Contribuição para o estudo do escoamento axissimétrico entre discos rotativos

Abstract

Apresenta-se um método de integração numérica que permite, para geometria de dimensão radial infinita, o cálculo do escoamento lamiar axissimétrico entre discos rotativos eventualmente porosos, com ou sem sobreposição de débito radial. As estruturas de escoamento são previstas sem aparentes restrições sobre o valor dos parâmetros adimensionais característicos e confrontadas com as decorrentes da informação bibliográfica disponível. A análise crítica dos resultados obtidos com base na hipótese de afinidade radial é seguidamente efectuada por recurso ao cálculo, em condições análogas, do escoamento correspondente em geometria radialmente confinada. Para tal, são propostos dois esquemas de integração numérica, em que sucessivamente se utilizam as formulações do problema em termos de vorticidade-função de corrente e das variáveis primitivas : velocidade-pressão. Verifica-se, assim, a influência separada, sobre a estrutura de escoamento nas regiões de entrada e de escoamento desenvolvido, dos parâmetros dinâmicos e geométricos determinantes, e também das condições fronteiras impostas na periferia do domínio. A formulação completa do problema permite a clarificação do mecanismo de transição através do qual a estrutura inerente às regiões de entrada cede progressivamente lugar a uma configuração de escoamento de tipo radialmente afim. Sob este ângulo, é ainda discutido o problema da multiplicidade de soluções, registado na literatura para valores elevados do parâmetro de rotação. São apresentadas distribuições do campo de velocidade, obtidas por anemometria laser, para o escoamento originado pela rotação de um disco face a um segundo disco paralelo, coaxial, fixo, de raio igual ou superior. Nas regiões de escoamento susceptíveis de permitir uma comparação, é notório o acordo registado entre os perfis de velocidade média obtidos experimentalmente e as correspondentes previsões numéricas. As medições realizadas sobre o escoamento médio revelam a presença de uma região turbilhonar de retorno periférico, cujas estruturas e extensão relativa se analisam em função dos parâmetros dinâmico e geométrico. É evidenciada a existência de importantes flutuações em torno de valores médios estáveis e reprodutíveis, sugerindo a presença de regiões de escoamento alternadamente centrípeto e centrífugo, animadas de rotação com velocidade angular inferior à do disco móvel. São isolados dois factores susceptíveis de produzir instabilidade no escoamento: as flutuações inerentes à estrutura turbilhonar de retorno periférico e o mecanismo de transição de regime na camada limite do disco móvel. A correspondente importância relativa é caracterizada através de quadro casos-tipo. Estas considerações são reiteradas por via polarográfica, recorrendo à medição do atrito parietal ao nívelde cada um dos discos. No seu conjunto, a análise das flutuações permite uma delimitação das condições de estabilidade do escoamento, em função dos parâmetros adimensionais relevantes.