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1. Um gás escoa em regime permanente no trecho de tubulação da figura. Na seção 1, tem-se A1 = 20 cm², ρ1 = 4 kg/m³ e v1 = 30 m/s. Na seção 2, tem-se A2 = 10 cm² e ρ2 = 12 kg/m³. Qual a velocidade na seção 2? A1 = 20 cm² ρ1 = 4 kg/m³ v1 = 30 m/s A2 = 10 cm² ρ2 = 12 kg/m³ v2 = ? 𝑄𝑚,1 = 𝑄𝑚,2 𝜌1. 𝑣1. 𝐴1 = 𝜌2. 𝑣2. 𝐴2 4. 30. 20 = 12. 𝑣2. 10 𝑣2 = 20 𝑚/𝑠 2. O esquema a seguir corresponde à seção longitudinal de um canal de 25 cm de largura. Admitindo o escoamento bidimensional e sendo o diagrama de velocidade dado por v = 30y-y² (y em cm; v em cm/s), bem como o peso específico: 900 N/m³, a viscosidade cinemática do fluido: 7x10-5 m²/s, g = 10 m/s², determinar: a) O gradiente de velocidade para y = 2 cm; b) A máxima tensão de cisalhamento na seção; c) A velocidade média na seção; d) A vazão em massa na seção. h = 5 cm b = 25 cm ν = 7 x 10-5 N.s/m² γ = 900 N/m³ V = 30y-y² 𝛾 = 𝜌. 𝑔 900 = 𝜌. 10 𝜌 = 90 𝑘𝑔/𝑚³ 𝜈 = 𝜇 𝜌 7. 10−5 = 𝜇 90 𝜇 = 6,3. 10−3 𝑁. 𝑠/𝑚² a) 𝑑𝑣 𝑑𝑦 =? 𝑑𝑣 𝑑𝑦 = 30 − 2𝑦 𝑑𝑣 𝑑𝑦 = 30 − 2.2 𝑑𝑣 𝑑𝑦 = 26 𝑠−1 b) 𝜏 = 𝜇 𝑑𝑣 𝑑𝑦 𝜏𝑚á𝑥 = 𝜇 ( 𝑑𝑣 𝑑𝑦 ) 𝑚á𝑥 𝑑𝑣 𝑑𝑦 = 30 − 2. 0 𝑑𝑣 𝑑𝑦 = 30 𝑠−1 𝜏𝑚á𝑥 = 6,3 . 10−3. 30 𝜏𝑚á𝑥 = 0,189 𝑁/𝑚² c) 𝑣𝑚 = 1 𝐴 ∫ 𝑣𝑑𝐴 𝑣𝑚 = 1 𝑏. ℎ ∫ (30𝑦 − 𝑦2) 𝑏𝑑𝑦 ℎ 0 𝑣𝑚 = 1 ℎ ∫ 30𝑦 − 𝑦2𝑑𝑦 ℎ 0 𝑣𝑚 = 1 ℎ (15𝑦2 − 𝑦3 3 )| 0 ℎ 𝑣𝑚 = 1 ℎ (15ℎ2 − ℎ3 3 ) 𝑣𝑚 = 1 5 (15. 52 − 53 3 ) 𝑣𝑚 = 66,67 𝑐𝑚/𝑠 d) 𝑄𝑚 = 𝜌. 𝑣. 𝐴 𝑄𝑚 = 90.0,67.0,25.0,05 𝑄𝑚 = 0,75 𝑘𝑔/𝑠 3. Determinar a velocidade do jato do líquido no orifício do tanque de grandes dimensões da figura considerando que altura do reservatório 5 m. Considerar o fluido ideal. 𝑧1 + 𝑣1 2 2𝑔 + 𝑃1 𝛾 = 𝑧2 + 𝑣2 2 2𝑔 + 𝑃2 𝛾 ℎ + 0 + 0 = 0 + 𝑣2 2 2𝑔 + 0 ℎ = 𝑣2 2 2𝑔 𝑣2 = √2𝑔ℎ 𝑣2 = √2.10.5 = 10 𝑚/𝑠 4. A pressão no ponto S do sifão da figura não deve cair a abaixo de 25 kPa (abs). Desprezando as perdas determinar: a) A velocidade do fluido; b) A máxima altura do ponto S em relação ao ponto A. a) 𝑧𝐴 + 𝑣𝐴 2 2𝑔 + 𝑃𝐴 𝛾 = 𝑧𝐵 + 𝑣𝐵 2 2𝑔 + 𝑃𝐵 𝛾 𝑧𝐴 + 0 + 0 = 0 + 𝑣𝐵 2 2𝑔 + 0 𝑧𝐴 = 𝑣𝐵 2 2𝑔 1,2 = 𝑣𝐵 2 2.10 𝑣𝐵 = √2.10.1,2 = 4,89 𝑚/𝑠 b) 𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 + 𝑃𝑠 25 = 100 + 𝑃𝑠 𝑃𝑠 = −75 𝑘𝑃𝑎 𝑧𝐴 + 𝑣𝐴 2 2𝑔 + 𝑃𝐴 𝛾 = 𝑧𝑠 + 𝑣𝑠 2 2𝑔 + 𝑃𝑠 𝛾 𝑧𝐴 + 0 + 0 = 𝑧𝑠 + 4,892 2.10 + (−75000) 10000 𝑧𝑠 − 𝑧𝐴 = − 4,892 2.10 + 75000 10000 𝑧𝑠 − 𝑧𝐴 = −1,19 + 7,5 𝑧𝑠 − 𝑧𝐴 = 6,31 𝑚 5. Considere a água que flui através de um bocal horizontal convergente- divergente a uma vazão volumétrica de 3 L/s. O diâmetro da garganta é igual a 1/3 da dimensão do diâmetro da entrada do tubo, cuja diâmetro é de 8 cm. Admitindo um escoamento sem atrito e considerando a pressão na entrada de 50 kPa, determine a pressão na saída da garganta. Q = 3 L/s = 0,003 m³/s D1 = 8 cm = 0,08 m D2 = 8/3 cm = 0,0267 m P1 = 50 kPa = 50.000 Pa P2 = ? Aplicando a equação da continuidade nas seções, tempos: 𝑄1 = 𝐴1. 𝑣1 𝑄 = 𝜋𝐷1 2 4 . 𝑣1 0,003 = 𝜋. 0,082 4 . 𝑣1 𝑣1 = 0,60 𝑚/𝑠 Fluido incompressível. 𝑄𝑚,1 = 𝑄𝑚,2 → 𝑄1 = 𝑄2 𝑄2 = 𝐴2. 𝑣2 𝑄2 = 𝜋𝐷2 2 4 . 𝑣2 0,003 = 𝜋. 0,02672 4 . 𝑣2 𝑣2 = 5,36 𝑚/𝑠 Aplicando a equação de Bernoulli, temos: 𝑧1 + 𝑣1 2 2𝑔 + 𝑃1 𝛾 = 𝑧2 + 𝑣2 2 2𝑔 + 𝑃2 𝛾 0 + 0,602 2.10 + 50000 10000 = 0 + 5,362 2.10 + 𝑃2 10000 0 + 0,018 + 5 = 0 + 1,436 + 𝑃2 10000 0,01782 + 5 − 1,4354 = + 𝑃2 10000 𝑃2 = 35820 𝑃𝑎 = 35,8 𝑘𝑃𝑎 6. Qual a vazão de óleo no tubo convergente da figura, para elevar uma coluna de 20 cm de óleo no ponto (0)? Dados: desprezar as perdas; γóleo = 8.000 N/m³. γóleo = 8.000 N/m³ D0 = 80 mm = 0,08 m D1 = 40 mm = 0,04 m P0/γ = 20 cm = 0,20 m Q = ? Da equação de Bernoulli, temos: 𝑧0 + 𝑣0 2 2𝑔 + 𝑃0 𝛾 = 𝑧1 + 𝑣1 2 2𝑔 + 𝑃1 𝛾 0 + 𝑣0 2 2.10 + 0,20 = 0 + 𝑣1 2 2.10 + 0 0,2 = 𝑣1 2 20 − 𝑣0 2 20 𝑣1 2 − 𝑣0 2 = 4 (eq. 1) Da equação da continuidade: 𝑄0 = 𝑄1 𝐴0. 𝑣0 = 𝐴1. 𝑣1 𝜋. 𝐷0 2 4 . 𝑣0 = 𝜋. 𝐷1 2 4 . 𝑣1 𝑣0 = 𝐷1 2 𝐷0 2 . 𝑣1 𝑣0 = 0,042 0,082 . 𝑣1 𝑣0 = 0,25𝑣1 (eq. 2) Substituindo a equação (2) em (1), temos que: 𝑣1 2 − (0,25𝑣1)2 = 4 𝑣1 2 − 0,0625𝑣1 2 = 4 0,9375𝑣1 2 = 4 𝑣1 = √ 4 0,9375 𝑣1 = 2,07 𝑚/𝑠 𝑣0 = 0,25. 𝑣1 𝑣0 = 0,25 . 2,07 𝑣0 = 0,52 𝑚/𝑠 Vazão volumétrica: 𝑄0 = 𝐴0. 𝑣0 𝑄0 = 𝜋. 𝐷0 2 4 . 𝑣0 𝑄0 = 𝜋. 0,082 4 . 0,52 𝑄0 = 2,61. 10−3 𝑚3/𝑠 = 2,61 𝐿/𝑠 Vazão massica: 𝛾 = 𝜌. 𝑔 8000 = 𝜌. 10 𝜌 = 800 𝑘𝑔/𝑚³ 𝑄𝑚,0 = 𝜌. 𝑄0 𝑄𝑚,0 = 800. 2,61. 10−3 𝑄𝑚,0 = 2,08 𝑘𝑔/𝑠 7. Sabendo que a potência da bomba é 3 kW, seu rendimento 75% e que o escoamento é de (1) para (2), determinar: a) A vazão; b) A carga manométrica da bomba; c) A pressão do gás. Dados: H1,2 = H5,6 = 1,5 m H3,4 = 0,7 m; H4,5 = 0 m A4 = 100 cm²; A4 = 3A5 γágua = 10.000 N/m³ a) Aplicando a equação de Bernoulli entre os pontos 4 e 5: 𝑧4 + 𝑣4 2 2𝑔 + 𝑃4 𝛾 = 𝑧5 + 𝑣5 2 2𝑔 + 𝑃5 𝛾 + 𝐻4,5 𝑧4 + 𝑣4 2 2𝑔 + 𝑃4 𝛾 = 𝑧5 + 𝑣5 2 2𝑔 + 𝑃5 𝛾 + 0 𝑃4 𝛾 − 𝑃5 𝛾 −= 𝑣5 2 2𝑔 − 𝑣4 2 2𝑔 𝑣5 2 − 𝑣4 2 2𝑔 = 𝑃4 − 𝑃5 𝛾 𝑒𝑞. (1) Cálculo de pressão nos pontos 4 e 5: 𝑃4 + 𝛾 ℎ − 𝛾𝐹ℎ = 𝑃5 𝑃4 − 𝑃5 = (𝛾𝐹 − 𝛾) ℎ 𝑒𝑞. (2) Substituindo a equação (1) em (2), temos: 𝑣5 2 − 𝑣4 2 2𝑔 = (𝛾𝐹 − 𝛾) ℎ 𝛾 𝑣5 2 − 𝑣4 2 = 2𝑔(𝛾𝐹 − 𝛾) ℎ 𝛾 𝑣5 2 − 𝑣4 2 = 2.10(1,2. 105 − 104) 0,8 104 𝑣5 2 − 𝑣4 2 = 176 𝑒𝑞. (3) Da equação da continuidade, temos: 𝑄4 = 𝑄5 𝑣4𝐴4 = 𝑣5𝐴5 𝑣4. 3𝐴5 = 𝑣5𝐴5 𝑣5 = 3𝑣4 𝑒𝑞. (4) Substituindo a equação (4) em (3), temos: (3𝑣4)2 − 𝑣4 2 = 176 9𝑣4 2 − 𝑣4 2 = 176 𝑣4 2 = 176/8 𝑣4 = √22 = 4,69 𝑚/𝑠 𝑄4 = 𝑣4𝐴4 𝑄4 = 4,69.100. 10−4 𝑄4 = 0,0469 𝑚3 𝑠 = 46,9 𝐿/𝑠 b) Pot = 3 kW = 3000 W nB = 0,75 𝑃𝑜𝑡,𝐵 = 𝛾𝐻𝑚𝑄 𝜂𝐵 3000 = 104. 𝐻𝑚 . 0,0469 0,75 𝐻𝑚 = 4,80 𝑚 c) 𝐻𝑃 = 𝐻1,2 + 𝐻3,4 + 𝐻4,5 + 𝐻5,6 𝐻𝑃 = 1,5 + 0,7 + 0 + 1,5 𝐻𝑃 = 3,7 𝑚 Aplicando a equação de Bernoulli entre os pontos 1 e 6: 𝑧1 + 𝑣1 2 2𝑔 + 𝑃1 𝛾 + 𝐻𝑚 = 𝑧6 + 𝑣6 2 2𝑔 + 𝑃6 𝛾 + 𝐻𝑃 0 + 0 + 0 + 4,8 = 6 + 0 + 𝑃6 𝛾 + 3,7 4,8 = 6 + 𝑃6 𝛾 + 3,7 4,8 − 6 − 3,7 = 𝑃6 𝛾 𝑃6 𝛾 = −4,9 𝑚𝑐𝑎 𝑃6 = −4,9 . 10000 𝑃6 = −49000 𝑃𝑎 = −49𝑘𝑃𝑎 8. Na instalação da figura, a máquina M2 fornece ao fluido uma energia por unidade de peso de 30 m e a perda de carga total do sistema é 15 m. Determinar: a) A potência da máquina M1, sendo nm1 = 0,8; b) A pressão na seção 2 em mca; c) A perda de carga no trecho 2-5 da instalação. Dados: Q = 20 L/s; γágua = 10.000 N/m³; g = 10 m/s²; A = 10 cm² (área da seção nos tubos). Hm,2 = 30 m HP,0-5 = 15 m nm1 = 0,8 Q = 20 L/s = 0,02 m³/s A = 10 cm² = 0,001 m² 𝑄 = 𝑣. 𝐴 𝑣 = 𝑄 𝐴 = 0,02 0,001 𝑣 = 20 𝑚/𝑠 a) Carga total de energia: - Seção 0 𝐻0 = 𝑧0 + 𝑣0 2 2𝑔 + 𝑃0 𝛾 𝐻0 = 10 + 0 + 0,25. 106 104 𝐻0 = 35 𝑚 - Seção 1 𝐻1 = 𝑧1 + 𝑣1 2 2𝑔 + 𝑃1 𝛾 𝐻1 = 5 + 202 2.10 + 0,2. 106 104 𝐻1 = 45 𝑚 𝐻1 > 𝐻0 𝑠𝑒𝑛𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑜 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 (5) 𝑝𝑎𝑟𝑎 (0) Aplicando a equação de Bernoulli entre os pontos 5 e 0: 𝐻5 + 𝐻𝑚,2 + 𝐻𝑚,1 = 𝐻0 + 𝐻𝑃 𝑧5 + 𝑣5 2 2𝑔 + 𝑃5 𝛾 + 𝐻𝑚,2 + 𝐻𝑚,1 =𝐻0 + 𝐻𝑃 5 + 0 + 0,4. 106 104 + 30 + 𝐻𝑚,1 = 35 + 15 𝐻𝑚,1 = −25 𝑚 (turbina) A potência da turbina: 𝑃𝑜𝑡,𝑇 = 𝛾𝐻𝑚𝑄. 𝜂𝑇 𝑃𝑜𝑡,𝑇 = 104. 25.0,02.0,8 𝑃𝑜𝑡,𝑇 = 4000 𝑊 = 4 𝑘𝑊 b) Aplicando a equação de Bernoulli entre os pontos 2 e 1: 𝐻2 − 𝐻𝑚,1 = 𝐻1 𝑧2 + 𝑣2 2 2𝑔 + 𝑃2 𝛾 − 𝐻𝑚,1 = 𝐻1 5 + 202 2.10 + 𝑃2 𝛾 − 25 = 45 𝑃2 𝛾 = 45 𝑚 c) Aplicando a equação de Bernoulli entre os pontos 5 e 2: 𝐻5 + 𝐻𝑚,2 = 𝐻2 + 𝐻𝑃,5−2 𝑧5 + 𝑣5 2 2𝑔 + 𝑃5 𝛾 + 𝐻𝑚,2 = 𝑧2 + 𝑣2 2 2𝑔 + 𝑃2 𝛾 + 𝐻𝑃,5−2 5 + 0 + 0,4. 106 104 + 30 = 5 + 202 2.10 + 45 + 𝐻𝑃,5−2 5 + 40 + 30 = 5 + 20 + 45 + 𝐻𝑃,5−2 𝐻𝑃,5−2 = 5 𝑚 9. A figura está num plano vertical. Calcular a perda de carga que deve ser introduzida pela válvula V da figura para que a vazão se distribua nos dois ramais. Cujos diâmetros são iguais. Dados D = 5 cm; γágua = 10.000 N/m³; Par = 0,2 MPa; Q = 10 L/s; Hp0,1 = 2 m; Hp1,2,4 = 0; Hp2,3 = 3 m; Hp4,5 = 3 m Hp6,7 = 2 m. D = 5 cm = 0,05 m Q = 10 L/s = 0,01 m³/s Q3 = Q7 = 0,005 m³/s Z0 = 10m Z3 = 10+15 = 25 m Z7 = 0 m Calculo da velocidade: 𝑄 = 𝐴. 𝑣 𝑄 = 𝜋𝐷2 4 . 𝑣 0,005 = 𝜋0,052 4 . 𝑣 𝑣 = 2,55 𝑚/𝑠 Potência total da energia: 𝑃𝑜𝑡 = 𝛾𝐻𝑄 𝑃𝑜𝑡,𝐸 = 𝑃𝑜𝑡,𝑆 𝛾𝐻0𝑄0 = 𝛾𝐻3𝑄3 + 𝛾𝐻7𝑄7 + 𝛾𝐻𝑝0−1𝑄0 + 𝛾𝐻𝑝1−3𝑄3 + 𝛾𝐻𝑝1−7𝑄7 𝐻0𝑄0 = 𝐻3𝑄3 + 𝐻7𝑄7 + 𝐻𝑝0−1𝑄0 + 𝐻𝑝1−3𝑄3 + 𝐻𝑝1−7𝑄7 Sabemos que: 𝑄3 = 𝑄7 𝑄0 = 𝑄3 + 𝑄7 𝑄0 = 2. 𝑄3=7 Substituindo, temos que: 𝐻0. 2𝑄3 = 𝐻3𝑄3 + 𝐻7𝑄3 + 𝐻𝑝0−1. 2𝑄3 + 𝐻𝑝1−3𝑄3 + 𝐻𝑝1−7𝑄3 2𝐻0 = 𝐻3 + 𝐻7 + 2𝐻𝑝0−1 + 𝐻𝑝1−3 + 𝐻𝑝1−7 2𝐻0 = 𝐻3 + 𝐻7 + 2𝐻𝑝0−1 + 𝐻𝑝1,2,4 + 𝐻𝑝2,3 + 𝐻𝑝4,5 + 𝐻𝑝5,6 + 𝐻𝑝6,7 eq. (1) Calculando a carga total de energia: 𝐻0 = 𝑧0 + 𝑣0 2 2𝑔 + 𝑃0 𝛾 = 10 + 0 + 0,2. 106 10000 = 30 𝑚 𝐻3 = 𝑧3 + 𝑣3 2 2𝑔 + 𝑃3 𝛾 = 25 + 2,552 2.10 + 0 = 25,33 𝑚 𝐻7 = 𝑧7 + 𝑣7 2 2𝑔 + 𝑃7 𝛾 = 0 + 2,552 2.10 + 0 = 0,33 𝑚 Substituindo na equação (1), temos: 2𝐻0 = 𝐻3 + 𝐻7 + 2𝐻𝑝0,1 + 𝐻𝑝1,2,4 + 𝐻𝑝2,3 + 𝐻𝑝4,5 + 𝐻𝑝5,6 + 𝐻𝑝6,7 2 . 30 = 25,33 + 0,33 + 2 . 2 + 0 + 3 + 3 + 𝐻𝑝5,6 + 2 𝐻𝑝5,6 = 22,34 𝑚 10. Na instalação da figura, todas as tubulações são de diâmetros muito grande em face da vazão, o que torna desprezível a carga cinética. Determinar: a) O tipo de máquina e sua carga manométrica; b) A vazão em volume proveniente do reservatório; Dados: Q2 = Q3; Hp0,1= 1 m; Hp1,2 = 1 m; Hp1,3 = 4 m; nb = 80%; potência do eixo da máquina = 0,7 kW. P0 = 50 kPa = 50000 Pa a) Bomba ou turbina? Hm = ? Calculando a carga total de energia: 𝐻0 = 𝑧0 + 𝑣0 2 2𝑔 + 𝑃0 𝛾 = 2 + 0 + 50000 10000 = 7 𝑚 𝐻2 = 𝑧2 + 𝑣2 2 2𝑔 + 𝑃2 𝛾 = 5 + 0 + 0 = 5 𝑚 𝐻3 = 𝑧3 + 𝑣3 2 2𝑔 + 𝑃3 𝛾 = 4 + 0 + 0 = 4 𝑚 Sabemos que as vazões são: 𝑄2 = 𝑄3 𝑄0 = 𝑄2 + 𝑄3 𝑄0 = 2. 𝑄2 Potência total da energia: 𝑃𝑜𝑡,𝐸 = 𝑃𝑜𝑡,𝑆 𝛾𝐻0𝑄0 + 𝛾𝐻𝑚𝑄3 = 𝛾𝐻2𝑄2 + 𝛾𝐻3𝑄3 + 𝛾𝐻𝑝0,1𝑄0 + 𝛾𝐻𝑝1,2𝑄2 + 𝛾𝐻𝑝1,3𝑄3 𝐻0𝑄0 + 𝐻𝑚𝑄3 = 𝐻2𝑄2 + 𝐻3𝑄3 + 𝐻𝑝0,1𝑄0 + 𝐻𝑝1,2𝑄2 + 𝐻𝑝1,3𝑄3 𝐻02. 𝑄2 + 𝐻𝑚𝑄2 = 𝐻2𝑄2 + 𝐻3𝑄2 + 𝐻𝑝0,12. 𝑄2 + 𝐻𝑝1,2𝑄2 + 𝐻𝑝1,3𝑄2 2𝐻0 + 𝐻𝑚 = 𝐻2 + 𝐻3 + 2𝐻𝑝0,1 + 𝐻𝑝1,2 + 𝐻𝑝1,3 2 . 7 + 𝐻𝑚 = 5 + 4 + 2. 1 + 1 + 4 𝐻𝑚 = +2 𝑚 Portanto a máquina é uma Bomba! b) Q0 = ? A potência da bomba é dada por: 𝑃𝑜𝑡,𝐵 = 𝛾𝐻𝑚𝑄 𝜂𝐵 0,7. 103 = 104. 2. 𝑄3 0,8 𝑄3 = 0,028 𝑚3/𝑠 A vazão no reservatório será: 𝑄0 = 2. 𝑄2=3 𝑄0 = 2. 0,028 𝑄0 = 0,056 𝑚3/𝑠 = 56 𝐿/𝑠 SUGESTÕES DE EXERCÍCIOS Brunetti, F. Mecânica dos Fluidos. CAP. 03 e 04 3.3; 3.4; 3.7; 3.9; 3.10 4.4; 4.6;4.8; 4.14; 4.16; 4.27; 4.29