Quer seja água fluindo através de uma placa condensadora em uma planta industrial, ou ar soprando através de dutos de aquecimento e resfriamento, o fluxo de fluido em superfícies planas é um fenômeno central em muitos dos processos da vida moderna. Ainda, aspectos deste processo foram mal compreendidos, e alguns foram ensinados incorretamente a gerações de estudantes de engenharia, mostra uma nova análise.

O estudo examinou várias décadas de pesquisas publicadas e análises sobre fluxos de fluidos. Ele descobriu que, enquanto a maioria dos livros didáticos de graduação e instruções em sala de aula em transferência de calor descrevem esse fluxo como tendo duas zonas diferentes separadas por uma transição abrupta, na verdade, existem três zonas distintas. Uma zona de transição longa é tão significativa quanto a primeira e a última zona, dizem os pesquisadores.

A discrepância tem a ver com a mudança entre duas formas diferentes de fluxo dos fluidos. Quando a água ou o ar começa a fluir ao longo de um plano, folha sólida, uma fina camada limite se forma. Dentro desta camada, a parte mais próxima da superfície quase não se move devido ao atrito, a parte logo acima que flui um pouco mais rápido, e assim por diante, até um ponto em que se move na velocidade total do fluxo original. Esta constante, o aumento gradual na velocidade através de uma camada limite fina é chamado de fluxo laminar. Mas mais adiante, o fluxo muda, dividindo-se em redemoinhos caóticos e redemoinhos conhecidos como fluxo turbulento.

As propriedades desta camada limite determinam o quão bem o fluido pode transferir calor, que é a chave para muitos processos de resfriamento, como para computadores de alto desempenho, usinas de dessalinização, ou condensadores de usinas de energia.

Os alunos foram ensinados a calcular as características de tais fluxos como se houvesse uma mudança repentina de fluxo laminar para fluxo turbulento. Mas John Lienhard, o professor Abdul Lateef Jameel de água e engenharia mecânica no MIT, fez uma análise cuidadosa dos dados experimentais publicados e descobriu que esta imagem ignora uma parte importante do processo. As descobertas acabaram de ser publicadas no Jornal de transferência de calor .

A revisão de Lienhard dos dados de transferência de calor revela uma zona de transição significativa entre os fluxos laminar e turbulento. A resistência desta zona de transição ao fluxo de calor varia gradualmente entre as das outras duas zonas, e a zona é tão longa e distinta quanto a zona de fluxo laminar que a precede.

As descobertas podem ter implicações para tudo, desde o projeto de trocadores de calor para dessalinização ou outros processos em escala industrial, para entender o fluxo de ar através dos motores a jato, Lienhard diz.

Na verdade, no entanto, a maioria dos engenheiros que trabalham em tais sistemas entende a existência de uma longa zona de transição, mesmo que não esteja nos livros didáticos de graduação, Lienhard observa. Agora, esclarecendo e quantificando a transição, este estudo ajudará a alinhar a teoria e o ensino com a prática da engenharia do mundo real. "A noção de uma transição abrupta foi arraigada em livros e salas de aula de transferência de calor nos últimos 60 ou 70 anos, " ele diz.

As fórmulas básicas para a compreensão do fluxo ao longo de uma superfície plana são os alicerces fundamentais para todas as situações de fluxo mais complexas, como fluxo de ar sobre uma asa de avião curva ou lâmina de turbina, ou para resfriar veículos espaciais quando eles reentram na atmosfera. "A superfície plana é o ponto de partida para entender como qualquer uma dessas coisas funciona, "Lienhard diz.

A teoria para superfícies planas foi estabelecida pelo pesquisador alemão Ernst Pohlhausen em 1921. Mas, mesmo assim, "os experimentos de laboratório geralmente não correspondiam às condições de contorno assumidas pela teoria. Uma placa de laboratório pode ter uma borda arredondada ou uma temperatura não uniforme, então, investigadores na década de 1940, anos 50, e os anos 60 muitas vezes "ajustavam" seus dados para forçar a concordância com esta teoria, ", diz ele. As discrepâncias entre os dados que de outra forma seriam bons e esta teoria também levaram a acaloradas divergências entre os especialistas na literatura de transferência de calor.

Lienhard descobriu que pesquisadores do Ministério da Aeronáutica Britânica identificaram e resolveram parcialmente o problema das temperaturas superficiais não uniformes em 1931. "Mas eles não foram capazes de resolver totalmente a equação que derivaram, "ele diz." Isso teve que esperar até que os computadores digitais pudessem ser usados, começando em 1949. "Enquanto isso, as discussões entre especialistas aumentaram.

Lienhard diz que decidiu dar uma olhada na base experimental para as equações que estavam sendo ensinadas, percebendo que os pesquisadores sabem há décadas que a transição desempenhou um papel significativo. "Eu queria plotar os dados com essas equações. Dessa forma, os alunos puderam ver o quão bem as equações funcionaram ou não, "ele disse." Eu olhei para a literatura experimental desde 1930. Coletar esses dados deixou algo muito claro:o que estávamos ensinando era terrivelmente simplificado. "E a discrepância na descrição do fluxo de fluido significava que os cálculos de transferência de calor às vezes estavam desligados.

Agora, com esta nova análise, engenheiros e alunos serão capazes de calcular a temperatura e o fluxo de calor com precisão em uma ampla gama de condições de fluxo e fluidos, Lienhard diz.