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DISCIPLINA: MECÂNICA DOS FLUIDOS AULA 3 Prof. Alysson Nunes Diógenes 2 CONVERSA INICIAL Caro aluno, cara aluna, como alguém que aprende a nadar, hoje soltaremos a beirada da piscina e nos aventuraremos entre as águas mais profundas. Na aula passada, já definimos os referenciais de pressão e aprendemos sobre a pressão que um fluido parado provoca. Da mesma forma, entendemos como medir essa pressão através de colunas. Mas, até o momento, os fluidos estavam parados. O que é uma parte pequena da disciplina, pois estamos conhecendo a mecânica dos fluidos, ou seja, o movimento dos fluidos. Agora, iniciaremos com um fluido em movimento e veremos como lidar com isso. A partir de agora, eu peço uma dedicação especial sua nos estudos, pois a parte com mais equações e mais matemática será vista nessas próximas aulas. Mas não se preocupe. Com um pouco de esforço e bastante prática, conseguiremos. Assim sendo, vamos começar? CONTEXTUALIZAÇÃO Agora, estamos prontos para estudar fluidos em movimento; por isso, temos de decidir como devemos analisar um fluido que escoa. Há duas opções disponíveis para nós. (Fox, Pritchard e McDonald, 2014) 1. Nós podemos estudar o movimento de uma partícula de fluido ou grupo de partículas e ver como eles se movem pelo espaço. Essa é a abordagem de sistema, que tem a vantagem de que as leis físicas se aplicam à matéria e, portanto, diretamente para o sistema. Por exemplo, a segunda lei de Newton, F ⃗=dP ⃗/dt, em que F é a força e dP/dt é a taxa de variação de momento do fluido. Uma desvantagem é que, na prática, as equações associadas com essa abordagem podem se tornar um pouco complicadas, geralmente levando a um conjunto de equações diferenciais parciais. Essa abordagem é necessária se estamos interessados em estudar a trajetória de partículas ao longo do tempo, 3 por exemplo, em estudos de poluição ou do clima, previsão do tempo, medição de ondas, entre outros. 2. Podemos estudar uma região do espaço à medida que o fluido passa através dele, que é a abordagem de volume de controle. Essa abordagem é frequentemente o método de escolha, porque tem aplicações práticas; por exemplo, na aerodinâmica, em que geralmente se está interessado na sustentação e arrasto em uma asa (que nós selecionamos como parte do volume de controle), em vez de saber o que acontece com as partículas de fluido individuais. Da mesma forma, isso pode ser aplicado para verificar a força que o movimento de um fluido faz em uma tubulação, e, assim, verificar se o suporte dessa tubulação é suficiente para sustentá-la, como na figura abaixo. Figura 1 Então, recapitulando, a principal vantagem do método com que trabalharemos agora é podermos trabalhar com médias, sem se importar com os detalhes do fluido, e sim com sua interação com o sólido que o contém. 4 TEMA 1: CONSERVAÇÃO DA MASSA Quando trabalhamos as conservações, precisamos de um conjunto de equações que descrevam o movimento do fluido. Quando estávamos trabalhando a mecânica convencional, era comum um sistema como o da figura abaixo. Figura 1 Esse sistema não é mais válido para uma porção grande de fluido, tendo em vista que o fluido se deforma com grande facilidade. Sendo assim, é necessário criar um conjunto novo de equações que sejam válidas para um conjunto de partículas de fluido e que mostrem como elas se comportam e como influenciam o que está a sua volta. Chamaremos esse conjunto de equações de abordagem integral do escoamento. Para um determinado sistema, em um determinado tempo: Figura 2 Fonte: Do autor. V1 δl1=V1δt V2 δl2=V2δt I II VC-I VC 5 Onde V é velocidade, VC é um volume de controle e δl e δt são pequenos deslocamentos de espaço e de tempo, respectivamente. Na primeira parte da figura, temos apenas o VC, enquanto que, na segunda parte, o VC se deslocou, perdendo um pedaço “I” e ganhando um pedaço “II”, de forma que a intersecção entre os dois é VC-I. Assim sendo, definimos um sistema como um volume de controle em um instante t, cujas propriedades podem variar no tempo. No tempo t, o sistema era VC, e, no tempo t+δt, ele se deslocou e passou a ser (VC-I)+II. Propriedades básicas para um sistema Pode-se escrever uma formulação geral para um sistema a partir de suas propriedades extensivas. Essas são propriedades que dependem do tamanho ou da quantidade de matéria que um sistema contém. Ex.: massa, volume, energia, quantidade de movimento, etc. (Fox; Pritchard; McDonald, 2014) As propriedades intensivas não dependem do tamanho ou da quantidade de matéria que o sistema contém. Ex.: temperatura, pressão, etc. Normalmente, uma propriedade intensiva tem uma propriedade extensiva correspondente. Se B é uma propriedade extensiva do sistema, primeiramente, pode-se escrever: 𝐵 = ∫ 𝑏𝜌𝑑𝑚 𝑀 = ∫ 𝑏𝜌𝑑∀ ∀ Onde B é a propriedade dependente da massa, e b é a propriedade intensiva correspondente. Ex.: Energia e energia específica. Comumente, b=B/m. O valor associado a essa propriedade no instante t é: 𝐵𝑠𝑖𝑠𝑡(𝑡) = 𝐵𝑉𝐶(𝑡) Onde Bsist é a propriedade do sistema (que não se altera), e BVC é a propriedade extensiva do volume de controle. Assim, no instante t+δt: 𝐵𝑠𝑖𝑠𝑡(𝑡 + 𝛿𝑡) = 𝐵𝑉𝐶(𝑡 + 𝛿𝑡) − 𝐵𝐼(𝑡 + 𝛿𝑡) + 𝐵𝐼𝐼(𝑡 + 𝛿𝑡) E a variação da propriedade no tempo é: 𝛿𝐵𝑠𝑖𝑠𝑡 𝛿𝑡 = 𝐵𝑠𝑖𝑠𝑡(𝑡 + 𝛿𝑡) − 𝐵𝑠𝑖𝑠𝑡(𝑡) 𝛿𝑡 = 𝐵𝑉𝐶(𝑡 + 𝛿𝑡) − 𝐵𝐼(𝑡 + 𝛿𝑡) + 𝐵𝐼𝐼(𝑡 + 𝛿𝑡) − 𝐵𝑠𝑖𝑠𝑡(𝑡) 𝛿𝑡 6 Mas BVC=Bsist. Assim, tirando o limite δt→0: 𝛿𝐵𝑠𝑖𝑠𝑡 𝛿𝑡 ) 𝛿𝑡→0 = lim 𝛿𝑡→0 𝐵𝑉𝐶(𝑡 + 𝛿𝑡) − 𝐵𝑉𝐶(𝑡) 𝛿𝑡 − 𝐵𝐼(𝑡 + 𝛿𝑡) 𝛿𝑡 + 𝐵𝐼𝐼(𝑡 + 𝛿𝑡) 𝛿𝑡 (1) (2) (3) Analisando cada termo individualmente, tem-se, para o termo (1): lim 𝛿𝑡→0 𝐵𝑉𝐶(𝑡 + 𝛿𝑡) − 𝐵𝑉𝐶(𝑡) 𝛿𝑡 = 𝜕𝐵𝐶𝑉 𝜕𝑡 = 𝜕 𝜕𝑡 ∫ 𝑏𝜌𝑑∀ ∀ Para o elemento (2): − lim 𝛿𝑡→0 𝐵𝐼(𝑡 + 𝛿𝑡) 𝛿𝑡 = − lim 𝛿𝑡→0 ∫ 𝑏𝜌𝑑∀ ∀ 𝛿𝑡 = − lim 𝛿𝑡→0 ∫ 𝑏𝜌 𝛿𝑙 𝑑𝐴 ∀ 𝛿𝑡 = − lim 𝛿𝑡→0 ∫ 𝑏𝜌 𝑉𝛿𝑡 𝑑𝐴 𝐴𝐼 𝛿𝑡 Onde l é um comprimento, e A é a área da seção transversal por onde passa o fluido. Assim: lim 𝛿𝑡→0 𝐵𝐼(𝑡 + 𝛿𝑡) 𝛿𝑡 = − ∫ 𝑏𝜌𝑉𝑑𝐴 𝐴𝐼 O mesmo raciocínio pode ser feito para o elemento (3): lim 𝛿𝑡→0 𝐵𝐼𝐼(𝑡 + 𝛿𝑡) 𝛿𝑡 = ∫ 𝑏𝜌𝑉𝑑𝐴 𝐴𝐼𝐼 Reescrevendo os termos: 𝑑𝐵 𝑑𝑡 ) 𝑠𝑖𝑠𝑡 = 𝜕 𝜕𝑡 ∫ 𝑏𝜌𝑑∀ ∀ − ∫ 𝑏𝜌�⃗⃗�𝑑𝐴 𝐴𝐼 + ∫ 𝑏𝜌�⃗⃗�𝑑𝐴 𝐴𝐼𝐼 Os termos (2) e (3) representam um balanço da quantidade de propriedade que passa através da área de entrada e de saída do volume de controle, ou seja, o que sai menos o que entra. Assim: 𝑑𝐵 𝑑𝑡 ) 𝑠𝑖𝑠𝑡 = 𝜕 𝜕𝑡 ∫ 𝑏𝜌𝑑∀ ∀ + ∫ 𝑏𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝑆𝐶 Essa equação é chamada Teorema do Transporte de Reynolds. Como estamos na engenharia, tudo possui uma aplicação e uma interpretação físicas. Observe que, no terceiro termo, a velocidade não está multiplicando o diferencial de área, e sim, fazendo um produto escalar entre o vetor velocidade e o vetor área. Da mesma forma, a integral desse termo é uma integral na superfície de controle SC (pode ser representado por SC ou A), que representa as fronteiras do sistema por onde a fluido passa. Assim, a interpretação física dessa equação é: 7 Interpretação física𝑑𝐵 𝑑𝑡 ) 𝑠𝑖𝑠𝑡 – Taxa de mudança da propriedade B no tempo. 𝜕 𝜕𝑡 ∫ 𝑏𝜌𝑑∀ ∀ – Variação no tempo da propriedade B no volume de controle. ∫ 𝑏𝜌𝑉𝑑𝐴 𝑆𝐶 – Balanço da quantidade de propriedade B que passa pelas superfícies de controle. Um exemplo de uso do Teorema do Transporte de Reynolds: Fazendo B=m e m=1: 𝑑𝑚 𝑑𝑡 ) 𝑠𝑖𝑠𝑡 = 𝜕 𝜕𝑡 ∫ 𝜌𝑑∀ ∀ + ∫ 𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝑆𝐶 Essa equação é chamada de “conservação da massa”, e será usada para descrever como a massa é afetada por um escoamento ao longo do tempo. Observe mais uma vez que, no terceiro termo, a velocidade não está multiplicando o diferencial de área, e sim, fazendo um produto escalar dentre o vetor velocidade e o vetor área. Ficará mais claro quando fizermos alguns exemplos. Ou: 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌𝑑∀ ∀ + ∫ 𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 = 0 (1) (2) (1) Variação de massa no Volume de Controle VC; (2) Quantidade de massa que passa pelas fronteiras do sistema. Observe que nenhuma massa é criada ou destruída, logo, a variação de massa em um sistema é zero (dM/dt=0). Da mesma forma, note o produto escalar da velocidade com a área no segundo termo da equação. Considerações comuns: A primeira consideração é a de Regime permanente. Para esta, o termo de derivada no tempo é nulo. Assim: 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌𝑑∀ ∀ = 0 8 dA V dA V E integrando, podemos escrever: ∑ 𝜌�⃗⃗�𝐴 𝑠𝑎𝑖 − ∑ 𝜌�⃗⃗�𝐴 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 0 A segunda consideração comum é a de escoamento incompressível, ou seja, a densidade ρ é uma constante 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝑑∀ ∀ + ∫ �⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 = 0 A terceira é uma combinação das anteriores. Para escoamento incompressível e em regime permanente: ∑ �⃗⃗�𝐴 𝑠𝑎𝑖 − ∑ �⃗⃗�𝐴 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 0 Observe que a massa que entra é negativa, e a que sai é positiva. Isso ocorre pelo produto escalar da velocidade com a área: Por fim, é interessante definir as equações das vazões mássica e volumétrica. A vazão mássica para um determinado fluido é: �̇� = 𝜌�⃗⃗�𝐴 Onde ρ é a densidade do fluido, V, a velocidade que ele escoa e A a área através da qual ele escoa. Sua unidade é kg/s. Por sua vez, a vazão volumétrica para um determinado fluido é: 𝑄 = �⃗⃗�𝐴 E sua unidade é m3/s. Assim, podemos escrever: �̇� = 𝜌𝑄 Lembrando que, para um sistema em regime permanente e incompressível, a vazão é constante. Essa foi a consideração que acabamos de fazer. Exemplo: Água (ρ=998kg/m3) escoa na redução abaixo a 60kg/s. Os diâmetros são D1=220mm e D2=80mm. Calcule as velocidades em 1 e em 2 (Fox; Pritchard; McDonald, 2014): 9 Figura 3 Observe que foi adicionado um retângulo pontilhado. Esse retângulo é o volume de controle, ou a representação do nosso sistema. A parte dele que consideraremos é a parte onde está o fluido de interesse, no caso, água. Assim, o que considerar para efeito de cálculos é a intersecção da tubulação com o volume de controle. Para cada problema, o aluno é responsável por escolher o volume de controle, e, normalmente, a escolha correta é um volume que englobe a área de interesse do sistema. Para nosso problema atual, foi escolhido um volume de controle que englobasse a entrada larga e a saída estreita. Nesse volume de controle, podemos escrever: 𝑚 = 𝜌𝑄 →̇ 𝑄 = �̇� 𝜌 = 60 998 = 0,0601 𝑚3 𝑠 Onde �̇� é a vazão mássica, ρ é a densidade do fluido e 𝑄 é a vazão volumétrica. Pela conservação da massa: 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌𝑑∀ ∀ + ∫ 𝜌𝑉 ∙ 𝑑𝐴 𝐴 = 0 Para regime permanente e escoamento incompressível: 𝑄1 = 𝑄2 → 𝑉1𝐴1 = 𝑉2𝐴2 𝑉1 = 𝑄 𝐴1 = 0,0601 𝜋0,222/4 = 1,58𝑚/𝑠 𝑉2 = 𝑄 𝐴2 = 0,0601 𝜋0,082/4 = 12𝑚/𝑠 10 TEMA 2: CONSERVAÇÃO DO MOMENTO LINEAR (2ª LEI DE NEWTON NA FORMA INTEGRAL) Utilizando o Teorema de Transporte de Reynolds, e fazendo B=P=mV e b=mV/m=V: 𝑑�⃗⃗� 𝑑𝑡 = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌�⃗⃗�𝑑∀ ∀ + ∫ �⃗⃗�𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 (1) (2) (1) Variação de momento no VC; (2) Quantidade de momento que atua pelas fronteiras do sistema. Onde P é o momento linear, V é a velocidade e A é a área. Mas vale notar que, da segunda lei de Newton: �⃗� = 𝑚�⃗� = 𝑚 𝑑�⃗⃗� 𝑑𝑡 = 𝑑�⃗⃗� 𝑑𝑡 E fazendo: �⃗� = 𝐹𝑠⃗⃗⃗⃗ + 𝐹𝐵⃗⃗⃗⃗⃗ Onde FS são as forças de superfície e FB as forças de campo, pode-se escrever: 𝐹𝑠⃗⃗⃗⃗ + 𝐹𝐵⃗⃗⃗⃗⃗ = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌�⃗⃗�𝑑∀ ∀ + ∫ �⃗⃗�𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 (1) (2) (3) (4) Essa é a chamada conservação do momento linear, ou 2ª lei de Newton escrita para um volume de controle não acelerado. Cada termo significa: (1) – Força de superfície aplicada no volume de controle. Pode ser o atrito, a pressão, uma reação de uma tubulação, etc.; (2) – Força de campo, como a gravidade; (3) – Variação de momento no volume de controle. Mede se o fluido está acelerando ou freando; (4) – Quantidade de fluido que atravessa as fronteiras do sistema. 11 Considerações comuns: - Não há forças de campo agindo em uma direção. Assim: 𝐹𝐵 = 0 - A força de superfície é oriunda de pressão. Dessa forma: 𝐹𝑠 = ∫ 𝑃𝑑𝐴 Todos os referenciais e considerações que já definimos para a conservação da massa são válidos para a equação que montamos. Outro ponto a notar. Observe o termo de fronteira: ∫ �⃗⃗�𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 Ele tem duas velocidades. Por que eu não posso meramente multiplicar as duas e elevá-las ao quadrado? Eu não posso fazer isso por causa do produto escalar. Então, isso nos leva a uma nova observação. O sinal da primeira velocidade deve obedecer ao eixo, enquanto que o sinal da segunda velocidade obedece à convenção de positivo para saindo e negativo para entrando. Por exemplo, se x é para a direita e a velocidade também, seu sinal é positivo. Por outro lado, se y é para cima e a velocidade é para baixo, seu sinal é negativo. Observe o exemplo abaixo, criado apenas para ilustrar os sinais. Um fluido entra pela face (e) e sai pela face (s). Imagine que as setas representam a velocidade de água passando por um volume de controle pontilhado. Observe novamente o termo da equação acima que estamos analisando. Para o caso abaixo, depois de integrá-lo, ele ficaria com os seguintes sinais: ∫ �⃗⃗�𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 = (−𝑉𝑠) ∙ 𝜌 ∙ (𝑉𝑠𝐴) + ((−𝑉𝑒) ∙ 𝜌 ∙ (−𝑉𝑒𝐴)) s e 12 Figura 4 Note: O primeiro termo após a igualdade é o termo que sai. A primeira velocidade é para baixo, então seu sinal é negativo. A segunda velocidade é positiva, pois o fluido está saindo do sistema. No segundo termo, a primeira velocidade continua negativa, enquanto que a segunda passa a ser também negativa, pois o fluido está entrando no sistema. Fazendo a distributiva, temos: ∫ �⃗⃗�𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 = −𝑉𝑠 2 ∙ 𝜌 ∙ 𝐴 − 𝑉𝑒 2 ∙ 𝜌 ∙ 𝐴 E isso faz sentido. Estamos trabalhando a conservação do momento. A equação mede uma variação de momento no tempo, que é um tipo de força. Se todo o fluido está para baixo, nada mais natural do que a força ser aplicada para baixo, o que implica que o sinal da força que o fluido exerce é para baixo, ou seja, negativo. Agora, resolveremos um exemplo mais completo. Exemplo: Água sai de um bocal estacionário e atinge uma placa plana como na figura. A água deixa o bocal a 15m/s e a área do bocal é 0,01m2. Considere que a água atinge a placa normal à superfície e determine a força horizontal no suporte.Figura 5 s e 13 Definiremos, mais uma vez, que o volume de controle é o quadrado em pontilhado. Note que o sistema poderia ser de qualquer tamanho, mas o que vai interessar são os trechos onde há fluido cruzando o sistema. Mais do que isso: mesmo que aparentemente a quantidade de água no sistema intuitivamente não pareça ser constante, quando dizemos que o sistema está em regime permanente, é exatamente isso que consideramos. Considerações: Regime permanente e velocidade constante pelas fronteiras do sistema. A equação que vamos utilizar é a equação da conservação do momento linear: �⃗� = 𝐹𝑠⃗⃗⃗⃗ + 𝐹𝐵⃗⃗⃗⃗⃗ = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌�⃗⃗�𝑑∀ ∀ + ∫ �⃗⃗�𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 Solução: A pressão atmosférica age em todas as direções, então não há forças de pressão atuando. Da mesma forma, desprezaremos a gravidade, pois a força de reação que analisaremos está na horizontal. Assim, 𝐹𝐵⃗⃗⃗⃗⃗ = 0 (a gravidade), e a única força de superfície agindo na horizontal é a reação da força da água Rx que a placa oferece ao fluido. 𝐹𝑠 = 𝑅𝑥 = ∫ �⃗⃗�𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 𝑅𝑥 = (−𝑉)𝜌(𝑉𝐴) 𝑅𝑥 = −15 ∙ 999 ∙ 15 ∙ 0,01 = −2,25𝑘𝑁 O resultado negativo quer dizer que o sentido da reação é contrário ao do eixo x. Isso faz sentido, pois se o fluido aplica força para a direita, a placa reage para a esquerda. TEMA 3: EXERCÍCIOS Chegou o momento de fixarmos o conteúdo para melhorar o entendimento. Eu separei alguns exercícios para resolvermos juntos. 14 Exemplo: Uma placa vertical tem um orifício no centro. Um jato d’água com velocidade V atinge a placa concentricamente. Obtenha uma expressão para manter a placa fixa em função da razão de diâmetros d/D se a velocidade de saída do orifício permanece V. Calcule o valor para V=5m/s, D=100mm e d=25mm. Figura 6 Equação da conservação do momento linear: 𝐹𝑠 + 𝐹𝑏 = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌𝑉𝑑∀ ∀ + ∫ 𝑉𝜌𝑉 ∙ 𝑑𝐴 𝐴 Considerações: Regime permanente; Sem força de campo (𝐹𝑏 = 0 – a gravidade não está na horizontal); Velocidade uniforme. Solução: 𝐹𝑠 = 𝑅𝑥 𝑅𝑥 = 𝑉1𝜌(−𝑉1𝐴1) + 𝑉2𝜌𝑉2𝐴2 Lembre dos referenciais. A primeira velocidade é positiva por estar no mesmo sentido do eixo x, enquanto que a outra velocidade obedece ao produto escalar. A área é a área de um círculo, ou seja, 𝜋𝑟2 ou 𝜋𝐷2/4. 𝑅𝑥 = −𝜌𝑉1 2 𝜋𝐷2 4 + 𝜌𝑉2 2 𝜋𝑑2 4 Como 𝑉1 = 𝑉2 e d = d/D 𝑅𝑥 = −𝜌𝑉1 2 𝜋𝐷2 4 + 𝜌𝑉2 2 𝜋(𝑑/𝐷)2 4 15 𝑅𝑥 = − 𝜌𝑉2𝜋𝐷2 4 [1 − ( 𝑑 𝐷 ) 2 ] Para os valores: 𝑅𝑥 = −1000 ∙ 𝜋 4 ∙ 52 ∙ (0,1)2 ∙ [1 − ( 0,025 0,1 ) 2 ] = −184𝑁 Exemplo: Um caminhão deve ser carregado com 675kg de grãos. O grão é carregado por um duto como na figura. O fluxo de grãos é encerrado quando a balança atinge o limite. Encontre o valor real carregado no caminhão. Adote D=0,3m, ρ=600kg/m3 e uma vazão de 40kg/s de grãos (Fox; Pritchard; McDonald, 2014). Nesse caso, consideraremos que os grãos se comportam como partículas de fluido. Já que temos a densidade e a vazão, temos tudo o que precisamos. Equação da conservação do momento linear: 𝐹𝑠 + 𝐹𝑏 = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌𝑉𝑑∀ ∀ + ∫ 𝑉𝜌𝑉 ∙ 𝑑𝐴 𝐴 Considerações Regime permanente; Velocidade uniforme. Solução: Há 3 forças envolvidas: A reação em y, o peso do caminhão e o peso dos grãos. Intuitivamente, poderíamos pensar que essas três forças são iguais, e elas seriam se tudo estivesse em repouso. Mas, os grãos estão em movimento, e é justamente isso que a equação da conservação do movimento avalia. 𝑅𝑦 − (𝑊𝑐𝑎𝑚𝑖𝑛ℎ𝑎𝑜 + 𝑊𝑔𝑟𝑎𝑜𝑠) = −𝑉𝜌(−𝑉𝐴) 𝑅𝑦 − 𝑊𝑐𝑎𝑚𝑖𝑛ℎ𝑎𝑜 = 𝑊𝑔𝑟𝑎𝑜𝑠 + 𝑉�̇� Para o primeiro termo da igualdade, a balança encerra o fluxo quando a diferença entre a reação e o peso do caminhão for 675kg. Essa é a tara da balança. Assim: (𝑅𝑦 − 𝑊𝑐𝑎𝑚𝑖𝑛ℎ𝑎𝑜) = 675𝑘𝑔 Iniciando a tratar o termo do lado direito da igualdade, tem-se: �̇� = 𝜌𝑉𝐴 → 𝑉 = 𝑚 𝜌𝐴 ̇ 16 Dividindo os termos do outro lado da igualdade pela aceleração da gravidade 𝑔, tem-se: 𝑚𝑔𝑟𝑎𝑜𝑠 + �̇�2 𝜌𝑔𝐴 = 675(𝑘𝑔) 𝑚𝑔𝑟𝑎𝑜𝑠 = 675 − 402 600 ∙ 9,81 ∙ [(𝜋0,32)/4] 𝑚𝑔𝑟𝑎𝑜𝑠 = 671𝑘𝑔 Exemplo: Querosene com densidade relativa dr=0,88 entra na peça cilíndrica da figura com uma vazão mássica �̇�=0,0081kg/s. As placas têm 80mm e estão distanciadas entre si como na figura. Assumindo regime permanente, encontre as velocidades de entrada e de saída (Fox; Pritchard; McDonald, 2014). Figura 8 Para esse problema, note em especial que a peça é parecida com um irrigador, ou seja, a entrada é através de um tubo, mas a saída é através da superfície de um cilindro, como na figura abaixo: Figura 9 17 Equação: 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌𝑑∀ ∀ + ∫ 𝜌𝑉𝑑𝐴 𝐴 = 0 Considerações: - Regime permanente; - Velocidade uniforme. Solução: �̇�1 = 𝜌𝑉1𝐴1 0,0081 = 0,88 ∙ 1000 ∙ 𝑉1 ∙ (𝜋 ∙ 0,004 2/4) 𝑉1 = 0,732𝑚/𝑠 𝑄1 = 𝑄2 𝑉1𝐴1 = 𝑉2𝐴2 𝑉1𝜋𝐷1 2 4 = 𝑉2𝜋𝐷2ℎ 𝑉2 = 𝑉1𝐷1 2 4𝐷2ℎ = 0,732 ∙ 0,0042 4 ∙ 0,08 ∙ 0,003 = 0,0123𝑚/𝑠 Exemplo: Considere que o óleo sai para a superfície, e calcule a máxima massa que a placa poderia ter para o escoamento do exercício anterior. Equação: 𝐹𝑠 + 𝐹𝐵 = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌𝑉𝑑∀ ∀ + ∫ 𝑉𝜌𝑉 ∙ 𝑑𝐴 𝐴 Considerações: - Fs=0; - Regime permanente. Solução: 𝐹𝐵 = −𝑊𝑝 −𝑊𝑝 = 𝑉1𝜌(−𝑉1𝐴1) 𝑊𝑝 = −0,732 ∙ 0,88 ∙ 1000 ∙ (−0,732 ∙ 𝜋 ∙ 0,0042 4 ) 𝑊𝑝 = 0,006𝑁 18 𝑚𝑝 = 𝑊𝑝 𝑔 = 0,006 9,81 = 0,6𝑔 TEMA 4: CONSERVAÇÃO DO MOMENTO ANGULAR Aprofundaremos a análise da conservação do momento e veremos como o momento angular se comporta. Utilizando o Teorema de Transporte de Reynolds e fazendo a propriedade extensiva B ser o momento angular H, podemos escrever B=H=r x mV e b=r x mV/m = r x V: 𝑑𝐻 𝑑𝑡 = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ (𝑟 x 𝑉)𝜌𝑑∀ ∀ + ∫ (𝑟 x 𝑉)𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 (1) (2) (1) Variação de momento angular no VC; (2) Quantidade de momento angular que atua pelas fronteiras do sistema. Note que, agora, há um produto vetorial de um raio com a velocidade. Além disso: 𝑇 = 𝑑𝐻 𝑑𝑡 E o torque pode ser escrito como: 𝑇 = 𝑟 x 𝐹𝑠 + ∫ 𝑟 x 𝑔𝜌𝑑∀ + 𝑇𝑒𝑖𝑥𝑜 Assim: 𝑟 x 𝐹𝑠 + ∫ 𝑟 x 𝑔𝜌𝑑∀ + 𝑇𝑒𝑖𝑥𝑜 = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ (𝑟 x 𝑉)𝜌𝑑∀ ∀ + ∫ (𝑟 x 𝑉)𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 Do lado direito, tem-se todos os tipos de torque, que são o torque devido a forças de superfície, o torque devido à gravidade e o torque de um eixo. O referencial para a velocidade que está em escalar com o elemento de área continua o mesmo. Ela é positiva para saída e negativa para entrada. Por sua vez, o produto vetorial do raio com a velocidade é positivo para sentido anti- horário e negativo para sentido horário. 19 Alguns conceitos úteis para relembrar são o de velocidade e aceleração tangencial: 𝑉𝑡 = 𝜔𝑟 𝑎𝑡 = 𝛼𝑟 Onde 𝜔 é a velocidade angular em rad/s, e 𝛼 é a aceleração angular em rad/s2. O sufixo t se refere à tangencial. Aplicações comuns: Dispositivos com escoamento radial, como bombas centrífugas. Veja na imagem abaixo: Figura 10 Para um escoamento em regime permanente e incompressível, simplificando a equação do momento, chega-seao seguinte resultado, que é a Equação de Euler para máquinas de fluxo. Essa equação nos mostra que o torque no eixo de uma bomba depende apenas das velocidades tangenciais de entrada 𝑉1,𝑡 e de saída 𝑉2,𝑡, dos raios da tubulação de entrada 𝑟1 e da voluta 𝑟2 e da vazão mássica �̇�. 𝑇𝑒𝑖𝑥𝑜 = �̇�(𝑟2𝑉2,𝑡 − 𝑟1𝑉1,𝑡) Para o caso ideal: 𝑉𝑡 = 𝜔𝑟 Assim: 𝑇𝑒𝑖𝑥𝑜 = �̇�𝜔(𝑟2 2 − 𝑟1 2) E a potência do eixo: �̇� = 𝜔𝑇𝑒𝑖𝑥𝑜 20 Mais uma vez, é necessário fazer um exemplo para aplicarmos o conteúdo. Exemplo: Água subterrânea é bombeada a uma altura suficiente através de um tubo de 10 cm de diâmetro que consiste num comprimento vertical de 2m e 1 m de comprimento horizontal, como mostrado na figura abaixo. A água é descarregada para o ar atmosférico a uma velocidade média de 3 m/s, e a massa da secção de tubo horizontal quando cheio com água é de 12 kg por metro de comprimento. A tubulação está ancorada no chão por uma base de concreto. Determinar o momento de flexão, agindo na base do tubo (ponto A), e o comprimento necessário da secção horizontal que faria o momento no ponto A zero (Fox; Pritchard; McDonald, 2014). Figura 11 Forças agindo no sistema: Figura 12 21 Considerações: - Regime permanente; - Velocidade uniforme. Solução: Pela conservação da massa: �̇�1 = �̇�2 = 𝜌𝑉𝐴 = 1000 ∙ 3 ∙ 𝜋0,12 4 = 23,56𝑘𝑔/𝑠 Cálculo do peso: 𝑊 = 𝑚𝑔 = 12 ∙ 9,81 = 118𝑁 Equação do momento angular: 𝑟 x 𝐹𝑠 + ∫ 𝑟 x 𝑔𝜌𝑑∀ + 𝑇𝑒𝑖𝑥𝑜 = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ (𝑟 x 𝑉)𝜌𝑑∀ ∀ + ∫ (𝑟 x 𝑉)𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 O terceiro (𝑇𝑒𝑖𝑥𝑜) e o quarto termos (o termo da derivada no tempo) são zero (sem eixo e em regime permanente). Considerando negativo o sentido horário e fazendo r x Fs=M, suponhamos que o momento está no sentido anti- horário. Assim, o resultado da equação será positivo. 𝑀 − 𝑟1𝑊 = −�̇�𝑟2𝑉2,𝑡 𝑀 = 0,5 ∙ 118 − 23,56 ∙ 2 ∙ 3 𝑀 = −82,5𝑁 ∙ 𝑚 O momento está em sentido contrário ao que estimamos inicialmente, ou seja, ele está no sentido horário. O momento não é a reação, mas age no mesmo sentido que ela. O momento é uma quantidade de força, ou seja, ele é na direção em que a força reage. Nesse caso, a diferença entre a força peso e a força de velocidade do escoamento. Isso significa que a força que o fluido exerce por escoar na tubulação é maior do que a força que a massa de água na tubulação exerce. A segunda parte da questão pediu para fazer o momento ser zero. Assim: 0 = 𝑟1𝑊 − �̇�𝑟2𝑉2,𝑡 Mas: 𝑟1 = 𝐿/2 0 = 𝐿 2 ∙ 𝑊 − �̇�𝑟2𝑉2,𝑡 22 Ou: 𝐿 = √ 2 ∙ 𝑟2 ∙ �̇� ∙ 𝑉2 𝑊 Assim: 𝐿 = √ 2 ∙ 141,4 118 = 2,4𝑚 TEMA 5: CONSERVAÇÃO DA ENERGIA Nossa última conservação na forma integral. Utilizando o Teorema de Transporte de Reynolds e fazendo B=E, ou seja, a Energia de um sistema em Joule, e b=E/m=e, a chamada energia específica, em unidade de Joule/kg: 𝑑𝐸 𝑑𝑡 = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝑒𝜌𝑑∀ ∀ + ∫ 𝑒𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 (1) (2) (1) Variação de energia no VC; (2) Quantidade de energia que passa pelas fronteiras do sistema. Mas da 1ª Lei da termodinâmica: 𝑄 − �̇� = 𝑑𝐸 𝑑𝑡 Onde �̇� é um termo de trabalho. Da mesma forma, pode-se escrever da equação de estado: 𝑒 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧 Ou: 𝑄 − �̇� = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ (𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝜌𝑑∀ ∀ + ∫ (𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 Analisando termo a termo: Q se refere a uma transferência de energia através de uma troca de calor. Por exemplo, para três latas de refrigerante a 25°C, 15°C e 5°C numa temperatura ambiente de 25°C, teríamos as transferências de energia abaixo. 23 Figura 13 �̇� se refere a transferência de energia por trabalho feito ou sofrido pelo sistema. Há vários tipos de trabalho: �̇�𝑡 = �̇�𝑒𝑖𝑥𝑜 + �̇�𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 + �̇�𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑜𝑠 + �̇�𝑜𝑢𝑡𝑟𝑜𝑠 Onde �̇�𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑜𝑠 (ou �̇�𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠) se refere ao trabalho transmitido ao fluido por efeitos de atrito (ex.: um rotor movendo o fluido) e será desprezado por ser um termo muito pequeno em relação aos demais, mas será considerado em análise de máquinas de fluxo. �̇�𝑜𝑢𝑡𝑟𝑜𝑠 se refere a trabalhos elétricos ou eletromagnéticos. �̇�𝑒𝑖𝑥𝑜 é o trabalho realizado pelo eixo de uma bomba ou de uma turbina, e �̇�𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 é o trabalho que um fluido pressurizado sofre pela ação da pressão. Comumente: �̇�𝑒𝑖𝑥𝑜 = 2𝜋𝑇𝑒𝑖𝑥𝑜 Onde Teixo é o torque do eixo e: �̇�𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 = ∫ 𝑃�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 = ∫ 𝑃 𝜌 𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 = 𝑃 𝜌 ∙ �̇� Outra forma comum da equação da energia é a forma abaixo. Desprezamos os trabalhos viscosos e de outros, e substituímos o trabalho de pressão no sistema. Assim: 𝑄 − �̇�𝑒𝑖𝑥𝑜 − �̇�𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ (𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝜌𝑑∀ ∀ + ∫ (𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 Mas: �̇�𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 = ∫ 𝑃 𝜌 𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 24 Substituindo na equação anterior, e sabendo que a integral da soma é a soma das integrais: 𝑄 − �̇�𝑒𝑖𝑥𝑜 − ∫ 𝑃 𝜌 𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ (𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝜌𝑑∀ ∀ + ∫ (𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 𝑄 − �̇�𝑒𝑖𝑥𝑜 = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ (𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝜌𝑑∀ ∀ + ∫ 𝑃 𝜌 𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 + ∫ (𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 𝑄 − �̇�𝑒𝑖𝑥𝑜 = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ (𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝜌𝑑∀ ∀ + ∫ ( 𝑃 𝜌 + 𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝜌�⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝐴 Ou: 𝑄 − �̇�𝑒𝑖𝑥𝑜 = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ (𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝜌𝑑∀ ∀ + ∑ �̇� ( 𝑃 𝜌 + 𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝑠𝑎𝑖 − ∑ �̇� ( 𝑃 𝜌 + 𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 Ou, ainda: 𝑄 − �̇�𝑒𝑖𝑥𝑜 = 𝑑 𝑑𝑡 ∫ (𝑢 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝜌𝑑∀ ∀ + ∑ �̇� (ℎ + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝑠𝑎𝑖 − ∑ �̇� (ℎ + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 Onde h é a entalpia do fluido. Agora, podemos analisar os casos especiais, ou as considerações comuns: - Regime permanente, sem transferência de calor e incompressível: �̇� ( 𝑃 𝜌 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 1 + �̇�𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 = �̇� ( 𝑃 𝜌 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 2 + �̇�𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 + �̇�𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 Lembrando que �̇�𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑜𝑠 = �̇�𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠. - Regime permanente, sem atrito, sem transferência de calor e incompressível: ( 𝑃 𝜌 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 1 = ( 𝑃 𝜌 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 2 Essa equação é chamada equação de Bernoulli. Ela faz um balanço de energia mecânica para um fluido, e os termos significam as energias de pressão, cinética e potencial. 25 Exemplo 1: Medindo perdas por atrito numa bomba. A bomba de um sistema de distribuição de água é alimentada por um motor elétrico que consome 15 kW cuja eficiência do é de 90%. A vazão de água através da bomba é de 50L/s. Os diâmetros dos tubos de entrada e de saída são os mesmos, e a diferença de elevação entre a bomba é negligenciável. Se as pressões na entrada e na saída da bomba medem 100 kPa e 300 kPa (absoluta), respectivamente, determinar (a) a eficiência mecânica da bomba e (b) o aumento da temperatura da água que flui através da bomba devido à ineficiência mecânica (Fox; Pritchard; McDonald, 2014). Figura 14 Lembre-se que apesar do volume de controle englobar o motor, a água só passa no interior da tubulação. Considerações:- Regime permanente; - Velocidade uniforme. Solução: a) �̇� = 𝜌𝑄 = 1𝑘𝑔 𝐿 ∙ 50𝐿 𝑠 = 50 𝑘𝑔 𝑠 O trabalho do motor transferido para o fluido é: �̇�𝑒𝑖𝑥𝑜 = 𝜂 ∙ �̇�𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 0,9 ∙ 15𝑘 = 13,5𝑘𝑊 Onde η é o rendimento do motor. 26 Fazendo um balanço de energia, a variação de energia mecânica no sistema é: Δ𝐸𝑚𝑒𝑐 = �̇� ( 𝑃 𝜌 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝑠𝑎𝑖 − �̇� ( 𝑃 𝜌 + 𝑉2 2 + 𝑔𝑧) 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 Como os diâmetros dos tubos de entrada e de saída são os mesmos, as velocidades de entrada e saída são as mesmas. Da mesma forma, o enunciado nos disse que a diferença de elevação entre a bomba é negligenciável, ou seja, zsai=zentra. Dessa forma, a equação se torna: Δ𝐸𝑚𝑒𝑐 = �̇� ( 𝑃2 − 𝑃1 𝜌 ) = 50 ( 300 − 100 1000 ) = 10𝑘𝑊 Assim, para o rendimento: 𝜂𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 = 10𝑘𝑊 13,5𝑘𝑊 = 0,741 = 74,1% b) Para o aumento de temperatura, usa-se a seguinte forma da primeira lei da termodinâmica: Δ𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎 = �̇�𝑐𝑝Δ𝑇 Ou, a variação de temperatura é: Δ𝑇 = Δ𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎 �̇�𝑐𝑝 O termo Δ𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎é a diferença entre o que a bomba consumiu e o que ela de fato produziu, ou seja, 13,5kW-10kW. Assim, considerando cp=4,18kJ/kg (calor específico a pressão constante) para a água: Δ𝑇 = 3,5 50 ∙ 4,18 = 0,017°𝐶 Numa aplicação prática, a água teria um aumento de temperatura ainda menor, pois parte desse aumento seria transmitido para a carcaça da bomba e, por sua vez, liberado para a atmosfera. Por outro lado, se a bomba fosse submersa, a temperatura aumentaria mais ainda, pois o 1,5kW dissipado na ineficiência do motor também seria transmitido para a água. 27 SÍNTESE Caro aluno, cara aluna, Parabéns pelo seu esforço até o momento. Já estamos na metade da disciplina e já aprendemos muita coisa. Na aula de hoje, estudamos as conservações na forma integral, ou seja, sem nos importarmos com os detalhes do escoamento, e, sim, com o efeito que o escoamento tem em tudo o que o circunda. Mais uma vez, eu reforço: para o correto aprendizado, você deve praticar. Assim, não esqueça de estudar os capítulos e fazer bastantes exercícios. REFERÊNCIAS FOX, R. W; PRITCHARD, P.; MCDONALD, T. Introdução à mecânica dos fluidos. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006.
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