Introdução De Mecânica Dos Fluidos

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03/mar/2009 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: [email protected] Telefone: (35) 3629 1214 1 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. PRP – MAT002 EME502 – MECÂNICA DOS FLUIDOS I EME19 – MECÂNICA DOS FLUIDOS TEORIA: TURMA ÍMPAR SALA B.41.05 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 ... http://www.iem.efei.br/professores/luizantonio 2 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. 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:) • 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. • Todos os slides foram preparados por mim e não foi feita uma revisão criteriosa. • 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 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. 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. • Streeter, V.L. & Wylie, E.B. Mecânica dos Fluidos. Editora McGraw Hill do Brasil, 7ª Edição, 1982. • Vennard, J.K. & Street, R.L.Elementos de Mecânica dos Fluidos. Editora Guanabara Dois, 5ª Edição, 1978. • Shames, I.H. Mecânica dos Fluidos. Ed. Edgard Blücher, 1973. • 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. • 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. 4 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. ALGUNS LIVROS INDICADOS PARA LEITURA COMPLEMENTAR 5 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. LIVRO CLÁSSICO INDICADO PARA UMA LEITURA MAIS AVANÇADA 6 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. 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. 7 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Capítulo 1 – Introdução (White, 2002) • 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 8 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares 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 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 9 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. 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 » 10 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares Faces da Mecânica dos Fluidos Archimedes Newton Leibniz Bernoulli Euler (C. 287-212 BC) (1642-1727) (1646-1716) (1667-1748) (1707-1783) Prandtl Taylor Navier (1785-1836) Stokes (1819-1903) Reynolds (1842-1912) (1875-1953) (1886-1975) 11 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. 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 » h=? 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 É UM PROBLEMA DE DINÂMICA DOS FLUIDOS EXISTE SOLUÇÃO ANALÍTICA! NÃO EXISTE SOLUÇÃO ANALÍTICA! 12 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. 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 » 13 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares MECÂNICA DOS FLUIDOS GEOMETRIA (OBSTÁCULO) AÇÃO DA VISCOSIDADE 14 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares Veículos automotivos Ônibus Veículos esportivos Caminhões 15 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares Cabos de torre de transmissão Plataformas de petróleo Florestas Edifícios 16 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares Aeronaves I Hidroaviões Aeronaves II Helicópteros 17 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares Superfície de Navios Trens de alta velocidade Submarinos Pára-quedas 18 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares Corrida com barreiras Surfismo Salto em distância Ciclismo 19 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares Turbinas eólicas Bombas radiais Turbinas hidráulicas Bombas axiais 20 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares Vôo dos pássaros I Asas com “flap” Asas com bordo de ataque composto Asas formadas por várias superfícies Asas com “winglet” 21 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares Vôo dos pássaros II Peixes 22 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares Poluição atmosférica Hidráulica de rios 23 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares Tornados Tempestades Clima Global Furacões 24 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares Bomba de sangue Dispositivo de auxílio ventricular 25 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. Comentários preliminares QUE FENÔMENO É ESTE? 26 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. A conceitução de um fluido 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. 27 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. A conceitução de um fluido • 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. Deflexão estática Sólido Fluido QUE EXPERIMENTO É ESTE? 28 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. O fluido como um meio continuo • Todos os fluidos (líquidos ou gases) são constituídos por um grande número de moléculas em movimento ... Sólido Gás Líquido Fluidos • Rigorosamente existem espaços vazios entre moléculas vizinhas ... Fluido real Meio contínuo • 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. 29 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. O fluido como um meio continuo • O conceito de um fluido como um meio continuo substitui as interações moleculares por forças Força de Campo: BALANÇO DE FORÇAS: força tangencial força normal força gravitacional equivalentes. Forças de Superfície: ρa = Σf = fgrav + fpress + fvisc = ρg −∇p + μ∇²V ··· EME603 30 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. O fluido como um meio continuo • O conceito de uma partícula de fluido está associado a uma vizinhança de um ponto da região … 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. 31 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc. O fluido como um meio continuo Observações: • A teoria molecular deve ser utilizada para calcular as propriedades dos fluidos (por exemplo, a viscosidade) quando forem associadas com o movimento molecular. • 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. • Para você pesquisar: Qual é o significado do número de Knudsen? 32 UNIFEI/IEM: EME502 – Mecânica dos Fluidos I (Capítulo 1 – Introdução à Mecânica dos Fluidos) Prof. Luiz Antonio Alcântara Pereira, D.Sc.