Escoamentos Bifásicos
Escoamentos em duas ou mais fases são encontrados em inúmeros processos industriais. No caso da produção de petróleo, por exemplo, o escoamento em mais de uma fase ocorre tanto nos poços quanto nas linhas que interligam o poço à plataforma, sendo comum o transporte da mistura por longas distâncias antes que as fases sejam separadas, o que enfatiza a importância do conhecimento das propriedades relacionadas a estes escoamentos.
Diferentes arranjos geométricos das interfaces entre os fluidos podem ocorrer dependendo das condições de operação (vazão, pressão, temperatura), da geometria da tubulação (dimensão, inclinação) e das propriedades dos fluidos (densidade, viscosidade e tensão interfacial). A combinação destas características determina o regime de escoamento, que pode ser anular, ondulado, estratificado, ou em golfadas.
O Laboratório de Engenharia de Fluidos vem desenvolvendo técnicas óticas não-intrusivas para a visualização qualitativa e quantitativa de escoamentos bifásicos, com o objetivo de estudar os diferentes regimes e fenômenos observados em situações reais. Técnicas de fluorescência induzida por laser (LIF), velocimetria por imagem de partículas (PIV), iluminação pulsada de fundo (PST), ajuste de índice de refração e processamento digital de imagens têm sido combinadas para produzir resultados inovadores nesta área de pesquisa (Técnicas de Medição).
Turbulência e Redução de Arraste
São incontáveis as aplicações em que é desejável que se alcance uma redução no atrito causado pelo escoamento de um fluido em contato com superfícies, como no caso do projeto de aeronaves e navios, sistemas de transporte de petróleo, entre outros. Considerando o potencial aumento de eficiência e as vantagens ambientais, o desenvolvimento de métodos que proporcionem tal redução se torna fundamental.
A adição de pequenas quantidades de moléculas de polímero de cadeia longa ao fluido e a utilização de superfícies modificadas são dois dos métodos empregados na indústria e que podem proporcionar consideráveis níveis de redução de atrito em escoamentos turbulentos. O aprofundamento da compreensão a respeito dos fenômenos físicos envolvidos é importante não só para a melhor aplicação destes métodos, mas também para elucidar alguns mecanismos de interesse acadêmico sobre os escoamentos turbulentos propriamente ditos.
No LEF, estas duas maneiras de se buscar redução no atrito em escoamentos turbulentos – adição de polímeros e uso de superfícies com riblets – são abordadas experimentalmente. O laboratório conta também com um túnel de água de 0.80 m x 0.60 m x 4 m, no qual experimentos com nível de turbulência controlado podem ser conduzidos, seja com anemometria de fio quente ou técnicas óticas (Técnicas de Medição).
Garantia de Escoamento
Na indústria do petróleo, o termo garantia de escoamento designa o conjunto de práticas que visam assegurar a integridade de sistemas de elevação e transporte, de maneira a possibilitar o livre escoamento do(s) fluido(s) transportado(s). Estas práticas englobam a previsão, prevenção e mitigação de problemas que podem surgir desde o poço até as unidades de processamento, como a formação de depósitos de parafinas e hidratos, o comprometimento de bombas submarinas no caso da presença de padrões multifásicos indesejáveis como o de golfadas, a corrosão em dutos causada pelo descolamento do filme líquido em escoamento anular, entre outros.
Exemplos de medidas preventivas são o emprego de isolamento térmico para evitar a deposição de material orgânico nas linhas e o uso de revestimentos internos. Já a passagem de PIGs no interior dos dutos para remover depósitos constitui uma ferramenta importante de mitigação nos casos em que não é possível se evitar o problema.
Desde 2005 esta linha de pesquisa vem se consolidando no LEF, dando suporte ao setor de óleo e gás e também gerando desafios academicamente interessantes. Os principais tópicos abordados são a transferência de calor e o isolamento térmico em linhas submarinas, a deposição de parafina, e o escoamento de óleos pesados com viscosidade dependente da temperatura. Já a dinâmica de escoamentos multifásicos, cuja compreensão é importante na área de garantia de escoamento, é também alvo de pesquisas no laboratório, constituindo por si só uma ampla linha de pesquisa (Escoamentos Bifásicos).
Técnicas de Medição
Diferentes técnicas óticas de visualização e medição de campos de velocidade em escoamentos são comumente utilizadas no Laboratório de Engenharia de Fluidos. Trata-se de técnicas avançadas que permitem análises detalhadas de escoamentos complexos, sejam eles turbulentos, em geometrias diferenciadas ou multifásicos.
Cada uma delas oferece desafios de implementação particulares, e todas envolvem etapas de processamento de imagens e aplicação de algoritmos (por exemplo, de correlação ou acompanhamento de partículas) que devem ser frequentemente otimizados ou adaptados a situações específicas. Assim, questões relativas às técnicas propriamente ditas são constantemente abordadas e constituem por si só uma das principais linhas de pesquisa do LEF.
Engenharia Cardiovascular
Segundo dados do Ministério da Saúde, as doenças cardiovasculares representam a principal causa de mortalidade em nosso país. Além disso, a morbidade associada implica em invalidez precoce da população, resultando em um alto custo para os sistemas de saúde e previdenciário. Fatores como o crescimento e envelhecimento populacional, juntamente com hábitos alimentares inadequados, sedentarismo e tabagismo, reforçam uma tendência preocupante no cenário atual.
Para o estudo da influência dos fatores de risco e prevenção, se faz necessário o desenvolvimento constante de ferramentas para o diagnóstico precoce e melhor compreensão da fisiopatologia cardiovascular. Neste sentido, projetos de pesquisa de experimentação in vivo são realizados no LEF com a técnica denominada, em inglês, Echocardiography Particle Image Velocimetry (Echo-PIV). Trata-se da medição detalhada do campo de velocidade no escoamento de sangue no interior das câmaras cardíacas, artérias e veias. Utiliza-se aparelhos de ecocardiografia para a aquisição de imagens em pacientes selecionados. Estes dados são então submetidos a diversas técnicas de processamento de imagens, com o objetivo de medir campos de velocidade, vorticidade, e taxas de cisalhamento em regiões específicas.