Classificação dos regimes de fluxo
O regime de fluxo também pode ser classificado de acordo com a geometria de um conduíte ou área de fluxo. Deste ponto de vista, distinguimos:
Fluxo interno é um fluxo para o qual o fluido é confinado por uma superfície. O conhecimento detalhado do comportamento dos regimes de fluxo interno é importante na engenharia , porque os tubos circulares podem suportar altas pressões e, portanto, são usados para transportar líquidos. Por outro lado, o fluxo externo é um fluxo no qual as camadas limite se desenvolvem livremente, sem restrições impostas pelas superfícies adjacentes. O conhecimento detalhado do comportamento dos regimes de fluxo externo é importante, especialmente em aeronáutica e aerodinâmica .
Fluxo externo
Na dinâmica de fluidos , o fluxo externo é um fluxo no qual as camadas limite se desenvolvem livremente, sem restrições impostas pelas superfícies adjacentes . Em comparação ao fluxo interno, os fluxos externos apresentam efeitos altamente viscosos, confinados a “ camadas limite ” em rápido crescimento na região de entrada ou a camadas finas de cisalhamento ao longo da superfície sólida. Assim, sempre haverá uma região do fluxo fora da camada limite. Nessa região, a velocidade, a temperatura e / ou a concentração não mudam e seus gradientes podem ser negligenciados.
Esse efeito faz com que a camada limite se expanda e a espessura da camada limite se relaciona com a viscosidade cinemática do fluido.
Isso é demonstrado na figura a seguir. Longe do corpo, o fluxo é quase invíscido, pode ser definido como o fluxo de um fluido em torno de um corpo que está completamente submerso nele.
Fluxo externo – placa plana
O número médio de Nusselt em toda a placa é determinado por:
Essa relação fornece o coeficiente médio de transferência de calor para toda a placa quando o fluxo é laminar sobre toda a placa.
Essa relação fornece o coeficiente médio de transferência de calor para a placa inteira somente quando o fluxo é turbulento sobre a placa inteira ou quando a região de fluxo laminar da placa é muito pequena em relação à região do fluxo turbulento.
Fluxo Interno
Na dinâmica de fluidos , o fluxo interno é um fluxo para o qual o fluido é confinado por uma superfície . O conhecimento detalhado do comportamento dos regimes de fluxo interno é importante na engenharia, porque os tubos circulares podem suportar altas pressões e, portanto, são usados para transportar líquidos. Dutos não circulares são usados para transportar gases de baixa pressão, como ar em sistemas de refrigeração e aquecimento. A configuração do fluxo interno é uma geometria conveniente para fluidos de aquecimento e resfriamento usados em tecnologias de conversão de energia, como usinas nucleares .
Para o regime de fluxo interno, uma região de entrada é típica. Nesta região, um fluxo a montante quase inviscido a montante converge e entra no tubo. Para caracterizar esta região, o comprimento da entrada hidrodinâmica é introduzido e é aproximadamente igual a:
O comprimento máximo de entrada hidrodinâmica, em Re D, crit = 2300 ( fluxo laminar ), é L e = 138d, onde D é o diâmetro do tubo. Esse é o maior comprimento de desenvolvimento possível. Em escoamento turbulento , as camadas limite crescer mais rapidamente, e L e é relativamente mais curto. Para qualquer problema, L e / D deve ser verificado para ver se L e é insignificante quando comparado ao comprimento do tubo. A uma distância finita da entrada, os efeitos da entrada podem ser negligenciados, porque as camadas de fronteira se fundem e o núcleo invíscido desaparece. O fluxo do tubo é então totalmente desenvolvido .
Fluxo Laminar Interno – Número de Nusselt
Temperatura constante da superfície
No fluxo laminar em um tubo com temperatura constante da superfície, o fator de atrito e o coeficiente de transferência de calor permanecem constantes na região totalmente desenvolvida.
Fluxo de calor de superfície constante
Portanto, para fluxo laminar totalmente desenvolvido em um tubo circular sujeito a constante fluxo de calor na superfície , o número de Nusselt é uma constante. Não há dependência dos números de Reynolds ou Prandtl .
Fluxo Turbulento Interno – Número Nusselt
Veja também: Equação de Dittus-Boelter
Para um fluxo turbulento totalmente desenvolvido (hidrodinamicamente e termicamente) em um tubo circular liso, o número local de Nusselt pode ser obtido a partir da conhecida equação de Dittus-Boelter . A equação Dittus® Boelter é fácil de resolver, mas é menos precisa quando existe uma grande diferença de temperatura no fluido e é menos precisa para tubos ásperos (muitas aplicações comerciais), pois é adaptada para tubos lisos.
A correlação de Dittus-Boelter pode ser usada para diferenças de temperatura pequenas a moderadas, T wall – T avg , com todas as propriedades avaliadas a uma temperatura média T avg .
Para fluxos caracterizados por grandes variações de propriedades, as correções (por exemplo, um fator de correção de viscosidade μ / μ de parede ) devem ser levadas em consideração, por exemplo, como recomendam Sieder e Tate .
Cálculo do número de Nusselt usando a equação de Dittus-Boelter
Para um fluxo turbulento totalmente desenvolvido (hidrodinamicamente e termicamente) em um tubo circular liso, o número local de Nusselt pode ser obtido a partir da conhecida equação Dittus® Boelter .
Para calcular o número de Nusselt , precisamos saber:
- o número de Reynolds , que é Re Dh = 575600
- o número Prandtl , que é Pr = 0,89
O número de Nusselt para a convecção forçada dentro do canal de combustível é então igual a:
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