introdução de mecânica dos fluidos, Notas de estudo de Engenharia Mecânica
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Os Fluidos são essenciais para a vida 65% do corpo humano é formado por água 2/3 da superfície da terra é formada por água A atmosfera se extende até 17km acima da superfície da terra 9 A História está moldada pela mecânica dos fluidos: Geomorfologia (ramo da geografia que estuda as formas da sup. terrestre) Civilização e migração humana Métodos e teorias matemáticas e ciência moderna Guerras A mecânica dos fluidos afeta todas as partes de nossas vidas A DISCIPLINA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS É MUITO AMPLA E ESTÁ ENTRE AS PRIMEIRAS DISCIPLINAS ESTUDADAS PELA HUMANIDADE. CONSIDERANDO O FATO DE SE UTILIZAR UM ENFOQUE CIENTÍFICO NA ANÁLISE DE SEUS PROBLEMAS ELA PODE SER CONSIDERADA COMO UMA DISCIPLINA PIONEIRA; É MUITO PROVÁVEL QUE GRANDE PARTE DA MOTIVAÇÃO PARA O DESENVOLVIMENTO DO RAMO DA MATEMÁTICA CONHECIDO COMO MATEMÁTICA APLICADA TENHA SIDO A PROCURA DE SOLUÇÕES DAS EQUAÇÕES DA MECÂNICA DOS FLUIDOS A MECÂNICA DOS FLUIDOS É O ESTUDO DOS FLUIDOS EM MOVIMENTO (DINÂMICA DOS FLUIDOS) OU EM REPOUSO (ESTÁTICA DOS FLUIDOS) E DOS EFEITOS SUBSEQÜÊNTES DO FLUIDO SOBRE OS CONTORNOS, QUE PODEM SER SUPERFÍCIES SÓLIDAS OU INTERFACES COM OUTROS COM OUTROS FLUIDOS » EM GRANDE PARTE DAS SITUAÇÕES, NO ENTANTO, OS PROBLEMAS DA MECÂNICA DOS FLUIDOS NÃO OCORREM ISOLADAMENTE; ELES OCORREM SIMULTÂNEAMENTE COM OS PROBLEMAS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR E DA TERMODINÂMICA NOS CONHECIDOS PROBLEMAS ASSOCIADOS AOS SISTEMAS TÉRMICOS QUE CONSIDERAM O ARMAZENAMENTO, A TRANSFERÊNCIA E A CONVERSÃO DA ENERGIA »
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Microsoft PowerPoint - Lecture_1_2009

UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc.

Detalhes para Contato

Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D. Sc.

(Dinâmica dos Fluidos e Máquinas de Fluxo)

Simulação Numérica de Escoamentos

Sala B.32.16 (IEM)

Horário de Atendimento: Preferencialmente às 3as Feiras

das 15h:30min às 18h:30min

e-mail: luizantp@unifei.edu.br

Telefone: (35) 3629 1214

03/mar/2009

1

UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc.

http://www.iem.efei.br/professores/luizantonio

EME502 – MECÂNICA DOS FLUIDOS I

Aulas Teóricas – 1º Semestre: 02 Aulas às Terças – Feiras (10h:10min – 12h00mim)

1º Semestre: 02 Aulas às Sextas – Feiras (10h:10min – 12h00mim)

Aulas Práticas – De Acordo com o Programa Geral Divulgado na www ...

Regras Gerais da Teoria e do Laboratório – Estão Divulgadas na www ...

TEORIA: TURMA ÍMPAR SALA B.41.05

2

EME19 – MECÂNICA DOS FLUIDOS

PRP – MAT002

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Observações

• Os slides mais importantes utilizados durante as aulas estarão disponíveis em arquivo pdf para impressão.

Eles aparecerão no seguinte endereço:

http://www.iem.efei.br/professores/luizantonio (Enter Password:)

• Se você encontrar qualquer tipo de erro, por favor, me avise para que eu possa corrigir os slides.

• Você deve se sentir livre para fazer perguntas durante e/ou depois das aulas.

• Você pode me procurar na minha sala no horário de atendimento para tirar dúvidas e, por favor, me

permita saber se você está entendendo a matéria. 3

• Todos os slides foram preparados por mim e não foi feita uma revisão criteriosa.

• Os slides resultam do trabalho de preparação das aulas e não devem ser vistos como o único material

para estudo. Os slides servem principalmente para a orientação sobre tópicos abordados na sala de aula;

você deve procurar (principalmente nas referências bibliográficas) a complementação dos conhecimentos

contidos nos slides. Todos os slides contém matéria de prova e devem ser estudados e entendidos.

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LIVROS MAIS UTILIZADOS PARA A PREPARAÇÃO DESTE CURSO

• White, F.M., Mecânica dos Fluidos. Editora McGraw-Hill, 4ª Edição, 2002

(ESTE LIVRO SERÁ ADOTADO COMO LIVRO TEXTO).

• Fox, R.W. & McDonald, A.T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. LTC Editora, 5ª Edição, 2001.

• As figuras e fotografias que serão apresentadas durante o curso foram copiadas ou adaptadas dos livros de

Mecânica dos Fluidos utilizados para a preparação do curso, de outros livros e de materiais didáticos

disponíveis na literatura.

• Streeter, V.L. & Wylie, E.B. Mecânica dos Fluidos. Editora McGraw Hill do Brasil, 7ª Edição, 1982.

• Shames, I.H. Mecânica dos Fluidos. Ed. Edgard Blücher, 1973.

• Vennard, J.K. & Street, R.L.Elementos de Mecânica dos Fluidos. Editora Guanabara Dois, 5ª Edição, 1978.

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• Existem edições mais recentes dos livros indicados para este curso. As edições que estão indicadas

neste material foram aquelas que eu utilizei para a preparação do curso.

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ALGUNS LIVROS INDICADOS PARA LEITURA COMPLEMENTAR

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LIVRO CLÁSSICO INDICADO PARA UMA LEITURA MAIS AVANÇADA

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Serão propostas semanalmente listas de exercícios. Você deve resolver os problemas

propostos individualmente ou em grupo dentro do prazo estipulado. Haverá um horário semanal disponível para tirar dúvidas na sala do Prof. Luiz Antonio.

Conhecendo a solução das listas de exercícios você irá melhorar o seu desempenho nas

provas. As listas fazem parte da avaliação do curso; os conceitos necessários para a

solução dos problemas propostos serão cobrados nas avaliações.

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Capítulo 1 – Introdução (White, 2002)

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• 1.1 Comentários preliminares • 1.2 A conceituação de um fluido

• 1.3 O fluido como um meio contínuo

• 1.4 Dimensões e unidades

• 1.5 Propriedades do campo de velocidade

• 1.6 Propriedades termodinâmicas de um fluido

• 1.7 Viscosidade e outras propriedades secundárias

• 1.8 Técnicas básicas de análise de escoamentos

• 1.9 Campos de escoamento: linhas de corrente, linhas de emissão, linhas de trajetória

• 1.10 Software EES (enginering equation solver)

• 1.11 Incertezas de dados experimentais

• 1.12 O exame de fundamentos de engenharia (FE) nos EUA

• 1.13 Técnicas de solução de problemas

• 1.14 História e escopo da mecânica dos fluidos

• Problemas

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Os Fluidos são essenciais para a vida

65% do corpo humano é formado por água 2/3 da superfície da terra é formada por água A atmosfera se extende até 17km acima da superfície da terra

9

A História está moldada pela mecânica dos fluidos:

Geomorfologia (ramo da geografia que estuda as formas da sup. terrestre) Civilização e migração humana Métodos e teorias matemáticas e ciência moderna Guerras

A mecânica dos fluidos afeta todas as partes de nossas vidas

Comentários preliminares

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Comentários preliminares

« A DISCIPLINA DE MECÂNICA DOS FLUIDOS É MUITO AMPLA E ESTÁ ENTRE AS PRIMEIRAS

DISCIPLINAS ESTUDADAS PELA HUMANIDADE. CONSIDERANDO O FATO DE SE UTILIZAR UM ENFOQUE CIENTÍFICO NA ANÁLISE DE SEUS PROBLEMAS ELA PODE SER CONSIDERADA

COMO UMA DISCIPLINA PIONEIRA; É MUITO PROVÁVEL QUE GRANDE PARTE DA

MOTIVAÇÃO PARA O DESENVOLVIMENTO DO RAMO DA MATEMÁTICA CONHECIDO COMO

MATEMÁTICA APLICADA TENHA SIDO A PROCURA DE SOLUÇÕES DAS EQUAÇÕES DA

MECÂNICA DOS FLUIDOS »

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Faces da Mecânica dos Fluidos

Archimedes (C. 287-212 BC)

Newton (1642-1727)

Leibniz (1646-1716)

Euler (1707-1783)

Navier (1785-1836)

Stokes (1819-1903)

Reynolds (1842-1912)

Prandtl (1875-1953)

Bernoulli (1667-1748)

Taylor (1886-1975)

Comentários preliminares

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Comentários preliminares

« A MECÂNICA DOS FLUIDOS É O ESTUDO DOS FLUIDOS EM MOVIMENTO (DINÂMICA DOS FLUIDOS) OU EM REPOUSO (ESTÁTICA DOS FLUIDOS) E DOS

EFEITOS SUBSEQÜÊNTES DO FLUIDO SOBRE OS CONTORNOS, QUE PODEM SER SUPERFÍCIES SÓLIDAS OU INTERFACES COM OUTROS COM OUTROS FLUIDOS »

Dois recipientes de mesma seção estão abertos e se comunicam através de um tubo de volume desprezível provido de uma torneira T, como mostra a figura acima. Inicialmente o recipiente A contém água e o recipiente B contém óleo de densidade d=0,8, até uma mesma altura de 1,0 m, e a torneira T está fechada. Quando a torneira T for aberta e se estabeler o equilíbrio hidrostático, qual a nova altura de água no recipiente A?

Ao se analisar o escoamento real ao redor de um automóvel foram feitas as seguintes hipóteses simplificadoras: (a) Hipóteses Relativas à GEOMETRIA (Caráter Topológico) H1: Modelo Externo (ou Escoamento Externo); H2: Região Fluida Tridimensional; (b) Hipóteses Relativas às PROPRIEDADES DO FLUIDO (Caráter Dinâmico) H3: Propriedades Constantes; H4: Fluido Newtoniano; (c) Hipóteses Relativas às PROPRIEDADES DO ESCOAMENTO (Caráter Cinemático) H5: Escoamento em Regime Permanente; H6: Escoamento Incompressível; H7: Escoamento Rotacional; H8: Escoamento Turbulento. Qual é a força de arrasto experimentada pelo veículo?

É UM PROBLEMA DE ESTÁTICA DOS FLUIDOS

EXISTE SOLUÇÃO ANALÍTICA!

É UM PROBLEMA DE DINÂMICA DOS FLUIDOS

NÃO EXISTE SOLUÇÃO ANALÍTICA!

h=?

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Comentários preliminares

« EM GRANDE PARTE DAS SITUAÇÕES, NO ENTANTO, OS PROBLEMAS DA MECÂNICA

DOS FLUIDOS NÃO OCORREM ISOLADAMENTE; ELES OCORREM

SIMULTÂNEAMENTE COM OS PROBLEMAS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR E DA TERMODINÂMICA NOS CONHECIDOS

PROBLEMAS ASSOCIADOS AOS SISTEMAS TÉRMICOS QUE CONSIDERAM O

ARMAZENAMENTO, A TRANSFERÊNCIA E A CONVERSÃO DA ENERGIA »

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Comentários preliminares

MECÂNICA DOS FLUIDOS

AÇÃO DA VISCOSIDADEGEOMETRIA (OBSTÁCULO)

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Comentários preliminares

Veículos esportivos Caminhões

Veículos automotivos Ônibus

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Comentários preliminares

Cabos de torre de transmissão Florestas

Plataformas de petróleo Edifícios

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Comentários preliminares

Aeronaves II

Helicópteros

Aeronaves I

Hidroaviões

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Comentários preliminares

SubmarinosSuperfície de Navios

Trens de alta velocidade Pára-quedas

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Comentários preliminares

Ciclismo Surfismo

Salto em distânciaCorrida com barreiras

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Comentários preliminares

Turbinas hidráulicas

Bombas axiais

Turbinas eólicas

Bombas radiais

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Comentários preliminares

Vôo dos pássaros I

Asas formadas por várias superfícies

Asas com bordo de ataque composto

Asas com “flap”

Asas com “winglet”

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Comentários preliminares

PeixesVôo dos pássaros II

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Comentários preliminares

Poluição atmosférica Hidráulica de rios

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Comentários preliminares

Tornados Tempestades

Clima Global Furacões

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Comentários preliminares

Bomba de sangue Dispositivo de auxílio ventricular

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QUE FENÔMENO É ESTE?

Comentários preliminares

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O fluido é um estado não sólido da matéria, onde átomos ou moléculas estão livres para se moverem entre si, como em um gás ou em um líquido.

Os líquidos e os gases são considerados fluidos, porque ambos podem escoar e mudar de forma.

Os líquidos têm um volume definido, os gases não.

A conceitução de um fluido

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• A distinção técnica entre um fluido e um sólido está relacionada com a reação dos dois à aplicação

de uma tensão de cisalhamento ou tangencial.

• Fluido é uma substância que se deforma continuamente quando submetida a aplicação de uma tensão

de cisalhamento; não importando quão pequena seja esta tensão.

• Um sólido pode resistir a uma tensão de cisalhamento por uma deformação estática, o fluido não pode.

• O fluido escoa e se deforma continuamente, enquanto a tensão de cisalhamento permanece aplicada.

Sólido

Deflexão estática

Fluido

QUE EXPERIMENTO É ESTE?

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A conceitução de um fluido

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• Todos os fluidos (líquidos ou gases) são constituídos por um grande número de moléculas em

movimento ...

• Rigorosamente existem espaços vazios entre moléculas vizinhas ...

• Isto cria um problema!!! Como tratar este fato matematicamente? O que fazer?

Para a descrição matemática do movimento de um fluido, a sua estrutura molecular atual é substituída por uma distribuição hipotética (conveniente) de matéria chamada CONTÍNUO. Como conseqüência podem ser aplicados conceitos como limites e derivadas.

Sólido Líquido Gás

Fluidos

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Fluido real Meio contínuo

O fluido como um meio continuo

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• O conceito de um fluido como um meio continuo substitui as interações moleculares por forças

equivalentes.

ρa = Σf = fgrav + fpress + fvisc = ρg −∇p + μ∇²VBALANÇO DE FORÇAS: · · · EME603

Forças de Superfície:

f

o

r

ç

a

n

o

r

m

a

l

f

o

r

ç

a

t

a

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g

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n

c

i

a

l

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Força de Campo:

f

o

r

ç

a

g

r

a

v

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t

a

c

i

o

n

a

l

O fluido como um meio continuo

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Volume Sensitivo: O conceito de partícula de fluido está associado a uma vizinhança de um ponto da região fluida e, assim, as propriedades do fluido nesta vizinhança podem ser consideradas como pontuais. Imagine, por exemplo, a medida da temperatura num ponto. O volume ocupado pelo sensor que mede a temperatura, por exemplo, dificilmente pode ser considerado como um ponto, por menor que ele seja. O termômetro mede a temperatura média numa vizinhança que o envolve e que possui um volume igual a várias vezes o seu volume. O volume desta vizinhança é denominado de volume sensitivo e a temperatura medida é considerada pontual.

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• O conceito de uma partícula de fluido está associado a uma vizinhança de um ponto da região …

O fluido como um meio continuo

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Observações:

• A teoria molecular deve ser utilizada para calcular as propriedades dos fluidos (por exemplo, a viscosidade) quando forem associadas com o movimento molecular.

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• A Hipótese do Contínuo não é sempre satisfeita. Quando se analisa, p. ex., o movimento dos gases rarefeitos, o caminho livre médio percorrido por uma molécula λ, não é pequeno ao ser comparado com o comprimento característico L de um corpo no escoamento. A reentrada das espaçonaves na atmosfera da Terra é uma situação típica.

O fluido como um meio continuo

• Para você pesquisar: Qual é o significado do número de Knudsen?

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