Diameter-Dependent Roughness Characterization and Cross-Standard Validation of Hydraulic Friction Loss in Flexible Fire Hoses

Resumo Técnico: Caracterização da Rugosidade Dependente do Diâmetro e Validação Transversal de Padrões de Perda de Carga Hidráulica em Mangueiras de Incêndio Flexíveis

Definição do Problema
A caracterização precisa da perda de carga é crítica para o projeto e a segurança dos sistemas de abastecimento de água de proteção contra incêndio. Embora as teorias clássicas de fluxo em tubulações (ex: Darcy-Weisbach, Colebrook-White) e as correlações para tubos lisos sejam bem estabelecidas para condutos rígidos, elas são inadequadas para mangueiras de incêndio flexíveis. Estas mangueiras possuem ambientes hidráulicos únicos, caracterizados pela rugosidade do revestimento de borracha, irregularidades estruturais da trama tecida e conformidade da parede sob pressão.

Na China, a norma nacional GB 50974-2014 prescreve coeficientes de resistência de referência para mangueiras D40 (40 mm) e D65 (65 mm). No entanto, esses valores foram derivados de dados históricos limitados e não foram sistematicamente validados em relação aos produtos de mangueiras contemporâneos fabricados com tecnologias modernas de composição de borracha e tecelagem têxtil. Além disso, a literatura existente foca frequentemente nas especificações de mangueiras dos EUA ou em comportamentos de deformação específicos, sem medir diretamente os coeficientes de perda de carga para os tipos específicos de mangueiras universalmente implantados nos serviços de incêndio chineses. Esta lacuna cria um risco de subestimar ou superestimar as quedas de pressão, potencialmente comprometendo a eficácia do combate ao incêndio ou levando a projetos de sistemas desnecessariamente conservadores.

Metodologia
O estudo empregou uma abordagem dupla combinando experimentos laboratoriais controlados e simulações de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) para investigar mangueiras de incêndio de borracha com trama tecida D40 e D65.

• Configuração Experimental: Uma linha de mangueira reta de 20 metros foi testada utilizando uma bomba de caminhão de incêndio capaz de entregar até 25 L/s. Instrumentação de alta precisão, incluindo um medidor de vazão eletromagnético (precisão de ±0,5%) e um transmissor de pressão diferencial calibrado (precisão de ±0,25%), mediu as quedas de pressão através da seção de teste.
• Condições de Teste: Os experimentos foram conduzidos em temperaturas ambientes (~20°C). Para a mangueira D40, 15 pontos de dados foram coletados em seis grupos de teste (vazões de 4,0–5,8 L/s). Para a mangueira D65, 42 pontos de dados foram coletados em sete grupos (vazões de 7,8–12,5 L/s).
• Processamento de Dados: Os coeficientes de resistência ($S$) foram calculados usando a relação derivada da equação de Darcy-Weisbach ($S = \Delta P / (9,81 \times Q^2 \times L)$). Regressão linear e ajuste de lei de potência foram utilizados para verificar a relação quadrática entre a queda de pressão e a vazão, e para determinar os expoentes do regime de fluxo.
• Simulação CFD: Simulações 3D RANS utilizando o modelo de turbulência SST $k-\omega$ foram conduzidas para validar os resultados experimentais e visualizar as estruturas de fluxo interno. As superfícas internas da mangueira foram modeladas com alturas de rugosidade de grão de areia equivalentes (0,13 mm para D40, 0,10 mm para D65) derivadas dos fatores de fricção experimentais. Estudos de independência de malha confirmaram soluções de convergência de grade.

Principais Resultados

• Coeficientes de Resistência: Os coeficientes de resistência médios determinados experimentalmente foram de 0,0449 s²/L²·m para a mangueira D40 e 0,00226 s²/L²·m para a mangueira D65. Estes valores apresentam excelente concordância com as referências da norma GB 50974-2014 (0,045 e 0,0022, respectivamente), resultando em erros relativos de 0,22% e 2,73%.
• Validação do Regime de Fluxo: A análise de lei de potência resultou em expoentes de 1,987 para D40 e 1,974 para D65. Estes valores são próximos do valor teórico de 2,0, confirmando que o fluxo opera em um regime totalmente turbulento e validando o modelo de perda de carga quadrática para cálculos de engenharia.
• Discrepância do Fator de Fricção: Os fatores de fricção de Darcy derivados dos experimentos mostraram-se de duas a três vezes maiores do que as previsões feitas pela equação de Blasius para tubos lisos. Isso destaca o impacto significativo da rugosidade interna da mangueira e das irregularidades estruturais.
• Validação CFD: O modelo CFD demonstrou excelente concordância com os dados experimentais, com erros relativos absolutos médios de 1,0% (D40) e 1,1% (D65). As simulações confirmaram que a região de entrada responde por menos de 2% da queda de pressão total e forneceram insights detalhados sobre a distribuição da tensão de cisalhamento da parede e da energia cinética de turbulência, que atingem o pico na camada tampão próxima à parede.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que este estudo fornece uma validação experimental robusta para os coeficientes de resistência atuais especificados nas normas nacionais chinesas, confirmando sua aplicabilidade à fabricação moderna de mangueiras. A pesquisa enfatiza que as estimativas teóricas baseadas em pressupostos de tubos lisos são insuficientes para mangueiras de incêndio flexíveis devido aos efeitos acoplados da rugosidade do revestimento de borracha, irregularidades da trama tecida e conformidade da parede.

Ao confirmar a validade do modelo de perda de carga quadrática e quantificar os coeficientes de resistência específicos, o estudo apoia o uso contínuo de valores de projeto estabelecidos na prática de engenharia, ao mesmo tempo em que ressalta a necessidade crítica de confiar em coeficientes determinados empiricamente, em vez de estimativas teóricas de tubos lisos, para uma análise de rede hidráulica precisa e otimização da segurança do sistema. O modelo CFD validado oferece ainda uma ferramenta confiável para investigar a física do fluxo interno e extrapolar previsões de perda de carga além dos intervalos testados.