Aula 3 - Bizuando

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Transcript Aula 3 - Bizuando

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.

TANQUE BOMBA TROCADOR DE CALOR

FORÇAS DE INÉRICA FORÇAS VISCOSAS - 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 ESCOAMENTO S

 

ENERGIA

BOMBEAMENT O

VISCOSIDAD E ÁGUA

VISCOSIDAD E ÓLEO VEGETAL

 

ÓLEO ESCOA MAIS LENTAMENTE

 

POTÊNCIA PARA BOMBEAR

 DESCRIÇÃO QUANTITATIVA DAS CARACTERÍSTICAS DE ESCOAMENTO DOS FLUIDOS:  EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE: VELOCIDADE MÉDIA DO ESCOAMENTO  NÚMERO DE REYNOLDS: ESCOAMENTO LAMINAR ESCOAMENTO TURBULENTO  REGIMES OU MOVIMENTOS VARIADO E PERMANENTE.

VARIADO: u=f(x,y,z,t) PERMANENTE: u=f(x,y,z)

II. EQUAÇÃO DA CONSERVAÇÃO DE MASSA:

dA

1 

x

1

X

, 

x

2

Y

,

X

Y

t

:

XX YY

, - PARA QUE A MATÉRIA SEJA CONSERVADA: 

MASSA EM XX

,  

MASSA EM YY

 ,

dA

2   1 

u

1 

A

1   2 

u

2 

A

2 EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE

EXEMPLO:

u

 ?

COMBUSTÍVEL

Q

 1 , 8

litros s

EXEMPLO 2:

u

 ?

COMBUSTÍVEL

Q

 1 , 8

litros s

3

cm

1

,

5

cm

EXEMPLO 3: Um fluido gasoso escoa em regime permanente no trecho de tubulação da figura. Na seção (1), tem-se A 1 =20 cm 2 ,  1 =4 kg/m 3 e U 1 =30 m/s . na seção (2), A 2 =10 cm 2 e  2 =12 Kg/m 3 . Qual é a velocidade na seção (2)?

(1) (2)

III. ESCOAMENTO LAMINAR E TURBULENTO:

 ESCOAMENTO LAMINAR: 

m

1  ESCOAMENTO DE TRANSIÇÃO: 

m

2  

m

1

 ESCOAMENTO TURBULENTO: 

m

3  

m

1 Re 

forças inerciais forças vis

cos

as

  

u

 

D

  4  

m

  

D

 PARA ESCOAMENTO DE UM FLUIDO NO INTERIOR DE UM TUBO:

Re

 2

.

100 

ESCOAMENTO LAMINAR

2 .

100  Re  4 .

000 

TRANSIÇÃO

Re

 4

.

000 

ESCOAMENTO TURBULENTO

 PARA ESCOAMENTO DE UM FLUIDO SOBRE UMA PLACA : Re  500 .

000 

ESCOAMENTO LAMINAR

Re  500 .

000 

ESCOAMENTO TURBULENTO

EXEMPLO:   1 .

040

Kg m

3

- FLUIDO:

  1 .

600  10  6

Pa

s

  3

cm

BOMBA

TANQUE

L

 3 , 0

m D

 1 , 5

m

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

P

2

u

2 

S

2 Z 1

P

1

u

1 A B 

S

1 Z 2 

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 LOCALIZAÇÃO, SITUADA ENTRE OS PONTOS B E D.

PARA OUTRA

- 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.

Z 1

P

1

u

1 A B 

S

1 

E aumento

E B

D

E A

C E A

C

E A

B

E E B

D

E B

C

E C

D B

C

E

aumento

E

C

D

E

A

B

C D

P

2

u

2 

S

2 Z 2

E C

D

 

m

   

U

2  1 2 

u

  2 

g

z

2   

E A

B

 

E aumento

 

m

   

U

1  

m

  

U

2  1 2 

u

  2 

U

1     1 2

g

 

z

1    

u

   

2 

u

2 2  

g

 

z

2 

z

1  (*) - MAS DE QUE MANEIRA OCORRE A TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA ENTRE O SISTEMA E SUAS VIZINHANÇAS ?

CALOR (Q) TRABALHO (W)

1) COMO CALOR

DIFERENÇA DE TEMPERATURA ENTRA O SISTEMA E SUAS VIZINHANÇAS.

– ENERGIA TRANSFERIDA, RESULTANTE DA -T.AMB.>T.S.

 SISTEMA RECEBE CALOR DO AMBIENTE

Q

 0 -T.AMB.

 AMBIENTE RECEBE CALOR DO SISTEMA

Q

 0

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

P

2

v

2 

S

2 Z 1

P

1

v

1 A B 

S

1 Z 2  TRABALHO DEVE SER REALIZADO SOBRE O FLUIDO PARA QUE ELE ENTRE NO SISTEMA;  A TRABALHO DEVE SER REALIZADO PELO FLUIDO, SOBRE 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

s

W

f W s

 TRABALHO DE EIXO, REQUER A PRESENÇA DE DISPOSITIVO MECÂNICO (POR EXEMPLO, UMA BOMBA); UM

W

f

 TRABALHO DE FLUXO, OU TRABALHO FEITO PELO FLUIDO NA SAÍDA DO SISTEMA MENOS O TRABALHO FEITO SOBRE O FLUIDO NA ENTRADA DO SISTEMA.

W f

F

x

P

A

x W f

P

V

- ENTRADA DO SISTEMA: TRABALHO FEITO SOBRE ELE, PELO FLUIDO LOGO ATRÁS:

W f

1 

P

1 

V

1 - SAÍDA DO SISTEMA: FLUIDO REALIZA TRABALHO SOBRE A VIZINHANÇA:

W f

2 

P

2 

V

2  O TRABALHO DE FLUXO TOTAL É:

W f

 

P

2 

V

2  

P

1 

V

1  PORTANTO: 

E

Q

W

S

P

2 

V

2 

P

1 

V

1 (***)

- (***)=(*):

Q m

   

P

2  2  1 2 

u

2 2 

g

z

2       

P

1  1  1 2 

u

1 2 

g

z

1     

E i

, 2 

E i

1 ,  

W m

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 :

P

1  1 2   

u

1 2   

g

z

1 

P

2  1 2   

u

2 2   

g

z

2 EQUAÇÃO DE BERNOULLI

EXEMPLO 1:

ESCOAMENTO DE UM FLUIDO IDEAL INCOMPRESSÍVEL ATRAVÉS DE UM BOCAL, CONFORME MOSTRADO: E DETERMINAR P1-Patm A 1 =0,1 m 2 1 LINHA DE CORRENTE 2 P 2 =P atm V 2 =50 m/s A 2 =0,02 m 2

EXEMPLO 2: A ÁGUA ESCOA ATRAVÉS DE UM BOCAL, CONFORME MOSTRADO, ONDE A PRESSÃO MANOMÉTRICA NO PONTO 1 É IGUAL A 51 kPa E A VELOCIDADE 1,8 m/s. QUAIS SÃO AS VELOCIDADES E A PRESSÃO MANOMÉTICA NO PONTO 2?

P 1 =51 kPa R 1 =12,5 mm 1 u 1 =1,8 m/s LINHA DE CORRENTE 2 R 2 =9,0 mm

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) 1,0 m 8,0 m (2)