2012 02 Aula 5 Engenharia de Fluidos

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Introdução à Engenharia Mecânica
Klézio Portes Reis
inspeng@hotmail.com
Engenharia de Fluidos
OBJETIVOS DESTE CAPÍTULO
Identificar aplicações de Fluidos em engenharia em diversos campos – microfluídica, aerodinâmica e medicina
Explicar, em termos técnicos, as diferenças entre sólidos e fluidos e falar sobre densidade e viscosidade de um fluido
Caracterizar escoamentos laminares e turbulentos
Número de Reynolds – como calcular e o significado
Cálculo de forças fluidodinâmicas em determinadas situações
Vazão e queda de pressão em fluidos, no interior de tubos
Visão Geral
Fluidos podem ser líquidos ou gases e o seu estudo pode ser dividido em estática e dinâmica
Os EM aplicam princípios da estática dos fluidos para cálculo de grandezas como a pressão e força de flutuação, que atuam sobre objetos como navios, tanques, barragens, plataformas de petróleo, etc.
Visão Geral
A dinâmica dos fluidos se concentra nos casos em que há movimentação de líquidos ou gases, ou quando um sólido se movimento em relação a um destes fluidos 
A água e o ar são os fluidos mais comuns encontrados na Engenharia 
Movimentos dos oceanos e do ar atmosférico também são aqui estudados
Modelos computadorizados permitem previsões com boa qualidade
Visão Geral
A geração de energia está intimamente relacionada com a utilização de fluidos
Visão Geral
A lab-on-a-chip (LOC) is a device that integrates one or several laboratory functions on a single chip of only millimeters to a few square centimeters in size. LOCs deal with the handling of extremely small fluid volumes down to less than pico liters. 
A mecânica do fluidos cumpre papel fundamental na Engenharia Biiomédica – remédios mediante inalação, fluxo de sangue nos vasos sanguíneos
Flutuação, arrasto e sustentação são aqui estudados
Os Em buscam desenvolver dispositivos que diminuam a resistência do vento e reduzam o consumo de combustível em veículos
Golfe, esqui, ciclismo são exemplos de esportes que têm sido beneficiados com os avanços nesta área
Visão Geral
Propriedades dos fluidos
O que é um fluido?
A classificação em sólido ou fluido, para os EM se dá de acordo com o comportamento da matéria quando submetido a esforços
Sólidos – comportamento segundo uma curva tensão-deformação
Fluidos – deformação contínua quando submetidos a qualquer esforço cisalhante
Propriedades de um fluido
Os fluidos podem ser líquidos ou gases
Gases - > compressíveis
Líquidos - > Incompressíveis
Líquidos: água, óleo, gasolina e líquidos de refrigeração
Gases: ar, propano, nitrogênio, hidrogênio, vapor d’água, vapor de gasolina
Propriedades de um fluido
Fluido – condição de não deslizamento
Camada superior do fluido se move com a velocidade da placa superior
A camada inferior permanece estacionária
Cada camada se move a uma velocidade diferente e a velocidade muda gradualmente, com a espessura
Propriedades de um fluido
Pela segunda lei de Newton
Tensão de cisalhamento exercida pelo fluido, sobre a placa
Na equação acima, a tensão é dada pelo modelo matemático:
m é a viscosidade, dada em POISE – símbolo P
Propriedades de um fluido
Viscosidade: é a propriedade associada a resistência que o fluido oferece a deformação por cisalhamento. 
Corresponde ao atrito interno nos fluidos devido basicamente a interações intermoleculares, sendo em geral função da temperatura. 
É a "grossura", ou resistência ao despejamento e descreve a resistência para fluir de um fluido.
A água é "fina“ – baixa viscosidade –, o óleo vegetal é "grosso“ – alta viscosidade.
Propriedades de um fluido
Valores de Densidade e de Viscosidade – TABELA 5.1
Exemplos :
Fluido: Ar
Densidade: 1,20 kg/m3
Viscosidade: 1,8x10-5 kg/(m.s)
Fluido: Água salgada
Densidade; 1026 kg/m3
Viscosidade: 1,2x10-3 kg/(m.s)
Fazer exemplo 5.1 em sala
Pressão e força de flutuação
Flutuação, arrasto e sustentação surgem quando os fluidos interagem com uma estrutura sólida (veículo, construção estática, corpo)
Pressão e força de flutuação
Arrasto e sustentação surgem quando há interação entre fluido e SÓLIDO
Flutuação ou empuxo surge quando o objeto está simplesmente imerso num fluido e está relacionado ao peso do fluido deslocado
Pressão e força de flutuação
Densidade mássica [kg/m3]
Valor tabelado na tabela 5.1
Peso de uma determinada quantidade de fluido
Relacionado ao Empuxo
V é o volume em m3
Pressão e força de flutuação
Consideramos um corpo mergulhado em um líquido qualquer. 
o líquido exercerá forças de pressão em toda a superfície do corpo em contato com este líquido. 
A pressão aumenta com a profundidade logo, as forças exercidas pelo líquido, na parte inferior do corpo, são maiores do que as forças exercidas na parte superior. 
A resultante destas forças, portanto, deverá ser dirigida para cima. É esta resultante que representa o empuxo que atua no corpo, tendendo a impedir que ele afunde no líquido.
Porque aparece o empuxo
Pressão e força de flutuação
0
1
h
DCL
Exemplos 5.3 e 5.4
Fluxos Laminar e Turbulento
Em aviação, é comum o aviso de turbulência, por causa de um mau tempo ou de uma cadeia de montanhas
Experiência prática: abrir uma torneira progressivamente e verificar a transição de um fluxo laminar para o turbulento
LAMINAR
TURBULENTO
Escoamento de Fluidos em Tubulações
Fluxo laminar
O fluido escoa de modo ordeiro
A linha de água não muda muito de um momento para outro
É Difícil dizer se a água está realmente se movendo
Fluxo turbulento
A linha d’água começa a oscilar e se torna agitada e irregular
O número de Reynolds
O coeficiente, número ou módulo de Reynolds (abreviado como Re) é um número adimensional usado em mecânica dos fluidos para o cálculo do regime de escoamento de determinado fluido sobre uma superfície. É utilizado, por exemplo, em projetos de tubulações industriais e asas de aviões.
Escoamento de Fluidos em Tubulações
caso especial de Re<2000
caso especial de Re<2000
Evidências experimentais demonstram que o escoamento é laminar para Re<2000.
Escoamento de Fluidos em Tubulações
caso especial de Re<2000
caso especial de Re<2000
caso especial de Re<2000
Arraste e Sustentação
Arraste e sustentação são princípios básicos da aerodinâmica 
Tais princípios são aplicados principalmente em aerofólios, carros, e etc.
Força de arraste
Força que faz resistência ao movimento de um objeto sólido através de um fluido ( um líquido ou gás )
Ele é feito de forças de atrito que agem em uma direção paralela á superfície do objeto e das forças de pressão 
Força de arraste
As forças de atrito agem pelos lados do objeto, visto que as forças de fricção que agem na frente e atrás do objeto se anulam.
 As forças de pressão atuam em direções perpendiculares á superfície do objeto, e são atuantes na parte da frente e de atrás do objeto visto que as pressões laterais se anulam
Força de arraste
Ao contrario de outras forças resistivas como o atrito, que é quase independente da velocidade, as forças de arraste dependem da velocidade.
Isso nos leva á equação do arraste.atribuída á Lord Rayleigh, e possui a seguinte expressão:
Onde: 
Fd = força de arraste
Cx = coeficiente de arrasto
A = área da referencia
ρ = massa volumétrica do fluido
V = é a velocidade do objeto em relação ao fluido
Força de arraste
Nessa expressão a maior variante é o coeficiente de arrasto ( Cx, Cd, Cw ).
O coeficiente de arrasto é utilizado para quantificar a resistência de um objeto em um fluido , o coeficiente de arrasto é adimensional. 
Sua expressão é o inverso da força de arrasto:
Força de arraste
O coeficiente de arrasto também é dependente do numero de Reynolds ( Re ) .
Re permite avaliar o tipo de escoamento do sistema, pode indicar se flui de forma laminar ou turbulenta. 
Força de arraste
ρ é a massa especifica do fluido
v é a velocidade media do fluido
D é a longitude característica do fluxo , ou o diâmetro para um fluxo no tubo
Força de sustentação
Sustentação é uma força aerodinâmica produzida principalmente pelo movimento de um aerofólio através do ar. A sustentação dá ao aeroplano a capacidade de se elevar no ar e de se manter durante o vôo. 
Força de sustentação
A sustentação é diretamente ligada á superfície do objeto que está imerso no fluido. 
No caso dos aefolios o que permite que eles se elevem é a sua curvatura e a deflexão
Curvatura: grande parte dos aerofolios possui a superfície superior curvada , enquanto a superfície inferior é plana ou menos curva.
Esse formato gera uma diferença de pressão , sendo a parte inferior com maior pressão, permitindo assim o vôo do objeto.
Força de sustentação
Deflexão: um aerofólio também produz sustentação através da deflexão , que nada mais é do que o ângulo em que o aerofólio encontra o ar. Pela segunda lei de Newton temos que toda ação possui uma reação de igual força e de sentido oposto, assim o aerofólio empurra o ar para baixo enquanto o ar faz com que o aerofólio ganhe sustentação. 
Força de sustentação
A sustentação é calculada através da formula abaixo. Onde temos:
 Cl = é o coeficiente de sustentação
 ρ = é a densidade do ar ( 1225 kg/m³ no nível do mar.
 V = é a velocidade do vôo 
 S ou A=é a área da asa 
 L = é a força de sustentação produzida
Força de sustentação
Tal conceito também é utilizado para sistemas em fluidos líquido , principalmente a água, em caso de hidrofolios.
Ângulo de ataque: é o ângulo que uma asa força com o ar que passa ao longo dela. A sustentação é o seu coeficiente dependem diretamente do ângulo de ataque, aumentando quando o ângulo aumenta, até o ponto Maximo, após esse ponto o ar não consegue manter-se no padrão aerodinâmico. Isso atua diretamente na velocidade de decolagem e pouso do avião bem como em sua velocidade de vôo.
Arrasto de Atrito: ocorre na superfície de um objeto. Ele produz uma fina camada de ar, a qual dar-se o nome de camada limite. O atrito resulta do deslizamento de uma camada de fluido sobre outra camada. As moléculas de ar da camada limite podem movem-se em vias regulares paralelas à superfície, ou em vias irregulares
Força de sustentação
Arrasto de Forma: é observado quando o ar passa ao longo de um objeto e em determinado ponto, se afasta do objeto. Arrasto de forma produzem turbilhões de ar que diminuem energia do objeto e retardam seu movimento. O arrasto de forma ocorre tanto em objetos aerodinâmicos quanto aqueles que não são .