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