Vazão e velocidade
A vazão Q é o volume que passa por segundo; a velocidade v é a rapidez com que o fluido se move. Elas se ligam pela área da seção A do tubo:
Q = A × v, com A = π × d² ÷ 4 para um tubo de diâmetro interno d.
30 L/min (0,0005 m³/s) num tubo de 25 mm: A = π × 0,025² ÷ 4 = 0,000491 m², então v = 0,0005 ÷ 0,000491 = 1,02 m/s. Reduzir o diâmetro pela metade quadruplica a velocidade.
Laminar ou turbulento
O número de Reynolds, Re = ρ × v × d ÷ µ, indica qual. Abaixo de uns 2.300 o escoamento é laminar e suave; acima de uns 4.000 é turbulento; no meio, de transição. Água (ρ = 1.000 kg/m³, µ = 1 mPa·s) a 1,02 m/s em 25 mm: Re = 1.000 × 1,02 × 0,025 ÷ 0,001 = 25.500, totalmente turbulento, como quase todo escoamento de água na prática.
Perda de carga
O atrito com a parede custa pressão ao longo do tubo. A equação de Darcy-Weisbach dá a perda:
Δp = f × (L ÷ d) × ρ × v² ÷ 2
f é o fator de atrito: 64 ÷ Re para escoamento laminar e, para turbulento, um valor da equação de Colebrook que depende de Re e da rugosidade da parede (0,0015 mm para PVC e cobre, 0,045 mm para aço, 0,26 mm para ferro fundido). Para o exemplo acima em 20 m de PVC, f ≈ 0,025 e Δp = 0,025 × (20 ÷ 0,025) × 1.000 × 1,02² ÷ 2 ≈ 10.400 Pa, cerca de 0,1 bar ou 1,06 m de coluna d'água. Cotovelos, válvulas e conexões acrescentam mais, normalmente contados como comprimento equivalente de tubo.
Escolhendo o diâmetro
Tubulações de abastecimento de água costumam ser dimensionadas para 1 a 2 m/s: mais lentas custam mais, mais rápidas fazem barulho, erodem as conexões e perdem pressão demais. Linhas de sucção ficam abaixo de 1 m/s para evitar cavitação. A perda de carga cresce com o quadrado da velocidade, então subir um tamanho de tubo muitas vezes corta a perda em dois terços.
Calculadoras
A Calculadora de escoamento em tubos dá velocidade, número de Reynolds, fator de atrito e perda de carga a partir da vazão, do diâmetro, do comprimento e do material do tubo. A Calculadora do número de Reynolds determina só o regime de escoamento, para qualquer fluido.