Mecânica dos Fluidos

1. Cinemática dos Fluidos Mecânica dos Fluidos

2. Métodos para o estudo da cinemática dos fluidos • Método de Lagrange • Método de Euler

3. 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.

4. 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.

5. Volume de Controle • Volume de controle é uma região arbitrária e imaginária, no espaço, através do qual o fluido escoa.

6. Conceitos Básicos de Vazão • Vazão em Volume Vazão é a quantidade em volume de fluido que atravessa uma dada seção do escoamento por unidade de tempo.

7. Conceitos Básicos de Vazão • Vazão em Massa Vazão em massa é a quantidade em massa do fluido que atravessa uma dada seção do escoamento por unidade de tempo. .

8. Conceitos Básicos de Vazão • Vazão em Peso Vazão em peso é a quantidade de peso do fluido que atravessa uma dada seção do escoamento por unidade de tempo. .

9. Classificação básica dos condutos • 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.

10. Classificação básica dos condutos • Condutos Livres São 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.

11. Classificação básica dos condutos • Condutos Livres

12. 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

13. Equação da Continuidade ρ = Δm/V Δm=ρ.V V = A.Δl Q= Δm/Δt = ρ.V/ Δt= ρ. A.Δl /Δt = ρ.A.v

14. Equação da Continuidade • Dadas duas seções do escoamento:

15. Equação da Continuidade ρAv = constante Se ρ é constante (não há variação de massa): A1V1= A2V2

16. Equação da Continuidade 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. Q = A1 v1 = A2 v2 = constante

17. 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

18. 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?

19. 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. 

20. Problema Resolvido 2 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.

21. 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.

22. Problema Resolvido 3 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?

23. Problema Resolvido 3 Este problema pode ser resolvido usando a equação da continuidade: ρ1A1v1= ρ2A2v2 onde: ρ é a densidade do sangue A é a área da seção transversal v é a velocidade e 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/s • A1=πr12 • A2 = πr22 r2=r1/3, A2= π(r1/3)2 = (π r12)/9 ou A2=A1/9 • A1/A2 = 9 Resolvendo: v2 = (A1v1)/A2 = 9 v1 = 9 x 40 cm/s = 360 cm/s