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O setor de energia e transporte costuma fazer uso de diferentes tipos de maquinário de fluidos, incluindo bombas, turbinas e motores de aeronaves, todos com alta pegada de carbono. Isso resulta principalmente de ineficiências na maquinaria de fluidos causadas pela separação de fluxo em torno de superfícies curvas, que são tipicamente de natureza bastante complexa.
Para melhorar a eficiência do maquinário de fluido, é necessário, portanto, caracterizar o fluxo próximo à parede na superfície curva para suprimir essa separação de fluxo. O desafio em conseguir isso é múltiplo. Primeiro, os sensores de fluxo convencionais não são flexíveis o suficiente para caber nas paredes curvas da maquinaria de fluidos. Em segundo lugar, os sensores flexíveis existentes adequados para superfícies curvas não podem detectar o ângulo do fluido (direção do fluxo). Além disso, esses sensores estão limitados a detectar apenas a separação de fluxo em velocidades inferiores a 30 m/s.
Em um novo estudo, o Prof. Masahiro Motosuke da Tokyo University of Science (TUS) no Japão e seus colegas, Sr. Koichi Murakami, Sr. Daiki Shiraishi e Dr. Yoshiyasu Ichikawa da TUS, em colaboração com a Mitsubishi Heavy Industries, Japão, e a Universidade de Iwate, no Japão, aceitaram esse desafio. Como afirma o Prof. Motosuke, “Detetar a tensão de cisalhamento e sua direção em superfícies curvas, onde a separação de fluxo ocorre facilmente, tem sido difícil de conseguir em particular sem o uso de uma nova técnica”. Seu trabalho foi publicado no Volume 13 Edição 8 da Micromachines em 12 de agosto de 2022.
A equipe, em seu estudo, desenvolveu um sensor de fluxo flexível baseado em filme fino de poliimida que pode ser facilmente instalado em superfícies curvas sem perturbar o fluxo de ar circundante, um requisito fundamental para uma medição eficiente. Para permitir isso, o sensor foi baseado na tecnologia de sistema microeletromecânico (MEMS). Além disso, o novo design permitiu que vários sensores fossem integrados para medição simultânea da tensão de cisalhamento da parede e do ângulo de fluxo na superfície da parede.
Para medir a tensão de cisalhamento nas paredes, o sensor mediu a perda de calor de um microaquecedor, enquanto o ângulo de fluxo foi estimado usando uma matriz de seis sensores de temperatura ao redor do aquecedor que facilitou a medição multidirecional. A equipe realizou simulações numéricas do fluxo de ar para otimizar a geometria dos aquecedores e conjuntos de sensores. Usando um túnel de fluxo de ar de alta velocidade como ambiente de teste, a equipe obteve medições de fluxo eficazes com uma ampla faixa de velocidades de fluxo de ar de (30 a 170) m/s. O sensor desenvolvido demonstrou alta flexibilidade e escalabilidade. “Os circuitos ao redor do sensor podem ser retirados por meio de uma placa de circuito impresso flexível e instalados em um local diferente, de modo que apenas uma folha fina seja fixada no alvo de medição, minimizando o efeito sobre o fluxo circundante”, elabora o Prof. Motosuke.
A equipe estimou que a saída do aquecedor variava como um terço da potência da tensão de cisalhamento da parede, enquanto a saída do sensor comparando a diferença de temperatura entre dois sensores posicionados de forma oposta demonstrou uma oscilação senoidal peculiar à medida que o ângulo de fluxo foi alterado.
O sensor desenvolvido tem potencial para uma ampla gama de aplicações em maquinário de fluidos em escala industrial que muitas vezes envolvem separação de fluxo complexa em torno de superfícies tridimensionais. Além disso, o princípio de funcionamento usado para desenvolver este sensor pode ser estendido além dos fluxos de ar subsônicos de alta velocidade.
“Embora este sensor seja projetado para fluxos de ar rápidos, estamos atualmente desenvolvendo sensores que medem fluxo de líquido e podem ser conectados a humanos com base no mesmo princípio. Esses sensores de fluxo finos e flexíveis podem abrir muitas possibilidades”, destaca o Prof. Motosuke.
Em conjunto, o novo sensor MEMS pode ser um divisor de águas no desenvolvimento de máquinas de fluido eficientes com efeitos prejudiciais reduzidos em nosso meio ambiente.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade de Ciências de Tóquio. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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