Estudo experimental do impacto de gotas sobre superfícies aquecidas usando técnicas ópticas combinadas: gotas isoladas, múltiplas gotas e sprays

• Processo: 21/01897-0
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Jovens Pesquisadores
• Data de Início da vigência: 01 de fevereiro de 2022
• Data de Término da vigência: 31 de janeiro de 2027
• Área do conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica - Fenômenos de Transportes
• Pesquisador responsável: Arthur Vieira da Silva Oliveira
• Beneficiário: Arthur Vieira da Silva Oliveira
• Instituição Sede: Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Pesquisadores associados: Gherhardt Ribatski ; Labergue Alexandre ; Luben Cabezas Gómez ; Michel Guy Alain GRADECK
• Auxílio(s) vinculado(s): 25/13876-9 - Avanços no estudo de impacto de gotas para caracterização de sprays: desenvolvimento de safira para termografia e mapeamento da coalescência de gotas, AP.R; 23/14864-9 - Fortalecendo, expandindo e prolongando a colaboração de pesquisa entre a EESC/USP e o LEMTA/UL em estudos de impacto de gotas e suas aplicações, AP.R SPRINT; 22/06199-2 - Shadowgraphy e PLIF combinadas para caracterização dinâmica e térmica de fluidos, AP.EMU
• Bolsa(s) vinculada(s): 25/01107-0 - Estudo experimental e numérico da dinâmica de impacto e transferência de calor no processo de resfriamento por spray, BP.DR; 24/08409-0 - Caracterização de gotas secundárias e massa perdida durante o impacto de gotas sobre paredes aquecidas., BP.IC; 24/10845-2 - Balanço de energia durante o impacto de uma gota sobre parede aquecida, BP.MS; + mais bolsas vinculadas 23/18108-4 - Análise quantitativa de spray automotivo pela técnica de Velocimetria por Rastreamento de Partículas (PTV), BP.IC; 23/15397-5 - Remolhamento de parede durante impacto de gotas únicas e gotas múltiplas em uma superfície aquecida: pesquisa teórica e experimental, BP.DD; 23/08266-1 - Construção de banco de dados experimentais de impacto de gotas sobre paredes aquecidas usando Shadowgraph e termografia infravermelho, BP.IC; 23/09775-7 - Caracterização do processo de congelamento de gotas sobre superfícies frias usando técnicas ópticas., BP.IC; 23/03243-3 - Resfriamento por sprays: modelagem térmica transiente com o método de Monte Carlo, BP.IC; 22/16400-7 - Calibração e aplicação da técnica de termografia de fluidos por fluorescência induzida por laser, BP.IC; 22/12257-5 - Estudo do impacto de gotas em paredes aquecidas utilizando o Método de Lattice-Boltzmann, BP.DD; 22/13480-0 - Mapeamento do impacto de gotas sobre superfícies aquecidas e não-aquecidas, BP.IC; 22/08694-0 - Caracterização do impacto de gotas por shadowgraph de alta velocidade e reflexão interna total, BP.MS; 22/05287-5 - Gerador de gotas monodispersas de alta repetibilidade: projeto, desenvolvimento e validação, BP.IC; 22/00040-1 - Estudo experimental do impacto de gotas sobre superfícies aquecidas usando técnicas ópticas combinadas: gotas isoladas, múltiplas gotas e sprays, BP.JP - menos bolsas vinculadas
• Assunto(s): Mecânica dos fluidos Gota Óptica Aspersão térmica Transferência de calor Resfriamento
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Droplets | Evaporative aspersion | fluid mechanics | Heat Transfer | Leidenfrost | spray | Mechanical Engineering

Resumo

O impacto de gotas e sprays em paredes aquecidas tem chamado muita atenção da comunidade de Engenharia Térmica devido às suas muitas aplicações que permitem uma troca de calor uniforme e eficiente, especialmente para o resfriamento de peças a alta temperatura. No entanto, a maioria dos estudos experimentais encontrados na literatura apenas analise o impacto das gotas visualmente ou usa métodos de medição intrusivos. Isso causou arbitrariedade nas análises e caracterizações da fluidodinâmica do impacto de gotas, além de investigações limitadas dos processos de transferência de calor envolvidos. Ademais, pouco se sabe sobre o impacto de múltiplas gotas, o que pode ser um passo importante para associar o fenômeno de uma única gota a aplicações de resfriamento por spray. O presente projeto de pesquisa busca estudar esta correlação gota-única e sprays ao propor o uso de técnicas ópticas combinadas para caracterizar o impacto e resfriamento de uma única gota, múltiplas gotas e sprays dispersos. As técnicas de medição simultâneas são: shadowgraph para o tamanho e velocidade da gota, imagem de fluorescência induzida por laser para a temperatura da gota, termografia infravermelha para a temperatura da superfície e reflexão interna total para o contato entre a gota e a parede. Estas técnicas foram cuidadosamente escolhidas para serem aplicáveis a todas as condições de teste definidas neste projeto. As seções de teste (prisma de safira e placa metálica) foram projetadas para permitir sempre que possível a simultaneidade das técnicas de medição. Este esforço para medir todos esses parâmetros permitirá fazer uma caracterização completa da termohidráulica durante o impacto das gotas. Com observações diretas por meio de imagens e com modelagem detalhada do balanço de massa e energia, informações conclusivas serão obtidas do resfriamento durante o impacto de gotas, como coeficientes de transferência de calor, temperaturas de Leidenfrost e efeitos de interação de gotas. Desta forma, modelos melhores e embasados fisicamente poderão ser desenvolvidos para gotas e resfriamento por spray, bem como um mapeamento mais abrangente dos regimes de impacto das gotas. Parte do equipamento já existe na instituição sede, o que contribui substancialmente para diminuir o custo do aparato experimental. Dois alunos de doutorado direto trabalharão neste projeto. O primeiro comparará o comportamento de gotas únicas com o resfriamento por spray diluído no regime Leidenfrost, e o outro se concentrará no impacto de múltiplas gotas no regime Leidenfrost. Ambos terão a oportunidade de realizar doutorado com cotutela no LEMTA da Université de Lorraine, em Nancy, França, onde realizarão experimentos com diferentes equipamentos e técnicas para comparar com os resultados obtidos com o novo aparato proposto neste projeto e testar outras condições experimentais. (AU)

Publicações científicas

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

ROCHA, C. E. B. M.; CAMPOS-ARAYA, A. F.; SILVA FILHO, J. M. M.; KITA, Y.; OLIVEIRA, A. V. S.. From single droplets to dilute sprays: New data and semi-empirical model for the cooling efficiency of droplet impact in the film boiling regime. APPLIED THERMAL ENGINEERING, v. 279, p. 13-pg., 2025-11-15. (23/08266-1, 23/14469-2, 23/03243-3, 21/01897-0, 23/15397-5, 22/06199-2)

NETTO, ARLINDO T. SOUZA; OLIVEIRA, ARTHUR V. S.; GRADECK, MICHEL; DOS SANTOS, ROGERIO GONSALVES. Experimental investigation of the heating process of a small volume ethanol under subcritical, critical and supercritical pressures. INTERNATIONAL JOURNAL OF THERMAL SCIENCES, v. 219, p. 12-pg., 2025-01-25. (22/06199-2, 21/01897-0)