4.3 T HE DEVELOPMENT OF THE G ERMAN SCHOOL SYSTEM UNTIL THE 1980 S
4.3.6 The Third Reich and Nazi politics of educational restriction
Foram analisados três casos envolvendo a válvula com bocal oval: ausência de escórioa de topo; presença de escória rígida simulada por placas perfuradas de madeira posicionadas junto á interface líquido-ar; presença de escória líquida, simulada por óleo de silicone. Variando-se a imersão da válvula submersa e a vazão de líquido, puderam-se obter mapas vetoriais de velocidade do líquido dentro do molde e de energia cinética de turbulência no menisco, através da técnica PIV.
A Figura 5.1 mostra os mapas vetoriais médios para três diferentes vazões de água no modelo físico do molde de lingotamento contínuo e duas imersões da SEN, na ausência de escória. A figura apresenta aspectos gerais de fluxo, desde a SEN até a face estreita, deixando explícito o jato de líquido efluente do bocal. Nestas condições se espera uma distribuição em duplo rolo, com aspecto simétrico em relação à SEN. Como foi constatado esta válvula, para as condições ensaiadas, se mostra propensa à instalação de fluxo assimétrico, de forma que estes mapas não necessariamente refletem as consições de fluxo do lado oposto.
Figura 5.1 -Mapas vetoriais para três vazões de fluido e duas imersões da SEN, todas sem a presença de escória de topo.
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Através dos gráficos das Figuras 5.2, 5.3 e 5.4 pode-se analisar o comportamento do líquido no topo do molde de lingotamento contínuo. Uma linha específica para amostragem de velocidade e enegia cinética foi traçada horizontalmente a 1cm da interface líquido-gás, de forma a refletir as condições interfaciais. Esta posição pode não ser bem definida em função das ondulações transientes que atravessam o molde, desde a SEN até a face estreita. A Figura 5.2 mostra a velocidade Ux (horizontal) no topo do molde. Neste exemplo, para imersão de 90mm e vazão de 155lpm, observa-se valores positivos de velocidade próximo à SEN, o que indica que há um fluxo de líquido em direção à face estreita, contrário ao fluxo de duplo rolo. Este fenômeno local de recirculação ocorre em mais algumas condições estudadas. Em profundidades maiores de imersão (110mm) existe uma tendência ao aumento, em módulo, de velocidade com aumento de vazão, como esperado. A região de recirculação desaparece.
Figura 5.2 - Componente Ux (horizontal) de velocidade no topo a partir da SEN para duas
imersões da válvula submersa na ausência de escória de topo.
A Figura 5.3 mostra a distribuição da componente Vy (vertical) de velocidade no topo. Os valores flutuam em torno de zero, em função do fluxo predominantemente horizontal. Comparando as duas imersões da válvula, pode-se observar uma maior variação de velocidade para a imersão de 90mm, o que sugere uma maior instabilidade nesta condição. A Figura 5.4 mostra a comparação de níveis de energia cinética de turbulência no topo do molde para as três vazões em cada uma das imersões. Para imersão de 90mm os gráficos de turbulência praticamente se superpõem, como os de velocidade. Para imersão de 110mm percebe-se níveis crescentes de turbulência com aumento de vazão, como no caso das velocidades.
Figura 5.3 - Componente Vy (vertical) de velocidade no topo a partir da SEN para duas
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Figura 5.4 - Energia Cinética de Turbulência no topo para duas imersões da válvula
submersa na ausência de escória de topo sólida.
A Figura 5.5 mostra mapas vetoriais para o caso de SEN de bocal oval com inclinação de 15º negativos na presença de escória de topo sólida. A intenção foi analisar uma possível frenagem do líquido devido à atuação dessa escória. O posicionamento da tela de madeira que simula a escória sólida, permite uma melhor definição da interface pois as ondulações pontuais praticamente desaparecem. Os resultados experimentais estão sumarizados nas Figuras 5.6 (componente Ux de velocidade), 5.7 (componente Vy de velocidade) e 5.8 (energia cinética de turbulência). A frenagem parece mais evidente para maior imersão (110mm), em menores vazões, ver Figuras 5.2 e 5.6.
Figura 5.5 - Mapas vetoriais para três vazões de fluido e duas imersões da SEN, na presença
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Figura 5.6 - Componente Ux (horizontal) de velocidade no topo a partir da SEN para duas
imersões da válvula submersa na presença de escória de topo.
Figura 5.7 - Componente Vy (vertical) de velocidade no topo a partir da SEN para duas
imersões da válvula submersa na presença de escória de topo.
Figura 5.8 - Energia Cinética de Turbulência no topo para duas imersões da válvula
submersa na presença de escória de topo sólida.
Naturalmente a utilização de escória de topo sólida é impraticável em virtude de necessidades de lubrificação. Estes resultados ressaltam a existência de atrito na interface metal/escória que pode ser responsável pelo cisalhamento da camada de escória e formação de inclusões.
Realizou-se também testes em modelagem física com a mesma válvula com bocal de formato oval e inclinação de 15º negativo, utilizando água para simular o aço e óleo de silicone, com viscosidade de 500cSt e espessura igual a 2cm, para simular escória de topo líquida. Os resultados obtidos para os testes com vazão de água de 175lpm e imersão da válvula 110mm são mostrados a seguir.
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A Figura 5.9 mostra uma foto da situação ao início das medições. O óleo se encontra concentrado na região esquerda do molde e ao redor da SEN, evidenciando assimetria do fluxo. Não existem razões geométricas evidentes para esta assimetria, a qual pode ser fruto da combinação entre vazões e pequenas irregularidades de construção do sistema. O mapa vetorial mostra um fluxo superficial majoritário na direção da face estreita – SEN, o que justifica o arraste, mas não a simetria apresentada. Os gráficos mostram a distribuição das componentes Ux (horizontal) e Vy (vertical) de velocidade, e a energia cinética de turbulência, especificamente na região da imagem onde se tem a linha traçada. Novamente não se encontram indícios da assimetria por esta análise parcial. Observa-se ainda no caso da Figura 5.9 que há um fluxo em alta velocidade da face estreita em direção à SEN. Esta alta velocidade pode ser explicada devido à ausência de escória de topo. Esta ausência impossibilita uma possível frenagem que ocorreria na interface entre os dois fluidos. Como consequência o fluxo apresentado não varia muito próximo ao menisco apresentando baixa turbulência neste local.
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Figura 5.9 - Imagem, mapa vetorial e gráficos de velocidade e energia cinética de turbulência
ao início das medições, t=0s. Viscosidade 500cSt, vazão 175lpm, imersão 110mm A Figura 5.10 apresenta o aspecto do fluxo no molde, sob as mesmas condições anteriores, após 1min e 47s do início das medições. Este período de tempo não foi escolhido por razão específica, exceto que se passou a observar mudanças na distribuição física de óleo e água no interior do sistema. Observa-se que a camada de óleo começa a se distribuir ao
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longo de todo o topo. Nota-se, Figura 5.10, uma redução considerável dos valores da componente Ux (horizontal) de velocidade, o que é coincidente com a movimentação citada. Isto pode explicar o avanço de óleo desde a SEN até a face estreita, caracterizando a existência de assimetria do fluxo.
Figura 5.10 - Imagem, mapa vetorial e gráficos de velocidade de topo e energia cinética de
turbulência após 107s do início das medições. Viscosidade 500cSt, vazão 175lpm, imersão 110mm.
As Figuras 5.11 e 5.12 são sequenciais às anteriores, em tempos mais avançados, 300s e 612s respectivamente. Em ambas as figuras, o óleo ocupa toda a região do topo do molde, o que denota simetria do fluxo. Na Figura 5.11 a curva de velocidade é semelhante à anterior, apresentando uma pequena inversão de fluxo próximo à SEN. Na Figura 5.12 a inversão do sentido do fluxo próximo à SEN não ocorre. Em ambos os casos os valores de componente Ux (horizontal) de velocidade são substancialmente menores quando comparados com aqueles da situação de fluxo assimétrico, Figura 5.9, o que justifica a distribuição quase uniforme de óleo.
Thomas (2013) sugere que uma deformação na camada de escória está relacionada a uma maior turbulência na região do menisco. Neste caso o recobrimento uniforme pelo óleo seria acompanhado por menores níveis de turbulência. As baixas velocidades na interface, caracteristicas desta distribuição uniforme do óleo, são compatíveis com os critérios de estabilidade apresentados na literatura (Suzuki, 2001).
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Figura 5.11 - Imagem, mapa vetorial e gráficos de velocidade de topo e energia cinética de
turbulência após 300s de início das medições. Viscosidade 500cSt, vazão 175lpm, imersão 110mm.
Figura 5.12 - Imagem, mapa vetorial e gráficos de velocidade de topo e energia cinética
de turbulência após 612s de início das medições. Viscosidade 500cSt, vazão 175lpm, imersão 110mm.
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A Figura 5.13 mostra a evolução da distribuição da camada de escória ao longo do tempo. Esta sequencia, na ausência de causas geométricas específicas que possam conduzir à assimetria do fluxo, mostram o caráter transiente do fluxo turbulento.
Figura 5.13 - Evolução da interface metal/escória ao longo do tempo. Viscosidade
500cSt, vazão 175lpm e imersão 110mm.
O experimentos com este tipo de bocal foram estendidos de forma a contemplar a combinação de três vazões 155lpm, 175lpm, 195lpm e duas diferentes imersões, 110mm e 130mm. Em geral se espera que uma maior imersão conduza a um fluxo duplo rolo estável, em moldes não muito largos. As Figuras 5.14 e 5.15 mostram uma comparação quanto a interface metal/escória, considerando as componentes Ux (horizontal) e Vy (vertical) de velocidade e de turbulência, em duas imersões, 110mm e 130mm na vazão de 155lpm.
Em ambos os casos o fluxo apresentava, no instante de medição, simetria aparente, com distribuição simétrica da camada de escória. Observa-se que em ambos os casos há uma inversão no sentido do fluxo próximo a SEN, na direção horizontal, onde o fluxo movimenta-se em direção à face estreita. Em ambos os casos os valores de velocidade são pequenos, exceto na região próxima à face estreita, que é um ponto de mudança de direção de fluxo. Os níveis de turbulência são próximos, sendo esta maior na região próxima à face estreita, região de maiores velocidades de fluido devido o movimento de duplo rolo evidenciado pelos mapas vetoriais.
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Figura 5.14 - Imagem, mapa vetorial e gráficos de velocidade de topo e energia cinética de
turbulência para 155lpm e 110mm imersão.
Figura 5.15 - Imagem, mapa vetorial e gráficos de velocidade de topo e energia cinética
de turbulência para 155lpm e 130mm imersão.
As Figuras 5.16 e 5.17 apresentam situações de fluxo com imersão da SEN de 130mm e vazão de 175lpm e 195lpm, repectivamente. Os fluxos são com aparente
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distribuição simétrica ao instante de medição. Para a vazão de 175lpm observa-se a camada de escória menos turbulenta, ao contrário da vazão de 195lpm em que a movimentação da camada de escória é mais intensa.
Figura 5.16 - Imagem, mapa vetorial e gráficos de velocidade de topo e energia
cinética de turbulência para 175lpm e 130mm imersão.
Figura 5.17 - Imagem, mapa vetorial e gráficos de velocidade de topo e energia cinética de
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Uma observação importante é que para a vazão de 175lpm assim como para a vazão de 155lpm, Figura 5.15, se observa um fluxo no sentído contrário ao do duplo rolo junto à SEN, sendo as velocidades Ux (horizontal) crescentes com o aumento da vazão; isto não se repete para a vazão de 195lpm. Esta discrepância ressalta o caráter pouco preditivo do fluxo.
Para todos os testes realizados com a válvula com bocal oval observou-se um fluxo assimétrico e transiente ao longo do menisco, independente da vazão ou da imersão da SEN. Por este motivo optou-se pela utilização de outra geometria de válvula.