Análise comparativa da perda de carga em canal fechado de seção quadrada : abordagem analítica, numérica e experimental

Abstract

A perda de carga em escoamentos internos é um fenômeno a ser analisado no projeto e operação de sistemas de transporte de fluidos, como dutos, trocadores de calor e sistemas de ventilação, a fim de garantir o funcionamento eficiente e a segurança operacional dessas instalações. Caracteriza-se pela redução de pressão ao longo do escoamento, decorrente dos efeitos de atrito e turbulência. Este trabalho analisa comparativamente as perdas de carga obtidas por métodos analíticos, simulações numéricas e medições experimentais em escoamento interno de um canal fechado de seção quadrada de 80 × 80 mm e 1 m de comprimento. Justifica-se pela necessidade de avaliar a confiabilidade de ferramentas de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) avaliando corretamente a escolha da malha e do modelo de turbulência adequado. Como método teórico, empregou-se a equação de Darcy–Weisbach com fator de atrito determinado por Swamee-Jain e Colebrook–White; a componente experimental baseou-se em dados de bancada hidráulica obtidos por Fagundes (2024); e a abordagem numérica consistiu em 45 simulações no ANSYS Fluent®, combinando três malhas (grosseira, intermediária e refinada) e três modelos de turbulência (k–ε realizable, k–ω SST com Corner Flow Correction e Reynolds Stress Model stress–ω). Ao comparar o resultado analítico com o obtido experimentalmente por Fagundes (2024), observou-se uma diferença de 1,5 a 7,21 mmCA. Enquanto os resultados mostram que as simulações CFD alcançam discrepâncias inferiores a 1 mmCA em relação ao cálculo teórico, permanecendo dentro da incerteza de ±0,5 mmCA do manômetro. Observou-se que a malha grosseira proporcionou os menores erros percentuais e que o modelo k–ω SST ofereceu o melhor compromisso entre fidelidade física e eficiência computacional. Nessa configuração, as diferenças variaram entre 0,01 mmCA e 0,06 mmCA, valores muito inferiores à incerteza do manômetro, evidenciando elevada precisão na predição da perda de carga utilizando CFD.