3. Hidráulica dos escoamentos em canais de leito fixo Classificação dos escoamentos

Documentos relacionados
Escoamentos Internos

2 a Prova de Mecânica dos Fluidos II PME /05/2012 Nome: No. USP

Escoamento em Regime Turbulento Perfil de velocidade média, U

5. Escoamentos em canais de leito móvel - Resistência ao escoamento Introdução: rugosidade de grão e de forma

MECÂNICA DOS FLUIDOS II. Introdução à camada limite. Introdução à camada limite. Conceitos:

Camada limite laminar

2 Fundamentos Teóricos

Vibrações mecânicas. Este movimento chama-se vibração mecânica, em princípio representa sempre efeitos indesejáveis

Disciplina: Camada Limite Fluidodinâmica

Cálculo de condutos. PMC 3230 Prof. Marcos Tadeu Pereira 2016 (Diversas figuras retiradas da internet sem identificação de origem)

PERDA DE CARGA CONTÍNUA

Disciplina: Camada Limite Fluidodinâmica

Capítulo 3 Comportamento mecânico dos materiais = = = =

Mecânica dos Fluidos I

Capítulo 4. Convecção Natural

TRANSMISSÃO DE CALOR resumo

Escoamentos não isotérmicos

+ MECÂNICA DOS FLUIDOS. n DEFINIÇÃO. n Estudo do escoamento de li quidos e gases (tanques e tubulações) n Pneuma tica e hidraúlica industrial

PARTE TEÓRICA U = 1 k 2,51 JD 2

HIDRODINÂMICA. Notas sobre o trabalho experimental CAMADA LIMITE TURBULENTA BI-DIMENSIONAL SOBRE PLACA PLANA COM GRADIENTE DE PRESSÃO

rectangular muito largo e que o escoamento é aproximadamente permanente e uniforme, estime o tipo de configuração do leito. Justifique.

Departamento de Engenharia Mecânica. ENG 1011: Fenômenos de Transporte I

2. Propriedades físicas dos sedimentos Propriedades dos grãos (partículas)

a. com fontes emissoras pontuais (chaminés); b. com fontes emissoras lineares (estradas);

ESCOAMENTO UNIFORME EM TUBULAÇÕES Créditos: PORTO, R.M. - EESC; LAUTENSCHLAGER, S. R. - UEM

Escoamentos exteriores. Escoamento em torno de um cilindro/esfera. Matéria:

Capítulo 6: Escoamento Externo Hidrodinâmica

PARTE TEÓRICA (Duração: 1.00h)

Composição de movimentos. P(x,y) y(t) x(t) descoberta de Galileu

MAP INTRODUÇÃO MATEMÁTICA À MECÂNICA DOS FLUIDOS 2 o semestre de 2006 ESPIRAL DE EKMAN KLEITON BLANE

f R e P o D. Vimos que (Po x

3 Teoria de Ondas Marítimas

Mecanismos de transferência de calor

Hidráulica Geral (ESA024A)

Mecânica dos Fluidos II (MEMec) Aula de Resolução de Problemas n o 6

Antenas de Tanguá (RJ)

Escoamento em Regime Turbulento Aproximações de Reynolds (RANS equations)

Transmissão de Calor I - Prof. Eduardo Loureiro. Distribuição de temperatura na camada limite para um fluido escoando sobre uma placa aquecida.

Introdução Equações médias da turbulência Estrutura turbulenta de cisalhamento Transporte de energia cinética turbulenta. Turbulência. J. L.

Avaliação Energética do Escoamento em Tubos. Supondo um escoamento permanente num tubo de seção variável, a equação da energia seria: =0

Caracterização experimental de escoamentos em canais de secção composta

Transferência de Calor

Aula: ESCOAMENTO UNIFORME EM TUBULAÇÕES

INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO

Hidrologia e Recursos Hídricos 2016 / 2017

Escoamento potencial

Disciplina: Camada Limite Fluidodinâmica

Transferência de calor por convecção

MECÂNICA DOS FLUIDOS I Engenharia Mecânica e Naval 1º Teste 30 de Outubro de 2015, 18h00m Duração: 2 horas

Objetivos da terceira aula da unidade 6

FENÔMENOS DOS TRANSPORTES. Definição e Conceitos Fundamentais dos Fluidos

A variação de pressão num duto resulta da variação da elevação, da velocidade e do atrito e pode ser determinada aplicando a Eq.

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Aerodinâmica 1º Semestre 2014/15

Hidráulica. Escoamento Uniforme em Tubulações. Hidráulica. Aula 3 Professor Alberto Dresch Webler 2015

Diferença Média de Temperatura entre os Fluidos

Capítulo 6: Escoamento Externo Hidrodinâmica

Convecção Forçada Interna a Dutos

Notas de aula prática de Mecânica dos Solos I (parte 12)

Escoamentos Internos

VENHA PARA ESSE MUNDO.

HIDRÁULICA GERAL PRÁTICA N TEMA: Escoamento de fluidos em encanamentos; PERDA DE CARGA.

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Aerodinâmica 1º Semestre 2016/17

Hidráulica Geral (ESA024A) Prof. Homero Soares

4 Análise dimensional para determinação da frequência e fator de amplificação do pico máximo

Numa instalação quanto maior forem as perdas, maior será o consumo de energia da bomba. Para estimar os gastos com energia é necessário que o cálculo

Resoluções dos problemas

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Aerodinâmica 1º Semestre 2012/13

Transferência de Calor

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Aerodinâmica 1º Semestre 2012/13

Vicente Luiz Scalon. Disciplina: Transmissão de Calor

PROV O ENGENHARIA QUÍMICA. Questão nº 1. h = 0,1 m A. Padrão de Resposta Esperado: a) P AB = P A B. Sendo ρ água. >> ρ ar. Em B : P B. .

FENTRAN. Universidade Federal Fluminense Escola de Engenharia. Aula 9 Escoamento em tubulações

As seguintes considerações devem ser feitas inicialmente ou ao longo do trabalho:

Mecânica dos Fluidos I

CONVECÃO NATURAL. É o processo de transferência de calor induzido por forças gravitacionais, centrífugas ou de Coriolis.

FENÔMENOS DE TRANSPORTE

Universidade Nova de Lisboa Faculdade de Ciências e Tecnologia Departamento de Engenharia Civil

Resistência Viscosa Escoamento em torna da querena. Resistência Viscosa Escoamento em torna da querena

Mecânica dos Fluidos Formulário

Camada Limite Laminar

ANÁLISE COMPARATIVA DE METODOLOGIAS DE MEDIÇÃO DE VAZÃO ABORDADAS NO ENSINO DAS CIÊNCIAS TÉRMICAS

PME Escoamento Viscoso em Condutos. Características Gerais Escoamento laminar Noções de camada limite. Alberto Hernandez Neto

Introdução aos Fenômenos de Transporte

Fenômenos de Transporte Aula 1. Professor: Gustavo Silva

EM34B Transferência de Calor 2

Corpos Não-Fuselados

Cálculo 1 4ª Lista de Exercícios Derivadas

Condutos Livres Canais Escoamento Uniforme. Disciplina: CIV271 - HIDRÁULICA Curso: ENGENHARIA AMBIENTAL ESCOLA DE MINAS - UFOP Ouro Preto / 2015

Métodos Numéricos para Mecânica dos Fluidos

Princípios de Análise Dimensional

Osciladores lineares contínuos

Aerodinâmica I. Cálculo Numérico do Escoamento em Torno de Perfis Método dos paineis Γ S

Matemática A. Versão 1. Na sua folha de respostas, indique de forma legível a versão do teste. Teste Intermédio de Matemática A.

HIDRÁULICA. REVISÃO 1º Bimestre

Transferência de Calor

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E ARQUITECTURA SECÇÃO DE HIDRÁULICA E RECURSOS HÍDRICOS E AMBIENTAIS. Hidráulica Aplicada 2011/2012.

Regime Permanente. t t

Conceitos Fundamentais 1.1

Transcrição:

3. Hidrálica dos escoamentos em canais de leito ixo Revisão de conceitos de Hidrálica Geral 3.1. Classiicação dos escoamentos Número de Reynolds: exprime a importância das orças de viscosidade em relação às orças de inércia do lido: Re Forças inércia ρ L U Forças µ LU viscosidade Re LU ν L e U são o comprimento e velocidade características do escoamento; Em escoamentos em sperície livre; L ~R (raio hid.) Re < 500 escoamentos laminares: trajectórias e linhas de corrente bem deinidas, movimento organizado, estável; resistência ao escoamento somente por tensões tangenciais de origem viscosa; 500 < Re < 10000: escoamento de transição; III 1

Re > 10000 escoamentos trblentos: trajectórias indeinidas, movimentos desorganizado, disão mito rápida, existência de trbilhões; resistência ao escoamento pela existência de tensões de origem trblenta (devido à troca de energia entre partíclas), U + ', sendo Uvelocidade média e a oscilação em torno da média. Tensão de Reynolds: τ xy ρ 'v' Para a ága: ν 10-6 Em geral, os escoamentos com interesse em hidrálica lvial processam-se em regime trblento. Número de Frode: exprime a importância das orças de gravidade em relação às orças de inércia do lido: Fr Forçasinércia ρ L U Forças 3 ρ g L gravidade Fr U g L III

Em escoamentos em canais, L h m altra média do escoamento A/b, sendo A a secção transversal e b a U largra spericial; Fr g h m c g hm celeridade de propagação de peqenas pertrbações; Fr < 1 regime lento: comandado por jsante; pertrbações propagam-se para montante e jsante; Fr > 1 regime rápido: comandado por montante; pertrbações propagam-se para jsante. Regimes rápidos podem ocorrer em rios de montanha e em zonas singlares (descarregadores, qedas brscas, etc.), sendo o mais comm, em rios, o regime lento III 3

Tipos de escoamentos Permanentes: em qalqer secção, o escoamento é invariável com o tempo cadal, altra, velocidade, etc. são constantes em cada secção; Ψ t 0 Uniormes (U constante ao longo de cada trajectória, o ainda, Q, U, h constantes ao longo do percrso): Ψ x 0 Gradalmente variados (distribição de pressões hidrostática) Rapidamente variados (ex.: ressalto hidrálico) Variáveis: Ψ t 0, (ex.: acontece em cheias) Dimensionalidade do escoamento: Considera-se D qando h<<b niorme na vertical velocidade Considera-se 1D qando L >>B (em regra basta 0x!) III 4

3.. Distribição das tensões tangenciais Considere-se m escoamento niorme e bidimensional (B >>h) A tensão tangencial na direcção do escoamento, τ, à distância y do ndo pode obter-se considerando o eqilíbrio de orças actando nm volme de controle: Nível de reerência (Adaptado de Cardoso, 1998) Eqilíbrio das orças de pressão nas aces AB e CD Qantidade de movimento em AB é igal em CD Força de atrito na ace BC componente do peso segndo a direcção x: W x W sin θ WJ γ ( h y ) dx J III 5

sendo J a perda de carga nitária. Nota: a linha da sperície livre é paralela à linha de energia e ao ndo do canal: J sin θ tanθ i Em eqilíbrio: WJ τ dx 0 y τ γ h J 1 h A tensão de arrastamento jnto ao ndo é: τ 0 γ h J Para escoamentos 3D, pode-se generalizar a expressão anterior, tilizando o raio hidrálico τ 0 γ R J Em regime trblento: τ τ t + τ l sendo τ t ρ 'v' (tensão trblenta), qe pode ser aproximada por mistra de Prandtl: τ t ρ l l d, (l comprimento de dy κy, κ 0.4cte. de Von Karman) e com d τ l µ (tensão de origem viscosa) dy τ << τ, ora da camada limite. l t III 6

Sbcamada viscosa Variação da tensão tangencial com a prondidade (adaptado de Cardoso, 1998) 3.3. Distribição de velocidades de escoamentos trblentos Região interior (o de parede), y/h 0.15-0. : o escoamento depende directamente da tensão de arrastamento, τ 0 Sbcamada viscosa; d τ 0 µ τ 0 y dy µ y, ν III 7

em qe ρ velocidade de atrito τ 0 A espessra da sbcamada viscosa é: 11.6ν δ ' Sbcamada de transição; Sbcamada trblenta: da hipótese de Prandtl ( l κy, τ t ρ l d ) reslta: dy d κ y dy, qe integrando, 1 ν y d d, condz a: κ y ν 1 y κ ln ν + Cte III 8

Esta eqação é geralmente apresentada na orma: 1 ln κ y k + Cte sendo Cte(Re ), com Re y/k, krgosidade eqivalente de Nikradse. Lei logarítmica de distribição de velocidades Tem sido generalizada para a região exterior, embora, em rigor, não seja válida nessa região porqe a hipótese de Prandtl é demasiado simples. Na prática, a sa aplicação tem rigor aceitável! Região exterior, y/h 0.15-0. : o escoamento depende só indirectamente da tensão de arrastamento, τ 0 ; domina o regime trblento; viscosidade é desprezável; hipótese de Prandtl inválida. Neste domínio: y) ( U, h,τ, ρ ) ( c 0 onde U c velocidade máxima do escoamento, qe ocorre próximo da sperície. III 9

Com base na análise dimensional e em resltados experimentais, a lei de velocidades na região exterior é dada por (Coles, 1956): U c 1 ln κ y h + 1 + κ π y cos h sendo o parâmetro de Coles, 0.1-0.. Esta eqação também se pode aplicar à região interior, (y/h 0), com excepção da sbcamada viscosa. III 10

3.4. Fórmlas de resistência ao escoamento Escoamento niorme 3.4.1. Fórmla de Colebrook-White Pode ser dedzida a partir da generalização, para todo o escoamento, da lei logarítmica de parede para escoamentos trblentos lisos e rgosos: 1 log k a R + b Re com actor de resistência de Darcy-Weisbach, 8gRJ U 1 < a 0 < b < 15, consoante a orma da secção transversal < 6 Canais mito largos: a 1, b 3.4 Tbos circlares comerciais: a 14.8, b.51 III 11

3.4.. Fórmla de Chezy Fórmla empírica: A tensão média de arrastamento nma dada secção é dada por: U τ 0 C ρ em qe C é o coeiciente de resistência local. Para o regime trblento rgoso niorme, τ ρ g R J 0, pelo qe nestas condições, a velocidade do escoamento é dada por: U C R J, com C g C Coeiciente de Chezy (L 1/ T -1 ) C depende do material do ndo e da prondidade do escoamento. Pode ser determinado com recrso às órmlas de Bazin: C 87 γ + R R o de Ktter: C 100 m + R R com m e γ tabelados (Qintela, p.15) III 1

o pode ser ainda relacionado com a eqação de Manning por C R 1/ 6 n, sendo n o coeiciente de rgosidade de Manning 3.4.3. Fórmla de Manning (Gackler-Manning-Strickler) Aplicável, rigorosamente, somente para escoamentos trblentos rgosos: 1 / 3 1/ U R J, n o U / 3 1/ R J, K s com K s coeiciente de Strickler (tabelas Lencastre) e n coeiciente de rgosidade de Manning (L -1/3 T) O coeiciente de rgosidade n de canais com vegetação depende das características do escoamento: Cadal elevado Vel. elevada vegetação crvada resistência redzida O oposto para cadais racos. III 13

Fórmla de Strickler: n 1 K s 1 6 D, sendo D o diâmetro 1.1 de areia niorme (m). Esta órmla oi determinada com base em experiências com ndos ixos (areia colada) e com ndos de seixo Em leitos de rios, a resistência de arrastamento ao escoamento depende da: resistência do grão (orças de atrito) resistência de orma (variação brsca do campo de pressões e velocidades) Exemplo: para areias não niormes, Meyer-Peter e Müller (1948) relacionaram a rgosidade (resistência) do grão com n: n 1 6 1 D90 K s 6, ([D]m, e [n]m -1/3 s). Os rios com ndos de seixo têm m comportamento semelhante aos canais de ndo ixo: III 14

Para enrocamentos, órmla do Federal Highway Administration (USA): 1 6 50 n 0.04815D ([D 50 ]m) A partir de dados de 67 rios com ndos de calha e seixo, Bray (1979) propõe a seginte órmla para o coeiciente de Darcy-Weisbach: 1 1 1.36 h D 50 0.81 III 15