- Quais os padrões de fluxo posso obter em um sistema agitado?
Passo 1
O enunciado pede para listar os padrões de fluxo que podem ocorrer em um tanque agitado. O conteúdo envolve dinâmica de fluidos em agitadores: precisamos distinguir regimes de escoamento (via número de Reynolds) e também os tipos de fluxo gerados por diferentes impelidores.
Passo 2
Classificação por regime de escoamento (número de Reynolds)
– Definimos o número de Reynolds do agitador como
– Definimos o número de Reynolds do agitador como
onde
é a densidade do fluido,
a velocidade de rotação,
o diâmetro do impelidor e
a viscosidade. Em função de
temos três regimes:
Fluxo laminar:
. Camadas concêntricas, sem mistura turbulenta.
Fluxo transicional:
. Surgem instabilidades e pequenos vórtices periódicos.
Fluxo turbulento:
. Mistura intensa, distribuição de velocidade caótica, redemoinhos de várias escalas.
Passo 3
Padrões de fluxo gerados pelo tipo de impelidor
Fluxo radial: jato de fluido ejectado perpendicular ao eixo do impelidor. Gera duas células toroidais (uma acima e outra abaixo do disco). Ex.: turbina de Rushton.
Fluxo axial: jato paralelo ao eixo do impelidor, direcionado para o topo (axial superior) ou para o fundo (axial inferior). Forma um grande circuito único de circulação vertical. Ex.: hélices de pás inclinadas (pitch-blade).
Fluxo tangencial: impelidores próximos à parede produzem descarga tangencial, girando o fluido em torno do eixo com formação de vórtice central.
Passo 4
Vórtice superficial e zonas mortas
– Em todos os casos pode surgir um vórtice na superfície, cuja intensidade depende da inclinação do impelidor e da velocidade, podendo arrastar ar.
– Zonas mortas (regiões de baixa velocidade) aparecem nos cantos e abaixo do impelidor, especialmente em regime laminar ou com impelidor mal posicionado.
– Em todos os casos pode surgir um vórtice na superfície, cuja intensidade depende da inclinação do impelidor e da velocidade, podendo arrastar ar.
– Zonas mortas (regiões de baixa velocidade) aparecem nos cantos e abaixo do impelidor, especialmente em regime laminar ou com impelidor mal posicionado.
Passo 5
Escalas de mistura em regime turbulento
– Macro-mixing: circulação global (toroidal ou axial) que leva fluido de uma parte do tanque à outra.
– Meso-mixing: mistura entre filamentos de fluido, gerada por gradientes de velocidade intermediários.
– Micro-mixing: mistura molecular nos menores redemoinhos (Kolmogorov), responsável pela homogeneização fina.
– Macro-mixing: circulação global (toroidal ou axial) que leva fluido de uma parte do tanque à outra.
– Meso-mixing: mistura entre filamentos de fluido, gerada por gradientes de velocidade intermediários.
– Micro-mixing: mistura molecular nos menores redemoinhos (Kolmogorov), responsável pela homogeneização fina.
Resposta
Fluxos que posso obter em um sistema agitado:
Fluxo laminar, transicional ou turbulento (definidos pelo número de Reynolds).
Fluxo radial (jato perpendicular
duas células toroidais).
Fluxo axial (jato ao longo do eixo
grande circuito vertical).
Fluxo tangencial (descarga periférica e vórtice central).
Em regimes turbulentos, ainda distinguimos macro-mixing, meso-mixing e micro-mixing.