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1 MÓDULO 1 – Regime de Escoamento e Número de Reynolds A cinemática dos fluidos estuda o escoamento ou movimento dos fluidos sem considerar suas causas. Os escoamentos podem ser classificados de diversas formas, ou tipos ou os chamados regimes: Classificação Quanto a Variação no Tempo a) Escoamento Permanente - Tem-se um escoamento permanente quando as condições em qualquer ponto do fluido não variam com o tempo. Note-se que tais propriedades podem variar de um ponto para outro ponto da massa fluida, mas permanecem invariáveis no ponto considerado com o tempo. b) Escoamento Variado ou não-permanente ou transitório - É aquele em que as condições do fluido variam em qualquer ponto, ou em regiões de pontos, com o tempo. Um exemplo é mostrado na Figura 1.1 Figura 1.1 – Demonstração do regime de escoamento quanto ao tempo se o nível for constante: permanente se deixarmos de alimentar o tanque ou não mantivermos o nível: variado Escoamento uniforme e não-uniforme Escoamento uniforme - É aquele para o qual as propriedades do fluido em certo trecho não variam. Escoamento não-uniforme -É aquele em que as propriedades do fluido variam em um certo trecho. Assim um líquido escoando por um conduto longo com vazão constante tem escoamento permanente e uniforme; um líquido escoando por um conduto com 2 vazão decrescente tem escoamento variado e uniforme; o escoamento por um conduto de seção crescente, com vazão constante é permanente e não-uniforme; e o escoamento por um conduto de seção crescente, com vazão crescente é variado e não-uniforme. Classificação Quanto à Trajetória Quanto a classificação da trajetória o escoamento pode ser classificado como laminar, transição ou turbulento. O escoamento laminar é aquele no qual as partículas fluidas percorrem trajetórias paralelas, sem agitações transversais. As partículas se movem ao longo de trajetórias suaves, em lâminas ou camadas, cada uma delas deslizando suavemente (baixas velocidades) sobre a adjacente, sem troca de massa entre essas camadas (não há troca macroscópica de partículas). No escoamento laminar a equação de Bernoulli nos diz que nas regiões em que a velocidade é maior a pressão é menor. Se as linhas de fluxo são comprimidas em uma região, a pressão é menor naquela região. (Em gases a equação de Bernoulli pode ser aplicada a um escoamento laminar se o fluxo de velocidade for muito menor do que a velocidade do som no gás. No ar podemos aplicá-la se a velocidade for menor do que 300 km/h.). Se um fluido com escoamento laminar flui em torno de um obstáculo, ele exerce uma força de arraste sobre o obstáculo. As forças de fricção aceleram o fluido para trás (contra a direção do escoamento) e o obstáculo para frente (na direção do fluido). O escoamento turbulento é aquele no qual as partículas fluidas apresentam entre si um movimento caótico (irregular) macroscopicamente (altas velocidades). As trajetórias são irregulares, causando transferência de quantidade de movimento de uma porção do fluido para outra. A comprovação científica real do regime de escoamento dos fluidos foi extremamente importante para a evolução dos conceitos de transporte dos fluidos e ela foi projetada por Osborne Reynolds, engenheiro britânico (década de 1880) que utilizou de um aparato semelhante ao da Figura 1.2 em uma experiência realizada com o objetivo de estudar a relação entre as forças que agem num escoamento de fluidos, que são: forças de inércia (movimento da massa fluida) e de viscosidade (ação das tensões de cisalhamento). 3 O aparato funciona da seguinte forma, a válvula R controla a vazão de água na tubulação. Um corante apropriado (que não influencia na densidade da água) é inserido lentamente na corrente fluida, fazendo-se com que o conjunto de partículas fluidas que passam pela agulha injetora do corante se tornem visíveis, fornecendo- se uma ideia mais clara da trajetória das mesmas. Figura 1.2 – Aparato similar ao utilizado pelo Engenheiro Osborne Reynolds para caracterizar o regime de escoamento (Bistafa, S.R. Mecânica dos Fluidos, Ed. Edgard Blucher) Reynolds observou que em velocidades baixas, o filete visível de partículas fluidas formava um único filamento ao longo do tubo, característica de escoamento laminar (Figura 1.3a) (filetes formando “lâminas” paralelas). À medida que a velocidade aumentava, o filete tornava-se mais ondulado, até quase desaparecer no meio da corrente fluida. Neste caso, as partículas fluidas formam pequenos “turbilhões” (vórtices) ao longo da tubulação, fazendo-se com que sua trajetória se torne caótica (indefinida), característica de escoamento turbulento (Figura 1.3b). (a) 4 (b) Figura 1.3 – Imagem representativa do regime de escoamento: (a) laminar, (b) turbulento Ao relacionar as forças que agem no escoamento (inércia e de viscosidade), Reynolds deduziu um parâmetro adimensional (sem unidade) dado pela equação (1), a qual é mundialmente conhecido como Número de Reynolds (Re) no qual é massa específica do fluido, v é velocidade média do escoamento, L é dimensão característica da superfície de controle, que pode ser um comprimento (placa) ou dum diâmetro (tubos) e, é viscosidade dinâmica do fluido escoante. vL Re (1) Considerando os conceitos aprendidos anteriormente sobre as propriedades dos fluidos, sabemos que: (2) = viscosidade cinemática do fluido escoante O número de Reynolds pode ser reescrito como mostra a equação (3) vL Re (3) Considerando o fato de a dimensão característica L depender da superfície de controle utilizada como parâmetro de estudo. No caso de tubos circulares, L torna-se o diâmetro D da tubulação. No caso de tubos quadrados ou retangulares, L torna-se a diagonal da seção do tubo. Como a maioria dos estudos será feito em tubos circulares, pode-se, então, escrever o Número de Reynolds como mostra a equação (4). 5 vD Re ou vD Re (4) A partir dos resultados experimentais Reynolds concluiu que independentemente dos parâmetros do escoamento (velocidade, massa específica, diâmetro, viscosidade), desde que relacionados pela equação acima, o escoamento poderia ser classificado conforme a faixa do Número de Reynolds ao qual está inserido: Re < 2300 escoamento laminar. 2300 < Re < 4000 zona de transição (1) Re > 4000 escoamento turbulento Re > 106 escoamento é estritamente turbulento O Número de Reynolds não tem como função apenas a de classificar o escoamento. Pode-se afirmar com certeza que praticamente tudo o que está relacionado com escoamento tem seu estudo em função de Re desde a calibração de instrumentos até o estudo de modelos reduzidos de barragens, eclusas, comportas e, juntamente com os Números de Froude e de Mach, por exemplo, em estudos de modelos reduzidos de aviões, automóveis. EXEMPLOS 1 - Calcule o número de Reynolds e identifique se o escoamento é laminar ou turbulento. O fluido que escoa por uma tubulação com diâmetro de 4cm é água a velocidade de 0,05m/s. Dado: =1,003×10-3Ns/m2 Resolução: Laminar) o(Escoament 1994 10003,1 04,005,01000 Re 2 3 3 m Ns m s m m kg vD (1) Nesta faixa, nada se pode afirmar sobre o escoamento. Portanto, os sistemas de controle de vazãodevem ser ajustados para nunca entrarem nesta faixa. 6 2 - Água escoa por uma tubulação com diâmetro de 152mm a velocidade de 1,83m/s. Considerando a viscosidade cinemática () no valor de 1,02×10-6Ns/m2, classifique o regime de escoamento. Resolução: Para classificar o regime de escoamento é necessário determinar o número de Reynolds. )Turbulento o(Escoament 107,2 1002,1 52,183,1 υ vD e 5 2 6 s m m s m R
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