Aula 6 - Escoamento Externo e Convecção Livre - Teoria

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Fenômeno de Transferência Professor Hans 
Aula 6: Escoamento Externo e Convecção Livre - Teoria 
 
 
Escoamento Externo 
O escoamento externo refere-se ao movimento 
de um fluido (como líquido ou gás) sobre uma 
superfície sólida, na qual o fluido está em contato 
direto com o ambiente externo. Em outras 
palavras, o fluido flui sobre a superfície de um 
objeto ou através de um canal aberto, sem estar 
completamente contido em tubos ou canais 
fechados. 
Este tipo de escoamento é comum em situações 
como o fluxo de água sobre o casco de um navio, 
o vento soprando sobre a superfície de um avião 
ou o ar passando ao redor de um carro em 
movimento. 
 
Velocidade a Montante, Força de 
Sustentação e Força de Arrasto 
Seja o esquema a seguir em uma asa de avião: 
 
A velocidade a montante U se refere à 
velocidade do fluido (como líquido ou gás) antes 
de alcançar um determinado ponto em um sistema. 
Em termos mais simples, é a velocidade do fluido 
antes de ele interagir com um objeto ou uma 
condição específica. Por exemplo, se estamos 
considerando o fluxo de água em um rio e estamos 
interessados na velocidade da água antes de ela 
atingir uma pedra, a velocidade a montante seria a 
velocidade da água antes de ela chegar à pedra. 
 
Coeficiente de Arrasto (CD) 
O coeficiente de arrasto está relacionado à 
resistência ao movimento de um objeto através de 
um fluido. Indica quão "aerodinâmico" um objeto 
é. Um CD menor indica que o objeto gera menos 
resistência. É importante para otimizar a eficiência 
e a economia de combustível em veículos como 
carros, aviões, etc. 
Pode ser calculado pela fórmula: 
 
𝑭𝑫 = 𝟎, 𝟓𝝆𝑪𝑫𝑼
𝟐𝑨 
onde FD é a força de arrasto, ρ é a densidade do 
fluido, U é a velocidade do objeto em relação ao 
fluido e A é a área da superfície exposta ao fluido. 
 
Tipos de Arrasto 
Arrasto de Atrito (ou Arrasto Viscoso): O 
arrasto de atrito é causado pela fricção entre a 
superfície do objeto e as moléculas do fluido que 
o rodeiam. Ele aumenta proporcionalmente à 
velocidade do objeto em relação ao fluido e à 
viscosidade do fluido. Em altas velocidades, o 
arrasto de atrito pode se tornar significativo e 
influenciar a eficiência do objeto em movimento. 
É mais pronunciado em corpos com superfícies 
ásperas ou irregulares. 
Arrasto de Pressão (ou Arrasto de Forma): 
O Arrasto de Pressão é causado pela diferença de 
pressão entre a parte frontal e a parte traseira de 
um objeto em movimento. Ele depende da forma e 
da geometria do objeto, bem como do perfil de 
pressão ao longo de sua superfície. 
Ambas as formas de arrasto são importantes em 
diferentes situações e para diferentes tipos de 
objetos em movimento através de fluidos. Em 
muitos casos, os engenheiros procuram minimizar 
o arrasto total (que é a soma do arrasto de atrito e 
do arrasto de pressão) para aumentar a eficiência e 
a economia de combustível. 
Por exemplo, em um avião, o design das asas, 
fuselagem e outros componentes é otimizado para 
reduzir o arrasto total e, assim, melhorar a 
eficiência do voo. Da mesma forma, em um carro, 
o design da carroceria é considerado para 
minimizar o arrasto e aumentar a eficiência de 
combustível. 
 
Coeficiente de Sustentação (CL) 
O coeficiente de sustentação CL está 
relacionado à força aerodinâmica (ou 
hidrodinâmica) que mantém um objeto em 
elevação quando ele está se movendo através de 
um fluido. Em termos simples, é um indicador de 
quão eficientemente um objeto pode gerar 
sustentação. Em aeronáutica, é fundamental para 
manter uma aeronave em voo. 
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Sendo FL a força de sustentação, pode ser 
calculado pela seguinte fórmula: 
 
𝑭𝑳 = 𝟎, 𝟓𝝆𝑪𝑳𝑼
𝟐𝑨 
 
onde FL é a força de sustentação, ρ é a densidade 
do fluido, U é a velocidade do objeto em relação 
ao fluido e A é a área da superfície exposta ao 
fluido. 
 
 
Ângulo de Ataque e Sustentação em 
Aeronaves 
O ângulo de ataque é a medida do desvio da 
direção do fluxo de ar em relação à linha de 
referência da asa (normalmente chamada de 
corda). É o ângulo formado entre a corda da asa 
(uma linha imaginária que liga a borda de ataque à 
borda de fuga) e a direção do vento relativo (a 
direção do fluxo de ar que incide na asa). 
Mudar o ângulo de ataque altera a distribuição 
de pressão na superfície da asa, afetando a 
sustentação e a resistência. Um aumento no ângulo 
de ataque pode aumentar a sustentação, mas 
também pode levar a um aumento na resistência 
(arrasto). 
 
 
 
 
Em uma asa, existe um ângulo de ataque crítico, 
chamado de "ângulo de ataque de estol" ou 
"ângulo de ataque crítico", que é o máximo ângulo 
de ataque em que a asa ainda pode gerar 
sustentação antes de entrar em um estado de estol. 
No estol, a separação do fluxo de ar sobre a asa 
ocorre e a sustentação diminui drasticamente. 
 
 
Camada Limite sobre uma Placa Plana 
A camada limite é uma região muito fina 
adjacente à superfície sólida, onde as propriedades 
do fluido, como velocidade e temperatura, sofrem 
variações significativas devido ao contato com a 
superfície. Quando o fluido está em movimento 
próximo a uma superfície sólida, essa camada é 
chamada de camada limite. 
 
Quando o escoamento ocorre sobre uma placa 
plana, a camada limite é a região onde a velocidade 
do fluido vai de zero, na superfície sólida, até a 
velocidade do escoamento livre mais distante da 
placa. Geralmente, a espessura da camada limite é 
muito pequena em comparação com as dimensões 
da placa. A camada limite pode ser dividida em 
duas regiões principais: 
 
Camada Limite Laminar: Na parte inicial do 
escoamento, quando o fluido está em contato com 
a superfície da placa, o escoamento é geralmente 
suave e ordenado. Isso é conhecido como camada 
limite laminar. A camada limite laminar é 
caracterizada por um perfil de velocidade 
gradativamente crescente em direção ao fluxo livre 
do fluido. 
 
Transição para Camada Limite Turbulenta: À 
medida que o fluido percorre a placa, pequenas 
perturbações no escoamento podem ocorrer. Isso 
pode levar à transição da camada limite laminar 
para a camada limite turbulenta. Na camada limite 
turbulenta, o fluxo de fluido se torna mais caótico, 
com movimentos de vórtices e turbulências mais 
pronunciados. A transição da camada limite 
laminar para a camada limite turbulenta depende 
de fatores como a rugosidade da superfície, a 
velocidade do escoamento e a viscosidade do 
fluido. 
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A transição ocorre para um número de Rayleigh 
Crítico (Ra = Gr.Pr) em torno de 109. 
 
Convecção Natural (Livre) 
A convecção natural pode ser classificada em 
dois regimes principais: convecção natural estável 
e convecção natural instável. Essas classificações 
se referem à forma como as correntes de 
convecção se comportam em relação à força 
gravitacional. 
 
 
 
 
 
 
Convecção Natural Estável: 
Também conhecida como convecção natural 
laminar ou convecção natural devido a gradientes 
de densidade, ocorre quando as diferenças de 
densidade causadas por variações de temperatura 
são responsáveis pela movimentação do fluido. 
Em um ambiente estável, o fluido mais quente 
é menos denso e tende a subir, enquanto o fluido 
mais frio, sendo mais denso, tende a descer. Esse 
movimento cria correntes de convecção 
ordenadas. 
A convecção natural estável ocorre em 
situações onde não há grandes perturbações e o 
fluido flui de maneira suave e organizada. As 
condições são estáveis e não há movimento global 
no fluido. A transferência de calor (do topo para a 
base) irá ocorrer por condução. 
 
A convecção natural quiescente, também 
conhecida como convecção natural tranquila ou 
convecção natural laminar, refere-se a um tipo de 
convecção natural que ocorre em um ambiente 
praticamente sem perturbações ou movimentos 
turbulentos significativos do fluido. Neste caso, o 
fluido flui de forma suave e ordenadadevido às 
variações de densidade causadas por gradientes de 
temperatura. 
 
Convecção Natural Instável (ou Convecção 
Natural devido a Perturbações Gravitacionais): 
A convecção natural instável ocorre quando 
fatores além das variações de densidade, como 
perturbações na superfície ou no ambiente, 
desempenham um papel significativo. 
Essas perturbações podem resultar em 
movimentos turbulentos e não ordenados do 
fluido, com padrões de fluxo mais complexos e 
variáveis. Um exemplo comum de convecção 
natural instável é o surgimento de correntes de ar 
turbulentas em uma sala aquecida, quando o ar 
quente sobe em um ponto e o ar frio desce em 
outro, criando padrões de fluxo irregulares. 
Nesse caso, se a diferença de temperaturas é 
superior a um valor crítico, as condições são 
instáveis e as forças de empuxo são capazes de 
superar a influência retardadora das forças 
viscosas