NÚMERO
DE REYNOLDS
O número de Reynolds, embora introduzido conceitualmente em l851 por um cientista da época, tornou-se popularizado na mecânica dos fluidos pelo engenheiro hidráulico e físico Irlandes, Osborne Reynolds em 1883. Em seus estudos teóricos, em demonstrações e experiências práticas de laboratório, ele demonstrou a existência de três tipos de escoamento, o LAMINAR, o TRANSITORIO, e o regime TURBULENTO. A corrente laminar ou escoamento laminar se caracteriza por um escoamento em camadas planas onde as moléculas do fluido estão aderentes
umas
as
outras,
fluindo
de
maneira
organizada
onde
podemos
afirmar;
escoamento
tranqüilo,
e
em
camadas
paralelas.
Na corrente turbulenta, ou regime turbulento, o escoamento ou a vazão é vista com oscilações das moléculas em torno de seu próprio eixo, o que caracteriza uma mistura intensa do líquido em si próprio onde as camadas planas não mais existem. O movimento das partículas ou moléculas é desordenado e suas trajetórias são sem forma definida e complicada de se analisar.
Depois da conclusão de seu trabalho de pesquisa, Reynolds nomeou seu número absoluto como sendo o NÚMERO DE REYNOLDS, o qual constitue hoje a base do comportamento de sistemas reais do escoamento, sendo o mesmo empregado nos estudos dos fluidos em geral e, também em modelos reduzidos como na dinâmica de asas de avião, automóveis, edificações, etc.
A mudança de regime no escoamento ocorre a uma velocidade chamada crítica, diretamente proporcional a viscosidade e inversamente proporcional ao diâmetro do tubo, ou seja;
Vcr = Kcr . ʋ/D
O coeficiente adimensional de proporcionalidade Kcr, tem um significado universal. Isto significa que a mudança de regime de escoamento ocorre sempre quando a relação entre a velocidade, o diâmetro e a viscosidade mudam de valor. Portanto;
Kcr = Vcr . D/ ʋ , onde;
Kcr
= número crítico de Reynolds
Vcr
= Velocidade crítica, m/s
D
= Diâmetro do tubo, m
ʋ
= Viscosidade cinemática, m²/s
Experimentalmente, Reynolds demonstrou que o número crítico
De Reynolds é igual a 2300, sendo a relação;
Re = V . D/ ʋ - O. Reynolds
Todavia,
se Re for maior que Recr, a corrente ou o regime de escoamento
é turbulento. Sendo Re menor que Recr, a corrente é sempre laminar. A partir do número de Reynolds 2300 até ao número 3000, notou-se certa tendência ou variação do regime, significando desagregação ou cisalhamento entre as moléculas do fluido. A partir do momento que se injeta mais energia de velocidade ao fluido, mais moléculas se rompem de sua adesão molecular ate que todas elas entram em seu movimento rotacional desordenado, caracterizando
assim, o escoamento turbulento propriamente dito. O valor do número de Reynolds para essa nova situação de fluxo seria Re ≥ 3000. Na prática atual de trabalho com o fluido água a 22
graus, dizemos que Re, a partir de 0 até 3000, o regime é LAMINAR. De 3000 até
4000 o regime é transitório, ou seja, ainda existirá moléculas fluindo aderente
entre si, não cisalhadas em sua totalidade pela
energia de velocidade do sistema. A partir de 4000 até o valor infinito,
o regime passa a ser turbulento. Diante do estudo e dos limites impostos por
Reynolds, fica uma grande dúvida nessa definição dos limites. Vejamos: na
fórmula de Reynolds
Re
= V . D/ʋ se fixarmos a velocidade
crítica para um Re também crítico de 3000, aumentando-se o diâmetro do tubo
para um valor maior, o número de Reynolds aumentará, todavia, a velocidade que
é a energia do sistema permanecerá a mesma, porém, o numero de Reynolds
aumentará nos mostrando que o regime mudou para turbulento. Veja o exemplo,
primeiramente para um regime ainda laminar com Re = 3000.
Re = 3000 = 0,03 m/s . 0,1 m/1,00 . 10-6
m²/s
Aumentando
o diâmetro do tubo para 500 milímetros, o novo número de Reynolds seria;
Re = 0,03m/s .
0,5m/1,00 . 10-6 m²/s = 15000
Como
se pode observar, a velocidade que é a energia dinâmica do sistema permaneceu a
mesma, porem, o número de Reynolds subiu para 15000 que é completamente
identificador de um regime turbulento. Como explicar tal fenômeno, ou
discrepância. Por outro lado, estudando o assunto, analisei e verifiquei a edição
de uma nova fórmula para o cálculo do número de Reynolds que também traz em sua
essência a mesma conotação da fórmula do Reynolds. Tal fórmula seria;
Re = k . Q/ ʋ . D -
G. Lamon
Essa formula é simplesmente, em
termos gerais, a formula original de
Reynolds modificada para expressar o resultado do número de Reynolds para uma
dada ou conhecida vazão ao invés da velocidade.
onde;
k
= constante de proporcionalidade, valendo 1,273
Q
= Vazão em m³/s
D
= Diâmetro do tubo em metro
ʋ = Viscosidade cinemática m²/s para água a 20
graus.
Eis
alguns exemplos comparativos;
Para; V = 0,03 m/s
D = 0,1 m
ʋ = 1,0 . 10-6 m²/s
Re1 = 3000
Re2 = k . Q/ ʋ .D = 1,273 . 0,03
. k . Q/ ʋ .πD²/4 / 1,00 . 10-6 m²/s . 0,1m
Re2
= 1,273 . 0,03 . πD²/4/ 1,00 . 10-6 m²/s . 0,1m
Re2
= 2999
Re
para V = 0,1 m/s
D = 0,1 m
ʋ = 1,00 . 10-6 m²/s
Re1 = V . D/ ʋ =
0,1 .0,1/ 1,00 .10-6 =
10000
Re2 = k .Q/1,00 . 10-6 m²/s .0,1m
= 1,273 . πD²/4/ 1,00 . 10-6 m²/s . 0,1 = 9998
Re
para V = 1,2 m/s
D = 0,2 m
ʋ = 1,00 . 10-6
m²/s
Re1 = V . D/ ʋ
= 1,2 .0,2/ 1,00 . 10-6 m²/s = 240000
Re2 = k . Q/ ʋ .D
= 1,273 . 1,2 . πD²/4/ 1,00 . 10-6 m²/s
.0,2 =
239955
CONCLUSÃO
Re1 = V
. D/ ʋ - Fixando a velocidade do sistema teremos;
Aumento
do diâmetro, Re cresce
Diminuindo o diâmetro, Re
diminui
Re2 = k . Q/ ʋ .D – Fixando a vazão do sistemas
teremos;
Aumento
do diâmetro, Re diminui
Diminuindo
o diâmetro, Re aumenta
Diante dos fatos apresentados e
expostos nesse artigo, creio que nas experiências conduzidas no passado, a
questão da laminaridade, transitoriedade e turbulência foi levado a cabo em
apenas um diâmetro de tubo em particular onde não se preocupou, observou ou investigou o fato de se
aumentar o diâmetro conservando-se a
mesma energia ou velocidade do fluxo escoante ou mesmo no caso inverso, manter
a vazão constante, aumentando-se o diâmetro.
CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES
Analisando
melhor e, com mais profundidade de
investigação física aplicada, a formula simplificada de Reynolds; Re1 =
V . D/ ʋ ou mesmo a formula, Re2 = k
. Q/ ʋ . D acreditamos que as mesmas
não deveria ser aplicada literalmente sem se impor limites qual seja, não
aplicá-las em vazões ou velocidades
super baixa ou mesmo em diâmetros super alto. O número de Reynolds primordial
divulgado em 1883 por O. Reynolds, teve
como base uma relação de forças hidráulicas, ou seja, Re = Força de inércia / força de
viscosidade
Força de inércia, significa a força necessária para movimentar uma
determinada massa de água.
Força de viscosidade,
significa uma força de resistência a
movimentação dessa massa de água.
Então,
como,
ρ/µ = ʋ, teremos
Re1 = V . D/ ʋ, que é a
formula normal de nosso amplo conhecimento.
V = velocidades
g = aceleração da gravidade local
D = diâmetro da tubulação
ρ =
massa específica da água (densidade)
µ =
viscosidade absoluta
Na simplificação da equação
primordial de Reynolds chegamos na equação tradicional acima, nossa conhecida normal
no campo de utilização prática.
A despeito de estarmos lidando com
forças na equação primordial, a dúvida ainda existe quanto ao exposto
anteriormente, o que nos leva novamente a concluir que o número de Reynolds
quando aplicado deve estar compreendido ou ser usado entre certos limites.
Belo
Horizonte, julho de 2012
