Disciplina: Mecânica dos Fluidos Escola de Engenharia de Lorena EEL – USP 1) CONCEITOS E PROPRIEDADES FUNDAMENTAIS DOS FLUIDOS; 2) ESTÁTICA DOS FLUIDOS; 3) CONCEITOS LIGADOS AO ESCOAMENTO DOS FLUIDOS; 4) ESCOAMENTO INCOMPRESSÍVEL DE FLUIDOS NÃO VISCOSOS; 5) ESCOAMENTO VISCOSO INCOMPRESSÍVEL. Profa. Dra. Daniela Helena Pelegrine Guimarães (email: [email protected]) 3. CONCEITOS LIGADOS AO ESCOAMENTO DOS FLUIDOS: CARACTERÍSTICAS E DEFINIÇÕES DOS ESCOAMENTOS; EQUAÇÃO DA CONSERVAÇÃO DE MASSA; ESCOAMENTO LAMINAR E TURBULENTO; EQUAÇÃO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA. CONCEITOS DE SISTEMA E VOLUME DE CONTROLE; INTRODUÇÃO Á ANÁLISE DIFERENCIAL DO MOVIMENTO DE FLUIDOS: EQUAÇÃO DA CONSERVAÇÃO DE MASSA; EQUAÇÃO DA CONSERVAÇÃO DE Q.M.; EQUAÇÃO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA. I. CARACTERÍSTICAS E DEFINIÇÕES DE ESCOAMENTO: DEFINIÇÃO: - É O ESTUDO DOS CONCEITOS REFERENTES AO MOVIMENTO DOS FLUIDOS DE UM LOCAL A OUTRO, NO INTERIOR DE UM SISTEMA DE TRANSPORTES, EM UMA PLANTA PROCESSADORA, ONDE OS FLUIDOS COMEÇAM A ESCOAR A PARTIR DE FORÇAS AGINDO SOBRE ELES. RESUMINDO, É UM BALANÇO DAS FORÇAS QUE CONTRIBUEM PARA O ESCOAMENTO E DAS QUE SE OPÕE A ESTE MOVIMENTO. IMPORTÂNCIA: PROJETOS DOS EQUIPAMENTOS PROCESSADORES (BOMBAS, TANQUES, TROCADORES DE CALOR, TUBULAÇÕES,...); MINIMIZA AS PERDAS DE ENERGIA NAS INDÚSTRIAS; EVITA UM SUB OU SUPER DIMENSIONAMENTO DOS EQUIPAMENTOS. TROCADOR DE CALOR TANQUE FORÇAS DE INÉRICA FORÇAS VISCOSAS BOMBA - FLUIDO ESCOA A PARTIR DE FORÇAS AGINDO SOBRE ELE (PRESSÃO, GRAVIDADE, FRICÇÃO E EFEITOS TÉRMICOS): TANTO A MAGNITUDE QUANTO A DIREÇÃO DA FORÇA QUE AGE SOBRE O FLUIDO SÃO IMPORTANTES. UM BALANÇO DE FORÇAS EM UM ELEMENTO DE FLUIDO É ESSENCIAL PARA A DETERMINAÇÃO DAS FORÇAS QUE CONTRIBUEM PARA O ESCOAMENTO E DAS QUE SE OPÕE A ESTE MOVIMENTO. VELOCIDADE, F. INERCIAIS, F. VISCOSAS TIPOS DE ESCOAMENTOS ENERGIABOMBEAMENTO VISCOSIDADE ÁGUA VISCOSIDADEÓLEO VEGETAL ÓLEO ESCOA M AIS LENTAM ENTE POTÊNCIA PARA BOMBEAR DESCRIÇÃO QUANTITATIVA DAS CARACTERÍSTICAS DE ESCOAMENTO DOS FLUIDOS: EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE: VELOCIDADE MÉDIA DO ESCOAMENTO ESCOAMENTO LAMINAR NÚMERO DE REYNOLDS: ESCOAMENTO TURBULENTO REGIMES OU MOVIMENTOS VARIADO E PERMANENTE. VARIADO: V=f(x,y,z,t) PERMANENTE: V=f(x,y,z) II. EQUAÇÃO DA CONSERVAÇÃO DE MASSA: dA2 dA1 x2 x1 X Y t : FLUIDO EM XX ,MOVE-SE ATÉ YY , X, Y , - PARA QUE A MATÉRIA SEJA CONSERVADA: MASSA EM XX , MASSA EM YY , 1 V1 A1 2 V2 A2 EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE EXEMPLO: V ? COMBUSTÍVEL Q 1,8 litros 3 cm s EXEMPLO 2: V ? COMBUSTÍVEL Q 1,8 litros s 1,5 cm EXEMPLO 3: Um gás escoa em regime permanente no trecho de tubulação da figura. Na seção (1), tem-se A1=20 cm2, 1=4 kg/m3 e V1=30 kg/m3 . na seção (2), A2=10 cm2 e 2=12 Kg/m3. Qual é a velocidade na seção (2)? (1) (2) III. ESCOAMENTO LAMINAR E TURBULENTO: ESCOAMENTO LAMINAR: m 1 ESCOAMENTO DE TRANSIÇÃO: m m 2 1 ESCOAMENTO TURBULENTO: m 3 m1 N Re forças inerciais v D 4m forças viscos as D PARA ESCOAMENTO DE UM FLUIDO NO INTERIOR DE UM TUBO: Re 2.100 ESCOAM ENTOLAM INAR 2.100 Re 4.000 TRANSIÇÃO Re 4.000 ESCOAM ENTOTURBULENTO PARA ESCOAMENTO DE UM FLUIDO SOBRE UMA PLACA : Re 500.000 ESCOAMENTOLAMINAR Re 500.000 ESCOAMENTOTURBULENTO EXEMPLO: TANQUE 1.040Kg m3 - FLUIDO: 3m 1,5 m 1.600106 Pa s 3 cm BOMBA 1) QUAL O TEMPO MÍNIMO PARA ENCHER TODO O TANQUE, SOB CONDIÇÕES DE ESCOAMENTO LAMINAR? 2) QUAL O TEMPO MÁXIMO PARA ENCHER TODO O TANQUE, SOB CONDIÇÕES DE ESCOAMENTO TURBULENTO? II. EQUAÇÃO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA: C D P2 u2 S2 P1 A B u1 Z1 Z2 S1 INICIALMENTE UMA CERTA QUANTIDADE DO FLUIDO ESTÁ ENTRE OS PONTOS A E C E, APÓS UM PEQUENO INTERVALO DE TEMPO t, A MESMA QUANTIDADE DO FLUIDO MOVE-SE PARA OUTRA LOCALIZAÇÃO, SITUADA ENTRE OS PONTOS B E D. - SUPOSIÇÕES: ESCOAMENTO CONTÍNUO E ESTACIONÁRIO, SENDO A VAZÃO MÁSSICA CONSTANTE; ENERGIAS ELÉTRICA E MAGNÉTICA SÃO DESPREZÍVEIS. PROPRIEDADES DO FLUIDO CONSTANTES; CALOR E TRABALHO DE EIXO ENTRE O FLUIDO E A VIZINHANÇA SÃO TRANSFERIDOS À TAXA CONSTANTE. C D P2 u2 S2 P1 A B u1 Z1 S1 E aumento E BD E AC E AC E AB EBC EBD EBC ECD Eaumento EC D EAB Z2 1 2 EC D m U 2 V2 g z2 2 E A B 1 2 m U1 V1 g z1 2 Eaumento m U 2 U1 1 2 V2 V12 g z2 z1 2 (*) - MAS DE QUE MANEIRA OCORRE A TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA ENTRE O SISTEMA E SUAS VIZINHANÇAS ? CALOR (Q) TRABALHO (W) 1) COMO CALOR – ENERGIA TRANSFERIDA, RESULTANTE DA DIFERENÇA DE TEMPERATURA ENTRA O SISTEMA E SUAS VIZINHANÇAS. -T.AMB.>T.S. SISTEMA RECEBE CALOR DO AMBIENTE Q0 -T.AMB.<T.S. AMBIENTE RECEBE CALOR DO SISTEMA Q0 2) COMO TRABALHO - ENERGIA TRANSFERIDA COMO RESULTADO DO MOVIMENTO MECÂNICO. SISTEMA REALIZA TRABALHO ENERGIA DO SISTEMA W 0 VIZINHANÇA REALIZA TRABALHO ENERGIA DO SISTEMA W 0 CONSIDERANDO: E Q W (**) C D P2 v2 S2 P1 A B v1 Z1 Z2 S1 TRABALHO DEVE SER REALIZADO SOBRE O SISTEMA PARA QUE O FLUIDO ENTRE NO SISTEMA; TRABALHO DEVE SER REALIZADO PELO FLUIDO, SOBRE A VIZINHANÇA, PARA QUE O FLUIDO DEIXE O SISTEMA. AMBOS OS TERMOS DEVEM SER INCLUÍDOS NA EQUAÇÃO DO BALANÇO DE ENERGIA. TRABALHOS DE FLUXO E DE EIXO: - O TRABALHO LÍQUIDO, W, REALIZADO EM UM SISTEMA ABERTO POR SUAS VIZINHANÇAS PODE SER ESCRITO COMO: W W W s W s W f TRABALHO f DE EIXO, REQUER A PRESENÇA DE DISPOSITIVO MECÂNICO (POR EXEMPLO, UMA BOMBA); UM TRABALHO DE FLUXO, OU TRABALHO FEITO PELO FLUIDO NA SAÍDA DO SISTEMA MENOS O TRABALHO FEITO SOBRE O FLUIDO NA ENTRADA DO SISTEMA. Wf F x P A x W f P V - ENTRADA DO SISTEMA: TRABALHO FEITO SOBRE ELE, PELO FLUIDO LOGO ATRÁS: W f1 P1 V 1 - SAÍDA DO SISTEMA: FLUIDO REALIZA TRABALHO SOBRE A VIZINHANÇA: W f2 P 2 V 2 O TRABALHO DE FLUXO TOTAL É: W f P 2 V 2 P1 V 1 PORTANTO: E Q WS P2 V2 P1 V1 (***) - (***)=(*): P2 1 2 P1 1 2 Qm u 2 g z 2 u 1 g z1 E i,2 E i,1 Wm 2 2 1 2 EQUAÇÃO GERAL DE ENERGIA - PARA UM FLUIDO IDEAL, INCOMPRESSÍVEL, EM UM PROCESSO QUE NÃO ENVOLVA TRANSFERÊNCIA DE CALOR E SEM REALIZAÇÃO DE TRABALHO E COM A ENERGIA INTERNA DE ESCOAMENTO DO FLUIDO PERMANECENDO CONSTANTE: 1 1 2 P1 u1 g z1 P2 u22 g z 2 2 2 EQUAÇÃO DE BERNOULLI EXEMPLO 1: ESCOAMENTO DE ÁGUA ATRAVÉS DE UM BOCAL, CONFORME MOSTRADO: DETERMINAR P1-Patm P2=Patm A1=0,1 m2 1 LINHA DE CORRENTE 2 V2=5,0 m/s A2=0,02 m2 EXEMPLO 2: UM TUBO EM U ATUA COMO UM SIFÃO DE ÁGUA. A CURVATURA DO TUBO ESTÁ A 1 METRO ACIMA DA SUPERFÍCIE DA ÁGUA E A SAÍDA DO TUBO ESTÁ A 7 METROS ABAIXO DA SUPERFÍCIE DA ÁGUA. A ÁGUA SAI PELA EXTREMIDADE INFERIOR DO SIFÃO COMO UM JATO LIVRE PARA A ATMOSFERA. DETERMINAR A VELOCIDADE DO JATO LIVRE E A PRESSÃO ABSOLUTA MÍNIMA NA CURVATURA. (A) 1,0 m (1) 8,0 m (2) III. INTRODUÇÃO Á ANÁLISE DIFERENCIAL DO MOVIMENTO DE FLUIDOS: dA2 dA1 X x1 x2 X, Y Y, - PARA QUE A MATÉRIA SEJA CONSERVADA: MASSA EM XX MASSA EM YY A x A x , 1 1 , 1 2 2 2 1 A1u1 2 A2 u2 EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE - CONSIDERANDO UM ESCOAMENTO DE UM SISTEMA (QUANTIDADE FIXA DE UM FLUIDO) AO LONGO DE UM VOLUME DE CONTROLE: VOLUME DE CONTROLE SISTEMA t t t t t ^ D d d V n dA Dt SIS t VC SC - COMO A MASSA PERMANECE CONSTANTE, EM UM ESCOAMENTO PERMANENTE: DM SIS 0 Dt ^ d V n dA t VC SC III.1 SOBRE UM ELEMENTO DE VOLUME xyz: Y (x+x,y+ y,z+ z) u x z u xx (x,y,z) x x Z taxa de taxa de taxa de acúm ulo entrada saída de m assa de m assa de m assa acúm ulo xyz de m assa t Y (x+x,y+ y,z+ z) u x y u xx (x,y,z) x x Z entrada - NA DIREÇÃO x: u x yz de m assa saída u x x yz de m assa saída v y y xz de m assa saída saída w x y - NA DIREÇÃO Z: w y y xy y y de m assa de m assa entrada - NA DIREÇÃO y: v y xz de m assa Y (x+x,y+ y,z+ z) u x z u xx (x,y,z) x x xyz yzu x u x x t Z zx v y v y y xyw z w z z P/ REGIME PERMANENTE, FLUIDO INCOMPRESSÍVEL: u v w 0 x y z EXEMPLO: OS COMPONENTES DO VETOR VELOCIDADE DE UM ESCOAMENTO INCOMPRESSÍVEL E QUE OCORRE EM REGIME PERMANENTE SÃO DEFINIDOS POR: u x2 y 2 z 2 v xy yz z DETERMINE A FORMA DO COMPONENTE DA VELOCIDADE NA DIREÇÃO Z (w) QUE SATISFAÇA À EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE. EXEMPLO 2: NO CONJUNTO CILINDRO-PISTÃO MOSTRADO NA FIGURA ABAIXO, DETERMINAR A TAXA DE VARIAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA E UMA POSSÍVEL EQUAÇÃO QUE EXPRESSE TAL VARIAÇÃO EM FUNÇÃO DO TEMPO. u V x L 0 18 Kg m3 V 12m s L 0,15m III.4. EQUAÇÃO DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO: - FLUIDO: ESCOA QUANDO UMA FORÇA AGE SOBRE ELE. ESTA FORÇA, CAUSA VARIAÇÃO NA QUANTIDADE DE MOVIMENTO (M). - DA FÍSICA: M m V d F dx y, z m V - ESCOAMENTO ESTACIONÁRIO: - FORÇAS SOBRE UM ELEMENTO DE FLUIDO: - GRAVIDADE* - CORPO (OU CAMPO) - CAMPOS ELÉTRICOS - CAMPOS MAGNÉTICOS - NORMAIS - SUPERFÍCIE PRESSÃO - TANGENCIAIS CISALHAMENTO - FORÇAS SOBRE UM ELEMENTO DE FLUIDO: - GRAVIDADE* - CORPO (OU CAMPO) - CAMPOS ELÉTRICOS - CAMPOS MAGNÉTICOS - NORMAIS PRESSÃO - SUPERFÍCIE - TANGENCIAIS CISALHAMENTO III.4.1 FORÇAS DEVIDO À PRESSÃO: y (x+ x,y+ y,z+z) PX z Pxx (x,y,z) x x z - FORÇA DE PRESSÃO SOBRE A FACE ESQUERDA: Pxyz - FORÇA DE PRESSÃO SOBRE A FACE DIREITA: Pxxyz - FORÇA LÍQUIDA DE PRESSÃO NA DIREÇÃO DO MOVIMENTO: P xyz x - COMO O EIXO Y É VERTICAL E ORIENTADO PARA CIMA: gx 0 g y g gz 0 p f x dxdydz x p f y g y dxdydz y p f z dxdydz z III.4.2 FORÇAS VISCOSAS: GENERALIZAÇÃO DA LEI DE NEWTON: Y y x t 0 FLUIDO INICIALMENTE EM REPOUSO t 0 PLACA INFERIOR POSTA EM MOVIMENTO t pequeno DESENVOLVIMENTO DE VELOCIDADE EM ESCOAMENTO TRANSIENTE t grande DISTRIBUIÇÃO FINAL DE VELOCIDADES EM ESCOAMENTO PERMANENTE F V A Y OU yx du dy y x z px y x y (x,y,z) z z z x x y z y Py x Pz y yy zy yz yx zz zx z xz , xy zy , zx yx , yz xy X ÁREA X xz xx FORÇA x FORÇAS SUPERFICIAIS TANGENCIAIS (TANGENCIAL À ÁREA DEFORMA) xx , p xx yy , p yy zz , p zz - TENSÕES MOLECULARES: FORÇAS SUPERFICIAIS NORMAIS (NORMAL À ÁREA) ij p ij ij i , j x , y , z ij p ij ij Força na direção j sobre uma área unitária perpendicular à direção i. ij p ij ij Fluxo de momento de direção j na direção i positiva. 1 se ij 0 se ij i j SUMÁRIO DOS COMPONENTES DE TENSOR TENSÃO MOLECULAR (OU TENSOR FLUXO MOLECULAR DE MOMENTO): Direção normal à área sombreada x Vetor força por unidade de área agindo sobre a área sombreada x p x x Componentes das forças agindo sobre a área sombreada x y z xx p xx xy xy xz xz y y p y y yx yx yy p yy yz yz z z p z z zx zx zy zy zz p zz - TRANSPORTE CONVECTIVO DE MOMENTO: y z xv x y (x,y,z) z y z zv x x y z yv x SUMÁRIO DOS COMPONENTES DE FLUXO CONVECTIVO DE MOMENTO: Direção normal à área sombreada x Fluxo de momento através da superfície sombreada x v x x x y x z y y v y x y y y z z z v z x z y z z x O fluxo combinado de momento é: Exemplos: Componentes do fluxo convectivo de momento y z vv p vv xx xx x x p xx x x xx xx x x p xx x x xy xy x y xy xy -EQUAÇÕES DE RETANGULARES: BALANÇO DE MOMENTO PARA COORDENADAS ta xa externa ta xa de ta xa de ta xa de a umento entra da sa ída sobre de momento de momento de momento o flui do entrada xx x yz de m om ento x Y yx zx xx saída xx x x yz de m om ento x x y y z z x xx Z zx yx x x entrada yx y zx de m om ento y saída yx y y zx de m om ento y y z y x entrada zx z xy de m om ento z saída zx z z xy de m om ento z z -EQUAÇÕES DE BALANÇO DE MOMENTO PARA RETANGULARES PARA UM FLUIDO INCOMPRESSÍVEL: COORDENADAS 2u 2u 2u u u u u p - COMPONENTE X: t u x v y w z g x x x 2 y 2 z 2 2v 2v 2v v v v v p - COMPONENTE y: u v w g y 2 2 2 t x y z y x y z - COMPONENTE z: 2w 2w 2w w w w w p u v w g z 2 2 2 x y z z y z t x - EXEMPLO: LÍQUIDO ESCOANDO PARA BAIXO SOBRE UMA SUPERFÍCIE PLANA, INCLINADA, EM UM FILME LAMINAR, PERMANENTE E DE ESPESSURA h. =15 h=1mm Largura = 1m DETERMINE: A) AS EQUAÇÕES SIMPLIFICADAS DE NAVIER-STOKES; B) O PERFIL DE VELOCIDADES; C) A DISTRIBUIÇÃO DA TENSÃO DE CISALHAMENTO; D) A FORÇA QUE O LÍQUIDO FAZ SOBRE A PLACA. - EM COORDENADAS CILÍNDRICAS: z (x,y,z) ou (r,,z) x r cos y rsen z z z x x Força exercida pelo fluido na direção de + sobre um elemento de superfície (R)dz: y z y r y x r r R Rdz Força exercida pelo fluido na direção de +z sobre um elemento de superfície (Rd)dz: y rz x r R Rz z y Força exercida pelo fluido na direção de +z sobre um elemento de superfície (dr)(dz): x z z 2 rdz - COMPONENTE r: 2 1 v r v 2 v r v r v v r v v r 2 vr p 1 2 rv r 2 2 2 vr vz 2 t r r r z r r r r r r z g r - COMPONENTE : 1 v v v v r v v 1 p 1 2 v 2 v r 2 v v rv 2 2 2 vr vz t r r r z r r r r r r z 2 - COMPONENTE z: 1 v z 1 2 v z 2 v z v z v v z v z p v z vr vz 2 g z r 2 2 t r r z z r r r z r g - EXEMPLO: ESCOAMENTO VISCOMÉTRICO LAMINAR EM REGIME PERMANENTE DE UM LÍQUIDO NEWTONIANO NO ESPAÇO ANULAR ANTRE DOIS CILINDROS VERTICAIS CONCÊNTRICOS. O CILINDRO INTERNO É ESTACIONÁRIO E O EXTERNO GIRA COM VELOCIDADE CONSTANTE. R1 R2 z Z r DETERMINE: A) AS EQUAÇÕES SIMPLIFICADAS DE NAVIER-STOKES; B) O PERFIL DE VELOCIDADES NA FOLGA ANULAR; C) A DISTRIBUIÇÃO DA TENSÃO DE CISALHAMENTO NA FOLGA ANULAR. - EXEMPLO 3: CONSIDERE O SISTEMA DA FIGURA, NA QUAL UM ARAME É MOVIMENTADO NUM CILINDRO COAXIAL A UMA VELOCIDADE V. ENCONTRE A DISTRIBUIÇÃO DE VELOCIDADE NO FLUIDO E A FORÇA NECESSÁRIA PARA MOVIMENTAR O ARAME. A PRESSÃO NO TANQUE 2 É LIGEIRAMENTE SUPERIOR À PRESSÃO NO TANQUE 1. O FLUIDO É INCOMPRESSÍVEL E NEWTONIANO E ESCOA EM REGIME LAMINAR. CONSIDERE REGIME PERMANENTE. D r KD V z