View
215
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
3. AS FORMAS DIFERENCIAIS DAS LEIS FUNDAMENTAIS
3.1. Introdução
Solução integral solução global
Ex. – Sustentação de um aerofólio.
Resulta da integração da distribuição de pressões sobre o mesmo.
Solução diferencial solução pontual
Ex. - Determinação da pressão ponto a ponto sobre o aerofólio.
Há duas técnicas diferentes para se chegar às formas diferenciais das Leis Básicas.
• Aplicação do Teorema de Gauss:
dAdn
S
= vetor, ou
dAdn
S
= escalar.
• Identificando um elemento infinitesimal no espaço eaplicando as Leis Básicas diretamente a ele.
Conservação da massa Eq. da continuidade diferenc.
2ª Lei de Newton Eq. da q.d.m. diferencial
• Escoamento inviscito Eq. de Euler• Escoamento viscoso Eq. de Navier-Stokes.
1ª Lei da Termodinâmica Eq. da energia diferenc.
A maioria dos problemas em um curso introdutório refere-se a escoamentos isotérmicos e incompressíveis, nos quais a temperatura não exerce influência.
Para tais escoamentos as três Eq. de Navier-Stokes e a Eq. da continuidade fornecem quatro equações que relacionam os três componentes da velocidade e a pressão.
Deste modo a Eq. da energia não é necessária.
As equações diferenciais parciais requerem condições que especificam certos valores para as variáveis dependentes em valores particulares das variáveis independentes.
Se a variável independente é o tempo, as condições são chamadas condições iniciais. Se a variável independente é uma coordenada espacial, as condições são condições de contorno.
Condições de contorno
• Fluido viscoso condição de aderência; (escorregamento nulo) velocidade do fluido em relação à parede igual a zero;
• fluido não viscoso condição de impenetrabilidade; em uma parede não porosa, o componente normal da velocidade é nulo.
3.2. Equação Diferencial da ContinuidadeConsidere o volume de controle fixo infinitesimal da Fig. 5.1.
x
y
zdy
dx
dz
Figura 5.1 Volume de controle infinitesimal
Considerando a conservação da massa, tem-se:
tmmm elemento
saídaentra
t
)dzdydx(
dzdydx
t
x
y
z
(x, y, z)
v dzdx)2
dyyvv(
dzdx)2
dyyvv(
dzdy)2
dxxuu(
dzdy)2
dxxuu(
dydx)
2dz
zww(
dydx)2dz
zww(
w
u
dydx
dz
Para fazer o balanço de massa, toma-se u, v e w no centro do elemento.
Considerando essas quantidades como variáveis únicas, vem:
O fluxo líquido em cada direção será:
Em x dzdy)2
dxxuu(dzdy)
2dx
xuu(
Em y dzdydxyvdzdx)
2dy
yvv(dzdx)
2dy
yvv(
Em z dzdydxxwdydx)
2dz
zww(dydx)
2dz
zww(
dzdydxxu
Logo, em todo o volume elementar, será:
No volume dzdydx)zw
yv
xu(
Portanto, igualando com a variação da massa no volume de controle elementar,
dzdydxt
dzdydx)zw
yv
xu(
resulta:
0zw
yv
xu
t
Desenvolvendo as derivadas de produtos,
0)zw
yv
xu(
zw
yv
xu
t
cialtansubsDerivada
Então:
0)zw
yv
xu(
DtD
Introduzindo o operador vetorial de derivada,
zk
yj
xi
resulta:
0)V(DtD
Onde:
kwjviuV
vetor velocidade
zw
yv
xuV
divergente da velocidade
equação diferencial da continuidade.
Para escoamento incompressível,
0DtD
a massa específica se conserva ao longo das
trajetórias da partículas
A conservação da massa específica, não implica em constância da massa específica.
É possível a existência de um escoamento estratificado, com a massa específica constante em cada linha de corrente.
Portanto,
0Vzw
yv
xu
Eq. da continuidade para escoamento incompressível.
Ou:
0V
condição de incompressibilidade.
Introduzindo a derivada local,
)V(z
wy
vx
ut
0)V(DtD
0)V()(Vt
Considerando a propriedade de derivada de produtos,
0)V(t
equação diferencial da continuidade.
Para escoamento permanente,
0)V(
Exemplo 5.1
A componente x da velocidade é dada por u(x, y) = Ay2 em um escoamento plano incompressível. Determine v(x, y) se v(x, 0) = 0, tal como o caso de um escoamento entre placas paralelas.
Dados: u(x, y) = Ay2.
Solução:
zw
yv
xu0V
)y,x(vv)y,x(uu
Escoamento plano (bidimensional).
Condição de incompressibilidade. = 0
então:xu
yv
Logo:
)x(fv
0x
Ayxu
yv 2
integrando,
Condição de contorno: v0 = v(x, 0) = 0.
Logo f(x) = 0 e,
v = v(x, y) = 0.
Exemplo 5.2
Ar escoa em uma tubulação, sendo a velocidade em três pontos vizinhos A, B, e C, distanciados de 100 mm um do outro, de: 83,50; 86,90 e 88,70 m/s, como mostra a Fig. E5.2. A temperatura e a pressão no ponto B são de 10° C e 345 kPa, respectivamente. Faça uma aproximação de d/dx naquele ponto, supondo um escoamento permanente e uniforme.
A B C
83,50 m/s 86,90 m/s 88,70 m/s
x
Figura E5.2
Dados
x uA uB uC TB pB
100 83,50 86,90 88,70 10,00 345000mm m/s m/s m/s º C N/m2
0,100 m
Solução:Hipóteses simplificadoras:
• Escoamento permanente
• escoamento uniforme em cada seção
Assim, u = u(x).
;0t
.0zy
Considerando a Eq. da continuidade
0)zw
yv
xu(
zw
yv
xu
t
Portanto, a Eq. da continuidade se reduz a:
= 0 = 0 = 0 = 0 = 0
0xu
xu
)x()x(uu
,Mas De modo que:
0dxdu
dxdu
A derivada da velocidade é aproximada a:
.s/m00,26100,02
50,8370,88xu
dxdu
Em que a diferença central, mais precisa, foi usada.
Tendo em vista que a constante do ar éR = 287 m2/(s2K)a massa específica é calculada
.m/kg248,4)27310(287
10345tR
p 33
A derivada da massa específica é então aproximada a:
4m/kg271,10,2690,86
248,4dxdu
udxd
A diferença à frente conduz a:
.s/m00,18100,0
90,8670,88xu
E a diferença à traz a:
.s/m00,52100,0
50,8390,86xu
Exemplo 5.3
Os valores do componente x da velocidade nos pontos A, B, C, e D, que estão a 10 mm uns dos outros, são 5,76; 6,72; 7,61 e 8,47 m/s, respectivamente, no escoamento plano, permanente, simétrico e incompressível mostrado na Fig. E5.3, no qual w = 0. Faça uma aproximação do componente x da aceleração em C e do componente y da velocidade 6 mm acima de B.
Figura E5.3
Dadosx uA uB uC uD yB
10 5,76 6,72 7,61 8,47 6mm m/s m/s m/s º C mm
0,010 0,006m m
Solução:
Hipóteses simplificadoras:
• Escoamento permanente;
• escoamento plano (bidimensional);
• escoamento incompressível;
• escoamento simétrico.
O componente em x da aceleração é dado por:
zuw
yuv
xuu
tua x
= 0 = 0 = 0
.s/m9,66501,02
75,647,861,7xuua 2
x
Usando as diferenças centrais para aproximar a derivada, vem:
No escoamento simétrico o componente da velocidade em y (v) ao longo da linha central é nulo.
Fora desta linha é diferente de zero, sendo calculado a partir da Eq. da continuidade.
zw
yv
xu0V
= 0
então:xu
yv
.s/m555,0006,05,92y5,92v
v = 0 em B; portanto, na localização desejada,
yBcenB )v()v(v
.s/m555,0)555,0(0v)v()v( cenByB
5,9202,0
76,561,7xu
yv
Exemplo 5.4
Vp/Dtu~D
.u~
A equação da continuidade pode ser usada par mudar a forma de uma expressão. Escreva a expressão em termos da entalpia h em vez da energia interna Lembre que h = + p/ (vide Eq. 1.7.11).
u~
Solução:
?)h(fVpDt
u~D
Usando a definição de entalpia,
pu~h
phu~
Derivando,
DtDp
DtDp1
DtDh)p(
DtD
DtDh
Dtu~D
2
Substituindo na Eq. procurada,
VpDtDp
DtDp
DtDhVp
Dtu~D
Considerando a Eq. da continuidade,
DtD1V
0V
DtD
)DtD1(p
DtDp
DtDp
DtDhVp
Dtu~D
Levando na Eq. anterior, vem:
DtDp
DtDh
3.3. Equação Diferencial da Quantidade de Movimento
ÁreaForçaTensão
ktjtitAFt zyx
faceumaemtensãot
Estado de tensões em um ponto
x
y
z
Face x
tz
ty
tx
t
Tensão em uma face
x
y
z
Normal ao eixo x Face x
Face y
Face z
Positiva, se o vetor unitário normal a face e exterior, estiver no sentido + de x.
)i(
Ponto partícula de fluido cubo elementar
Particularidade faces normais aos eixos coordenados.
Tensão na face x ktjtitt xzxyxxx
Tensão na face y ktjtitt yzyyyxy
ktjtitt zzzyzxz
Tensão na face z
Para representar estas três tensões em uma única entidade matemática é utilizado o conceito de tensor.
tensõesdastensor
zzzyzx
yzyyyx
xzxyxx
O componente da tensão será positivo se estiver em uma face positiva e orientado segundo o sentido positivo do eixo. Também será positivo, se estiver em uma face negativa, porem orientado segundo o sentido negativo do eixo.
Figura 5.3 Força agindo sobre uma partícula infinitesimal
3.3.1. Formulação geral
2ª Lei de Newton
Considerando a resultante das forças na direção x,
admFd
dydx)2dz
z(dzdx)
2dy
y(dzdy)
2dx
x( zx
zxyx
yxxx
xx
dydx)2dz
z(dzdx)
2dy
y(dzdy)
2dx
x( zx
zxyx
yxxx
xx
DtDudzdydxdzdydxgx
Dividindo pelo volume do elemento(dx dy dz), vem:
xzxyxxx gzyxDt
Du
Procedendo de modo análogo com as outras direções,
zzzyzxz gzyxDt
Dw
yzyyyxy gzyxDt
Dv
Nota: - Pressão Estática
Na estática dos fluidos as tensões tangenciais são nulas e o tensor das tensões se resume às tensões normais.
zz
yy
xx
000000
n
p nn p campo de pressões (escalar)
Por outro lado é sabido que os fluidos (quando em repouso) não resistem às tensões de tração.
zz
yy
xx
000000
p000p000p
Estática dos fluidos:
A pressão é definida para a estática dos fluidos e por isso é
chamada de pressão estática.
Para fluidos em movimento é dada por:
)(31p zzyyxx
3.3.2. Equação de Euler
Hipótese: Efeitos viscosos desprazíveis.
Neste caso, tal como na estática dos fluidos, as tensões tangenciais (viscosas) são nulas e o tensor das tensões se resume às tensões normais.
zz
yy
xx
000000
Estática ou sem tensões viscosas.
Neste caso as Eq.s da q.d.m. se resumem a:
Equações de Euler.
Em termos vetoriais, com: (vertical).kgg
kg)kzpj
ypi
xp()kwjviu(
DtD
kgpDt
VD Equação de Euler.
xgxp
DtDu
ygyp
DtDv
zgzp
DtDw
Exemplo 5.5
Um campo de velocidade é proposto como
0w;yx
x10v;yx
y10u 2222
(a) É esse um possível escoamento incompressível?
p
(b) Se é, ache o gradiente , supondo um escoamento de ar sem atrito, com o eixo z vertical. Use = 1,23 kg/m3.
Solução:a) É um possível escoamento incompressível?
Considerando a condição de incompressibilidade,
Portanto, este é um possível escoamento incompressível.
0zw
yv
xuV
= 0
(escoamento plano)
0)yx(
yx20yx20)yx(x10y2
)yx(y10x2)
yxx10(
y)
yxy10(
x 2222222222222
b) Cálculo do p.
Escoamento sem atrito ( Eq. de Euler), com z vertical.
• em x,
xp
DtDu
Com:
zuw
yuv
xuu
tu
DtDu
= 0 = 0
)yx
y10(yyx
x10)yx
y10(xyx
y10DtDu
22222222
22222 )yx(y10x2
yxy10
DtDu
222
22
22 )yx(y10y2)yx(10
yxx10
222322
2222
)yx(x100
)yx()y2yxy2(x100
DtDu
222 )yx(x100
DtDu
xp
• em y,
yp
DtDv
Com:
yvv
xvu
DtDv
)yxx10(
yyxx10)
yxx10(
xyxy10
DtDv
22222222
22222222
22
22 )yx(x10y2
yxx10
)yx(x10x2)yx(10
yxy10
DtDv
222322
2222
)yx(y100
)yx()x2x2yx(y100
DtDv
222 )yx(y100
DtDv
yp
• em z, onde w = 0.
0gzp
DtDw
De modo que:
gzp
.m/Pak07,12)jyix()yx(
123kg)jyix()yx(
100p 222222
Exemplo 5.6
Suponha um escoamento permanente, com massa específica constante, e integre a equação de Euler ao longo de uma linha decorrente em um escoamento plano.
Solução:Hipóteses simplificadoras:• Escoamento inviscito;• escoamento permanente;• escoamento incompresível e• escoamento em uma mesma linha de corrente.
A Eq. de Euler na forma vetorial é expressa por:
Em termos da linha de corrente, a velocidade é dada por:
.LCàgentetanunitáriovetors
kgpDt
VD
sVV
A derivada substancial do vetor velocidade é:
= 0 (escoamento permanente)
ssVV
tV
DtVD
Assim, na direção da LC, a Eq. de Euler passa a ser escrita como:
szg
spseng
sp
sVV
A massa específica sendo constante, permite escrever
0gzp2V
ssgz
sp
2V
s
22
kgpDt
VD
k
ds
dz
sk
Integrando ao longo da linha de corrente
.constgzp2V2
Ou, em termos de energia por unidade de massa
.constgzp2
V2
Eq. de Bernoulli.
Eq. de Bernoulli.
3.3.3. Equação de Navier-Stokes
A Lei de viscosidade de Newton foi apresentada para o escoamento unidimensional e tem a seguinte forma
dydu
Fluidos newtonianos
Stokes estendeu a Lei de Newton para o caso do escoamento tridimensional de fluidos newtonianos,
Vzw2
yw
zv
xw
zu
zv
ywV
yv2
xv
yu
zu
xw
yu
xvV
xu2
1o coeficiente de viscosidade viscosidade dinâmica
2º coeficiente de viscosidade escoamento compressível.
Em se tratando de escoamento incompressível = 0.
Hipótese de Stokes Tr() = xx + yy + zz = 0.
Considerando esta hipótese, tem-se:
0Vzw2V
yv2V
xu2
V3V20V3)zw
yv
xu(2
0V)32(
032 32:ou
O estado de tensões em um ponto é descrito pelo tensor das
tensões, o qual engloba as pressões e tensões viscosas.
T
Substituindo as relações de Stokes nas Eq.s da quantidade de
movimento em termos escalares e iniciando pela direção x, vem:
xzxyx
xxxx gzy
)(xDt
Du
Eq. da q.d.m. em x.
x
2
2
22
2
2
2
2
g)zx
wzu()
yxv
yu(
)zw
yv
xu(
x32
xu2
xp
DtDu
x
2
2
2
2
2
2
g)zw
yv
xu(
x32
)zw
yv
xu(
x)
zu
yu
xu(
xp
DtDu
x2
2
2
2
2
2
g)zw
yv
xu(
x3)
zu
yu
xu(
xp
DtDu
Com considerações análogas para as direções y e z, chega-se a:
y2
2
2
2
2
2
g)zw
yv
xu(
y3)
zv
yv
xv(
yp
DtDv
z2
2
2
2
2
2
g)zw
yv
xu(
z3)
zw
yw
xw(
zp
DtDw
Observe que:
)kz
jy
ix
()kz
jy
ix
(
Laplacianozyx 2
2
2
2
2
22
tVDk
twj
tvi
tu
pkzpj
ypi
xp
Vkwjviu 2222
zw
yv
xuV
Com estas observações, as três equações escalares podem ser
agrupadas em uma única equação vetorial.
g)V(3
VpDt
VD 2
)V(k)V(z
j)V(y
i)V(x
gVpDt
VD 2
Para escoamento incompressível vem:,0V
Exemplo 5.7
Simplifique o componente x da equação de Navier-Stokes para um escoamento permanente em um canal horizontal e retangular, supondo todas as linhas de corrente paralelas às paredes. Considere a direção x como a direção do escoamento (Fig. E5.7).
x
y
h
u = u(y, z)
x
zbu = u(y, z)
x
z
y
h
b
Escoamento
Solução:Hipóteses simplificadoras:• Escoamento permanente;• escoamento incompressível.
Linhas de corrente paralelas e na direção x.Neste caso, apenas o componente x, da velocidade, será diferente de zero.
v = w = 0
u = u(y, z).
No caso de escoamento incompressível a Eq. da continuidade é:
0zw
yv
xuV
= 0= 00
xu
Para este escoamento permanente, a aceleração será
0zuw
yuv
xuu
tu
DtDu
= 0 = 0= 0= 0
x2
2
2
2
2
2
g)zu
yu
xu(
xp
DtDu
Lembrando que o escoamento é incompressível, o componente em x da Eq. de Navier-Stokes, passa a ser escrito como:
= 0= 0
ou seja
)zu
yu(
xp
2
2
2
2
A solução desta equação pode ser encontrada aplicando condições de contorno apropriadas.
k
ds
dz
sk
dydx
dz
dzdy)2
dxx
( xxxx
dzdy)2
dxx
( xxxx