2-2 Densidade e Gravidade Específica 33

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1 Prefácio xii CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO E CONCEITOS BÁSICOS Introdução 2 O Que é FI!!lqo? 2 Áreas de Aplicação da Mecânica dos Fluidos 4 Condição de Não-Escorregamento 5 Uma Breve História da Mecânica dos Fluidos 6 Classificação de Escoamentos de Fluidos 8 Regiões de Escoamento Viscoso versus Não Viscoso 8 Escoamento Interno versus Externo 9 Escoamento Compressível versus Incompressível 9 Escoamento Laminar versus Turbulento 10 Escoamento Natural (ou Não Forçado) versus Forçado 10 Escoamento em Regime Permanente versus em Regime Não Permanente 10 Escoamentos Uni, Bi e Tridimensionais Sistema e Volume de Controle Importância das Dimensões e Unidades 14 Algumas Unidades SI e Inglesas 15 Homogeneidade Dimensional 17 Razões de Conversão de Unidades Modelagem Matemática de Problemas de Engenharia 19 Modelagem na Engenharia Técnica de Resolução de Problema 20 Passo 1: Definição do Problema 20 Passo 2: Diagrama Esquemático 21 Passo 3: Hipóteses e Aproximações 21 Passo 4: Leis Físicas 21 Passo 5: Propriedades 21 Passo 6: Cálculos 21 Passo 7: Raciocínio, Verificação e Discussão Pacotes de Aplicativos para Engenharia 22 Engineering Equation Solver (EES) (Solucionador de Equações de Engenharia) 23 FLUENT O Exatidão, Precisão e Algarismos Significativos 24 Resumo 27 Referências e Leituras Sugeridas 27 Aplicação em Foco: O Que Explosões Nucleares e Pingos de Chuva Têm em Comum 28 Problemas 29 CAPÍTULO 2 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Introdução 32 Meio Contínuo Densidade e Gravidade Específica 33 Densidade dos Gases Ideais ou Perfeitos Pressão de Vapor e Cavitação Energia e Calores Específicos Coeficiente de Compressibilidade 38 Coeficiente de Expansão Volumétrica Viscosidade Tensão Superficial e Efeito Capilar 45 Efeito Capilar 47 Resumo 48 Referências e Leituras Sugeridas 49 Aplicação em Foco: Cavitação 50 Problemas 51 CAPÍTULO 3 PRESSÃO E ESTÁTICA DOS FLUIDOS 56 ' 3-1 Pressão Pressão em um Ponto 58 Variação da Pressão com a Profundidade 59 O Ma êmerro 61 Outros Dispositivos de Medição da Pressão 64 O Barômetro e a Pressão Atmosférica 65 Introdução à Estática dos Fluidos 68 Forças Hidrostáticas sobre Superfícies Planas Submersas 69 Caso Especial: Placa Retangular Submersa 72 Forças Hidrostáticas sobre Superfícies Curvas Submersas 74 Flutuação e Estabilidade 77 Estabilidade de Corpos Imersos e Flutuantes 80 Fluidos em Movimento de Corpo Rígido 82 Caso Especial 1: Fluidos em Repouso 84 Caso Especial 2: Queda Livre de um Corpo Fluido 84 Aceleração em uma Trajetória Reta 84 Rotação em um Contêiner Cilíndrico 86 Resumo 89 Referências e Leituras Sugeridas 90 Problemas 90 CAPÍTULO 4 CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Descrições Lagrangiana e Euleriana 104 Campo de Aceleração 106 Derivada Material Fundamentos da Visualização do Escoamento 110 Linhas de Corrente e Tubos de Corrente 110 Linhas de Trajetória 112

2 Linhas de Emissão 113 Linhas de Tempo 115 Técnicas de Refração para Visualização do Escoamento 116 Técnicas de Visualização do Escoamento em Superfícies Representação Gráfica dos Dados de Escoamento de Fluidos 117 Gráficos de Perfil 117 Gráficos Vetoriais 118 Gráfico de Contornos Outras Descrições Cinemáticas 119 TIpos de Movimento ou Deformação dos Elementos de Fluido 119 Vorticidade e Rotacionalidade 124 Comparação entre Dois Escoamentos Circulares O Teorema de Transporte de Reynolds 128 Dedução Alternativa do Teorema de Transporte de Reynolds l33 Relação entre a Derivada Material e o TTR 135 Resumo 135 Aplicação em Foco: Atuadores Fluídicos 136 Referências e Leituras Sugeridas 137 Problemas 137 CAPÍTULO 5 EQUAÇÕES DE CONSERVAÇÃO DE MASSA, DE BERNOULLI E DE ENERGIA Introdução 149 Conservação de Massa 149 Conservação do Momento 149 Conservação de Energia Conservação de Massa 150 Vazões em Massa e Volume 150 Princípio de Conservação de Massa 151 Volumes de Controle Móveis ou Deformáveis 153 Balanço de Massa para Processos com Escoamento em Regime Permanente 154 Caso Especial: Escoamento Incompressfvel Energia Mecânica e Eficiência A Equação de Bernoulli 161 Aceleração de uma Partícula de Fluido 161 Dedução da Equação de Bernoulli 162 Balanço de Forças Transversal às Linhas de Corrente 164 Escoamento Compressível Não Permanente 164 \..Pressões Estática, Dinâmica e de Estagnação 164 e- / Limitações do Uso da Equação de Bernoulli 166 Linha Piezométrica (HGL) e Linha de Energia (EGL) Aplicações da Equação de Bernoulli Equação Geral da Energia 175 Transferência de Energia por Calor, Q 176 Transferência de Energia por Trabalho, W Análise de Energia de Escoamentos em Regime Permanente 179 Caso Especial: Escoamento Incompressfvel sem Nenhum Dispositivo de Trabalho Mecânico e Atrito Desprezível 182 Fator de Correção da Energia Cinética, a 182 Resumo 188 Referências e Leituras Sugeridas 189 Problemas 189 CAPÍTULO 6 ANÁLISE DE MOMENTO NOS SISTEMAS DE ESCOAMENTO Leis de Newton e Conservação do Momento Escolhendo um Volume de Controle 199 Forças Que Atuam sobre um Volume de Controle 200 A Equação do Momento 203 Casos Especiais 204 Fator de Correção do Fluxo do Momento, f3 205 Escoamento em Regime Permanente 206 Escoamento em Regime Permanente com uma Entrada e uma saída 207 Escoamento sem Forças Externas 207 Revisão do Movimento de Rotação e do Momento Angular 215 Equação do Momento Angular 217 Casos Especiais 219 Escoamento sem Torques Externos 220 Dispositivos com Escoamento Radial 220 Resumo 225 Referências e Leituras Sugeridas 226 Problemas 226 CAPÍTULO 7 ANÁLISE DIMENSIONAL E MODELAGEM Dimensões e Unidades Homogeneidade Dimensional 233 Adimensionalização das Equações Análise Dimensional e Similaridade O Método das Variáveis Repetidas eo Teorema Pi de Buckingham 242 Destaque Histórico: Pessoas Homenageadas pelos Parâmetros Adimensionais Testes Experimentais e Semelhança Incompleta 256 Configuração de uma Experiência e Correlação dos Dados Experimentais 256 Semelhança Incompleta 257 Teste no Túnel de Vento 257 Escoamentos com Superfícies Livres 260 Aplicação em Foco: Como uma Mosca Voa 262 Resumo 263 Referências e Leituras Sugeridas 263 Problemas 264 CAPÍTULO 8 ESCOAMENTO EM TUBOS ). 8-2 Introdução 278 Escoamentos Larninar e Turbulento Número de Reynolds

3 "/( 8-3 A Região de Entrada Comprimentos de Entrada 282 Escoamento Laminar em Tubos 282 Queda de Pressão e Perda de Carga 284 Tubos Inclinados 286 Escoamento Laminar em Tubos Não Circulares 287 Escoamento Turbulento em Tubos 290 Tensão de Cisalhamento Turbulenta 291 Perfil da Velocidade Turbulenta 292 O Diagrama de Moody 295 Tipos de Problemas de Escoamento de Fluidos 297 Perdas Menores 301 Redes de Tubulações e Seleção de Bomba 307 Sistemas de Tubulações com Bombas e Turbinas Medição de Vazão e Velocidade 316 Sonda de Pitot e Sonda Estática de Pitot 317 Medidores de Vazão por Obstrução: Orifício, Venturi e Medidores de Bocal 318 Medidores de Vazão por Deslocamento Positivo 321 Medidores de Vazão Tipo Turbina 322 Medidores de Vazão de Área Variável (Rotâmetros) 323 Medidores de Vazão Ultra-Sônicos 324 Medidores de Vazão Eletromagnéticos 326 Medidores de Vazão de Vórtice 327 Anemômetros Térmicos (Fio Quente e Filme Quente) 328 Velocimetria Laser Doppler 329 Velocimetria por Imagem de Partícula 330 Aplicação em Foco: Como Funcionam, ou Não Funcionam, os Medidores de Vazão de Placa de Orifício 333 Resumo 334 Referências e Sugestões de Leitura 335 Problemas 336 CAPÍTULO 9 ANÁLISE DIFERENCIAL DE ESCOAMENTO DE FLUIDO Introdução Conservação da Massa - A Equação da Continuidade 346 Dedução Usando o Teorema do Divergente 347 Dedução Usando um Volume de Controle Infinitesimal 348 Forma Alternativa da Equação da Continuidade 351 Equação da Continuidade em Coordenadas Cilíndricas 351 Casos Especiais da Equação da Continuidade A Função Corrente 357 A Função Corrente em Coordenadas Cartesianas 357 A Função Corrente em Coordenadas Cilíndricas 363 A Função Corrente Compressível Conservação do Momento Linear - Equação de Cauchy 365 Dedução Usando o Teorema do Divergente 366 Dedução Usando um Volume de Controle Infinitesimal 367 Forma Alternativa da Equação de Cauchy 369 Dedução Usando a Segunda Lei de Newton A Equação de Navier-Stokes 370 Introdução 370 Fluidos Newtonianos versus Fluidos Não Newtonianos ix SUMÁRIO Dedução da Equação de Navier-Stokes para Escoamento Incompressível, Isotérmico 372 Equações da Continuidade e de Navier-Stokes em Coordenadas Cartesianas 374 Equações da Continuidade e de Navier-Stokes em Coordenadas Cilíndricas 374 Análise Diferencial dos Problemas de Escoamento de Fluidos 375 Cálculo do Campo de Pressão para um Campo de Velocidade Conhecido 375 Soluções Exatas das Equações da Continuidade e de Navier- Stokes 380 Condições de Contorno 381 Resumo 397 Referências e Leituras Sugeridas 397 Problemas 397 CAPÍTULO 10 SOLUÇÕES APROXIMADAS DA EQUAÇÃO DE NAVIER-STOKES Introdução Equações de Movimento na Forma Adimensional A Aproximação de Escoamento Lento 414 Arrasto em uma Esfera em Escoamento Lento Aproximação para Regiões do Escoamento sem Viscosidade 418 Dedução da Equação de Bernoulli em Regiões de Escoamento Sem Viscosidade A Aproximação de Escoamento Irrotacional 422 Equação da Continuidade 422 Equação do Momento 422 Dedução da Equação de Bernoulli em Regiões Irrotacionais do Escoamento 424 Regiões Irrotacionais de Escoamento Bidimensionais 427 Superposição em Regiões Irrotacionais de Escoamento 430 Escoamentos Planares Irrotacionais Elementares 430 Escoamentos Irrotacionais Formados pela Superposição A Aproximação da Camada Limite 445 As Equações da Camada Limite 449 O Procedimento de Camada Limite 453 Espessura de Deslocamento 457 Espessura do Momento 460 Camada Limite Turbulenta sobre uma Placa Plana 462 Camadas Limites com Gradientes de Pressão 467 A Técnica Integral de Momento para Camadas Limites 471 Resumo 479 Referências e Leituras Sugeridas 479 Aplicação em Foco: Formação de Gotículas 480 Problemas 481 CAPÍTULO 11 ESCOAMENTO SOBRE CORPOS: ARRASTO E SUSTENTAÇÃO Introdução Arrasto e Sustentação 492

4 MECÂNICA x DOS FLUIDOS 11-3 Arrastos de Atrito e Pressão 495 Reduzindo o Arrasto por Carenagem 496 Separação de Escoamento Coeficientes de Arrasto de Geometrias Comuns 499 Sistemas Biológicos e Arrasto 500 Coeficiente de Arrasto de Veículos 502 Superposição Escoamento Paralelo sobre Placas Planas 506 Coeficiente de Atrito Escoamento sobre Cilindros e Esferas 510 Efeito da Rugosidade da Superfície Sustentação 514 Efeitos de Extremidade das Pontas das Asas 517 Sustentação Gerada pela Rotação 519 Resumo 523 Referências e Leituras Sugeridas 524 Aplicação em Foco: Redução de Arrasto 525 Problemas 526 CAPÍTULO 12 ESCOAMENTO COMPRESsíVEL Propriedades de Estagnação Velocidade do Som e Número de Mach Escoamento Isentrópico Unidimensional 539 Variação da Velocidade do Fluido com a Área de Escoamento 541 Relações de Propriedades para o Escoamento Isentrópico de Gases Ideais Escoamento Isentrópico através de Bocais 545 Bocais Convergentes 546 Bocais Convergentes-Divergentes Ondas de Choque e Ondas de Expansão 553 Choques Normais 554 Choques Oblíquos 559 Ondas de Expansão de Prandtl-Meyer Escoamento de Duto com Transferência de Calor e Atrito Desprezível (Escoamento de Rayleigh) 566 Relações de Propriedades para o Escoamento de Rayleigh 571 Escoamento Estrangulado de Rayleigh Escoamento em Duto Adiabático com Atrito (Escoamento de Fanno) 575 Relações de Propriedades para o Escoamento de Fanno 577 Escoamento de Fanno Estrangulado 581 Aplicação em Foco: Interações de Onda de Choque/Camada Limite 584 Resumo 585 Referências e Leituras Sugeridas 586 Problemas 586 CAPÍTULO 13 ESCOAMENTO EM CANAL ABERTO Classificação dos Escoamentos em Canal Aberto 596 Escoamentos Uniformes e Variados 596 Escoamentos Laminar e Turbulento em Canais Número de Froude e Velocidade de Onda 598 Velocidade das Ondas de Superfície Energia Específica Equações de Continuidade e Energia Escoamento Uniforme em Canais 607 Escoamento Crítico Uniforme 608 Método da Superposição para Perímetros Não Uniformes Melhores Seções Transversais Hidráulicas 611 Canais Retangulares 613 Canais Trapezoidais Escoamento Gradualmente Variado 616 Perfis de Superfície Líquida em Canais Abertos, y(x) 617 Alguns Perfis de Superfície Representativos 620 Solução Numérica para o Perfil de Superfície Escoamento Rapidamente Variado e Salto Hidráulico Controle e Medição do Escoamento 627 Comporta de Escoamento 627 Resumo 636 Referências e Sugestões de Leitura 637 Problemas 637 CAPÍTULO 14 <) TURBOMÁQUINAS Classificações e Terminologia Bombas 649 Curvas de Desempenho da Bomba e Escolha de uma Bomba para um Sistema de Tubulação 650 Cavitação de Bomba e Carga de Sucção Líquida Positiva 655 Bombas em Série e Paralelo 658 Bombas de Deslocamento Positivo 661 Bombas Dinâmicas 663 Bombas Centrífugas 663 Bombas Axiais Leis de Semelhança de Bombas 680 Análise Dimensional 680 Velocidade Específica de Bomba 682 Leis de Semelhança Turbinas 687 Turbinas por Deslocamento Positivo 688 Turbinas Dinâmicas 688 Turbinas por Impulso 688 Turbinas de Reação Leis de Semelhança para Turbinas 699 Parâmetros Adimensionais para Turbinas 699 Velocidade Específica da Turbina 702 Turbinas a Gás e Vapor 704

5 Aplicação em Foco: Atomizadores de Combustível Giratórios 706 Resumo 707 Referências e Leituras Sugeridas 707 Problemas 707 CAPÍTULO 15 INTRODUÇÃO À DINÂMICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL Introdução e Fundamentos 717 Motivação 717 Equações do Movimento 717 Procedimento da Solução 718 Equações Adicionais do Movimento 720 Geração e Independência de Malha 720 Condições de Contorno 724 A Prática Leva à Perfeição Cálculos CFD Larninares 728 Região de Entrada de Escoamento de Tubo em Re = em Re = Cálculos CFD Turbulentos 737 em Re = em Re = Projeto do Estator de um Ventilador Axial com Pás Direcionais CFD com Transferência de Calor 748 Elevação de Temperatura por meio de um Trocador de Calor com Escoamento Cruzado 749 Resfriamento de um Conjunto de Chips de Circuito Integrado Cálculos da CFD para o Escoamento Compressível 754 Escoamento Compressível através de um Bocal Convergente-Divergente 756 Choques Oblíquos sobre uma Cunha Cálculos da CFD para o Escoamento em Canal Aberto 760 Escoamento sobre uma Saliência na Parte Inferior de um Canal 760 Escoamento através de uma Comporta Basculante (Salto Hidráulico) 761 Aplicação em Foco: Um Estômago Virtual 763 Resumo 764 Referências e Leituras Sugeridas 764 Problemas 765 APÊNDICE xi SUMÁRIO TABELAS E DIAGRAMAS DE PROPRIEDADES (EM UNIDADES SI) 766 TABElA A-1 TABElA A-2 TABElA A-3 TABElA A-4 TABElA A-5 TABElA A-6 TABElA A-7 TABElA A-8 TABElA A-9 TABElA A-lO TABElA A-11 FIGURAA-12 TABElA A-13 TABElA A-14 TABELAA-15 TABELAA-16 Glossário 788 fndice 799 Massa Molar, Constante de Gás e Calores Específicos dos Gases de Algumas Substâncias 767 Propriedades dos Pontos de Ebulição e Congelamento 772 Propriedades da Água Saturada 773 Propriedades do Refrigerante Saturado-134a 774 Propriedades da Amônia Saturada 775 Propriedades do Propano Saturado 776 Propriedades dos Líquidos 777 Propriedades dos Metais Líquidos 778 Propriedades do Ar à Pressão de 1 atm 779 Propriedades dos Gases à Pressão de 1 atm 776 Propriedades da Atmosfera a Grandes Altitudes 782 Diagrama de Moody para o Fator de Atrito do Escoamento Completamente Desenvolvido em Tubos Circulares 783 Funções de Escoamento Compressível Isentrópico Unidimensional para um Gás Ideal com k = 1,4 784 Funções de Choque Normal Unidimensional para um Gás Ideal com k = 1,4 785 Funções de Escoamento de Rayleigh para um Gás Ideal com k = 1,4 786 Funções de Escoamento de Fanno para um Gás Ideal com k = 1,4 787