Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
1 Profº Fernando Lima fernandolima@cct.uema.br Mecânica dos Fluidos Conceitos Introdutórios Universidade Estadual do Maranhão – UEMA Centro de Ciências Tecnológicas – CCT Departamento de Hidráulica e Saneamento Curso: Engenharia Civil Uema 2018 Até o início do século o estudo dos fluidos foi efetuado essencialmente por dois grupos – Hidráulicos e Matemáticos; Os Hidráulicos trabalhavam de forma empírica, enquanto os Matemáticos se concentravam na forma analítica; Posteriormente tornou-se claro para pesquisadores eminentes que o estudo dos fluidos deve consistir em uma combinação da teoria e da experiência; Introdução Histórica Personagens históricas da Mecânica dos Fluidos Por que estudar Mecânica dos Fluidos? O projeto de todos os meios de transporte requer a aplicação dos princípios de Mecânica dos Fluidos. Exemplos: as asas de aviões para vôos subsônicos e supersônicos máquinas de grande efeito aerobarcos pistas inclinadas e verticais para decolagem cascos de barcos e navios projetos de submarinos e automóveis Por que estudar Mecânica dos Fluidos? O desastre da ponte sobre o estreito de Tacoma (1940) evidencia as possíveis conseqüências que ocorrem, quando os princípios básicos da Mecânica dos Fluidos são negligenciados; A ponte suspensa apenas 4 meses depois de ter sido aberta ao tráfego, foi destruída durante um vendaval; Inicialmente, sob a ação do vento, o vão central pôs-se a vibrar no sentido vertical, passando depois a vibrar torcionalmente, com as torções ocorrendo em sentido oposto nas duas metades do vão. Uma hora depois, o vão central se despedaçava. Por que estudar Mecânica dos Fluidos? O sistema de circulação do sangue no corpo humano é essencialmente um sistema de transporte de fluido e como conseqüência o projeto de corações e pulmões artificiais são baseados nos princípios da Mecânica dos Fluidos; O posicionamento da vela de um barco para obter maior rendimento com o vento; A forma e superfície da bola de golfe para um melhor desempenho são ditados pelos mesmos princípios. Por que estudar Mecânica dos Fluidos? Conceitos e Definições Básicas Conceitos e Definições Básicas Conceitos e Definições Básicas Conceitos e Definições Básicas Conceitos e Definições Básicas Conceitos e Definições Básicas Conceitos e Definições Básicas 15 Conceitos e Definições Básicas 16 Conceitos e Definições Básicas 17 Conceitos e Definições Básicas 18 Conceitos e Definições Básicas Conceitos e Definições Básicas Nos problemas mais importantes, tais como: Produção de energia Produção e conservação de alimentos Obtenção de água potável Poluição Processamento de minérios Desenvolvimento industrial Aplicações da Engenharia à Medicina Sempre aparecem cálculos de: Perda de carga Forças de arraste Trocas de calor Troca de substâncias entre fases Outras importâncias do estudo da Mecânica dos Fluidos Importância da Mecânica dos Fluidos nas Engenharias Engenharia Civil e Arquitetura Constitui a base do estudo de hidráulica e hidrologia e tem aplicações no conforto térmico em edificações e em construções diversas. Tunéis https://www.youtube.com/watch?v=7NobGnlDh4k http://www.youtube.com/watch?v=9-E4JkeLGds Cidades Flutuantes: Nova Orleans http://www.youtube.com/watch?v=f6SnJlVLvlQ Importância da Mecânica dos Fluidos no Ramo da Construção Civil Viaduto Millau http://www.youtube.com/watch?v=9YK3TjFqe8U Prédios Importância da Mecânica dos Fluidos no Ramo da Construção Civil Barragem de Itaipú http://www.youtube.com/watch?v=t868kON5lYA Aeroporto Heathrow, Londres http://www.youtube.com/watch?v=QQuYpwZQ8zE Importância da Mecânica dos Fluidos no Ramo da Construção Civil Projetos de irrigação Sistemas de distribuição e localização de usinas Eólicas Construção de Canais Projetos de córregos em estradas Importância da Mecânica dos Fluidos no Ramo da Construção Civil Relação da disciplina Mecânica dos Fluidos com disciplinas afins Disciplina: Hidráulica Ementa: • Escoamento em Condutos Forçados • Sistema de Bombeamento • Escoamento em Canais (condutos livres) • Teoria de Energia Específica em Canais (regime fluvial e torrencial) • Escoamento não Uniforme em Canais (ressalto hidráulico e curva de remanso) Disciplina: Hidrologia Ementa: Introdução e Características das Bacias Hidrográficas Precipitação Infiltração e Escoamento Subterrâneo Evaporação e Evapotranspiração Escoamento Superficial Previsão de Enchentes Medições de Vazões Disciplina: Sistema de Abastecimento de Água Ementa: Noções Gerais Sobre Saneamento Básico e Saúde Desenvolvimento dos sistemas de Abastecimento de Água Consumo de Água e Captação de Águas Noções de Hidrologia Captação de Água Superficiais e Subterrâneas Estações Elevatórias de Água / Reservatórios de distribuição Redes de Distribuição de Água Operação, Manutenção e Medição dos Sistemas de Abastecimento Disciplina: Instalações Hidráulicas e Sanitárias Ementa: Instalações Prediais de Água Fria Instalações Prediais de Esgoto Sanitário Instalações Prediais de Água quente Instalações Prediais de Águas Pluviais Instalações Prediais de Proteção Contra Incêndio Instalações Prediais de Gás Combustível Relação da disciplina Mecânica dos Fluidos com disciplinas afins Disciplina: Controle Ambiental Ementa: Princípios do Controle de Poluição Ambiental Sistema de Tratamento de Esgotos Sanitários Sistema de Tratamento de Efluentes e Resíduos Industriais Gerenciamento de Resíduos Sólidos Urbanos Gestão Ambiental nas Empresas Relação da disciplina Mecânica dos Fluidos com disciplinas afins Importância da Mecânica dos Fluidos nas Engenharias Engenharias Sanitária e Ambiental Estudos da difusão de poluentes no ar, na água e no solo, etc. Engenharia Elétrica e Eletrônica Importante nos cálculos de dissipação de potência, seja nas máquinas produtoras ou transformadoras de energia elétrica, seja na otimização do gasto de energia nos computadores e dispositivos de comunicação. Engenharia Mecânica Processos de usinagem, processos de tratamento térmico, cálculo de máquinas hidráulicas, transferência de calor das máquinas térmicas e frigoríficas, etc. Sistemas de Dimensões São quantidades físicas mensuráveis. Elas podem ser divididas em dois grupos: dimensões primárias e secundárias. São aquelas dimensões expressas em termos das dimensões primárias. Dimensões Primárias: • MASSA [M]; • COMPRIMENTO [L]; • TEMPO [T]; e • TEMPERATURA [θ] Dimensões Secundárias: • Velocidade [V], • Área [A]; • Massa específica [ρ]; etc. Conceitos e Definições Básicas Dimensões e Unidades Dimensões Primárias: Dimensões Secundárias: Sistemas de Unidades Quantitativamente, é o aspecto que fornece a medida numérica para as todas as dimensões. Símbolo Unidades Massa [M] [kg] Comprimento [L] [m] Tempo [T] [s] Temperatura [θ] [K] • Velocidade [V], [m/s] • Área [A] [L²] • Massa específica [ρ] [m³/Kg] Conceitos e Definições Básicas Diversos Sistemasde Unidades Sistema Britânico Gravitacional • COMPRIMENTO : pé [ft]; • TEMPO: segundo [s]; • FORÇA: libra força [lbf] Sistema Internacional (SI) • COMPRIMENTO : metro [m]; • TEMPO: segundo [s]; • FORÇA: Newton [N] Sistema Inglês Britânico, etc. Conceitos e Definições Básicas Sistemas Básicos de Dimensões Resolução de problemas da Mecânica dos Fluidos: apenas três dimensões básicas O comprimento [L] e o tempo [T] são dimensões primárias para todos os sistemas dimensionais. O terceiro termo pode ser: Massa [M] ou a Força [F]. Dimensionais básicos que especificam de modos diferentes as dimensões básicas: a) Massa, M; comprimento, L; tempo, T; temperatura, θ; b) Força, F; comprimento, L; tempo, T; temperatura, θ; c) Força, F; massa, M; comprimento, L; tempo, T; temperatura, θ. Conceitos e Definições Básicas Sistemas Básicos de Dimensões Pela equação da 2ª Lei de Newton a força F é considerada também uma dimensão primária, pois estabelece que: F = ma As dimensões secundárias podem ser expressas em função da M ou da F, ou seja, em termos de: FLT ou MLT Em termos qualitativo pode ser expresso por: F = M L T-2 ou M = F L-1 T² a) ACELERAÇÃO [m/s²]: (FLT = LT-2); (MLT = LT-2) b) TRABALHO [N.m]: (FLT = FL); (MLT = ML2T-2) Conceitos e Definições Básicas 35 Grandeza Símbolo Dimensão Geometria Área A L2 Volume V L3 Cinemática Velocidade U LT-1 Velocidade Angular ω T-1 Vazão Q L3T-1 Fluxo de massa m MT-1 Dinâmica Força F MLT-2 Torque T ML2T-2 Energia E ML2T-2 Pressão p ML-1T-2 Propriedades dos Fluidos Densidade ρ ML-3 Viscosidade µ ML-1T-1 Viscosidade Cinemática v L2T-1 Tensão superficial σ MT-2 Condutividade Térmica k MLT-3θ Dimensões de Grandezas Derivadas Conceitos e Definições Básicas 36 Propriedades dos Fluidos Conceitos e Definições Básicas Massa Específica (ρ ) É a quantidade de massa de fluido por unidade de volume. Volume Específico (v) [m³/kg] É o volume ocupado por unidade de massa. É igual ao inverso da massa específica e tem particular importância no estudo de escoamento de fluidos compressíveis. V m volume massa (kg/m3) 1 ³ 1000 líquidos Para º42 r m kg d COHpadrão padrão Densidade (d) ou gravidade específica Propriedades dos Fluidos Conceitos e Definições Básicas ³ 9810 líquidos Para º42 r m N COHpadrão padrão V P volume peso g V gm V P PESO ESPECÍFICO: força de atração gravitacional agindo sobre a matéria na unidade de volume. PESO ESPECÍFICO PADRÃO Propriedades dos Fluidos Conceitos e Definições Básicas ²/ 81,9 : smgonde 39 Propriedades dos Fluidos Conceitos e Definições Básicas Viscosidade Absoluta ou Dinâmica (μ ) [N.s/m²] É a medida da resistência ao escoamento do fluido, ou seja, a razão entre a tensão de cisalhamento (ou força de coesão entre as camadas adjacentes de fluidos) e a razão de mudança da velocidade perpendicular a direção do escoamento. Cinemática (Ʋ) [m²/s] É a razão da viscosidade absoluta pela massa específica do fluido. [m²/s] Obs.: A viscosidade dos fluidos depende fortemente de temperatura. 40 Propriedades dos Fluidos Conceitos e Definições Básicas Pressão (P) [N/m2] É definida como a razão entre a componente normal de uma força e a área sobre a qual ela atua. A pressão exercida em um elemento de área de um fluido é igual em todas as direções. Para que ocorra o escoamento de um fluido de um ponto até o outro é necessário que haja uma diferença de pressão. Podem ser do tipo: Pressão Absoluta (Pabs): medida com relação a pressão zero absoluto. Pressão Manométrica (Pman): medida com relação a pressão atmosférica local. Pressão Atmosférica Padrão (Patm): é a pressão média ao nível do mar. Obs: Relação de Pressões: Pabs = Pman + Patm 41 Propriedades dos Fluidos Conceitos e Definições Básicas Lei dos Gases Perfeitos Em certas condições a massa específica de um gás está relacionada com a pressão e temperatura através da equação abaixo RTp Onde P é a pressão absoluta, é a massa específica, T e a temperatura (K) e R é a constante particular do gás. Pabs = Pman + Patm Ou seja, geralmente, quando se trabalha com gás a pressão considerada será sempre a Pressão absoluta. Atmosfera Padrão Para expressar a pressão de um fluído podemos utilizar duas escalas: Pressão manométrica: pressão em relação à pressão atmosférica Pressão absoluta: pressão em relação ao vácuo absoluto Para expressar a pressão de um fluído podemos utilizar duas escalas: Pressão manométrica: pressão em relação à pressão atmosférica Pressão absoluta: pressão em relação ao vácuo absoluto Atmosfera Padrão Para expressar a pressão de um fluído podemos utilizar duas escalas: Pressão manométrica: pressão em relação à pressão atmosférica Pressão absoluta: pressão em relação ao vácuo absoluto Pressão Absoluta = Prelativa + Patm Atmosfera Padrão Medida da Pressão Atmosférica A medição de pressão atmosférica é feita com um Barômetro de Mercúrio. Medida da Pressão Atmosférica Medida da Pressão Atmosférica Medida da Pressão Atmosférica Temperatura (T) [ºC] Pode ser definida, a grosso modo, como a propriedade que mede o grau de aquecimento ou resfriamento de um sistema. A temperatura aponta o sentido de transferência de energia na forma de calor, que flui dos corpos de alta temperatura para os de baixa temperatura. Propriedades dos Fluidos Conceitos e Definições Básicas 54 Propriedades dos Fluidos Conceitos e Definições Básicas 55 Definição de Fluidos A diferença fundamental entre sólido e fluido está relacionada com a estrutura molecular: Sólido: as moléculas sofrem forte força de atração (estão muito próximas umas das outras) e é isto que garante que o sólido tem um formato próprio; Fluido: apresenta as moléculas com um certo grau de liberdade de movimento (força de atração pequena) e não apresentam um formato próprio. Quais as diferenças fundamentais entre fluido e sólido? 57 Definição de Fluidos Fluido é uma substância que não tem forma própria, e que, se estiver em repouso, não resiste a tensões de cisalhamento Fluidos é uma substância que se deforma continuamente sob a aplicação de uma tensão de cisalhamento(tangencial), não importando quão pequena ela possa ser. Conceitos e Definições Básicas 58 Os fluidos podem ser classificados como: Líquidos: • admitem superfície livre; • são incompressíveis; • não se dilatam. Gases: Pressão (p) • não admitem superfície livre; • compressíveis; • dilatáveis. Conceitos e Definições Básicas Definição de Fluidos 59 MECÂNICA DOS FLUIDOS NÃO-VISCOSO VISCOSO COMPRESSÍVEL INCOMPRESSÍVEL LAMINAR TURBULENTO INCOMPRESSÍVEL COMPRESSÍVEL Classificação Geral dos Tipos de Escoamento60 Forças de Superfície. São as que atuam nas fronteiras de um meio via contato direto • Forças de pressão (P); • Forças da tensão de cisalhamento (τ) e as tensões normais (σ) Forças Atuantes sobre os fluidos Forças de Campo. São que ocorrem sem contato físico e distribuídos em todo volume. Ex: Força gravitacional As tensões são provocadas pelo atrito entre o fluido viscoso e as fronteiras do meio que o cerca. Conceitos e Definições Básicas 61 Tensão normal Tensão cisalhante As tensões estão associadas ao vetor dA que passa por P, com normal exterior no sentido n. │dA│ P dFn, dFt n dF t As tensões descrevem o modo pela qual as forças atuantes nas fronteiras do meio são transmitidas através dele. Forças Atuantes sobre os fluidos Conceitos e Definições Básicas 62 Conceito de viscosidade A viscosidade é uma força volumétrica de atrito interno que aparece no deslizamento de camadas fluindo umas sobre as outras, dando origem a tensões tangenciais de cisalhamento. Neste caso, o atrito interno impede ou oferece uma resistência ao escorregamento das partículas, umas sobre as outras. Se usarmos dois fluidos, água e óleo, com a mesma massa, pode-se observar: a água possui maior fluidez por ser menos viscoso. Portanto, terá uma menor resistência à deformação Estudo da Viscosidade 63 O fluido não resiste a esforços tangenciais por menores que estes sejam, o que implica que se deformam continuamente. F Estudo da Viscosidade Conceito de viscosidade 64 contatoAF Onde é a tensão de cisalhamento v v = constante V = 0 t t t F Determinação das Forças e viscosidade dy dv “A tensão de cisalhamento é diretamente proporcional ao gradiente de velocidade.” y Estudo da Viscosidade Determinação da viscosidade Determinação da viscosidade Estudo da Viscosidade Fonte: www.youtube.com/watch?v=PI-Wf9UxH8A 66 Observações experimentais: A) O fluido deforma-se continuamente sob a ação de dFx = cte, com du = cte. B) A τyx aplicada ao fluido é: τyx = dFx/ dAy C) A taxa de deformação do fluido é: dα/ dt D) Da cinemática: dl = du dt E) Da geometria: du dt = dα dy (Taxa de deformação ao cisalhamento) Determinação da viscosidade Estudo da Viscosidade 67 contatoAF dy dv ατ “A tensão de cisalhamento é diretamente proporcional ao gradiente de velocidade.” A constante de proporcionalidade da lei de Newton da viscosidade é a viscosidade dinâmica, ou simplesmente viscosidade - dy dv Estudo da Viscosidade Determinação da viscosidade 68 Viscosidade Dinâmica e viscosidade cinemática Quando a viscosidade do fluido é nula (ou desprezível): ou seja, µ = 0 o fluido é chamado de fluido ideal Estudo da Viscosidade Determinação da viscosidade 69 O valor da viscosidade dinâmica varia de fluido para fluido e, para um fluido em particular, a viscosidade varia com a temperatura Variação das Características da Viscosidade É importante dizer que: Para os gases a viscosidade aumenta com a temperatura; Para os líquidos a viscosidade diminui com a temperatura; Estudo da Viscosidade 70 V is c o s id a d e A b s o lu ta , μ ( N .s /m 2 ) Variação das Características da Viscosidade Estudo da Viscosidade 71 Fluido Newtoniano e Não-Newtoniano Estudo da Viscosidade 72 Os fluidos Newtonianos são aqueles em que a taxa de deformação varia linearmente com a tensão de cisalhamento ( ). A maioria dos fluidos comuns, como: água, óleo, gasolina, ar...são fluidos newtonianos. cτ ) dy dv ( Estudo da Viscosidade Fluido Newtoniano e Não-Newtoniano 73 Os fluidos que não apresentam uma relação não linear são denominados fluidos não-newtonianos. a) Plásticos de Bigham: Pastas de dentes, tintas, etc. b) Pseudo plásticos: Soluções de polímeros, suspensões coloidal, polpa de papel em água, etc. c) Dilatantes: Suspensões de amido e de areia. Estudo da Viscosidade Fluido Newtoniano e Não-Newtoniano 74 Os fluidos que não apresentam uma relação não linear são denominados fluidos não-newtonianos. Estudo da Viscosidade Fluido Newtoniano e Não-Newtoniano 75 Escoamentos Laminar Escoamento Turbulento O escoamento de um fluido num conduto apresenta dois regimes: A determinação destes regimes pode ser definido pelo número de Reynolds, ou seja: Re vD densidade do fluido v velocidade de escoamento D diâmetro do tubo viscosidade do fluido Influência da Viscosidade no Campo de Escoamento Estudo da Viscosidade 76 São dadas duas placas paralelas a distância de três milímetros. A placa superior move-se com velocidade de 4 m/s, enquanto que a inferior está fixa. Se o espaço entre as duas placas for preenchido com óleo (Ʋ = 0,155 m²/s; ρ = 90 kg/m³ ): a) Qual será a tensão de cisalhamento no óleo? b) Qual a força necessária para rebocar a placa superior de área A = 0,5 m² ? dy dv V = 4m/s y = 3mm y V (y) contatoAF Solução: Onde: ρυμ X = e Estudo da Viscosidade 1. Exercício de Fixação 77 V = 4m/s y = 3mm y V (y) Viscosidade Solução: a) Primeiramente determina-se o valor de mi. 90155.0= Xμ 95,13=μ 0,003 4 95,13 ²/18600 mN contatoAF b) A força F para uma área de 0,5m² 0,518600F X N9300F 78 Um determinado tanque contém Ar com Vol = 0,0380 m³. Determine a massa específica e o peso do ar contido no tanque. Considere P = 250 kPa e T = 30º C. Considere o Rar = 286,9 J/kg.K Estudo da Viscosidade 2. Exercício Um avião voa com velocidade de 900 km/h numa altitude de 11 km (T = - 53 º C e Rar = 296,8 J/kg.K). Informe: a) se o avião é ou não supersônico; b) Nestas condições o ar pode ser considerado como fluido incompressível. Justifique sua resposta. 3. Exercício 79 Uma placa móvel e com V= 12 m/s está entre duas placas grandes e fixas. Entre as placas está contido fluido de diferentes características, conforme mostra a figura. No primeiro o fluido tem viscosidade cinemática igual a 405.10-6 m²/s e densidade relativa de 82.10-2. No segundo o fluido tem viscosidade dinâmica igual a 0,365 N.s/m². A área da placa é de 0,244 m². Determine: As tensões entre as placas e o valor da força para necessária para puxar a placa. 4. Exercício 80 Converta as unidades de pressão para o sistema indicado. a) converter 20 psi em Pa. b) converter 3000 mmHg em Pa. c) converter 200 kPa em kgf/cm². d) converter 30 kgf/cm² em psi. e) converter 5 bar em Pa. f) converter 25 mca em kgf/cm². g) converter 500 mmHg em bar. h) converter 10 psi em mmHg. i) converter 80000 Pa em mca. j) converter 18 mca em mmHg. 5. Exercício 81 Um eixo com 25 mm de diâmetro é puxado num mancal cilíndricode 0,5m de largura. O espaço entre o eixo e o mancal, com folga igual a 0,3 mm, está preenchido com um óleo que apresenta viscosidade cinemática igual a 8.10-4 m²/s e densidade de 0,91. Determine a força F necessária para imprimir ao eixo uma velocidade de 3 m/s. Admita que a distribuição de velocidade no escoamento seja linear. R ~ 286N 6) 7) 83 Conclusão O estudo da viscosidade é de suma importância na mecânica dos fluidos, visto que todos os fluidos são viscosos; Há muitos casos em que a hipótese de inexistência das forças viscosas simplifica a análise e, ao mesmo tempo leva a resultados significativos; A viscosidade tem grande influencia com a temperatura e considerada invariável com a pressão; 84 Referências 1. Munson, B., Young, D. & OKIISHI, T., Fundamentos da Mecânica dos Fluidos, Wiley. 2. FOX; McDonalt, A.T., Introdução à Mecânica dos Fluidos. LTC Editora, 8ª Edição, 2011. 3. Franco BRUNETTI. Mecânica dos Fluidos. Editora: Pearson, 2ª edição, 2010. 4. White, F. M., Mecânica dos Fluidos, 6ª edição, McGraw-Hill 2011; 5. Cengel, Y.A., & Cimbala, J.M., Mecânica dos Fluidos: Fundamentos e Aplicações, McGraw-Hill; 5. SONTAG, R; VAN WYLEN. Fundamentos da Termodinâmica, Edgard Bluxher, 2009; 6. STREETER, Vitor L. , Wylie, E. Benjamin – Mecânica dos Fluidos. São Paulo. McGraw-Hill do Brasil, Ltda. 1982. 7 edição. 7. Apostilas e arquivos bibliográficos eletrônicos
Compartilhar