Resumo

A maioria dos estudos voltados ao fenômeno cavitacional, aplicado a síntese de compostos e degradação de poluentes, ainda é realizado apenas por vertentes experimentais. Com o intuito de otimizar e alcançar um maior entendimento do fenômeno, o presente trabalho busca a validação do modelo computacional diante de resultados experimentais. Em bancada, foram medidas 13 diferentes pressões de entrada e saída aplicadas em um aparato cavitacional de placas de orifício. Para o procedimento de validação foi feito o estudo de independência de malhas para averiguação da malha ideal à ser aplicada. Para cada faixa de pressão experimental foi implementado o modelo monofásico turbulento k-ω SST, com regime permanente à uma geometria com malha tetraédrica de 0,17 elem/mm³. Observou-se que para faixas de pressão em que não há a ocorrência do fenômeno cavitacional, o modelo se aproxima aos resultados experimentais, com erro relativo de 5%. Porém, quando as faixas de pressão atingem a grandeza necessária para ocorrência do fenômeno cavitacional, o modelo monofásico utilizado não se assemelha bem à formação da fase vapor e o erro relativo chega a valores de quase 18%. Mesmo com os erros relativos apresentados, foram observados resultados positivos quanto aos perfis de pressão, semelhantes aos obtidos por SAHARAN (2011). Desta forma, foi possível criar um bom prognóstico de futuras simulações aplicadas ao modelo bifásico.

Introdução

A cavitação hidrodinâmica é um fenômeno causado pela variação de pressão em diferentes seções de um escoamento (GOGATE, 2007). O fenômeno baseia-se na geração, crescimento e implosão de microbolhas, e a decorrente formação de picos de alta pressão e temperatura (GOGATE, 2002).

A dinâmica do fenômeno pode ser resumida pelo escoamento de um líquido por uma constrição, como é o caso de orifícios e tubos Venturi (GOGATE e PANDIT, 2001). Quando o líquido passa pela constrição, a velocidade do escoamento aumenta e, consecutivamente, a pressão cai. Com a queda da pressão abaixo da pressão de vapor do líquido, inicia-se a formação das microbolhas. Conforme o prolongamento da zona de baixa pressão, as microbolhas tendem a crescer e, nos piores casos, a se aglomerarem (ARROJO e BENITO, 2007). A partir da recuperação da pressão, após a região da constrição, as microbolhas implodem e liberam energia, principalmente, em forma de calor e pressão. (BASHIR et al., 2011).

Devido à capacidade de gerar um ambiente inóspito, a cavitação surgiu com grande importância em diversas áreas de estudo, como são os casos de desinfecção (ARROJO, BENITO E TARIFA, 2007), de síntese de biodiesel (GHAYAL, PANDIT e RATHOD, 2013), do tratamento de efluentes (BHANDARI, SOROKHAIBAM e RANADE, 2016), da degradação de substâncias (CAPOCELLI ,2014) e da produção de papel (BADVE et al., 2014).

Paralelamente aos estudos experimentais, a cavitação também possui estudos voltados às vertentes numéricas e computacionais. A maioria dos estudos baseiam-se na aplicação da Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), como a obra apresentada por Bashir e colaboradores (2011), que teve como objetivo otimizar as dimensões do tubo Venturi, de modo a potencializar o fenômeno cavitacional.

Recentemente, ambas as vertentes têm produzido resultados relevantes. Tao e colaboradores (2016) desenvolveram um estudo teórico do fenômeno, os principais reatores utilizados, os parâmetros passíveis de otimização, as estratégias de intensificação, além de outros fatores econômicos e energéticos do sistema. Porém, no estudo é apontada a necessidade da realização de mais aplicações experimentais auxiliadas por simulações numéricas, afim de que haja uma melhor condução da análise e interpretação dos resultados.

A recomendação feita tem total fundamento por realmente existirem poucos estudos que abordem ambas as metodologias. Apenas em um recente estudo são abordados ambos os métodos (LI et al., 2017). Eles apresentam em seu trabalho a combinação entre a investigação experimental e computacional da cavitação hidrodinâmica em placa de orifícios, com ênfase em métodos de otimização.

Com base na recomendação feita por Tao e colaboradores (2016) e inspirado no estudo de Li et al. (2017) a proposta do atual trabalho é realizar estudos computacionais e experimentais de fenômeno cavitacional em placas de orifícios, com o objetivo de comparar os resultados e averiguar sua confiabilidade.

Autores: Otávio Augusto Puglieri Cappa; Thiago Vinícius Ribeiro Soeira; Guilherme Barbosa Lopes Junior e Julio Cesar de Souza Inácio Gonçalves.