O ARRASTO E COMO ELE PODE SER REDUZIDO

Arrasto é o nome dado ao efeito que ocorre em escoamentos laminares e turbulentos, sendo melhor visualizado em escoamentos turbulentos. Quando um fluido escoa sobre uma superfície sólida, a força exercida pelo fluido na parede é chamada de força de arrasto, esse atrito gera diminuição da velocidade e perdas de carga, tão indesejados que estudos nessa área estão sendo realizados para minimizar essa dissipação energética.  

Figura 1 – perfis aerodinâmicos exemplificando a força de arrasto

Há duas forças em um escoamento, sendo as forças normais responsáveis pelo fluxo do fluido, e as tangenciais responsáveis pela força de atrito entre a parede e o fluido. A redução de arrasto foi descoberta em 1949 ao observar uma redução no diferencial de pressão num tubo, quando submetido a mesma vazão volumétrica na presença de aditivos. Os aditivos mais eficientes devem possuir estrutura de cadeia muito longa ou nenhuma ramificação, alto peso molecular, flexibilidade e boa solubilidade.

Os tipos de redução de arrasto podem ser separados em duas classes: os ativos, onde as estruturas são manipuladas através de mecanismos externos (sensores e atuadores) que em geral são mais difíceis de usar e acarretam em gasto extra de energia; e os passivos que, geralmente, envolvem modificações na superfície (ranhuras na parede, nanopostes e superfícies repelentes) ou na reologia do fluido (adição de pequenas quantidades de polímeros) (Eric Willemsens, 2013).

Os polímeros atendem a boa parte dos requisitos de aditivos citados acima e por serem da classe de redução de arrasto passiva (pode ser aplicada em diversos casos), eles acabam sendo mais usados para esse fim. O efeito de redução de arrasto tende a aumentar conforme o aumento de polímeros no fluido e, para diâmetros de tubos reduzidos.

Figura 2 – Coeficiente de arrasto de uma esfera lisa, em função do número de Reynolds. A linha cheia é o resultado de medidas realizadas em túneis de vento. A linha tracejada corresponde à fórmula de Stokes (força de arrasto proporcional a velocidade)

Segundo Çengel (2012), uma alternativa para o aumento da redução de arrasto é pelo controle ativo dos vórtices alinhados com a direção da corrente que ocorrem na superfície do veículo (subcamada fina viscosa da camada limite turbulenta). Esse sistema não-linear pode amplificar pequenas perturbações a grandes reduções no arrasto. Atualmente só estudos teóricos e computacionais mostram que controlando esses sistemas, pode ocorrer redução de 15% a 25% na tensão de cisalhamento da parede. A figura 2 mostra um exemplo em microescala da redução de arrasto baseado no princípio eletrocinético. O escoamento eletrocinético movimenta pequenas quantidades de fluido rapidamente. Os atuadores deslocam impulsivamente um volume fixo de fluido entre a parede e a subcamada viscosa, de uma maneira que age contra o efeito dos vórtices da subcamada, reduzindo o arrasto. 

Figura 3 – Conjunto Atuador Microeletrocinético. Visualização ampliada de uma única célula na parte superior e na parte inferior é a visualização parcial do conjunto inteiro

REFERÊNCIAS

WILLEMSENS, Eric. AZEVEDO, Luís Fernando A. Estudo de redução de arraste no escoamento turbulento de água em duto quadrado ranhurado. Departamento de Engenharia Mecânica – PUC-Rio Relatório Anual PIBIC 2013.

QUEIROZ, L. P. O.; MORAES, A. A. M.; MENDES, J. U. L.; BESSA, K. L.; LIMA, R. C.; BARRETO, F. M. ESTUDO DA REDUÇÃO DE ARRASTO INDUZIDO POR POLÍMEROS EM ESCOAMENTOS INTERNOS TURBULENTOS EM DUTOS. Natal-RN: [s. n.], 2016. 

LIMA DE BESSA, Keibler. REDUÇÃO DE ARRASTO POR ADIÇÃO DE POLÍMEROS EM ESCOAMENTO PULSÁTIL LAMINAR E TURBULENTO EM LEITOS ARTERIAIS CAUDAIS DE RATOS NORMOTENSOS E HIPERTENSOS E TUBOS RÍGIDOS. 2008. Tese de doutorado (Doutor/engenharia) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2008.

ÇENGEL, Yunus A. Mecânica dos fluidos: Fundamentos e aplicações. Porto Alegre: AMGH Editora LTDA., 2012.