Investigação numérica da área efetiva de força e do coeficiente de descarga em válvulas de compressores de refrigeração - Fonseca, Fábio Basaglia (2021)
As válvulas do tipo palheta de compressores de refrigeração são apontadas como fontes de ineficiência do compressor e têm sido objeto de inúmeros estudos numéricos e experimentais. Parâmetros fundamentais no desenvolvimento do modelo quase-estático usado em projetos e simulações de compressores, como a área efetiva de força e o coeficiente de descarga, não são reportados na literatura para uma ampla faixa de configurações de escoamento em geometrias reais de válvulas. Outra lacuna da literatura é a carência de estudos comparativos desses parâmetros quando obtidos usando geometrias reais de válvulas e difusores radiais, avaliando a necessidade do emprego de geometrias tridimensionais como as das válvulas, o que implica no aumento considerável do custo computacional das simulações. O objetivo desse trabalho é determinar numericamente a área efetiva de força adimensional e o coeficiente de descarga para geometrias reais de válvula tipo palheta em diferentes configurações de escoamento e comparar os resultados com aqueles obtidos em modelagem 2D com difusores radiais para as mesmas configurações. As soluções numéricas foram obtidas com o Método de Volumes Finitos implementado no código aberto e de licença gratuita OpenFOAM®, considerando o escoamento estacionário, incompressível e turbulento – modelos RNG k-ε e k-ω SST – para números de Reynolds iguais a 3.000, 20.000 e 50.000, em geometrias com razões de diâmetro entre a válvula (D) e o orifício de alimentação (d) de 1,15, 1,3 1,5 e 1,7 e afastamentos adimensionais (s/d) variando de 0,01 a 1,0. Os resultados mostram que a área efetiva de força adimensional apresenta variação máxima de aproximadamente 55% com o afastamento, de 35% com a razão de diâmetro e de 20% com o número de Reynolds. O coeficiente de descarga atinge o valor máximo de 0,86 para o maior afastamento e apresenta menores variações com o número de Reynolds (menos de 15%) e com a razão de diâmetro (menos de 5%). A comparação entre as geometrias do difusor radial e da válvula revelou que o modelo do difusor não é adequado para determinar a área efetiva de força, pois a diferença entre os valores pode ser da ordem de 50%, mas pode ser usado para determinar o coeficiente de descarga em aplicações onde não se requer exatidão elevada, pois as diferenças são inferiores a 10%. Adicionalmente, o compromisso entre custo computacional e exatidão deve ser avaliado criteriosamente, pois o tempo e os recursos computacionais das simulações em válvulas com malha 3D são significativamente mais elevados do que em difusores radiais.