Mecânica dos Fluidos Cinemática dos Fluidos. Métodos para o estudo da cinemática dos fluidos...

Mecânica dos Fluidos

Cinemática dos Fluidos

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 VolumeVazão é a quantidade em volume de

fluido que atravessa uma dada seção do escoamento por unidade de tempo.

Conceitos Básicos de Vazão

• Vazão em MassaVazão 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 PesoVazão 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 LivresSão 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 m1 = m2 = m = cte

Equação da Continuidade

ρ = Δm/V Δm=ρ.VV = A.ΔlQ= Δm/Δt = ρ.V/ Δt = ρ. A.Δl /Δt = ρ.A.v

Equação da Continuidade

Dadas duas seções do escoamento:

Equação da Continuidade

ρAv = constanteSe ρ é constante (não há variação de massa):

AA11VV11= A= A22VV22

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 = constante

Q=AU, onde: U=velocidade média

Problema Resolvido 1

Uma mangueira de diâmetro de 2 cm é usada para encher um balde de 20 litros.a)Se leva 1 minuto para encher o balde. Qual é a velocidade com que a água passa pela mangueira?

b)Um brincalhão aperta a saída da mangueira até ela ficar com um diâmetro de  5 mm, e acerta o vizinho com água. Qual é a velocidade com que a água sai da mangueira?

Problema Resolvido 1

Solução: a) A área da seção transversal da mangueira será dada por

A1 = πr2 = π(2  cm /2)2 = π cm2.

Para encontrar a velocidade, v1 , usamos   Taxa de escoamento (vazão)= 

A1v1 = 20  L / min = 20 x  103 cm3 / 60s

v1=  (20 x  103 cm3 / 60 s) / (π cm2)  = 106,1  cm/s.  

b) A taxa de escoamento ( A1v1 ) da água que se aproxima da abertura da mangueira deve ser igual a taxa de escoamento que deixa a mangueira ( A2v2 ). Isto resulta em:

v2= A1v1 / A2   = (π. 106,1) / (π. (0,5/2)2)  = 1698  cm/s. 

Num sistema de drenagem, uma pipa de 25 cm de diâmetro interno drena para outra pipa conectada de 22 cm de diâmetro interno.Se a velocidade da água através da pipa maior é 5 cm/s, determine a velocidade média na pipa menor.

Problema Resolvido 2

SOLUÇÃO

Usando a equação da continuidade, temos

A1 v1 = A2 v2

π(12,5 cm)2 (5 cm/s) = π(11,0 cm)2 (v2)

Resolvendo para v2:

v2 = 6,42 cm/s.

Problema Resolvido 2

Assumindo o fluxo de um fluido incompressível como o sangue, se a velocidade medida num ponto dentro de um vaso sanguíneo é 40 m/s, qual é a velocidade num segundo ponto que tem um terço do raio original?

Problema Resolvido 3

Este problema pode ser resolvido usando a equação da continuidade:ρ1A1v1= ρ2A2v2 onde: ρ é a densidade do sangueA é a área da seção transversalv é a velocidadee os subscritos 1 e 2 referem-se às localizações dentro do vaso.Desde que o fluxo sangüíneo é incompressível, temos ρ1= ρ2 v1 = 40 cm/sA1=πr1

2

A2 = πr22 r2=r1/3, A2= π(r1/3)2 = (π r1

2)/9 ou A2=A1/9A1/A2 = 9

Resolvendo:

v2 = (A1v1)/A2 = 9 v1 = 9 x 40 cm/s = 360 cm/s

Problema Resolvido 3