferenciacao entre fluidos lei de potencia. . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Estrutura da camada limite turbulenta. . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3 Rugosidade superficial de certos materiais usados em engenharia,

adaptado de FOX et al. [1985] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1 Calculos realizados pelo algoritmo implementado . . . . . . . . . . . . 30

4.1 Dados de entrada (inputs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.2 Dados de entrada adicionais para dutos anulares (inputs) . . . . . . . 34

4.3 Dados de saıda (outputs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.4 Possıveis erros nos dados de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

xi

Page 12: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Nomenclatura

px Propriedade media do fluido

∆B Termo rugoso da (2.50)

∆P Perda de carga total em unidades de pressao∑F Somatorio de forcas

A Area da secao transversal

a Parametro da equacao (2.59)

Ac Constante universal da (2.41)

An Parametro da equacao (2.55)

B Constante universal da (2.43)

b Parametro da equacao (2.59)

Bn Parametro da equacao (2.55)

C Coeficiente de Hazen-Williams

c1 Constante de integracao

c2 Constante de integracao

Cn Parametro da equacao (2.55)

D Diametro do duto

DH Diametro hidraulico do duto

Di Diametro externo do duto interno

Dm Diametro onde a velocidade e maxima

Do Diametro interno do duto externo

xii

Page 13: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Dmedio Diametro medio do duto

g Aceleracao da gravidade local

hd Perda de carga distribuıda em unidades de comprimento

hl Perda de carga localizada em unidades de comprimento

hT Perda de carga total em unidades de comprimento

K Indice de consistencia

Kacidente Valor tabelado para dada perda de carga localizada

L Comprimento do duto

l Comprimento caracterıstico

Lε Efeito Rugoso

Leq Comprimento equivalente

n Indice de comportamento

O Perımetro hidraulico, wetted perimeter

P Pressao

p′x Flutuacao da propriedade do fluido

px Propriedade do fluido

Q Vazao volumetrica

R Raio do duto

Ri Raio externo do duto interno

Rm Raio onde a velocidade e maxima

Ro Raio interno do duto externo

Re Numero de Reynolds

ReCL Numero de Reynolds definido por CLAPP [1961]

ReMR Numero de Reynolds generalizado

u Componente da velocidade na direcao do cisalhamento

xiii

Page 14: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

u+ Velocidade adimensional

uτ Velocidade de friccao

v Componente da velocidade na direcao perpendicular do cisalhamento

y+ Comprimento adimensional

z Altura geometrica

Letras gregas

γ Taxa de deformacao

ε Rugosidade da tubulacao

ε+ Rugosidade adimensional

η Viscosidade aparente

Γ Perfil da esteira

γ Viscosidade generalizada

κ Coeficiente de correcao de energia cinetica

Λ Fator de atrito de Darcy

Λi Fator de atrito de Darcy do duto interno

Λo Fator de atrito de Darcy do duto externo

µ Viscosidade absoluta, dinamica ou newtoniana

ν Viscosidade cinematica

ρ Massa especıfica

ρw Massa especıfica na regiao da parede

τ Tensao de cisalhamento

τo Tensao de cedencia

τw Tensao na parede

θ Angulo formado pela taxa de deformacao

κ Constante de von Karman

xiv

Page 15: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Capıtulo 1

Introducao

O escoamento em dutos de fluidos lei de potencia e de grande importancia para

diversas industrias. A do petroleo usa dutos desde a exploracao offshore do oleo bruto

ate o transporte de seus derivados, por exemplo. Para que esses fluidos escoem, sao

necessarias bombas com potencia suficiente para compensar a diferenca de pressao

nessas tubulacoes.

A fim de dimensiona-las, a perda de carga e uma grandeza fundamental a ser

calculada. Contudo, e preciso antes conhecer o fator de atrito. Ha diversas formas

e expressoes para se obte-lo presentes na literatura. Uma das mais difundidas e o

abaco de Moody [MOODY, 1944a]. Com ele, basta saber a rugosidade e diametro

do duto e o numero de Reynolds do escoamento para se obter o fator de atrito da

situacao em questao.

Entretanto, ha limitacoes severas para o uso deste grafico e das equacoes presentes

na literatura. Primeiro, o abaco de Moody somente e valido para fluidos newtonianos,

como a agua, sendo que a reologia da maioria dos fluidos existentes e nao newtoniana.

A segunda e que as expressoes usadas para calcula-lo e o seu proprio formato limitam

seu uso apenas para dutos de geometria circular.

Grande parte dos dutos nao apresenta o formato circular, como, por exemplo, os

dutos anulares. O fator de atrito em tais dutos, portanto, nao poderia ser calculado

a partir do abaco de Moody. Mesmo assim engenheiros o fazem. Um procedimento

parecido e igualmente incorreto acontece com fluidos nao newtonianos, quando estes

sao tratados como newtonianos. Os erros desses calculos sao consideraveis — figura

5.5.

1.1 Motivacao

Ha uma lacuna na literatura com relacao ao calculo do fator de atrito para

fluidos lei de potencia. Nao existem muitas correlacoes para fluidos power law com

rugosidade em dutos circulares. COLEBROOK e WHITE [1937] so e valida para

1

Page 16: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

fluidos newtonianos. DODGE [1959] nao apresenta o termo rugoso, tao importante

especialmente quando o regime do escoamento e completamente turbulento. Nao ha

nenhum grafico semelhante ao de Moody para fluidos nao newtonianos.

Para dutos anulares, as expressoes sao ainda mais escassas e existem poucos

dados experimentais com fluidos nao newtonianos. Como esses fluidos estao presentes

em muitas aplicacoes de engenharia, faz-se necessario ferramentas mais precisas e

robustas para a obtencao do fator de atrito para ambos os formatos de dutos.

1.2 Objetivos

O objetivo principal desse trabalho e introduzir uma forma de se calcular o fator

de atrito para fluidos lei de potencia em dutos circulares e anulares. Para isso, foi

desenvolvido um simulador capaz de gerar abacos de Moody para esses fluidos, alem

do valor do fator de atrito na situacao representada pelos dados de entrada. A

equacao utilizada ainda nao foi publicada, mas suas constantes sao apresentadas em

ANBARLOOEI et al. [2015b].

Para dutos anulares, como ha uma dificuldade a mais na representacao por conta

do numero elevado de parametros (numero de Reynolds, ındice de comportamento e

rugosidades relativas), serao apresentados os estudos em andamento, sendo o mais

importante deles um codigo computacional capaz de calcular o fator de atrito anular

juntamente com graficos que comparam os valores obtidos com dados experimentais.

Este algoritmo foi validado por dados experimentais [KELESSIDIS et al., 2011].

1.3 Organizacao do Trabalho

No capıtulo 2 revisa-se a teoria e bibliografia empregada e apresenta-se o estado

da arte.

No capıtulo 3 tem-se a metodologia utilizada, culminando nos algoritmos imple-

mentados para os calculos do fator de atrito (apendices A e B). Ja, no capıtulo 4, e

tratado o simulador para dutos circulares de fato.

No capıtulo 5 comenta-se os resultados obtidos e promove-se uma breve discussao.

No 6 chega-se as conclusoes e sugere-se possıveis continuacoes deste trabalho.

A ultima parte deste trabalho e dedicada a secao pos-textual - referencias e

apendices.

2

Page 17: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Capıtulo 2

Revisao Bibliografica e Estado da

Arte

2.1 Fluidos newtonianos

Fluidos newtonianos sao aqueles cujas tensoes cisalhantes τ sao linearmente

proporcionais a taxa de deformacao dudy

. Esta relacao e representada pela viscosidade

absoluta (ou dinamica) µ . Pode-se interpretar a viscosidade como uma maneira de se

quantificar a resistencia do fluido ao escoamento - pense em qual meio seria mais facil

nadar: agua ou oleo. Cabe ressaltar que a viscosidade de fluidos newtonianos e uma

propriedade termodinamica - depende de pressao e principalmente da temperatura.

Representando algebricamente a relacao acima descrita tem-se:

τ = µdu

dy(2.1)

Sendo que u e a componente da velocidade na direcao do cisalhamento e y a

direcao perpendicular a ele. E comum que a taxa de deformacao seja escrita como γ.

A igualdade vem da seguinte aproximacao infinitesimal representada na figura 2.1:

tan θ ≈ δθ =δuδt

δy(2.2)

γ =δθ

δt=δu

δy(2.3)

A equacao (2.1) se chama Lei de Newton da viscosidade para o escoamento

unidimensional. E valido ressaltar que o comportamento reologico desses fluidos e

independente do tempo e agua e seu exemplo mais comum.

3

Page 18: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Figura 2.1: Figura ilustrando a equacao (2.3). Adaptado de WHITE et al. [2003]

2.2 Fluidos nao newtonianos

Fluidos nao newtonianos sao aqueles que nao podem ser descritos pela lei de

Newton da viscosidade. Tais fluidos podem apresentar diversos comportamentos.

Podem ser dependentes ou independentes do tempo. Podem apresentar tensao de

cedencia. Alguns deles podem ate se comportar como solidos em determinadas

situacoes. A figura 2.2 sao nomeados alguns desses comportamentos.

Plasticos de Bingham comportam-se como fluidos newtonianos assim que a

tensao passa de um certo limiar denominado tensao de cedencia τo. Antes seu

comportamento e similar ao de um solido. Maionese e pasta de dente sao exemplos.

Seu comportamento e regido pela seguinte equacao:

τ = τo + ηγ (2.4)

sendo η a viscosidade aparente definida como a razao entre a tensao de cisalhamento

e a taxa de deformacao:

η =τ

γ(2.5)

Fluidos viscoelasticos apresentam caracterısticas de solidos (elasticidade) e de

fluidos (viscosidade) ao se deformarem. Fluidos de Kelvin-Voigt e de Maxwell

apresentam comportamento que se encaixa nessa categoria. Creme de chantilly e um

exemplo classico.

Com relacao ao comportamento no tempo, aqueles que sao dependentes se

subdividem em tixotropicos e reopeticos. Sob tensoes cisalhantes, a viscosidade

4

Page 19: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Figura 2.2: Classificacao reologica de fluidos. Adaptado de STEFFE [1996].

aparente de fluidos tixotropicos diminui com o tempo, enquanto a de reopeticos

aumenta. Iogurte e um exemplo do primeiro e tinta de impressora do ultimo.

Quanto aos que independem do tempo, ha diversos modelos encontrados na

literatura que buscam uma alternativa para a relacao entre a tensao cisalhante e a

taxa de deformacao, como o fluido de Carreau. Contudo, o mais usado e o modelo

da lei de potencia.

Este modelo e caracterizado por dois parametros: os ındices de consistencia K e

de comportamento n. A equacao que os rege e:

τ = Kγn (2.6)

Note que (2.6) e igual a (2.1) quando n = 1; K passa a representar a viscosidade

newtoniana. Quando n < 1 a viscosidade aparente diminui conforme a tensao cisa-

lhante aumenta. Estes sao denominados de fluidos pseudoplasticos ou reofluidificantes

(shear thinning). Se n > 1, a viscosidade aparente tem o comportamento contrario,

aumentando conforme aumenta-se o cisalhamento. Estes fluidos se chamam dilatantes

ou reoespessantes (shear thickening). Na figura 2.3, pode-se perceber a influencia

do n no comportamento do escoamento em fluidos newtonianos e reofluidificantes.

Quanto maior n, maior sera o desbalanco de momento.

Ainda no caso dos fluidos power-law pode-se reescrever a (2.6) da seguinte forma:

τ = K(dudy

)n−1du

dy(2.7)

Assim a viscosidade aparente (2.5) pode ser redefinida como:

5

Page 20: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Figura 2.3: Velocidade axial em um duto liso para tres tipos de fluidos: n = 1,n = 0.75 e n = 0.5 de cima para baixo. O escoamento acontece da esquerda paradireita. Branco representa alta velocidade. Os dados e a figura sao provenientes desimulacoes DNS de ANBARLOOEI et al. [2015a].

Tabela 2.1: Diferenciacao entre fluidos lei de potencia.

Comportamento Indice de comportamentoReofluidificante n < 1

Newtoniano n = 1Reoespessante n > 1

η = K(dudy

)n−1

(2.8)

Ao se comparar com (2.1), percebe-se que apenas substiui-se a viscosidade newtoniana

µ pela aparente η.

Ha diversos outros modelos que descrevem o comportamento de fluidos nao newto-

nianos, como o de Casson e Robertson-Stiff. O modelo de Herschel-Bulkley combina

a tensao de cedencia dos plasticos de Bingham (2.2) com a lei de potencia (2.6),

por exemplo. Ha tambem modelos mais complexos, contendo ate cinco parametros.

MITCHELL e MISKA [2011] apresenta alguns desses modelos, alem dos anteriores.

6

Page 21: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

2.3 Regimes de escoamento e os numeros de Rey-

nolds

A importancia do numero de Reynolds e caracterizar o escoamento para fluidos

newtonianos — laminar, transicao ou turbulento. Este relaciona as forcas de inercia

com as forcas viscosas atraves da seguinte expressao:

Re =forcas de inercia

forcas viscosas=

ρu2

lµul2

=ρul

µ=ul

ν(2.9)

em que: ρ, µ, ν e u sao, respectivamente, a massa especıfica, viscosidade dinamica,

viscosidade cinematica e velocidade media do fluido em questao e l e o comprimento

caracterıstico. Para escoamentos internos, este comprimento e o diametro hidraulico

da tubulacao DH .

Em um escoamento interno, e comum se obter a velocidade media atraves da

medicao in situ da vazao volumetrica e utilizando-se a seguinte equacao:

u =Q

A(2.10)

sendo A a area da secao transversal.

Quanto ao carater do escoamento de fluidos newtonianos, para aproximadamente

Re < 2100 tem-se escoamento laminar, em que o fluido escoa em camadas (laminas)

paralelas sem que uma tenha influencia na outra. Dependendo das condicoes do

problema, pode-se haver regimes laminares para numeros de Reynolds bem mais

elevados.

Entre em torno de 2100 < Re < 4000 ocorre o regime de transicao. Embora o

processo se de de uma forma muito complexa, ja se entende que ha uma sequencia

de estagios. E importante notar que ha tanto transicao laminar-turbulenta quanto o

contrario. Cabe ainda ressaltar que nao ha uma teoria geral muito devido ao que

acontece na transicao — em regimes com numero de Reynolds moderados.

Para numeros de Reynolds maiores que 4000, ha a turbulencia, processo este

caracterizado por mudancas aleatorias no campo tridimensional de velocidades. Estas

mudancas causam alteracoes caoticas nas propriedades do escoamentos. Devido a

essas flutuacoes, a analise completa do escoamento torna-se extremamente complicada.

Como em muitas aplicacoes as medias das propriedades fısicas independem do

tempo, costuma-se tratar turbluencia da seguinte maneira:

px = px + p′x (2.11)

em que px e a propriedade a ser estudada e px e sua media e p′x e a flutuacao em

7

Page 22: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

torno dessa media. Alem disso, a media pode ser definida como:

px(x, y, z) =1

T

∫ T

0

px(x, y, z, t)dt (2.12)

Outra caracterıstica da turbulencia e sua grande capacidade mistura, especial-

mente frente a difusao. Sendo esta devida ao carater aleatorio desse escoamento

e a riqueza de escalas. Esta ultima e devida aos vortices formados em diversas

direcoes que percorrem tamanhos desde a proximos do comprimento caracterıstico

ate pequenas escalas; este comprimento caracterıstico se chama comprimento de Kol-

mogorov — KOLMOGOROV [1941]. Em suma, pode-se dizer que as consequencias

da turbulencia sao: caos, riqueza de escalas e mistura. Para mais sobre turbulencia,

recorra a SILVA FREIRE et al. [2002].

Para os fluidos power-law, deve-se corrigir o calculo do numero de Reyndols,

levando em consideracao os parametros do fluido — n e K. Este e o numero de

Reynolds generalizado. Sua formulacao e a seguinte:

ReMR =ρu2−nDn

H

γ(2.13)

em que DH e o diametro hidraulico e γ e a viscosidade generalizada, sendo esta

equivalente a:

γ = K(3n+ 1

4n

)8n−1 (2.14)

quando n = 1 (2.13) e igual a (2.9).

Nesse caso, para se determinar o carater laminar do escoamento utiliza-se o

seguinte criterio:

ReMR < (ReMR)crıtico (2.15)

em que abaixo de ReMR < (ReMR)crıtico tem-se o regime laminar. Ha algumas

maneiras de se obter esse valor limıtrofe. DARBY [2001] propos o seguinte:

(ReMR)crıtico = 2100 + 875(1− n) (2.16)

2.4 Escoamento interno laminar completamente

desenvolvido em um duto

O escoamento completamente desenvolvido e aquele em que o perfil de velocidade

independe da posicao longitudinal ao longo do duto. No caso laminar, a regiao

anterior a esse regime e denominada regiao de entrada e seu comprimento e medido

8

Page 23: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

em funcao do diametro do duto e depende do numero de Reynolds [FOX et al., 1985].

∂u(x, y)

∂x= 0⇒ u = u(y) (2.17)

sendo x o eixo longitudinal e y o transversal do tubo.

Uma das equacoes fundamentais para escoamentos internos e a conservacao

da massa. Com ela, sabe-se que a velocidade media ao longo do duto pode ser

calculada pela equacao (2.10). Alternativamente, pode-se tambem integrar o perfil

de velocidade ao longo da secao transversal:

u =1

A

∫A

udA (2.18)

Figura 2.4: Volume de controle diferencial em um duto. Adaptado de FOX et al.[1985].

Partindo do volume de controle diferencial da figura 2.4 pode-se fazer uma analise

das forcas. Em funcao da pressao no duto tem-se:

dFantes = P2πrdr (2.19)

dFdepois = −

(P +

∂P

∂xdx

)2πrdr (2.20)

Analogamente, pode-se pensar nos esforcos esforcos provenientes da tensao de

cisalhamento:

dFacima = −τ2πrdx (2.21)

dFabaixo =

(τ +

drdr

)2π(r + dr)dx (2.22)

9

Page 24: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Ao fazer o balanco de forcas ao longo de x torna-se possıvel relacionar tensao de

cisalhamento com a pressao:

∑Fx = −∂P

∂x2πrdrdx+ τ2πdrdx+

dr2πrdrdx = 0 (2.23)

Rearranjando a equacao (2.23) tem-se:

∂P

∂x=

1

r

d(rτ)

dr(2.24)

Como a pressao e uniforme e o escoamento e completamente desenvolvido, tem-se

os dois lados da igualdade (2.24) sao constantes. Logo, pode-se proceder da seguinte

forma:

d(rτ)

dr= r

∂P

∂x

rτ =r2

2

(∂P

∂x

)+ c1

τ =r

2

(∂P

∂x

)+c1

r

(2.25)

Com a Lei de Newton da viscosidade (2.1), pode-se obter o perfil de velocidade

desse escoamento:

µdu

dr=r

2

(∂P

∂x

)+c1

r

u =r2

(∂P

∂x

)+c1

µln r + c2

Em dutos nao anulares, c1 deve ser 0, pois, caso contrario, quando r fosse igual

a 0 a tensao seria infinita o que violaria princıpios fısicos. c2 e definido atraves da

condicao de nao deslizamento na parede (u(r = R) = 0) e vale:

0 =R2

(∂P

∂x

)+ c2

c2 = −R2

(∂P

∂x

)

10

Page 25: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Com isso, chega-se o perfil de velocidade em duto para escoamentos laminares e:

u =r2

(∂P

∂x

)− R2

(∂P

∂x

)

u = −R2

(∂P

∂x

)[1−

(r

R

)2] (2.26)

A partir da equacao (2.26) pode-se caracterizar a vazao:

Q =

∫A

udA =

∫A

u2πrdr

Q = −∫ R

0

R2

(∂P

∂x

)[1−

(r

R

)2]2πrdr

Q = −πR4

∂P

∂x=πR4

∆P

L=π∆PD4

128µL

essa expressao e importante, pois ela e o ponto de partida para se chegar analitica-

mente no fator de atrito em regime laminar — discutido em 2.6.1.

2.5 Escoamento turbulento

Escoamentos turbulentos sao baseados em teorias semi-empıricas e em dados

experimentais, visto que, ao contrario de certos casos laminares, solucoes analıticas

ainda nao sao possıveis.

Uma grande diferenca quanto ao escoamento laminar e no calculo da tensao de

cisalhamento. No caso turbulento a lei de newton da viscosidade (2.1) nao e valida.

Para chegar-se na tensao e preciso primeiramente tratar as equacoes de Navier-Stokes.

Estas sao as seguintes:

∂−→u∂t

+ (−→u · ∇)−→u = −1

ρ∇P + ν∇2−→u (2.27)

∇.−→u = 0 (2.28)

(2.28) e a equacao da continuidade (conservacao de massa) e (2.27) e o conjunto

de equacoes de movimento. Em turbulencia e comum construir modelos baseados

em medias e flutuacoes — (2.11) e (2.12). De acordo com SILVA FREIRE [1990], no

11

Page 26: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

caso bidimensional, ao fazer esse tratamento para (2.27) e (2.28) resulta em:

u∂u

∂x+ v

∂u

∂y= −1

ρ

∂P

∂x− ∂u′v′

∂y− ∂u′2

∂x+ ν

[∂2u

∂x2+∂2u

∂y2

]

u∂v

∂x+ v

∂v

∂y= −1

ρ

∂P

∂y− ∂u′v′

∂x− ∂v′2

∂y+ ν

[∂2v

∂x2+∂2v

∂y2

] (2.29)

∂u

∂x+∂v

∂y= 0 (2.30)

(2.29) sao as equacoes de Reynolds. Note que ha dois termos a mais por equacao. Esses

termos representam as tensoes turbulentas geradas pelas flutuacoes com o escoamento

medio. Com eles, pode-se finalmente representar as tensoes de cisalhamento no regime

turbulento atraves do tensor de Reynolds:

τij = −ρ

[u′2 u′v′

u′v′ v′2

](2.31)

Ainda partindo de (2.29) e definindo uma espessura de camada limite (compri-

mento caracterıstico na direcao transversal) chega-se nas equacoes de camada limite

turbulenta:

u∂u

∂x+ v

∂u

∂y= −1

ρ

∂P

∂x− ∂u′v′

∂y+ ν

∂2u

∂y2(2.32)

Pode-se perceber que o termo difusivo e composto por duas parcelas:

− ∂u′v′

∂y+ ν

∂2u

∂y2(2.33)

sendo que a primeira e a tensao turbulenta e a segunda e a componente laminar.

Modelar u′v′ e o chamado problema de fechamento.

Alem disso, com (2.32) pode se definir a estrutura da camada limite turbulenta

partindo de estimativas de ordem de grandeza, similares a analise de camada limi-

nar. Perto da parede o efeito predominante e a de difusao molecular e tem-se um

escoamento similar ao de Couette:

ν∂2u

∂y2= 0 (2.34)

visto que a ordem do termo viscoso e muito superior a do termo turbulento:

O

(ν∂2u

∂y2

)� O

(∂u′v′

∂y

)(2.35)

12

Page 27: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Integra-se duas vezes para obter a velocidade media:

ν∂u

∂y= c1 =

τwρ

u =τwµy

(2.36)

Para analisar a parede, define-se uma velocidade caracterıstica uτ como:

uτ =

√τwρw

(2.37)

uτ e a velocidade de friccao.

Substituindo (2.37) em (2.36) tem-se:

u =u2τ

νy

u

uτ=uτνy

(2.38)

que e o perfil de velocidade na subcamada viscosa. A espessura desta e de aproxima-

damente 1% da camada limite e ela e importante, pois nela se da o arrasto devido a

aderencia do fluido a parede.

Na regiao a seguir o termo turbulento e predominante o que signifca que esta e

governada por:

− ∂u′v′

∂y= C =

τwρ

(2.39)

ela e denomidada regiao turbulenta. Isso ocorre, pois:

O

(∂u′v′

∂y

)� O

(ν∂2u

∂y2

)(2.40)

Seu perfil de velocidade e logarıtmico e determinado pela lei de parede:

u

uτ=

1

κlnuτy

ν+ Ac(ε) (2.41)

em que κ e a constante de von Karman e Ac e outra constante universal.

Apos a regiao completamente turbulenta, a equacao da camada limite se resume

aos termos de inercia:

u∂u

∂x+ v

∂u

∂y= −1

ρ

∂P

∂x+O(u′v′) (2.42)

13

Page 28: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Para ela ha uma extensao de (2.41) denominada lei da esteira:

u

uτ=

1

κlnuτy

ν+ A+

P

k

(1− cos

(πy

δ

))(2.43)

em que Γ depende do gradiente de pressao e se chama de perfil da esteira.

Figura 2.5: Perfis de velocidade laminar e turbulento. Adaptado de SILVA FREIRE[1990]

Tabela 2.2: Estrutura da camada limite turbulenta.

Regiao Perfil de velocidade Equacao do perfilSubcamada viscosa Linear (2.38)

Buffer Layer — transicao Superposicao (2.38) e (2.41)Turbulencia Logarıtmico Lei da Parede (2.41)

Inercia — esteira Funcao da pressao Lei da Esteira (2.43)

A figura 2.5 ilustra que o perfil de velocidade chega a uma velocidade proxima

ao do escoamento externo em uma espessura menor de camada limite. Com isso, a

capacidade de mistura do escoamento e maior. A figura 2.6 mostra qual e o perfil

de velocidade na camada limite em dutos. Enquanto isso, a figura 2.7 mostra a

estrutura da camada limite em placas. Em dutos nao ha a regiao de esteira, visto

que os termos convectivos sao nulos; ∂u∂x

e v sao nulos.

14

Page 29: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Figura 2.6: Estrutura da camada limite turbulenta, sendo δ a espessura da camadalimite. Adaptado de SILVA FREIRE [1990]

Figura 2.7: Divisoes da estrutura da camada limite turbulenta

2.6 Fator de atrito de Darcy-Weisbach

O fator de atrito de Darcy-Weisbach e o numero adimensional usado na equacao

de perda de carga de Darcy-Weisbach — DARCY [1857] e WEISBACH [1848]. Esta

pode ser caracterizada da seguinte forma:

hd = ΛL

DH

u2

2g(2.44)

15

Page 30: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

em que Λ e o fator de atrito supracitado, hd e a perda de carga distribuıda em unidades

de comprimento devida ao atrito (head loss due to friction), L e o comprimento

e DH o diametro hidraulico do duto, u a velocidade media do escoamento e g e a

aceleracao da gravidade. Esta equacao e importante para a determinacao da potencia

necessaria de bombeamento, por exemplo. Ela foi deduzida por analise dimensional

e experimentos e o fator de atrito nada mais e do que um grupo adimensional —

dependente da rugosidade relativa e do numero de Reynolds. A constante 12

esta

relacionado com a razao entre perda de carga e energia cinetica por unidade de

massa.

FANNING [1896] foi pioneiro ao quantificar os efeitos da velocidade e da rugosi-

dade da parede no fator de atrito. Nao deve-se confundir o fator de atrito de Darcy

pelo de Fanning, sendo o primeiro equivalente a quatro vezes o segundo.

E comum encontrar ambos dependendo da aplicacao. O de Fanning e mais

utilizado em engenharia quımica e na industria de alimentos, enquanto o de Darcy

e o mais comum em engenharia mecanica. Como o tıtulo da secao indica, neste

trabalho sera usado somente o fator de atrito de Darcy.

Ha diversas correlacoes para o fator de atrito. Seus limites de validade dependem

do regime de escoamento, que e determinado pelo numero de Reynolds. A reologia

do fluido tambem e crucial, sendo que a maioria das expressoes so funcionam para

o caso newtoniano. Alem disso, para dutos rugosos, o numero de Reynolds nao e

suficiente para se determinar o fator atrito, devendo assim levar-se em consideracao

a rugosidade relativa ε/D da tubulacao.

2.6.1 Escoamento laminar em dutos

Para um escoamento laminar(i.e. Re < 2100) de fluidos newtonianos em dutos

lisos, usa-se a expressao:

Λ =64

Re(2.45)

que e determinada analiticamente atraves da expressao (2.44) e da equacao da vazao,

em termos de pressao (2.4).

Para o calculo da perda de carga para fluidos incompressıveis newtonianos em

um tubo cilındrico em regime laminar ha a lei de Hagen-Poiseuille — HAGEN [1839],

POUISEUILLE [1840a] e POUISEUILLE [1840b]:

∆P =32µLu

D2(2.46)

16

Page 31: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Note-se que ao substituir (2.45) na equacao (2.44) tem-se:

∆P

ρ= hdg =

64

Re

L

D

u2

2(2.47)

Ao substituir o numero de Reynolds (2.9) em (2.47) obtem-se:

∆P = ρ64µ

ρuD

L

D

u2

2=

32µLu

D2(2.48)

que e exatamente a lei de Hagen-Pouiseuille (2.46).

2.6.2 Escoamento turbulento em dutos: A equacao de Co-

lebrook

Quando se precisa calcular a perda de carga para o caso turbulento e comum

lancar-se mao da equacao de COLEBROOK e WHITE [1937] para obter-se o fator

de atrito:1√Λ

= −2 log(ε/D

3.7+

2.51

Re√

Λ

)(2.49)

Esta e valida entre: 3000 < Re < 108. Note que (2.49) e implıcita em Λ,

ocasionando uma dificuldade extra em sua solucao. Para contornar esse problema, e

comum realizar um metodo iterativo, usando uma correlacao explıcita para calcular

o valor do Λ dentro do log para inicializa-lo. Cabe notar que MOODY [1944a] usou

(2.45) e (2.49) para construir seu abaco.

Segundo WHITE e CORFIELD [2006], a lei da parede (2.41) pode ser interpretada

como uma equacao para o fator de atrito. Para chegar na equacao de (2.49) e preciso

antes inserir um termo com rugosidade ∆B e definir uma rugosidade adimensional

ε+ como εuτν

, u+ como uuτ

e y+ sendo uτyν

. Assim, a lei de parede com rugosidade

pode ser reescrita da seguinte forma:

u+ =1

κlnyuτν

+B −∆B(k+) (2.50)

sendo u+ funcao de y+ e ε+.

Com isso, basta substituir (2.50) na equacao da vazao (2.18):

u =Q

A=

1

πR2

∫ ∞0

u2πrdr =1

R2

∫ ∞0

u2(R− y)dy (2.51)

sendo y = R− r (dy = −dr).Ao integra-la em y, obtem-se um novo perfil logarıtmico. Deve-se agora reorganizar

a equacao (2.51), utilizandos os numeros adimensionais de Reynolds e o fator de

17

Page 32: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

atrito. Este pode ser escrito em funcao da velocidade de friccao:

Λ =τwρu

Λ =u2τ

u2

(2.52)

Apos isso, surgira uma equacao tipo Prandtl (2.55) com constantes a serem

determinadas experimentalmente. Pode-se notar tambem que o logartimo na equacao

de Colebrook (2.49) esta em base 10, enquanto o da lei da parede (2.50) e natural.

Essa mudanca se deve somente a tradicao de se representar em base 10 o fator de

atrito e nao ha motivo fısico por tras.

2.6.3 Outras equacoes importantes

Alguns pesquisadores tentaram aproximar (2.49) por equacoes explıcitas. HAA-

LAND [1983] obteve boa congruencia com dados experimentais atraves da seguinte

formula:1√Λ

= −1.8 log((ε/D

3.7

)1.1

+6.9

Re

)(2.53)

Para fluidos nao newtonianos em escoamentos laminares, a expressao mais usual

e semelhante a (2.45). Deve-se atentar apenas para o uso do numero de Reynolds

generalizado ReMR:

Λ =64

ReMR

(2.54)

Para escoamentos em dutos lisos, pode-se dividir em tres tipos de equacoes: tipo

Prandtl, tipo Blasius e generalizadas.

As tipo Prandtl assumem a seguinte forma:

1√Λ

= An log(ReMRΛBn) + Cn (2.55)

em que An, Bn e Cn sao parametros obtidos empiricamente. A equacao de DODGE

[1959] e um exemplo de equacao tipo Prandtl. Ela e valida entre 2900 < ReMR <

36000 e 0.2 < n < 2.0. Sua forma e a seguinte:

1√Λ

=( 2

n0.75

)log(ReMR

Λ1−n2

22−n

)−( 0.2

n1.2

)(2.56)

Alternativamente, CLAPP [1961] desenvolveu a seguinte equacao:

1√Λ

=(2.265

n

)log(ReCL

Λ1−n2

22−n

)+(1.345

n

)− 2.95 + 0.345

(5− 8

n

)(2.57)

18

Page 33: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

com

ReCL =Dnu2−nρ

K8n−1(2.58)

valida em 0.698 < n < 0.813 e 5480 < ReCL < 42800.

E possıvel notar que as equcao tipo Prandtl sao implıcitas no fator de atrito.

Pensando nisso, as equacoes tipo Blasius foram desenvolvidas para possibilitar o

calculo do fator de atrito de forma explıcita. Estas assumem a seguinte forma:

Λ =a

RebMR

(2.59)

em que a e b sao obtidos experimentalmente. DODGE [1959] chegaram aos seguintes

valores para esses parametros:

a = 0.266 + 0.047n (2.60)

b = 0.365− 0.1775n+ 0.0625n2 (2.61)

validos em: 3000 < ReMR < 105. As equacoes que nao se encaixam nos tipos (2.55)

nem (2.59) sao nomeadas de generalizadas. Elas podem ser tanto implıcitas quanto

explıcitas.

Para escoamentos com fluidos lei de potencia em dutos rugosos ha poucas cor-

relacoes encontradas na literatura. TORRANCE [1963] propos uma expressao para o

regime totalmente turbulento, mas esta independe do numero de Reynolds. KAWASE

et al. [1994] apresenta uma equacao para regimes turbulentos que leva em consideracao

rugosidade e reologia do fluido.

GOTSCHLICH et al. [2011] fez uma extensa revisao bibliografica, contendo outras

expressoes para o calculo do fator de atrito alem das apresentadas nessa subsecao.

2.6.4 Correlacao utilizada

A correlacao usada foi desenvolvida por Santos, C.M.M. (comunicacao interna) e

e funcao das seguintes propriedades:

Λ = Λ(ReMR, n, ε/D) (2.62)

Sua forma e a seguinte:

1√Λ

= −2.0log

(1.26

1n2

2−nn

Re1nMRΛ

2−n2n

+ 100.1(

1− 1n

)0.27ε/D

)(2.63)

sendo esta valida para escoamentos turbulentos.

Sua grande vantagem e conter os tres parametros: rugosidade relativa (do duto),

19

Page 34: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

numero de Reynolds (do escoamento) e ındice de comportamento (da reologia do

fluido empregado), alem de ter sido validada experimentalmente. E interessante notar

que para fluidos newtonianos (n = 1) esta converge para a equacao de Colebrook

(2.49).

A correlacao acima foi validada por dados experimentais existentes na literatura.

Cabe ressaltar que ha poucos artigos contendo dados para escoamentos em dutos

rugosos de fluidos lei da potencia. Ela pode ser obtida de modo analogo a de

Colebrook (2.49), sendo que seu termo rugoso ∆B passa a ser dependente da reologia

do fluido:

∆B = ∆B(ε+)

ε+ =εD(K

ρu2−nτ

) 1n

(2.64)

Para escoamentos completamente turbulentos note que:

limReMR→∞

1.261n2

2−nn

Re1nMRΛ

2−n2n

→ 0 (2.65)

e a equacao passa a depender somente do termo rugoso. Situacoes que apresentam

numeros de Reynolds muito elevados denomina-se o escoamento de totalmente rugoso

(fully rough flow), pois o arrasto passa a depender somente da rugosidade relativa,

como visto em (2.65).

2.6.5 Fator de atrito em dutos anulares

Para escoamentos laminares, o calculo do fator de atrito e o mesmo de (2.45). So

deve-se atentar que o diametro hidraulico usado no numero de Reynolds para dutos

anulares e diferente.

Em escoamentos turbulentos, com relacao a dutos circulares, ha bem menos

expressoes e dados experimentais para o fator de atrito em dutos anulares, embora a

teoria empregada seja bastante similar — balanco de forcas e conservacao da massa,

basicamente. Em MITCHELL e MISKA [2011] pode-se encontrar tres recomendacoes.

Para fluidos newtonianos deve-se usar COLEBROOK e WHITE [1937]. Para fluidos

lei de potencia deve-se usar DODGE [1959] e equacoes tipo Blasius para certas

solucoes de polımeros e suspensoes de argilas. Ha tambem uma expressao para

plasticos de Bingham.

A teoria apresentada a seguir foi desenvolvida por Cruz, D.O.A. (comunicacao

interna). Esta foi desenvolvida para fluidos lei de potencia. Para esses fluidos em

20

Page 35: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

dutos anulres, e preciso de um sistema de duas equacoes que calculem o fator de

atrito da parte externa do duto interno e da interna do duto externo — Λi e Λo.

Com esse sistema, pode-se relaciona-las em funcao da razao entre os raios e assim

obter a equacao do atrito.

Para chegar nesse sistema, sao necessarias quatro equacoes: Balanco de forcas

no anel interno, balanco de forcas no anel externo, igualdade entre os perfis de

velocidade e equacao da vazao. Estes perfis sao logarıtmicos e partem em direcoes

opostas (um da parede externa do duto interno e outro da parede interna do duto

externo) e se encontram, apresentando uma regiao de maximo no mesmo anel — Rm,

ou raio de velocidade maxima. Aqui sera apresentado um modelo para fluidos lei de

patencia em dutos com rugosidade.

As duas primeiras relacionam as tensoes cisalhantes com a diferenca de pressao.

Divide-se em Rm a regiao entre dutos — o annulus. De Rm ate o raio externo faz-se

o balanco de forcas ao longo do duto para o tubo externo e do raio interno Ri ate

Rm para o duto interno. Estas equacoes sao as seguintes:

∑Fxexterno = τwo2πRodx−∆Pπ(R2

o −R2m) = 0 (2.66)

∑Fxinterno = τwi2πRidx−∆Pπ(R2

m −R2i ) = 0 (2.67)

elas podem ser adimensionalizadas para serem expressas em funcao do atrito.

Para dutos anulares, os perfis de velocidade turbulentos a partir de cada parede

tambem sao reproduzidos por uma lei logarıtmica. A terceira equacao consite na

igualdade dos perfis de velocidade logarıtmicos em Rm, onde esta e maxima:

uok

logRo −Rm

LoLεo+Buo =

uik

logRm −Ri

LiLεi+Bui (2.68)

esses perfis foram obtidos da equacao (2.41).

Sua forma adimensional e a seguinte:

√Λo

klog

Do

2

(1− Dm

Do

)LoLεo

+B√

Λo =

√Λi

klog

Do

2

(DmDo− Dm

Do

)LiLεi

+B√

Λi (2.69)

sendo Lε o efeito rugoso igual a 1 + αε. B e α sao definidos em funcao da reologia

do fluido:

B = 3, 33− 5, 44 log n+ 2, 19n−1,84 (2.70)

α = 0.3e0.1(

1− 1n

)(2.71)

21

Page 36: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Analogamente a dutos circulares, a ultima equacao e a da vazao. Calcula-se a

velocidade media a partir dela, ao integrar por partes e posteriormente adimensiona-

liza-la:

u =

∫ Rm

Ri

(uik

logr −Ri

LiLεi+Bui

)2πrdr+

∫ Ro

Rm

(uok

logRo − rLoLεo

+Buo

)2πrdr (2.72)

u = − 1

2k(R2o −R2

i )((Ri −Rm)ui

((2Bk − 3)Ri + (2Bk − 1)Rm + 2(Ri +Rm) log

Rm −Ri

LiLε

)

+(Rm −Ro)uo

((2Bk − 1)Rm + (2Bk − 3)Ro + 2(Rm +Ro) log

Ro −Rm

LoLε

))

Ao adimensionalizar a equacao acima tem-se:

1

2k(1− DiDo

2)

((Dm −Di

Do

)√Λi

((2Bk − 3)

Di

Do

+ (2Bk − 1)Dm

Do

+ 2

((Dm +Di

Do

)

logDo

2

Dm−DiDo

LiLεi

)+ (1− Dm

Do

)√

Λo

(Dm

Do

(2Bk − 1) + (2Bk − 3)

(Dm

Do

+ 1

)

logDo

2

1− DmDo

LoLεo

))= 1

sendo que Dm pode ser obtido da seguinte expressao do diametro de velocidade

maxima:

Dm

Do

=

√DiDo

√Λi + Di

DoΛo√

DiDo

Λi + Λo

(2.73)

Ao reorganizar a equacao adimensionalizada acima, pode-se obter expressoes em

funcao de parametros adimensionais como o numero de Reynolds e os fatores de

atrito:Do

2

1

LoLεo=

12

Re1nMR

6+2n

81n

(1√8

√Λo

) 2−nn

+ 2α εoDo

(2.74)

Do

2

1

LiLεi=

12

Re1nMR

6+2n

81n

(1√8

√Λi

) 2−nn

+ 2α εiDo

(2.75)

Com elas, pode-se chegar no sistema de equacoes do atrito atraves de — Apendice

B. Adimensionalizando o gradiente de pressao (obtido atraves do balanco de forcas)

22

Page 37: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

na secao anular, e possıvel se chegar em uma relacao que resulta no fator de atrito

para fluidos lei de potencia em dutos anulares:

Λ =DiDo

Λi + Λo

1−(DiDo

)2 (2.76)

A validade deste modelo e limitada nao somente pela reologia do fluido (leia-se

n), mas tambem pelo raio interno. Para tubos internos capilares a equacao nao

apresenta bons resultados, sendo assim nao valida. Essa mesma deducao apresentada

e valida para fluidos com tensao inicial (Herschel-Bulkley), fazendo-se as devidas

correcoes em Λo e Λi ao considerar o numero de Hedstrom generalizado.

2.7 Abaco de Moody

O objetivo principal de Lewis F. Moody ao publicar o seu artigo [MOODY, 1944a]

foi proporcionar aos engenheiros uma maneira simples de se obter o fator de atrito

para o calculo de perda de carga. Esta se encontra na figura 2.8. O abaco de Moody

consiste basicamente em um grafico de fator de atrito de Darcy pelo numero de

Reynolds, calculado para varias rugosidades relativas.

Sua leitura e costumeiramente feita partindo-se verticalmente de um numero

de Reynolds ate que se encontre a curva para a rugosidade relativa do problema.

Chegando a esse ponto, faz-se a leitura do fator de atrito no eixo vertical a esquerda.

Figura 2.8: Abaco de Moody [MOODY, 1944b]

23

Page 38: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Entretanto, o abaco de Moody aparesenta certas limitacoes. A maior delas e que

este so e valido para fluidos newtonianos em dutos circulares. Como sabe-se de 2.2,

ha varios outros tipos de fluidos de grande importancia e a nao-newtoniedade do

fluido (indicada por seu ındice de comportamento n) e uma influencia consideravel

no fator de atrito — quanto maior n, maior sera o fator de atrito, ceteris paribus.

Portanto, faz-se necessario a existencia de uma ferramenta capaz de expandir o

horizonte de aplicacoes deste grafico tao importante.

Tabela 2.3: Rugosidade superficial de certos materiais usados em engenharia, adap-tado de FOX et al. [1985]

Material Rugosidade ε [mm]Aco rebitado 0,9-9

Concreto 0,3-3Madeira 0,2-0,9

Ferro fundido 0,26Ferro galvanizado 0,15

Ferro fundido asfaltado 0,12Aco comercial ou ferro forjado 0,046

Trefilado 0,0015

2.8 Perda de carga

A perda de carga e um dos calculos mais importantes para os engenheiros

hidraulicos, pois com ela pode-se dimensionar bombas entre outros equipamentos. A

perda de carga total pode ser definida a partir da equacao da energia (adapta-se o

teorema de Bernoulli para fluidos reais):

hT =

(P1

ρ+ κ1

u21

2+ gz1

)−(P2

ρ+ κ2

u22

2+ gz2

)(2.77)

em que P e a pressao, ρ e o peso especıfico, u a velocidade media, g a aceleracao da

gravidade e z a altura (geometrica). κ e um fator de correcao da energia cinetica, que

para escoamentos laminares e 2 e para turbulentos fica entre 1.01 e 1.10. A equacao

(2.78) representa a correcao para κ de fluidos nao newtonianos em regime laminar.

Essa expressao e comumente encontrada em livros introdutorios de mecanica dos

fluidos [FOX et al., 1985] e de bombas industriais [DE MATTOS e DE FALCO,

1998].

κ =2(2n+ 1)(5n+ 3)

3(3n+ 1)2(2.78)

Para tubulacoes novas de determinados materiais, como o aco, ha valores para

24

Page 39: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

a perda de carga diretamente tabelados. Eles foram calculados pelo Hydraulic

Institute e dependem somente da vazao e diametro do tubo e sao fornecidos para

certo comprimento de duto — usualmente 100ft ou 100m.

Um calculo alternativo ao de Darcy-Weisbach e atraves da formula de Hazen-

Williams que pode ser expressa por:

u = 0, 355CD0,63h0,54d (2.79)

em que u, D e hd sao as grandezas usualmente associadas e C e o coeficiente de

Hazen-Williams (i.e. o ”fator de atrito”dessa equacao). C depende do material e

idade da tubulacao e e tabelado. Para diametros pequenos (menores que 50mm),

ha tambem as formulas de Flamant e Fair-Whipple-Hsiao. Os abacos para elas

encontram-se em DE MATTOS e DE FALCO [1998].

2.8.1 Perda de carga distribuıda

A perda de carga total pode ser distribuıda em duas partes: distribuıda e locali-

zada. Excetuando em tubulacoes que apresentem muitos acidentes por comprimento

de duto, a perda de carga distribuıda e a de maior importancia. Por isso, ela tambem

e conhecida como perda maior.

Essa e calculada atraves da expressao de Darcy-Weisbach (2.44), em que o calculo

do fator de atrito e crucial. Na secao sobre esse fator foram apresentadas diversas

formulacoes. Excetuando a do regime laminar com fluidos newtonianos, todas as

outras sao semiempıricas.

2.8.2 Perda de carga localizada

A perda de carga localizada pode ser causada por quaisquer motivos que alterem o

fluxo do fluido a ser escoado. Acessorios, como valvulas, curvas ou joelhos, mudancas

de areas, alem da entrada e da saıda da tubulacao causam perda de carga localizada.

Elas podem ser minimizadas, caso a tubulacao apresente grandes trechos retos.

Ha dois metodos para se calcular esse tipo de perda de carga: Metodo direto e

metodo do comprimento equivalente. O primeiro e calculado atraves da seguinte

expressao:

hl = Kacidenteu2

2g(2.80)

em que Kacidente e um valor experimentalmente obtido e tabelado para cada tipo de

acidente.

O metodo do comprimento equivalente consiste em transformar o valor do acidente

em comprimento de duto reto adicional ao trechos retos da tubulacao. Estes valores

25

Page 40: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

(Leq) tambem se encontram tabelados nos livros citados nessa secao para fluidos

newtonianos.

hl = ΛLeqD

u2

2g(2.81)

Ha poucos dados tabelados para fluidos nao newtonianos. GOTSCHLICH et al.

[2011] faz um levantamento dos encontrados atualmente na literatura.

2.9 Caracterizacao da geometria

A geometria tem papel fundamental no calculo do numero de Reynolds. Para

escoamentos internos, o comprimento caracterıstico assume a forma de diametro

hidraulico. Este e calculado da seguinte maneira:

DH =4A

O(2.82)

em que A e a area da secao transversal e O e o perımetro da superfıcie em contato

com o fluido (wetted perimeter).

Dutos e tubulacoes podem assumir os mais variados formatos: Circulares, anulares,

quadrados, retangulares entre outros. Em um poco de perfuracao os dois primeiros

sao os mais utilizados.

2.9.1 Dutos circulares

Para dutos circulares o calculo do diametro hidraulico e:

DH =4π(D2/4)

πD= D (2.83)

que e o proprio diametro da tubulacao.

E o formato mais usual de tubulacao. Seu escopo de utilizacao vai desde a

tubos que transportam agua em uma residencia ate oleodutos que percorrem paıses

transportando petroleo e seus derivados.

2.9.2 Dutos anulares

Dutos anulares sao de vital importancia para a industria de petroleo. Eles sao

encontrados em pocos de perfuracao, por exemplo. Neles lama de perfuracao, um

fluido nao newtoniano, e injetada pela parte interna do duto, retornando pela parte

anular, com o objetivo de proteger a broca, igualar a pressao do poco a externa e

prevenir que outros fluidos entrem no poco. Apos retirar a broca, usa-se ainda o

duto anular para cimentacao de sua parte externa a fim de manter a integridade

26

Page 41: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

deste. Em casos que e preciso perfurar mais profundamente, ha a repeticao destas

etapas, passando dutos por dentro dos anteriores.

Em dutos anulares o diametro hidraulico e o seguinte:

DH =4π(D2

o −D2i )/4

π(Do +Di)= Do −Di (2.84)

sendo Do o diametro do duto externo e Di o diametro do duto interno.

A equacao (2.84) nao depende diretamente dos diametros, mas sim da diferenca

entre eles. Por isso, sua generalidade e limitada. Como ha uma correlacao direta entre

o diametro externo e o hidraulico, optou-se por usar o externo nesse trabalho. Note

que, caso prefira-se calcular o numero de Reynolds atraves do diametro hidraulico,

basta recorrer a seguinte igualdade: Do = DH +Di.

Outro diametro muito utilizado para fins de engenharia e o diametro medio

(Dmedio = Do+Di2

). Em tubulacoes anulares e comum que engenheiros usem tanto

o diametro medio como o diametro hidraulico para poder calcular o numero de

Reynolds da situacao em questao. Independetemente da reologia do fluido usado,

com esse calculo e com a rugosidade relativa, usa-se a equacao (2.49) para obter-se

um fator de atrito.

O procedimento descrito acima apresenta alguns problemas. A equacao (2.49) foi

desenvolvida para dutos circulares e fluidos newtonianos. Logo, usa-la para fluidos

nao newtonianos em dutos anulares e extrapolar os limites da teoria desenvolvida.

Para dutos anulares com fluidos Herschel-Bulkley, ? apresenta algumas correcoes.

2.10 Funcoes transcendentais e implıcitas

Funcoes transcendentais sao aquelas que nao podem ser representadas por funcoes

algebricas. Em outras palavras, elas nao podem ser construıdas por um numero

finito de operacoes elementares — soma, subtracao, multiplicao, divisao e raiz de um

numero inteiro.

Funcoes exponenciais e trigonometricas e suas inversas sao exemplos de funcoes

transcendentais. Quanto as equacoes que calculam o fator de atrito, as equacoes tipo

Prandtl (2.55) e a equacao (2.49) de COLEBROOK e WHITE [1937] sao alguns dos

muitos exemplos encontrados na literatura.

A multiplicidade desses casos nao e uma coincidencia. Funcoes transcendentais sao

de grande utilidade em analise dimensional, pois elas so possuem sentido fısico com

argumentos adimensionais, o que facilita a identificacao de erros de dimensionalidade.

Note que o logaritmando da equacao (2.49), por exemplo, so depende do numero de

Reynolds e da rugosidade relativa — ambos valores adimensionais.

A funcao implıcita e definida como sendo aquela em que as variaveis nao possuem

27

Page 42: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

uma relacao explıcita entre si, sendo necessario uma relacao algebrica. Funcoes

inversas e algebricas sao funcoes implıcitas. Alem disso, o cırculo tambem e um

exemplo. (2.85) representa este tipo de relacao

x = f(x) (2.85)

2.11 Calculo de raızes

Encontrar a raiz de uma equacao pode ser uma tarefa nao trivial. Polinomios

de ordem superior a 2 ja causam problemas para serem resolvidos analiticamente,

passando a necessitar-se de um metodo numerico. Essa tarefa pode ser especialmente

ardua, quando se trata de funcoes implıcitas que e o caso da (2.63). Contudo,

felizmente ha diversos metodos robustos para se obter uma solucao numerica. RUG-

GIERO [1988] apresenta os mais tradicionais. E comum tambem buscar solucoes ad

hoc.

Uma alternativa para funcoes implıcitas e torna-las explıcitas e usar o metodo

de iteracao linear (MIL). Para explicitar uma equacao e preciso criar uma variavel

nova, ao renomear em apenas um dos lados da equacao a variavel que faz da funcao

ser implıcita. Esse artifıcio somente nao resolveria o problema. E preciso tambem

estimar um valor inicial x0 para esta variavel a fim de iniciar um metodo iterativo.

A aplicacao do MIL consiste em transformar uma funcao f(x) = 0 em x = g(x),

pois, ao resolver x = g(x) tem-se a raiz do problema f(x) = 0. Como a funcao ja foi

explicitada, basta apenas realizar algumas manipulacoes algebricas para tal. Com isso,

e preciso entao resolver x = g(x) iterativamente, o que significa criar uma sequencia

em x a partir do ponto x0 calculada segundo xi+1 = g(xi), em que i = 0, 1, 2, 3, ...n

ate que xn esteja proximo o bastante da raiz. Geralmente estabelece-se o criterio de

convergecia como: ∣∣∣∣∣xn − xn−1

xn

∣∣∣∣∣ < δ (2.86)

sendo δ dependente de certos fatores, desde a caracterıstica do problema fısico a

precisao da maquina utilizada.

Para diminuir o numero de iteracoes, pode-se sobrerelaxar o passo. O que

consiste em utilizar mais informacao da iteracao anterior. A sobrerelaxacao pode ser

perigosa ao fazer com que o algoritmo convirga para valores errados. Seu oposto e a

subrelaxacao, em que se usa menos da informacao recem calculada com relacao a

que ja se possuıa.

28

Page 43: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Capıtulo 3

Metodologia

Para dutos anulares, usou-se o Wolfram Mathematica o que resumiu a solucao a

um comando — FindRoot. Nao foi possıvel obter uma solucao em Python precisa o

suficiente para o sistema de equacoes do atrito anular devido a sua complexidade.

Atraves do metodo da bissecao ou de outros metodos iterativos foi possıvel resolver as

duas equacoes separadamente. Entretanto, quando se tratava do sistema, o algoritmo

nao convergia. O codigo em Wolfram Mathematica encontra-se no apendice B.

Com isso, neste capıtulo sera abordado o metodo utilizado para resolver a equacao

2.63 para dutos circulares. As etapas necessarias para a solucao foram: Implementacao

e validacao. Estas sao complementares e, ate certo ponto, simultaneas. Sempre

que algum erro era encontrado na implementacao, voltou-se a realizar testes ate se

chegar em um codigo final robusto e eficiente — em torno de 30 iteracoes ja se obtia

o resultado esperado. Este codigo esta presente no apendice A e seu algortimo logico

esta representado no fluxograma da figura 3.1.

3.1 Implementacao

Como o objetivo do trabalho era gerar um simulador online, foi preciso usar uma

linguagem de programacao capaz de obter dados de um formulario html desta. Por

isso, optou-se por usar o Python. Enquanto a maneira encontrada de fazer essa

conexao sera abordada no proximo capıtulo, este se concentra no amago do problema:

Como resolver as equacoes que calculam o fator de atrito.

O grande desafio desta situacao e resolver as equacoes implıcitas nesta linguagem.

Caso o programa fosse escrito no Wolfram Matheamtica, por exemplo, um comando

(FindRoot) bastaria para realizar essa rotina. No Python essa funcao nao esta

disponıvel.

Para isso, a primeira ideia foi tornar a equacao implıcita em explıcita. Com isso

29

Page 44: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Tabela 3.1: Calculos realizados pelo algoritmo implementado

Calculo EquacaoVelocidade Media (2.10)

Numero de Reynolds (2.13)Fator de Atrito (3.1) sujeita a (3.2)Perda de carga (3.3)

Potencia de bombeamento (3.4)

a equacao (2.63) fica com o seguinte formato:

Λt =

(− 2.0log

(1.26

1n2

2−nn

Re1nMRΛ

2−n2nt−1

+ 100.1(

1− 1n

)0.27ε/D

))−2

(3.1)

sendo t = 1, 2, 3...

Com (3.1) e possıvel estabelecer uma rotina iterativa em que se calcula Λt a partir

de um valor para Λt−1. Assim e possıvel usar na iteracao seguinte o valor obtido

fora do logaritmo (Λt) dentro do logaritmo (Λt−1). Repete-se esse processo ate que o

criterio de convergencia seja saciado. Este criterio foi estabelciodo como:

|Λt − Λt−1|Λt−1

< 10−6 (3.2)

esse valor nao corresponde com a precisao real da equacao.

Para t = 0 usou-se um valor de 0.03 para o fator de atrito, pois foi constatado

que nao fazia diferenca no numero de iteracoes usar este valor inicial ou os obtidos

atraves da equacao do regime laminar (2.45) ou da equacao de Blasius (2.59).

Para o calculo da perda de carga modificou-se a equacao (2.44) para exprimir

valores em unidades de pressao. O calculo feito foi o seguinte:

∆P = ΛρLu2

2D(3.3)

Tendo a perda de carga, pode-se calcular a potencia de bombeamento necessaria:

Wbomba = ∆PQ (3.4)

em que Q e a vazao volumetrica.

A figura 3.1 resume os calculos feitos pelo programa.

30

Page 45: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Figura 3.1: Fluxograma para obtencao o fator de atrito e dos resultados subsequentes.

31

Page 46: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

3.2 Validacao

Nesta etapa foram realizados testes para saber o comportamento das equacoes e

obter valores confiaveis para serem usados como referencia. O programa usado foi

o Wolfram Mathematica, em especial a sua funcao FindRoot. Com ela, tem-se uma

maneira rapida e direta de obter o fator de atrito.

Primeiramente, comparou-se (2.63) e (3.1) e, para o caso newtoniano, comparou-

se com a equacao de COLEBROOK e WHITE [1937]. Foi possıvel verificar que

os valores eram identicos para toda a faixa valida desta equacao — 0.4 < n < 1.6.

Sabendo-se disso, passa-se a ter a certeza que qualquer valor discrepante obtido no

Python e por conta de um problema do metodo de solucao (i.e. no algoritmo).

32

Page 47: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Capıtulo 4

Simulador para dutos circulares

O simualdor tem duas tarefas principais. A primeira delas e calcular os resultados

para a situacao exata que o usuario indicou atraves dos inputs. A segunda e gerar

um abaco de Moody com base na reologia do fluido em questao — leia-se n (ındice

de comportamento).

A motivacao por tras de se ter um abaco de Moody e que, dado que o fluido ja foi

especificado, pode-se fazer comparacoes diretas para determinar diametro e material

da tubulacao.

4.1 Dados de entrada e saıda

Os dados de entrada podem ser dividos em: Propriedades reologicas do fluido,

caracterısticas geometricas da tubulacao e vazao volumetrica do escoamento. As

tabelas 4.1 e 4.3 contem todos os parametros e resultados do programa para dutos

circulares.

Tabela 4.1: Dados de entrada (inputs)

Indice de comportamento n [adimensional]

Indice de consistencia K [adimensional]Massa especıfica ρ [kg/m3]

Comprimento do duto L [m]Diametro do duto D [m]

Rugosidade relativa ε/D [adimensional; m/m]Vazao volumetrica Q [m3/s]

Para dutos anulares, os resultados seriam os mesmos. Entretanto, precisa-se de

mais dados de entrada, pois estes sao compostos por dois dutos (tabela 4.2).

33

Page 48: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Tabela 4.2: Dados de entrada adicionais para dutos anulares (inputs)

Diametro externo do duto interno Di [m]Rugosidade relativa externa do duto interno εi/Di [adimensional; m/m]

Tabela 4.3: Dados de saıda (outputs)

Fator de atrito Λ [adimensional]Perda de carga distribuıda ∆P [kPa]

Potencia de bombeamento Wbomba [kW ]

4.2 Interface com o usuario e descricao do codigo

implementado

O codigo descrito a seguir se encontra no apendice A.2. O usuario tem con-

tato com o programa atraves da pagina do Laboratorio de Escoamentos Mul-

tifasicos e pode ser encontrado em: www.escoamentosmultifasicos.coppe.ufrj.

br/simuladores/Moody.html. Ela consiste basicamente de um formulario html com

a formatacao css padrao dos simuladores desta pagina. Nele o usuario deve escrever

os parametros da situacao desejada.

Ao preenche-lo e apertar o botao Submit, o programa Moody.py e responsavel

por adquirir esses dados. Para isso, usa-se a classe FieldStorage juntamente com o

modulo cgi. Basta instanciar uma vez (cgi.FieldStorage) para tornar essa operacao

possıvel. Nesse codigo usa-se get — especificamente a funcao getfirst — para obter

cada parametro de entrada. Com ela, pode-se depois armanzenar esses inputs em

uma lista.

Para garantir que o programa ira usar dados coerentes, algumas restricoes foram

impostas ao usuario atraves de erros mais comuns que poderiam ocorrer. Caso

o usuario cometa um deles, este sera especificado e retornado atraves de uma

mensagem explicativa e especıfica dos parametros que contem o problema. Estes

erros se encontram na tabela 4.4.

Alem disso, o programa ainda substitui ”,”por ”.”para que o Python interprete

corretamente as casas decimais — alem de indexar a lista corretamente. Com excecao

dos erros que afetam o ındice de comportamento, o programa mesmo assim e capaz

de gerar o abaco de Moody. Em outras palavras, basta que o parametro n esteja

correto.

Feito o tratamento desses erros, os calculos necessarios comecam a ser feitas.

Estas foram explicadas no capıtulo 3 e no fluxograma da figura 3.1. Esses calculos

foram definidos por funcoes e estao presentes em um outro arquivo denominado

34

Page 49: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Tabela 4.4: Possıveis erros nos dados de entrada

Todo parametro deve ser um numero.Todo parametro deve ser positivo.

O ındice de comportamento deve ser um valor entre 0.4 e 1.6.O ındice de consitencia deve ser um valor entre entre 0 e 1.

A rugosidade relativa deve ser menor que 0.1.

Contas.py (apendice A.1).

Para atualizar o formulario com os resultados, foram defenidas as seguintes

funcoes: loadHTML e generateHTML. A primeira e responsavel por criar o html

desse simulador em especıfico. Ja a segunda e necessaria para ataulizar o formulario

da pagina com os resultados e com a figura do abaco de Moody.

Figura esta que e gerada pela funcao generateSVG com auxılio da biblioteca

matplotlib. Em especial, foi-se usado o comando pyplot que permite com que esta

biblioteca funcione como o MATLAB.

Funcoes como as do tipo .set foram usadas para formatar o grafico. A figura

gerada e do formato SVG. Escolheu-se este formato, pois e um desenho vetorial

(i.e. um vetor), permitindo assim modificar suas dimensoes sem que hajam grandes

distorcoes nem perdas de qualidade.

Para que o arquivo da figura possa ser retornado ao formulario do site do

laboratorio, lancou-se mao da classe io. io.StringIO tranforma a figura em um stream

de dados que e convertida para uma string com o uso de .getvalue.

35

Page 50: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Capıtulo 5

Resultados e Discussao

5.1 Resultados

O resultado principal e o simulador presente na pagina do laboratorio — figura

5.1. Este resultado e significativo, pois trata-se de uma ferramanta inedita. Pode-

se obter o fator de atrito de forma simples, direta e gratuita tanto para regimes

laminares quanto para turbulentos — nao e valido na transicao. Alem disso, e de

vasta aplicacao, podendo trabalhar desde fluidos reofluidificante ate a reoespessantes

— 0.4 < n < 1.6.

Pode-se perceber que a reologia do fluido influencia consideravelmente no valor

do fator de atrito para ambos os dutos. Quanto menor n, menor sera Λ — vide as

figuras 5.2, 5.3, 5.4 e, no caso anular, 5.6. Essa diminuicao no fator de atrito ocorre,

pois o fluido torna-se mais fino, diminuindo assim o atrito na parede.

O grafico do simulador se difere ao de Moody justamente pela influencia deste

parametro no calculo do fator de atrito.Enquanto que para a regiao laminar a

mesma equacao (2.45) e utilizada, para a regiao turbulenta usa-se a equacao (2.63),

desenvolvida no NIDF por Santos, C.M.M.(comunicacao interna) e validada experi-

mentalmente, ao inves da equacao (2.49) de COLEBROOK e WHITE [1937].

O simulador e simples e direto, pois basta este precisa somente dos dados essenciais

que nao devem ser problematicos de se obter. A reologia do fluido e de amplo acesso,

as caracterısticas do duto devem ser especificadas pelo fabricante — para dutos

circulares se encontram no proprio abaco para materiais mais utilizados — e a vazao

volumetrica e obtida atraves de medicoes.

O programa e gratuito, pois nao tem nenhum custo associado desde que se tenha

acesso a internet, podendo ser utilizado de um celular ou ate de uma Smart TV,

por exemplo. Por motivos obvios, o intuito deste trabalho nao foi desenvolver um

aplicativo para uma televisao inteligente, mas sim ter um dispositivo que independesse

de sistemas operacionais e de capacidade computacional que pudesse ser usado em

36

Page 51: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

situacoes remotas, como em uma plataforma de exploracao de petroleo.

Figura 5.1: Pagina do Laboratorio de Escoamentos Multifasicos.

Figura 5.2: Abaco de Moody para n = 0.7.

Outro fato que merece destaque e que o codigo esta no servidor do laboratorio.

Com isso, este pode passar por alteracoes, a fim de manter o usuario sempre com o

programa mais atual possıvel, alem de ser executado de forma rapida.

Por fim, outra facilidade e para obter uma versao impressa do abaco. Basta clicar

ctrl + p para habilitar o modo de impressao e definir o Layout da folha como paisagem

para se ter um abaco de Moody para o ındice comportamento dado preenchendo-a

37

Page 52: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Figura 5.3: Abaco de Moody para n = 0.9.

Figura 5.4: Abaco de Moody para n = 1.1.

totalmente.

Quanto ao codigo para dutos anulares, percebe-se na figura 5.5 que este apresenta

boa congruencia com dados experimentais [KELESSIDIS et al., 2011] quando o

38

Page 53: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Figura 5.5: Grafico log-log para comparacao entre dados experimentais [KELESSIDISet al., 2011] e do modelo para o fator de atrito anular com as equacoes (2.61) eCOLEBROOK e WHITE [1937].

escoamento e completamente turbulento — figuras 5.5 e 5.7. O que acontece para em

torno de 60000. Logo, o algoritmo em apendice so deve ser usado para altos numeros

de Reynolds, nao sendo valido entao na transicao nem em regimes turbulentos com

Reynolds menores que 60000. Cabe lembrar que para regimes laminares a equacao

e semelhante a de dutos circulares e e provada analiticamente — atente-se como o

numero de Reynolds e especificado.

Ainda sobre a figura 5.5, pode-se perceber que usar as equacoes de tanto COLE-

BROOK e WHITE [1937] como (2.63) acarretam em erros consideraveis, mesmo ao

se usar o diametro hidraulico. COLEBROOK e WHITE [1937] esta mais proximo

dos dados experimentais, pois o fluido usado e reofluidificante (n = 0.8798).

5.2 Discussao

Primeiramente, pode-se discutir a relevancia de se ter um abaco de Moody

para fluidos nao newtonianos e do proprio abaco em um mundo com abundancia

de computadores e capacidade numerica. Em geral, engenheiros sao profissionais

39

Page 54: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Figura 5.6: Graficos log-log para 3 ındices de comportamento diferente: n = 0.7,n = 0.8 e n = 0.9; Di/Do = 0.6. Note a influencia direta do n no aumento do fatorde atrito.

objetivos que preferem praticidade em suas ferramentas utilizadas e estao mais

preocupados em ter um resultado; em parte, e por isso que o abaco de Moody original

se popularizou.

As equacoes do fator de atrito mais precisas para regimes turbulentos sao as

implıcitas, logo seu formato dificulta a resolucao destas. Nao e possıvel resolve-las no

Excel, por exemplo, e, por mais simples que seja, nem todos esses engenheiros sabem

utilizar ou tem acesso ao Wolfram Mathematica ou a softwares afins. Portanto, esse

motivo em si ja justificaria a perpetuacao nao so do abaco de Moody, mas tambem

do proprio simulador, visto que este resolve uma equacao dessa natureza, poupando

o trabalho do usuario.

Sobre o simulador, e valido discutir algumas das escolhas feitas. Primeiramente, o

por que de usar uma pagina da web mantida pelo servidor do laboratorio para compilar

o programa pode nao estar claro. O motivo principal para essa decisao e que basta

haver conexao de internet para poder acessar o programa, independentemente do

aparelho utilizado. Alem disso, nenhum programa precisa ser instalado no dispositivo

do usuario. Pode-se tambem lancar novas versoes sem que haja a necessidade de

atualizacoes por parte de quem esta usando o simulador. Com isso, o usuario tem

40

Page 55: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Figura 5.7: Erro relativo da comparacao entre dados experimentais e do modelo parao fator de atrito anular.

sempre a versao mais atual disponıvel.

Um aplicativo para celular e uma outra proposicao valida, ao inves de um

site. A grande vantagem deste e que nao precisaria estar conectado a internet.

Contudo, todas as vantagens citadas no paragrafo anterior seriam perdidas, alem de

ser necessario criar uma arquitetura especıfica para cada sistema operacional.

Quanto a dutos anulares, e questionavel a representacao do fator de atrito em

formato de abaco de Moody. Como ha mais parametros (4 contra 3 do caso circular)

passa a se ter dificuldades de representacao em um plano. Um simulador que gere

somente os resultados e os armazene passa a ser mais util ao inves de um abaco para

um engenheiro.

Um simulador em Python para dutos anulares nao foi desenvolvido, pois ate

a conclusao deste trabalho nao conseguiu-se solucionar o sistema de equacoes do

atrito. Diversos metodos foram testados, incluindo os que foram utilizados no

algoritmo final para resolver a equacao de dutos circulares. Atraves deste metodo e

da bissecao, conseguiu-se obter resultados satisfatorios para solucionar cada equacao

individualmente, mas esses nao condizem com a realidade.

Logo, como de se esperar, ficou claro que era preciso resolver o sistema simul-

41

Page 56: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

taneamente. Um dos problemas enfrentados para tal foi que chegava-se no criterio

de parada de so uma equacao. Sendo que esta era a resposta local e nao uma raiz

de fato do sistema. Alem disso, quando essa situacao nao ocorria, o algoritmo nao

convergia, mesmo para um numero elevado de iteracoes.

Por isso, a fim de nao deixar o leitor sem nenhuma maneira de se obter o fator de

atrito neste caso, apresentou-se o codigo em Mathematica. O problema com este e

que nao foi possıvel integra-lo com um formulario html como no caso do duto circular

e, portanto, nao ha um simulador online disponıvel.

42

Page 57: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Capıtulo 6

Consideracoes Finais

6.1 Conclusao

Fez-se uma breve revisao sobre perda de carga e escoamento interno, com devida

atencao ao fator de atrito. Revisou-se a bibliografia e apresentou-se o estado da

arte das expressoes atraves da qual ele e calculado e representado tanto para fluidos

newtonianos como para nao newtonianos para dutos circulares.

Estudo este que culmina na apresentacao da equacao utilizada para fluidos lei

de potencia e qual a metodologia utilizada para resolve-la. A equacao (2.63) ja

foi validada, mas ainda nao publicada por se tratar de uma tese de doutorado em

andamento. Explicou-se tambem a teoria necessaria para se obter uma expressao

para dutos anulares para fluidos lei de potencia, a qual foi comparada com dados

experimentais — figura 5.5.

Pode-se tambem concluir que o abaco de Moody continua como uma forma

relevante de se obter o fator de atrito para dutos circulares. Representar em um

grafico semelhante ao de Moody para dutos anulares talvez nao seja a melhor opcao,

devido ao maior numero de parametros.

Outra conclusao e que o simulador presente no site do Laboratorio de Escoamentos

Multifasicos representa uma forma eficiente, direta e precisa para obter-se o fator de

atrito. Sendo assim uma poderosa ferramenta para engenheiros hidraulicos calcularem

perda de carga e dimensionarem bombas.

6.2 Trabalhos Futuros

Incorporar o calculo das perdas de carga menores e um caminho a ser seguido

para dar continuidade a esse trabalho. Para tal, e preciso primeiramente buscar

dados confiaveis para acidentes de tubulacao para fluidos nao newtonianos e materiais

relevantes industrialmente. O passo a seguir seria criar uma interface em que o

43

Page 58: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

usuario fosse capaz de construir um modelo de sua tubulacao, ao incluir valvulas e

acessorios, curvas, joelhos e seus demais acidentes.

Criar um simulador online para dutos anulares e tambem um trabalho futuro

relevante. Como se tem um sistema de duas equacoes implıcitas com muitos termos

nao lineares, e preciso fazer uma escolha inteligente do metodo a ser implementado.

Os equipamentos utilizados para extracao em pocos de petroleo offshore sao

compostos por dutos circulares e anulares. Criar um codigo computacional, a

partir dos simuladores, capaz de modelar o escoamento nessa situacao e calcular

o fator de atrito seria relevante e de grande interesse para a industria do petroleo

especificamente.

44

Page 59: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

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47

Page 62: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Apendice A

Codigos em Python para dutos

circulares

A.1 Contas.py

import math

def Velocity(q,d): \#Calculates mean velocity from volumetric flow.

u = float(4*q/(pow(d,2)*math.pi))

return u

def Reynolds(u,d,n,k,ro): \#Calculates generalized Reynolds number.

re = (2**(5 - 3*n)*d**n*n*ro*u**(2 - n))/(k*(1 + 3*n))

return re

def LFactor(re): \#Laminar flow equation for the friction factor.

f = 64/re

return f

def TFactor(re,n,kl): \#Turbulent flow equation\

for the friction factor.

bl = 0.03 \#To start the iteractive method.

i = 0

while i <= 100:

a = float(pow(1.26,1./n)*pow(2.,(2-n)/n))

b = float(pow(re,1./n)*pow(bl,(2.-n)/(2*n)))

c = float(0.27*float(kl)*pow(10,0.1*(1.-(1./n))))

48

Page 63: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

f = pow(-2.*math.log10((a/b)+ c),-2)

if abs((f-bl)/f) <= pow(10,-6): \#Stop criteria

return f

else:

if f < 1:

bl = f

i = i + 1

else:

return ’Convergence Error type 1.’

return ’Convergence Error type 2.’

def PressureDrop(ro,f,u,d,l):

if (f == ’Convergence Error type 1.’) or\

(f == ’Convergence Error type 2.’):

#Only to let the program run without being interrupted\

by class error. This error is reported to the user.

return f

else:

p = float(pow(10,-3)*0.5*(1/d)*f*ro*l*pow(u,2)) #kPa

return p

def Power(p,q):

if (p == ’Convergence Error type 1.’)\

or (p == ’Convergence Error type 2.’):

#Only to let the program run without being interrupted\

by class error. This error is reported to the user.

return p

else:

w = float(p*q) # kWatt

return w

A.2 Moody.py

import cgi

import sys

import os

import cgitb

49

Page 64: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

cgitb.enable(display=0) #doesn’t report the errors to the users

import Contas

import matplotlib

matplotlib.use(’SVG’)

import matplotlib.pyplot as plt

import io

import math

import numpy

import time

def getParametersCGI():

\#Creates a list with the parameters inputed by the user.

form = cgi.FieldStorage()#CGI Form

p = [] #Inputs

p.append(form.getfirst("n",""))

p.append(form.getfirst("k", ""))

p.append(form.getfirst("ro", ""))

p.append(form.getfirst("l", ""))

p.append(form.getfirst("d", ""))

p.append(form.getfirst("kl", ""))

p.append(form.getfirst("q", ""))

return p

def loadHTMLModel(filename):

path = os.path.join(os.path.dirname(os.path.realpath(__file__)),\

filename)

#realpath - returns the path of the specified filename

#dirname - returns the directory name of pathname

#join - joins the two paths: lab + Moody

#filename = Moody.html

with open(path, ’r’) as f:

#’r’ is the default method - open for reading;\

going to be used with StringIO;

#information available at: \

50

Page 65: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

https://docs.python.org/3/library/functions.html

model = f.read()

return model

def main():

inputs1 = getParametersCGI()

#inputs1 = [’0.787’, ’0.37011’, ’1037.2’, ’100.0’, ’0.1524’,\

’0.003’, ’0.01’]

model = loadHTMLModel("MoodyModelo.html")

print("Content-type: text/html\n\n")

\#html format instead of plain text

#print("Content-type: text/plain\n\n")

\#plain text instead of html

numberErrorMessage = "Every parameter must be a number."

negativeErrorMessage = "Every parameter must be positive."

nErrorMessage = "Behavior Index must be between 0.4 and 1.6."

klErrorMessage = "Relative roughness must be smaller than 0.1."

kErrorMessage = "Consistency Index must be between 0 and 1."

ConvergenceError = "For those inputs\

the method did not converge."

nIsBad=False #Boolean variable

readError = False #Boolean variable

inputs2 = []

results = []

lstPoints = []

for i in range(len(inputs1)):

try: #Tests if it is float

inputs1[i] = inputs1[i].replace(’,’,’.’)\

#Replaces "," por "."

inputs2.append(float(inputs1[i]))

except:

inputs2.append(numberErrorMessage)

#Replaces a non-number parameter for the respective type of error.

results = [’-’,’-’,’-’]

if i == 0:

nIsBad = True

51

Page 66: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

readError = True

else:

if inputs2[i] <= 0:

#Tests if the inputs are positive and \

if the user didn’t write anything.

if i == 0:

nIsBad = True

inputs2[i] = negativeErrorMessage

results = [’-’,’-’,’-’]

readError = True

if (not (inputs2[0] == negativeErrorMessage)) and \

(not (inputs2[0] == numberErrorMessage)):

if inputs2[0] > 1.6 or inputs2[0] < 0.4:

\# 0.4 < n < 1.6

inputs2[0] = nErrorMessage

results = [’-’,’-’,’-’]

nIsBad = True

readError = True

if (not (inputs2[1] == negativeErrorMessage)) and\

(not (inputs2[1] == numberErrorMessage)):

if inputs2[1] > 1: # 0 < k < 1

inputs2[1] = kErrorMessage

results = [’-’,’-’,’-’]

readError=True

if (not (inputs2[5] == negativeErrorMessage)) and\

(not (inputs2[5] == numberErrorMessage)):

if inputs2[5] > 0.1: # kl < 0.1

inputs2[5] = klErrorMessage

results = [’-’,’-’,’-’]

readError = True

num = inputs2[0]

global num #Only to show up at the chart title

if not nIsBad: #For the Moody’s Chart.

treynolds = [10**k for k in numpy.\

52

Page 67: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

linspace(math.log(3000,10),8,100)]

kls = [0, pow(10,-6), 5*pow(10,-6), pow(10,-5),\

5*pow(10,-5),pow(10,-4),2*pow(10,-4), 5*pow(10,-4),\

0.001, 0.002, 0.005,0.01, 0.015, 0.02,0.03, 0.04, 0.05]

lstPoints.append(treynolds) #lstPoints[0] = faixa de Reynolds

for i in range(len(kls)):

ff = []

for j in range(len(treynolds)):

ff.append(float(Contas.TFactor(treynolds[j],\

inputs2[0],kls[i])))

lstPoints.append(ff)

lreynolds = [10**k for k in numpy.linspace(math.log(500,10),\

math.log(2300,10),20)]

#Reynolds points for the friction factors curves in the Moody Chart

lff = []

for w in range(len(lreynolds)):

lff.append(float(Contas.LFactor(lreynolds[w])))

lstPoints.append(lreynolds)

lstPoints.append(lff)

global readError

if not readError: #nIsBad would be redundant.

u = Contas.Velocity(inputs2[6],inputs2[4])

re = Contas.Reynolds(u,inputs2[4],inputs2[0],\

inputs2[1],inputs2[2])

if re > 2300:

f = Contas.TFactor(re,inputs2[0],inputs2[5])

else:

f = Contas.LFactor(re)

num3 = re #To plot the dot

num4 = f

global num3

global num4

53

Page 68: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

if (f == ’Convergence Error type 1.’)or\

(f == ’Convergence Error type 2.’):

#Checks friction factor errors in Contas.py

results.append(ConvergenceError)

results.append(’-’)

results.append(’-’)

readError = True

else:

h = Contas.PressureDrop(inputs2[2],f,u,inputs2[4],\

inputs2[3])

w = Contas.Power(h,inputs2[6])

results.append(round(f,4))

results.append(round(h,4))

results.append(round(w,4))

print(generateHTML(model,inputs2,results,lstPoints))

return 0

def generateHTML(model,inputs,results,lstPoints):

#Updates input values, generates results and\

plots the Moody Chart in a html form

newHTML = model

patternPar = "##{0}p##"

patternRes = "##{0}r##"

patternGraf = "##{0}g##"

for i in range(len(inputs)):

#inputs2 isn’t a global variable; inputs = inputs2

newHTML = newHTML.replace(patternPar.format(i),\

str(inputs[i]))

for i in range(len(results)):

newHTML = newHTML.replace(patternRes.format(i),\

str(results[i]))

#Generates results

if len(lstPoints)>0:

newHTML = newHTML.replace(patternGraf.format("0")\

,generateSVG(lstPoints))

#Plots Moody Chart

else:

54

Page 69: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

newHTML = newHTML.replace(patternGraf.format("0"),’’)

#If something wrong happens, it doesn’t plot anything

return newHTML

def generateSVG(lstPoints):

fig = plt.figure()

fig.set_size_inches(15,10) #To fit in a A4 sheet, landscape mode

kls = [0, pow(10,-6), 5*pow(10,-6), pow(10,-5), 5*pow(10,-5),\

pow(10,-4),2*pow(10,-4), 5*pow(10,-4), 0.001, 0.002, 0.005,\

0.01, 0.015, 0.02,0.03, 0.04, 0.05]

#Roughness labels

xf = 1.05*pow(10,8) #Roughness labels position

nErrorMessage = "Behavior Index must be between 0.4 and 1.6."

negativeErrorMessage = "Every parameter must be positive."

#Find where in the smooth pipe curve it is above the last value\

for the 1e-6 roughness;helps visualization,\

since it hides the smooth pipe curve.

i = 23

while lstPoints[1][i] >= lstPoints[2][99]:

i = i + 1

plt.text(0.6*lstPoints[0][i-1],lstPoints[2][99],r"Smooth Pipe",\

size=’small’,va=’center’,ha=’center’) #Smooth Pipe label

plt.loglog(lstPoints[0],lstPoints[1], color = ’black’,\

linewidth = 1)

plt.text(1.3*10**3,0.058,r"Laminar",size="small",va="center",\

ha="center", rotation = -70) #Laminar Flow label

plt.text(2*10**3,lstPoints[17][0],r"Transition",size="small",\

va="center",ha="center",) #Transition label

plt.text(1.5*10**6,lstPoints[17][50]+0.0025,r"Turbulent",\

size=’small’,va=’center’,ha=’center’)

#Turbulent Flow label; 50 is arbitrary, but works.

for i in range(2,len(lstPoints)-2):

#lstPoints[0] is for turbulent Reynolds number and lstPoints[1]

#is for smooth pipe.

if (math.log(lstPoints[i][99])-\

math.log(lstPoints[i-1][99]))>=0.05:

55

Page 70: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

yf = lstPoints[i][-1]

plt.text(xf,yf,’{0}’.format(kls[i-2]),size=’small’\

,va=’center’)

plt.loglog(lstPoints[0],lstPoints[i],\

color = ’black’, linewidth = 1)

plt.loglog(lstPoints[-2],lstPoints[-1], color = ’black’\

, linewidth = 1)

if not readError:

if not(num4 == ’Convergence Error type 1.’)\

or (num4 == ’Convergence Error type 2.’):

#Plots the dot for the input situation.

if num3 > 10**2 and num3 < 10**8:

plt.loglog(num3,num4,’ro’)

ax = plt.gca() #gca = get current axis

ax.set_title(’Moody Chart for n = {}; \

NIDF - COPPE/UFRJ’.format(str(num)),y = 1.03)

ax.set_xlabel(’Reynolds Number, $Re_{MR}$’)

ax.set_ylabel(’Darcy Friction Factor, $f$’)

plt.text(1.07,0.5,r"Relative Roughness, \

$\epsilon/D$",transform=plt.gca()\

.transAxes,rotation=’vertical’,va=’center’)

ax.set_xlim([500,pow(10,8)])

ax.set_ylim([float(lstPoints[2][99]-0.001),\

float(lstPoints[17][0]+0.005)])

yformatter = matplotlib.ticker.FormatStrFormatter("%.3f")

ax.yaxis.set_major_formatter(yformatter)

ax.yaxis.set_minor_formatter(yformatter)

ax.minorticks_on()

if num == 1:

ax.set_title(’Moody Chart for Newtonian Fluids;\

NIDF - COPPE/UFRJ’.format(str(num)),y = 1.03)

else:

ax.set_title(’Moody Chart for n = {}; NIDF - \

COPPE/UFRJ’.format(str(num)),y = 1.03)

56

Page 71: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

if num >0.48:

chart = [["Concrete,coarse","0.25"],

["Concrete, new smooth","0.025"],

["Drawn tubing","0.0025"],

["Glass, Plastic, Perspex","0.0025"],

["Iron, cast","0.15"],

["Sewers, old","3.0"],

["Steel, mortar lined","0.1"],

["Steel, rusted","0.5"],

["Steel, structural or forged","0.025"],["Water mains,\

old","1.0"]]

box = matplotlib.patches.Rectangle((0.02,0.02),0.31,0.2\

,fc=’white’,transform=plt.gca().transAxes)

#position(x,y),width,height

ax.add_patch(box)

table = plt.table(cellText=chart,colLabels=\

["Material",r"$\epsilon$ [mm]"]\

,colColours=[’white’]*2,bbox=(0.02,0.02,0.31,0.2))

table.set_fontsize(9.0)

table.set_zorder(500)

plt.grid(True,which=’both’,linestyle=’solid’,\

color=’gray’,alpha=0.5)

imgdata = io.StringIO()

#In computer science, a stream is a sequence of data elements\

made available over time; different than batches.

fig.savefig(imgdata, format = ’svg’)

imgdata.seek(0) #standard

return imgdata.getvalue()

\#returns a string that contains the image

if __name__ == "__main__":

#Finishes main routine; no use in this program;\

returns level errors

sys.exit(main())

57

Page 72: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

Apendice B

Codigo no Mathematica para

dutos anulares

Dados de entrada

Di e o diametro externo do duto interno;

Do e o diametro interno do duto externo;

εi e o Rugosidade do duto interno;

εo e o Rugosidade do duto externo;

n e o Indice de comportamento;

k e o Indice de consistencia;

ReDR e o Reynolds generalizado.

Tutorial

1 - Carregue os dados de entrada;

2 - Carregue a funcao;

Caso deseje mudar os parametros de entrada, refaca os passos anteriores.

(*Exemplo de dados de entrada*)(*Exemplo de dados de entrada*)(*Exemplo de dados de entrada*)

n = 0.7;n = 0.7;n = 0.7;

k = 0.37;k = 0.37;k = 0.37;

Di = 0.1524;Di = 0.1524;Di = 0.1524;

Do = 0.254;Do = 0.254;Do = 0.254;

εi = 0.00025;εi = 0.00025;εi = 0.00025;

εo = 0.00025;εo = 0.00025;εo = 0.00025;

εoDo = εo/Do;εoDo = εo/Do;εoDo = εo/Do;

58

Page 73: simuladores para o c álculo do fator de atrito para fluidos lei de

εiDo = εi/Do;εiDo = εi/Do;εiDo = εi/Do;

DiDo = Di/Do;DiDo = Di/Do;DiDo = Di/Do;

α = 0.3 ∗ e0.1(1− 1n);α = 0.3 ∗ e0.1(1− 1n);α = 0.3 ∗ e0.1(1− 1n);

BB = 5− 5.44 ∗ Log[n];BB = 5− 5.44 ∗ Log[n];BB = 5− 5.44 ∗ Log[n];

B = BB− (5./3.− 2.19 ∗ n−1.84) ;B = BB− (5./3.− 2.19 ∗ n−1.84) ;B = BB− (5./3.− 2.19 ∗ n−1.84) ;

(*Funcao*)(*Funcao*)(*Funcao*)

Plot[Plot[Plot[(− DiDofdi+fdo

(−1+DiDo2)

)/.

(− DiDofdi+fdo

(−1+DiDo2)

)/.

(− DiDofdi+fdo

(−1+DiDo2)

)/.

FindRoot[FindRoot[FindRoot[{

12√

2k

{1

2√

2k

{1

2√

2k

(BB(−√

fdi +√

fdo)k−

(BB(−√

fdi +√

fdo)k−

(BB(−√

fdi +√

fdo)k−

√fdi Log

[10,−

((2√

2√

DiDofdi1n

(√DiDo

√DiDofdi + fdo−

√fdi + DiDofdo

)√fdi Log

[10,−

((2√

2√

DiDofdi1n

(√DiDo

√DiDofdi + fdo−

√fdi + DiDofdo

)√fdi Log

[10,−

((2√

2√

DiDofdi1n

(√DiDo

√DiDofdi + fdo−

√fdi + DiDofdo

)(3 + n)ReDR

1n

)/(3 + n)ReDR

1n

)/(3 + n)ReDR

1n

)/(√

DiDofdi + fdo(

641n

√fdi + 4

√2fdi

1n (3 + n)ReDR

1nαεiDo

)))]+

(√DiDofdi + fdo

(64

1n

√fdi + 4

√2fdi

1n (3 + n)ReDR

1nαεiDo

)))]+

(√DiDofdi + fdo

(64

1n

√fdi + 4

√2fdi

1n (3 + n)ReDR

1nαεiDo

)))]+

√fdoLog

[10,(

2√

2fdo1n

(√DiDofdi + fdo−

√DiDo

√fdi + DiDofdo

)√fdoLog

[10,(

2√

2fdo1n

(√DiDofdi + fdo−

√DiDo

√fdi + DiDofdo

)√fdoLog

[10,(

2√

2fdo1n

(√DiDofdi + fdo−

√DiDo

√fdi + DiDofdo

)(3 + n)ReDR

1n

)/(3 + n)ReDR

1n

)/(3 + n)ReDR

1n

)/(√

DiDofdi + fdo(

641n

√fdo + 4

√2fdo

1n (3 + n)ReDR

1nαεoDo

))])== 0,

(√DiDofdi + fdo

(64

1n

√fdo + 4

√2fdo

1n (3 + n)ReDR

1nαεoDo

))])== 0,

(√DiDofdi + fdo

(64

1n

√fdo + 4

√2fdo

1n (3 + n)ReDR

1nαεoDo

))])== 0,(√

2DiDofdi3/2 − 3√

2DiDo3fdi3/2 + 2√

2DiDofdi√

fdo− 2√

2DiDo2√

fdifdo+(√

2DiDofdi3/2 − 3√

2DiDo3fdi3/2 + 2√

2DiDofdi√

fdo− 2√

2DiDo2√

fdifdo+(√

2DiDofdi3/2 − 3√

2DiDo3fdi3/2 + 2√

2DiDofdi√

fdo− 2√

2DiDo2√

fdifdo+

3√

2fdo3/2 −√

2DiDo2fdo3/2 + 2√

2DiDo3/2√

fdi√

DiDofdi + fdo√

fdi + DiDofdo3√

2fdo3/2 −√

2DiDo2fdo3/2 + 2√

2DiDo3/2√

fdi√

DiDofdi + fdo√

fdi + DiDofdo3√

2fdo3/2 −√

2DiDo2fdo3/2 + 2√

2DiDo3/2√

fdi√

DiDofdi + fdo√

fdi + DiDofdo

−2√

2√

DiDo√

fdo√

DiDofdi + fdo√

fdi + DiDofdo + 8DiDofdik − 8DiDo3fdik−−2√

2√

DiDo√

fdo√

DiDofdi + fdo√

fdi + DiDofdo + 8DiDofdik − 8DiDo3fdik−−2√

2√

DiDo√

fdo√

DiDofdi + fdo√

fdi + DiDofdo + 8DiDofdik − 8DiDo3fdik−

2√

2BDiDofdi3/2k + 2√

2BDiDo3fdi3/2k + 8fdok − 8DiDo2fdok − 2√

2Bfdo3/2k+2√

2BDiDofdi3/2k + 2√

2BDiDo3fdi3/2k + 8fdok − 8DiDo2fdok − 2√

2Bfdo3/2k+2√

2BDiDofdi3/2k + 2√

2BDiDo3fdi3/2k + 8fdok − 8DiDo2fdok − 2√

2Bfdo3/2k+

2√

2BDiDo2fdo3/2k + 2√

2DiDo(−1 + DiDo2

)fdi3/2Log

[10,−

((2√

2√

DiDofdi1n2

√2BDiDo2fdo3/2k + 2

√2DiDo

(−1 + DiDo2

)fdi3/2Log

[10,−

((2√

2√

DiDofdi1n2

√2BDiDo2fdo3/2k + 2

√2DiDo

(−1 + DiDo2

)fdi3/2Log

[10,−

((2√

2√

DiDofdi1n(√

DiDo√

DiDofdi + fdo−√

fdi + DiDofdo)

(3 + n)ReDR1n

)/ (√DiDofdi + fdo

(√DiDo

√DiDofdi + fdo−

√fdi + DiDofdo

)(3 + n)ReDR

1n

)/ (√DiDofdi + fdo

(√DiDo

√DiDofdi + fdo−

√fdi + DiDofdo

)(3 + n)ReDR

1n

)/ (√DiDofdi + fdo(

641n

√fdi + 4

√2fdi

1n (3 + n)ReDR

1nαεiDo

)))]+

(64

1n

√fdi + 4

√2fdi

1n (3 + n)ReDR

1nαεiDo

)))]+

(64

1n

√fdi + 4

√2fdi

1n (3 + n)ReDR

1nαεiDo

)))]+

2√

2(−1 + DiDo2

)fdo3/2Log

[10,(

2√

2fdo1n

(√DiDofdi + fdo2

√2(−1 + DiDo2

)fdo3/2Log

[10,(

2√

2fdo1n

(√DiDofdi + fdo2

√2(−1 + DiDo2

)fdo3/2Log

[10,(

2√

2fdo1n

(√DiDofdi + fdo

−√

DiDo√

fdi + DiDofdo)

(3 + n)ReDR1n

)/−√

DiDo√

fdi + DiDofdo)

(3 + n)ReDR1n

)/−√

DiDo√

fdi + DiDofdo)

(3 + n)ReDR1n

)/(√

DiDo fdi + fdo(

641n

√fdo + 4

√2fdo

1n

(√DiDo fdi + fdo

(64

1n

√fdo + 4

√2fdo

1n

(√DiDo fdi + fdo

(64

1n

√fdo + 4

√2fdo

1n (3 + n) ReDR

1nαεoDo

))])/(3 + n) ReDR

1nαεoDo

))])/(3 + n) ReDR

1nαεoDo

))])/(

8(−1 + DiDo2

)(DiDo fdi + fdo } k) == 0}

(8(−1 + DiDo2

)(DiDo fdi + fdo } k) == 0}

(8(−1 + DiDo2

)(DiDo fdi + fdo } k) == 0} , {fdo , 0.01}, {fdi, 0.01}] ,, {fdo , 0.01}, {fdi, 0.01}] ,, {fdo , 0.01}, {fdi, 0.01}] ,

{ReDR, 30000, 150000} ,AxesLabel→ {”ReMR”, “Fator de Atrito Anular”} ,{ReDR, 30000, 150000} ,AxesLabel→ {”ReMR”, “Fator de Atrito Anular”} ,{ReDR, 30000, 150000} ,AxesLabel→ {”ReMR”, “Fator de Atrito Anular”} ,

AxesOrigin→ {30000, 0.10}]AxesOrigin→ {30000, 0.10}]AxesOrigin→ {30000, 0.10}]

59