Mecânica

Turbulência domada dentro de canos reduz 95% da energia do bombeamento

Turbulência domada dentro de canos reduz 95% da energia do bombeamento
O fluido tipicamente turbulento (em cima) em comparação com o fluxo laminar obtido pela equipe (embaixo).[Imagem: Jakob Kühnen]

Desestabilizar a turbulência

No que promete se tornar uma nova revolução para as indústrias química e petrolífera, além do bombeamento de água para uso urbano, Jakob Kühnen e Baofang Song, do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria, descobriram como domar a turbulência de fluidos circulando dentro de tubos.

Até agora, os cientistas sempre assumiram que, uma vez que um fluxo de líquido em um duto se torna turbulento, a turbulência persistirá por todo o trajeto - em outras palavras, a suposição era a de que a turbulência é estável.

Kühnen e Song descobriram que não precisa ser assim.

Em seus experimentos, eles conseguiram desestabilizar a turbulência, fazendo com que o fluxo retornasse a um estado laminar, este sim, persistente.

A turbulência de um fluido em um duto exige que muito mais energia seja aplicada no bombeamento. Pelos cálculos da equipe, a eliminação da turbulência pode economizar 95% da energia requerida para bombear o fluido pelo duto - e estima-se que o bombeamento de água, gás natural e combustíveis responda por cerca de 10% do consumo global de eletricidade.

Fluxo laminar

Em vez de tentar reduzir localmente os níveis de turbulência dentro dos canos, como se faz hoje, a equipe austríaca atuou sobre ela para desestabilizá-la, o que acabou por gerar um fluxo laminar, eliminando os vórtices e movimentos caóticos do líquido - em um fluxo laminar, o fluido se movimenta em camadas paralelas que não se misturam.

O segredo está no perfil de velocidade, isto é, na variação da velocidade do fluxo quando ele é observado em diferentes posições ao longo da seção do tubo: O fluxo é mais rápido no meio do cano e bem mais lento próximo às paredes do cano.

Colocando rotores que reduzem essa diferença de velocidade entre o centro e as bordas, a equipe obteve um perfil mais "plano" da velocidade. Para esses perfis de fluxo, os processos que sustentam e criam redemoinhos turbulentos falham, e o fluido retorna gradualmente ao movimento laminar suave, permanecendo laminar até chegar ao fim do tubo.

A equipe descobriu ainda duas outras maneiras de obter o perfil plano de velocidade: Injetar líquido a partir da parede do cano e movimentar o próprio cano.

"Nas simulações computacionais testamos o impacto do perfil plano de velocidade para números de Reynolds até 100.000, e funcionou absolutamente em todos os casos. O próximo passo agora será fazer com que funcione também nos experimentos em altas velocidades," disse o professor Björn Hof, coordenador da equipe.

Bibliografia:

Destabilizing turbulence in pipe flow
Jakob Kühnen, Baofang Song, Davide Scarselli, Nazmi Burak Budanur, Michael Riedl, Ashley P. Willis, Marc Avila, Björn Hof
Nature Physics
DOI: 10.1038/s41567-017-0018-3




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