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Hidrodinâmica Escoamentos Escoamento Definição: Processo de movimentação das moléculas de um fluido, umas em relação às outras e aos limites impostos. O que é escoamento? O movimento da água num rio, a fumaça de uma chaminé, os ventos, são escoamentos de fluidos. O escoamento de um fluido real tem um comportamento muito complexo; assim, faremos quatro hipóteses simplificadoras, as quais definem um fluido ideal. Sob certas condições, o comportamento de um fluido real é muito próximo do ideal. As quatro hipóteses são: Escoamento não viscoso A viscosidade é uma espécie de atrito interno ao fluido; há uma resistência ao deslizamento de uma parte do fluido sobre a outra, que provoca perda de energia mecânica, a qual é transformada em térmica. Consideremos, por exemplo, um copo cheio de água e outro cheio de leite condensado. Se virarmos os dois copos, de modo a derramarmos seus conteúdos, verificamos que a água derrama-se com mais facilidade; o leite condensado escoa mais lentamente, com mais dificuldade. Isso acontece porque o leite condensado é mais viscoso do que a água. Em certos casos a viscosidade é desejável, como nos óleos lubrificantes. O fluido ideal tem viscosidade nula. Escoamento Incompressível O escoamento é dito incompressível quando a densidade do fluido não varia ao longo do percurso e também não varia em relação ao tempo. Com os líquidos, que são pouco compressíveis, isso é fácil de conseguir, mas os gases é mais difícil, pois eles são facilmente compressíveis. Porém, a uma série de situações em que a variação de densidade é pequena e pode ser desprezada. Escoamento Irrotacional e Estacionário Irrotacional : O escoamento é irrotacional quando nenhuma porção do fluido efetua movimento de rotação em torno do seu centro de massa. Estacionário : A velocidade do fluido em qualquer ponto fixo não muda com o tempo. Neste tipo de escoamento a velocidade de um elemento de volume do fluido pode variar enquanto ele muda de posição, mas a velocidade do fluido em cada ponto do espaço permanece constante ao longo do tempo. Classificação do Escoamento quanto à direção da trajetória – Experimento de Reynolds Escoamento Laminar: As partículas descrevem trajetórias paralelas. Escoamento Turbulento: As trajetórias são errantes e cuja previsão é impossível; Escoamento de Transição: Representa a passagem do escoamento laminar para o turbulento ou vice-versa. Experimento de Reynolds Consiste na injeção de um corante líquido na posição central de um escoamento de água interno a um tubo circular de vidro transparente O comportamento do filete do corante ao longo do escoamento no tubo define três características distintas Experimento de Reynolds Experimento de Reynolds 1. Regime Laminar: O corante não se mistura com o fluido, permanecendo na forma de um filete no centro do tubo; O escoamento processa-se sem provocar mistura transversal entre escoamento e o filete, observável de forma macroscópica; Como “não há mistura”, o escoamento aparenta ocorrer como se lâminas de fluido deslizassem umas sobre as outras; Experimento de Reynolds 2. Regime de transição: O filete apresenta alguma mistura com o fluido, deixando de ser retilíneo sofrendo ondulações; Essa situação ocorre para uma pequena gama de velocidades e liga o regime laminar a outra forma mais caótica de escoamento; Foi considerado um estágio intermediário entre o regime laminar e o turbulento; Experimento de Reynolds 3. Regime turbulento: O filete apresenta uma mistura transversal intensa, com dissipação rápida; São perceptíveis movimentos aleatórios no interior da massa fluida que provocam o deslocamento de moléculas entre as diferentes camadas do fluido (perceptíveis macroscopicamente); Há mistura intensa e movimentação desordenada; Experimento de Reynolds Experimento de Reynolds Número de Reynolds (Re) Para escoamentos em dutos cilíndricos circulares, Reynolds determinou que há uma relação entre o diâmetro (D), a velocidade média (V) e a viscosidade cinemática (v) O parâmetro estabelecido pela relação entre estas três grandezas é o NÚMERO DE REYNOLDS (Re): asvisforças inérciadeforçasVD cos Re Experimento de Reynolds Número de Reynolds (Re) - Laminar - de Transição - Turbulento 2000Re 2400Re2000 2400Re Métodos para o estudo da cinemática dos fluidos Método de Lagrange Método de Euler Método de Lagrange • Descreve o movimento de cada partícula acompanhando-a em sua trajetória real; • Apresenta grande dificuldade nas aplicações práticas; • Para a engenharia normalmente não interessa o comportamento individual da partícula e sim o comportamento do conjunto de partículas no processo de escoamento. Método de Euler • Consiste em adotar um intervalo de tempo, escolher uma seção ou volume de controle no espaço e considerar todas as partículas que passem por este local; • Método preferencial para estudar o movimento dos fluidos: praticidade. • Volume de controle é uma região arbitrária e imaginária, no espaço, através do qual o fluido escoa. Volume de Controle • Vazão em Volume Vazão é a quantidade em volume de fluido que atravessa uma dada seção do escoamento por unidade de tempo. Conceitos Básicos de Vazão • Vazão em Massa Vazão em massa é a quantidade em massa do fluido que atravessa uma dada seção do escoamento por unidade de tempo. . Conceitos Básicos de Vazão • Vazão em Peso Vazão em peso é a quantidade de peso do fluido que atravessa uma dada seção do escoamento por unidade de tempo. . Conceitos Básicos de Vazão • Condutos Forçados: São aqueles onde o fluido apresenta um contato total com suas paredes internas. A figura mostra um dos exemplos mais comuns de conduto forçado, que é o de seção transversal circular. Classificação básica dos condutos • Condutos Livres São aqueles onde o fluido apresenta um contato apenas parcial com suas paredes internas; Neste tipo de conduto observa-se sempre uma superfície livre, onde o fluido está em contato com o ar atmosférico; Os condutos livres são geralmente denominados de canais, os quais podem ser abertos ou fechados. Classificação básica dos condutos • Condutos Livres Classificação básica dos condutos Equação da Continuidade • É a equação que mostra a conservação da massa de líquido no conduto, ao longo de todo o escoamento; • Pela condição de escoamento em regime permanente, podemos afirmar que entre as seções (1) e (2), não ocorre nem acúmulo, nem falta de massa: m1 = m2 = m = cte Equação da Continuidade ρ = Δm/V Δm=ρ.V V = A.Δl Q= Δm/Δt = ρ.V/ Δt = ρ. A.Δl /Δt = ρ.A.v Equação da Continuidade Dadas duas seções do escoamento: Equação da Continuidade ρAv = constante Se ρ é constante (não há variação de massa): A1V1= A2V2 Equação da Continuidade Q = A1 v1 = A2 v2 = constante A equação da continuidade estabelece que: • o volume total de um fluido incompressível (fluido que mantém constante a densidade apesar das variações na pressão e na temperatura) que entra em um tubo será igual aquele que está saindo do tubo; • a vazão medida num ponto ao longo do tubo será igual a vazão num outro ponto ao longo do tubo, apesar da área da seção transversal do tubo em cada ponto ser diferente. Equação da Continuidade Isto equivale a dizer que: • No escoamento de fluidos incompressíveis em regime permanente, a vazão em volume, ou simplesmente a vazão, que passa através de qualquer seção do tubo de corrente é constante. •De forma genérica: Q = A1 v1 = A2 v2 = constanteQ=AU, onde: U=velocidade média Equação de Bernoulli Hipóteses: a) Regime permanente b) Sem máquina no trecho do escoamento em estudo. Entenda-se por máquina qualquer dispositivo que forneça ou retire energia do fluído. c) Sem perdas por atrito no escoamento do fluído d) Propriedades uniformes nas seções e) Fluído incompressível f) Sem trocas de calor Analisar a variação de energia em cada secção Para Secção 1: Para Secção 2: Pelas Hipóteses b, c e f: não se fornece e nem retira energia do fluído, logo: Como o fluído é incompressível ρ1 = e o ρ2 e o regime é permanente dm1 = dm2, logo: Equação de Bernoulli, que permite relacionar cotas, velocidades e pressões entre duas seções do escoamento do fluído. 01) Água escoa em regime permanente no Venturi da figura. No trecho considerado, supõem-se as perdas por atrito desprezíveis e as propriedades uniformes nas seções. A área (1) é 20cm2, enquanto a da garganta (2) é de 10cm2. Um monômetro cujo fluído manométrico é o mercúrio (γHg = 136.000 N/m3) é ligado entre as seções (1) e (2) e indica o desnível mostrado na figura. Pede-se a vazão da água que escoa pelo Venturi (γH2O = 10.000N/m3) Resolução: As hipóteses impostas pelo problema o enquadram perfeitamente no uso da Equação de Bernoulli, logo: Os centros geométricos das seções (1) e (2) têm a mesma cota z, qualquer que seja o PHR adotado, Logo: A relação p1 – p2, pode ser determinada pelo manômetro instalado. Vale lembrar que a Adotando-se g=10m/s2 Pela Equação da continuidade: Presença de máquinas Potência e Rendimento Potência do fluído: VazãoCarga Calcular a potência do jato de um fluído descarregado no ambiente por um bocal. Dados vj= velocidade do jato; Aj= área do jato; γ= peso específico do fluído. Rendimento O rendimento de uma bomba é definido como a potência recebida pelo fluído e a fornecida pelo eixo. Na transmissão de potência, sempre existem perdas e, portanto a potência recebida ou cedida pelo fluído não coincide com a potência da máquina, que é definida como sendo a potência no seu eixo. Turbina: nesse caso o fluxo de energia é do fluído para a turbina e, portanto NT<N. Unidades Exercício O reservatório de grandes dimensões da figura fornece água para o tanque indicado com uma vazão de 10L/s. Verificar se a máquina instalada é bomba ou turbina e determinar sua potência, se o rendimento é 75%. Supor fluído ideal.
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