Hidráulica princípios básicos

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1 Hidráulica princípios básicos

2 Hidráulica e Mecânica dos Fluidos o Hidráulica Líquidos Até pouco tempo todo o trabalho se limitava à água. o Mecânica dos Fluidos Líquidos e gases. Hidráulica: representa o estudo do comportamento da água e de outros líquidos, quer em repouso, quer em movimento.

3 Divisão da Hidráulica o Hidráulica Geral ou Teórica Hisdrostática Hidrocinética Hidrodinâmica o Hidráulica Aplicada ou Hidrotécnica Se tratti di acqua anteponi l esperienza alta teoria. [Leonardo Da Vinci]

4 Hidráulica Aplicada o Urbana: Sistemas de abastecimento de água Sistemas de esgotamento sanitário Sistemas de drenagem pluvial Canais o Rural: Sistemas de drenagem Sistemas de irrigação Sistemas de água potável e esgotos o Instalações Prediais: Industriais Comerciais Residenciais Públicas

5 Hidráulica Aplicada o Lazer e paisagismo o Estradas (drenagem) o Defesa contra inundações o Geração de energia o Navegação, obras marítimas e fluviais

6 Breve Histórico (3750 a.c.) canais de irrigação na Babilônia; (3750 a.c.) coletores de esgoto em Nipur (Babilônia); ( a.c.) lago artificial Meris para regularizar as águas do baixo Nilo; (691 a.c.) primeiro sistema público de abastecimento de água, aqueduto de Jerwan, construído na Assíria; ( a.c.) grandes aquedutos romanos foram construídos em várias partes do mundo;

7 Breve Histórico (250 a.c.) Arquimedes (Princípios da Hidrostática); ( ) Leonardo da Vince (Equação da continuidade); ( ) Bernoulli (Equação de Bernoulli); ( ) Euler (Teorema fundamental das turbomáquinas); ( ) Venturi (Medidor de Venturi); ( ) Fourneyron (Primeira turbina hidráulica).

8 História das Máquinas de Fluxo Bomba de Arquimedes Bomba de Arquimedes instalada no Japão Turbina Hidráulica - Fourneyron Bomba de Arquimedes em estação de tratamento de água

9 Definição de Fluido Um fluido é uma substância que se deforma continuamente sob a aplicação de uma tensão de cisalhamento (tangencial), não importa o quão pequena ela possa ser. Obs.: Um sólido deforma-se quando uma tensão de cisalhamento lhe é aplicada, mas não continuamente. Fluidos fases líquida e gasosa (ou de vapor)

10 Sistema de Unidades As "unidades" de grandezas físicas (dimensões de um corpo, velocidade, força, trabalho ou potência) permitem organizar o trabalho científico e técnico sendo que, com apenas sete grandezas básicas é possível formar um sistema que abranja todas as necessidades. As abreviaturas das unidades SI são escritas com letras minúsculas nos termos como horas (h), metros (m) e segundos (s). A exceção é o litro, que ao invés de se abreviar por l, utiliza-se a letra L. Quando uma unidade é designada por um nome próprio, a abreviatura (mas não o nome por extenso) é escrita com letra maiúscula. Exemplos são o Watt (W), o Pascal (Pa) e Newton (N). Grandezas básicas do SI

11 Sistema de Unidades Os múltiplos e submúltiplos, expressos em potências de 10 3, são indicados por prefixos, os quais também são abreviados. Grandezas e unidades mais utilizadas Prefixos usualmente utilizados

12 Viscosidade Viscosidade (μ) é a propriedade pela qual um fluido oferece resistência ao cisalhamento, ou seja, ao escoamento. µ = kg m & s A viscosidade cinemática (ν) aparece em muitas aplicações, como por exemplo, no coeficiente denominado número de Reynolds, utilizado na caracterização dos regimes de escoamento. µ ν = ρ viscosidade absoluta massa específica 2 m s

13 Viscosidade e Perda de Carga Valores de viscosidade cinemática da água, em função da temperatura. Em consequência dos atritos e, principalmente, da viscosidade, o escoamento de um líquido em uma canalização somente se verifica com certa dissipação de energia, comumente denominada por perda de carga.

14 Viscosidade e Perda de Carga Viscosidade (μ) é a propriedade pela qual um fluido oferece resistência ao cisalhamento, ou seja, ao escoamento. viscosidade cinemática ν = µ ρ viscosidade dinâmica massa específica 2 m s Em consequência dos atritos e, principalmente, da viscosidade, o escoamento de um líquido em uma canalização somente se verifica com certa dissipação de energia, comumente denominada por perda de carga.

15 Pressão de Vapor Dependendo da pressão a que está submetido, um líquido entra em ebulição a uma determinada temperatura; variando a pressão, varia a temperatura de ebulição. Por exemplo, a água entra em ebulição à temperatura de 100 C quando a pressão é 1,033 kgf cm -2 (1 atm.), mas também pode ferver a temperaturas mais baixas se a pressão também for menor. Portanto, pressão de vapor corresponde ao valor da pressão em que há mudança da fase líquida para a gasosa. Essa propriedade é fundamental na análise do fenômeno da cavitação, pois quando um líquido inicia a ebulição, inicia-se também a cavitação.

16 Viscosidade e Perda de Carga Valores de massa específica, peso específico e pressão de vapor d água, em função da temperatura.

17 Massa Específica A massa específica (ρ) ou densidade absoluta de uma substância é expressa pela massa da unidade de volume dessa substância. ρ = M V massa volume M 3 L kg 3 m g cm S.I.: Absoluto: Inglês: 3 slug 3 pe

18 Densidade relativa Chama-se densidade relativa ou simplesmente densidade (d) de um material a relação entre a massa específica desse material e a massa específica de uma substância tomada por base: no caso de líquidos esta substância é a água; tratando-se de gases geralmente se adota o ar. d = ρ ρ HO 2 [adimensional] d = ρ fluido ou sólido ρ padrão

19 Peso Específico Denomina-se peso específico (γ) de um material homogêneo ao peso da unidade do volume desse material. γ = mg V peso volume γ = ρ g F 3 L N m S.I.: Absoluto: Inglês: 3 dyna 3 cm lbf pe 3

20 HIDROSTÁTICA Estática dos fluidos (hidrostática): parte da hidráulica que estuda os líquidos em repouso. p = F A força área N m 2 ; kgf cm 2 ; mca... Lei de Pascal Em qualquer ponto no interior de uma massa líquida em repouso e homogênea, a pressão é a mesma em todas as direções. A prensa hidráulica é uma importante aplicação desta lei.

21 HIDROSTÁTICA Lei de Stevin: pressão devida a uma coluna líquida. A diferença de pressão entre dois pontos de um líquido em equilíbrio é igual à diferença de nível entre os pontos, multiplicada pelo peso específico do líquido. p = ρgh p ) p + = γh γ = peso específico do líquido.

22 MANOMETRIA A pressão na superfície de um líquido é exercida pelos gases que se encontram acima, geralmente à pressão atmosférica. Experiência de Torricelli A conclusão é que o ar atmosférico tem peso, por conseguinte, exerce pressão vácuo A pressão atmosférica varia com a altitude, correspondendo ao nível do mar, a uma coluna de água de 10,33 m. mercúrio 760 mmhg

23 Escalas de Pressão Para expressar a pressão de um fluido podemos utilizar duas escalas: Pressão manométrica: pressão em relação à pressão atmosférica; Pressão absoluta: pressão em relação ao vácuo absoluto. 1 1 atm 760 mmhg 10,33 mca 1 kgf/cm 2 0,1 MPa Ponto 1: pressão manométrica positiva; Ponto 2: pressão manométrica nula; Ponto 3: pressão manométrica negativa. 2 3 P KLM normal P KLM local vácuo parcial vácuo absoluto 1 atm 10,33 mca 1 kgf cm ) 9,8 10 k N m ) 0,098 MPa 1 atm 10 p N m ) 0, 1 MPa

24 Tipos de Pressão A um fluido com pressão atmosférica pode-se acrescentar ou retirar pressão. Tais pressões são denominadas efetivas ou manométricas, pois são medidas por manômetros e podem ser positivas ou negativas. Um fluido está sujeito, portanto, a dois tipos de pressão: a atmosférica e a efetiva. A somatória dos valores das duas pressões dará o que denomina-se pressão absoluta. P qrs = P qtu + P wx

25 Medidores de Pressão Piezômetro: é o mais simples dos manômetros. A altura da água no tubo corresponde à pressão, e o líquido indicador é o próprio fluído da tubulação onde está sendo medida a pressão. Manômetro de tubo em U: É usado quando a pressão a ser medida tem um valor grande ou muito pequeno. Para tanto utiliza-se um líquido de grande massa específica.

26 Medidores de Pressão Manômetro diferencial: o manômetro do tipo Tubo em U pode ser utilizado para medir a diferença de pressão ente dois pontos, neste caso o mesmo passa a ser chamado de manômetro diferencial. Manômetro metálico ou de Bourdon: O manômetro analógico tipo Bourdon é o mais utilizado na prática, serve para medir pressões manométricas positivas e negativas. São instalados diretamente no ponto onde se quer medir a pressão.

27 Hidrodinâmica É a ciência que estuda a água em movimento. Métodologias para resolução de problemas: Método de Lagrange e Teorema de Euler. Vazão ou descarga: Chama-se vazão ou descarga, numa determinada seção, o volume de líquido que atravessa essa seção na unidade de tempo. Q = volume tempo m z s Q = A & v dq dt = A & ds dt A = área de passagem do fluido; v = velocidade do fluido.

28 Regime de escoamento Regime Laminar: a trajetória da partícula é bem definida; Regime turbulento: as partículas se deslocam desordenadamente; Regime Laminar: Re Regime de transição: instável. Regime Turbulento: Re Transição: < Re < R ~ = ρ & v & D μ A = massa específica do fluido; μ = viscosidade dinâmica do fluido; v = velocidade do escoamento; D = diâmetro da tubulação.

29 Teorema de Bernoulli Ao longo de qualquer linha de corrente é constante a soma das alturas cinética Š ) piezométrica Œ e potencial z. γ + v ) ) 2g + z ) = p + γ + v ) + 2g + z + = constante p )

30 Equação de Bernoulli Seção 1 Seção 2 Escoamento permanente Escoamento incompressível Escoamento sem atrito z 1 z 2 Energia seção 1 = Energia seção 2 Energia pressão Energia velocidade + + Energia altura p v p v γ 2g γ 2g z = z2 Conservação massa: ρva = ρ va A1 > A2 v1 < v2

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32 Máquinas Termohidráulicas de Fluxo ρ = ρ cte cte Máquinas de Fluido Máquinas Hidráulicas Máquinas Térmicas BFT Turbomáquinas Máq. Deslocamento Positivo Turbomáquinas Máq. Deslocamento Positivo Operatrizes Motrizes Operatrizes Motrizes Bombas Líquidos Turbinas Hidráulicas Turbocompressores Turbinas a Vapor Ventiladores Gases Turbinas Eólicas Turbinas a Gás