Introdução à Mecânica dos Fluídos

1018 Pages·2014·58.16 MB·Portuguese

by  Robert W. Fox

Sumário
CAPÍTULO 1    INTRODUÇÃO
1.1   Nota aos Estudantes
1.2   Escopo da Mecânica dos Fluidos
1.3   Definição de um Fluido
1.4   Equações Básicas
1.5   Métodos de Análise
Sistema e Volume de Controle
Formulação Diferencial versus Formulação Integral
Métodos de Descrição
1.6   Dimensões e Unidades
Sistemas de Dimensões
Sistemas de Unidades
Sistemas de Unidades Preferenciais
Consistência Dimensional e Equações de “Engenharia”
1.7   Análise de Erro Experimental
1.8   Resumo
Problemas
CAPÍTULO 2    CONCEITOS FUNDAMENTAIS
2.1   Fluido como um Contínuo
2.2   Campo de Velocidade
Escoamentos Uni, Bi e Tridimensionais
Linhas de Tempo, Trajetórias, Linhas de Emissão e Linhas de Corrente
2.3   Campo de Tensão
2.4   Viscosidade
Fluido Newtoniano
Fluidos Não Newtonianos
2.5   Tensão Superficial
2.6   Descrição e Classificação dos Movimentos de Fluido
Escoamentos Viscosos e Não Viscosos
Escoamentos Laminar e Turbulento
Escoamentos Compressível e Incompressível
Escoamentos Interno e Externo
2.7   Resumo e Equações Úteis
Referências
Problemas
CAPÍTULO 3    ESTÁTICA DOS FLUIDOS
3.1   A Equação Básica da Estática dos Fluidos
3.2   A Atmosfera­Padrão
3.3   Variação de Pressão em um Fluido Estático
Líquidos Incompressíveis: Manômetros
Gases
3.4   Sistemas Hidráulicos
3.5   Forças Hidrostáticas sobre Superfícies Submersas
Força Hidrostática sobre uma Superfície Plana Submersa
Força Hidrostática sobre uma Superfície Curva Submersa
3.6   Empuxo e Estabilidade
3.7   Fluidos em Movimento de Corpo Rígido (no Site da LTC Editora)
3.8   Resumo e Equações Úteis
Referências
Problemas
CAPÍTULO 4    EQUAÇÕES BÁSICAS NA FORMA INTEGRAL PARA UM VOLUME DE CONTROLE
4.1   Leis Básicas para um Sistema
Conservação de Massa
Segunda Lei de Newton
O Princípio da Quantidade de Movimento Angular
A Primeira Lei da Termodinâmica
A Segunda Lei da Termodinâmica
4.2   Relação entre as Derivadas do Sistema e a Formulação para Volume de Controle
Derivação
Interpretação Física
4.3   Conservação de Massa
Casos Especiais
4.4   Equação da Quantidade de Movimento para um Volume de Controle Inercial
Análise de Volume de Controle Diferencial
Volume de Controle Movendo com Velocidade Constante
4.5   Equação da Quantidade de Movimento para um Volume de Controle com Aceleração Retilínea
4.6   Equação da Quantidade de Movimento para Volume de Controle com Aceleração Arbitrária (no
Site da LTC Editora)
4.7   O Princípio da Quantidade de Movimento Angular
Equação para Volume de Controle Fixo
Equação para um Volume de Controle Rotativo (no Site da LTC Editora)
4.8   A Primeira Lei da Termodinâmica
Taxa de Trabalho Realizado por um Volume de Controle
Equação do Volume de Controle
4.9   A Segunda Lei da Termodinâmica
4.10   Resumo e Equações Úteis
Problemas
CAPÍTULO 5    INTRODUÇÃO À ANÁLISE DIFERENCIAL DOS MOVIMENTOS DOS FLUIDOS
5.1   Conservação da Massa
Sistema de Coordenadas Retangulares
Sistema de Coordenadas Cilíndricas
5.2   Função de Corrente para Escoamento Incompressível Bidimensional
5.3   Movimento de uma Partícula Fluida (Cinemática)
Translação de um Fluido: Aceleração de uma Partícula Fluida em um Campo de Velocidade
Rotação de Fluido
Deformação de Fluido
5.4   Equação da Quantidade de Movimento
Forças Atuando sobre uma Partícula Fluida
Equação Diferencial da Quantidade de Movimento
Fluidos Newtonianos: As Equações de Navier­Stokes
5.5   Introdução à Dinâmica de Fluidos Computacional
Por que a DFC É Necessária
Aplicações de DFC
Alguns Métodos Numéricos/DFC Básicos Usando uma Planilha
A Estratégia de DFC
Discretização Usando o Método das Diferenças Finitas
Montagem do Sistema Discreto e Aplicação de Condições de Contorno
Solução do Sistema Discreto
Malha de Convergência
Lidando com a Não Linearidade
Solucionadores Diretos e Iterativos
Convergência Iterativa
Considerações Finais
5.6   Resumo e Equações Úteis
Referências
Problemas
CAPÍTULO 6    ESCOAMENTO INCOMPRESSÍVEL DE FLUIDOS NÃO VISCOSOS
6.1   Equação da Quantidade de Movimento para Escoamento sem Atrito: a Equação de Euler
6.2   As Equações de Euler em Coordenadas de Linhas de Corrente
6.3   A Equação de Bernoulli – Integração da Equação de Euler ao Longo de uma Linha de Corrente
para Escoamento Permanente
Dedução Usando Coordenadas de Linha de Corrente
Dedução Usando Coordenadas Retangulares
Pressões Estática, de Estagnação e Dinâmica
Aplicações
Precauções no Emprego da Equação de Bernoulli
6.4   A Equação de Bernoulli Interpretada como uma Equação de Energia
6.5   Linha de Energia e Linha Piezométrica
6.6   Equação de Bernoulli para Escoamento Transiente – Integração da Equação de Euler ao Longo
de uma Linha de Corrente (no Site da LTC Editora)
6.7   Escoamento Irrotacional
A Equação de Bernoulli Aplicada a um Escoamento Irrotacional
Potencial de Velocidade
Função de Corrente e Potencial de Velocidade para Escoamento Bidimensional, Irrotacional e
Incompressível: Equação de Laplace
Escoamentos Planos Elementares
Superposição de Escoamentos Planos Elementares
6.8   Resumo e Equações Úteis
Referências
Problemas
CAPÍTULO 7    ANÁLISE DIMENSIONAL E SEMELHANÇA
7.1   As Equações Diferenciais Básicas Adimensionais
7.2   A Natureza da Análise Dimensional
7.3   O Teorema Pi de Buckingham
7.4   Determinação dos Grupos Π
7.5   Grupos Adimensionais Importantes na Mecânica dos Fluidos
7.6   Semelhança de Escoamentos e Estudos de Modelos
Semelhança Incompleta
Transporte por Escala com Múltiplos Parâmetros Dependentes
Comentários sobre Testes com Modelos
7.7   Resumo e Equações Úteis
Referências
Problemas
CAPÍTULO 8    ESCOAMENTO INTERNO VISCOSO E INCOMPRESSÍVEL
8.1   Introdução
Escoamento Laminar versus Turbulento
A Região de Entrada
PARTE A ESCOAMENTO LAMINAR COMPLETAMENTE DESENVOLVIDO
8.2   Escoamento Laminar Completamente Desenvolvido entre Placas Paralelas Infinitas
Ambas as Placas Estacionárias
Placa Superior Movendo­se com Velocidade Constante, U
8.3   Escoamento Laminar Completamente Desenvolvido em um Tubo
PARTE B ESCOAMENTO EM TUBOS E DUTOS
8.4   Distribuição de Tensão de Cisalhamento no Escoamento Completamente Desenvolvido em
Tubos
8.5   Perfis de Velocidade em Escoamentos Turbulentos Completamente Desenvolvidos em Tubos
8.6   Considerações de Energia no Escoamento em Tubos
Coeficiente de Energia Cinética
Perda de Carga
8.7   Cálculo da Perda de Carga
Perdas Maiores: Fator de Atrito
Perdas Menores
Bombas, Ventiladores e Sopradores em Sistemas de Fluidos
Dutos Não Circulares
8.8   Solução de Problemas de Escoamento em Tubo
Sistemas de Trajeto Único
Sistemas de Trajetos Múltiplos
PARTE C MEDIÇÃO DE VAZÃO
8.9   Métodos Diretos
8.10   Medidores de Vazão de Restrição para Escoamentos Internos
A Placa de Orifício
O Bocal Medidor
O Venturi
Elemento de Escoamento Laminar
8.11   Medidores de Vazão Lineares
8.12   Métodos Transversos
Referências
Problemas
CAPÍTULO 9    ESCOAMENTO VISCOSO, INCOMPRESSÍVEL, EXTERNO
PARTE A CAMADAS­LIMITE
9.1   O Conceito de Camada­Limite
9.2   Espessuras de Camada­Limite
9.3   Camada­Limite Laminar sobre uma Placa Plana: Solução Exata (no Site da LTC Editora)
9.4   Equação Integral da Quantidade de Movimento
9.5   Uso da Equação Integral da Quantidade de Movimento para Escoamento com Gradiente de
Pressão Zero
Escoamento Laminar
Escoamento Turbulento
Resumo dos Resultados para Escoamento em Camada­Limite com Gradiente de Pressão Zero
9.6   Gradientes de Pressão no Escoamento da Camada­Limite
PARTE B  ESCOAMENTO FLUIDO EM TORNO DE CORPOS SUBMERSOS
9.7   Arrasto
Arrasto de Atrito Puro: Escoamento sobre uma Placa Plana Paralela ao Escoamento
Arrasto de Pressão Puro: Escoamento sobre uma Placa Plana Normal ao Escoamento
Arrastos de Pressão e de Atrito: Escoamento sobre uma Esfera e um Cilindro
Carenagem
9.8   Sustentação
9.9   Resumo e Equações Úteis
Referências
Problemas
CAPÍTULO 10    MÁQUINAS DE FLUXO
10.1 Introdução e Classificação de Máquinas de Fluxo
Máquinas para Realizar Trabalho sobre um Fluido
Máquinas para Extrair Trabalho (Potência) de um Fluido
Abrangência
10.2 Análise de Turbomáquinas
O Princípio da Quantidade de Movimento Angular: A Equação de Euler para Turbomáquinas
Diagramas de Velocidade
Eficiência – Potência Hidráulica
Análise Dimensional e Velocidade Específica
10.3 Bombas, Ventiladores e Sopradores
Aplicação da Equação de Euler para Tubomáquina para Bombas Centrífugas
Aplicação da Equação de Euler para Bombas e Ventiladores Axiais
Características de Desempenho
Regras de Semelhança
Cavitação e Altura de Carga de Sucção Positiva Líquida
Seleção de Bomba: Aplicação para Sistemas Fluidos
Sopradores e Ventiladores
10.4 Bombas de Deslocamento Positivo
10.5 Turbinas Hidráulicas
Teoria de Turbina Hidráulica
Características de Desempenho para Turbinas Hidráulicas
Dimensionamento de Turbinas Hidráulicas para Sistemas Fluidos
10.6 Hélices e Máquinas Eólicas
Hélices
Máquinas Eólicas
10.7 Turbomáquinas de Escoamento Compressível
Aplicação da Equação da Energia para uma Máquina de Escoamento Compressível
Compressores
Turbinas de Escoamento Compressível
10.8 Resumo e Equações Úteis
Referências
Problemas
CAPÍTULO 11    ESCOAMENTO EM CANAIS ABERTOS
11.1 Conceitos Básicos e Definições
Considerações para Simplificação
Geometria do Canal
Velocidade de Ondas Superficiais e o Número de Froude
11.2 Equação de Energia para Escoamentos em Canal Aberto
Energia Específica
Profundidade Crítica: Energia Específica Mínima
11.3 Efeito Localizado de Mudança de Área (Escoamento sem Atrito)
Escoamento sobre um Ressalto
11.4 O Ressalto Hidráulico
Aumento de Profundidade Através de um Ressalto Hidráulico
Perda de Carga Através de um Ressalto Hidráulico
11.5 Escoamento Uniforme em Regime Permanente
A Equação de Manning para Escoamento Uniforme
Equação de Energia para Escoamento Uniforme
Seção Transversal do Canal Ótima
11.6 Escoamento com Profundidade Variando Gradualmente
Cálculo de Perfis de Superfície
11.7 Medição de Descarga Usando Vertedouros
Vertedouro Retangular Suprimido
Vertedouros Retangulares Contraídos
Vertedouro Triangular
Vertedor de Soleira Espessa
11.8 Resumo e Equações Úteis
Referências
Problemas
CAPÍTULO 12    INTRODUÇÃO AO ESCOAMENTO COMPRESSÍVEL
12.1 Revisão de Termodinâmica
12.2 Propagação de Ondas de Som
Velocidade do Som
Tipos de Escoamento – O Cone de Mach
12.3 Estado de Referência: Propriedades de Estagnação Isentrópica Local
Propriedades Locais de Estagnação Isentrópica para o Escoamento de um Gás Ideal
12.4 Condições Críticas
12.5 Resumo e Equações Úteis
Referências
Problemas
CAPÍTULO 13    ESCOAMENTO COMPRESSÍVEL
13.1 Equações Básicas para Escoamento Compressível Unidimensional
13.2 Escoamento Isentrópico de um Gás Ideal: Variação de Área
Escoamento Subsônico, M < 1
Escoamento Supersônico, M > 1
Escoamento Sônico, M = 1
Condições Críticas e de Estagnação de Referência para Escoamento Isentrópico de um Gás Ideal
Escoamento Isentrópico em um Bocal Convergente
Escoamento Isentrópico em um Bocal Convergente­Divergente
13.3 Choques Normais
Equações Básicas para um Choque Normal
Interpretação de Fanno e Rayleigh do Choque Normal
Funções de Escoamento de Choque Normal para Escoamento Unidimensional de um Gás Ideal
13.4 Escoamento Supersônico em Canais, com Choque
Escoamento em um Bocal Convergente­Divergente
Difusor Supersônico (no site da LTC Editora)
Operação de Túnel de Vento Supersônico (no site da LTC Editora)
Escoamento Supersônico com Atrito em um Canal de Área Constante (no site da LTC Editora)
Escoamento Supersônico com Adição de Calor em um Canal de Área Constante (no site da LTC
Editora)
13.5 Escoamento em um Duto de Área Constante, com Atrito
Equações Básicas para o Escoamento Adiabático
Escoamento Adiabático: a Linha de Fanno
Funções de Escoamento de Linha de Fanno para o Escoamento Unidimensional de um Gás Ideal
Escoamento Isotérmico (no site da LTC Editora)
13.6 Escoamento sem Atrito em um Duto de Área Constante, com Transferência de Calor
Equações Básicas para Escoamento com Transferência de Calor
A Linha de Rayleigh
Funções de Escoamento de Linha de Rayleigh para Escoamento Unidimensional de um Gás Ideal
13.7 Choques Oblíquos e Ondas de Expansão
Choques Oblíquos
Ondas de Expansão Isentrópicas
13.8 Resumo e Equações Úteis
Referências
Problemas
APÊNDICE A   DADOS DE PROPRIEDADES DE FLUIDOS
APÊNDICE B   EQUAÇÕES DO MOVIMENTO EM COORDENADAS CILÍNDRICAS
APÊNDICE C   FILMES PARA MECÂNICA DOS FLUIDOS
APÊNDICE D   CURVAS DE DESEMPENHO SELECIONADAS PARA BOMBAS E VENTILADORES
APÊNDICE E   FUNÇÕES DE ESCOAMENTO PARA O CÁLCULO DE ESCOAMENTO COMPRESSÍVEL
APÊNDICE F   ANÁLISE DE INCERTEZA EXPERIMENTAL
APÊNDICE G   UNIDADES SI, PREFIXOS E FATORES DE CONVERSÃO
APÊNDICE H   UMA REVISÃO RESUMIDA SOBRE O EXCEL DA MICROSOFT (NO SITE DA LTC EDITORA)
Respostas de Problemas Selecionados
Índice