Coleção UAB UFSCar Tecnologia Sucroalcooleira Wu Hong Kwong Fenômenos de transportes mecânica dos fluidos
Fenômenos de transportes mecânica dos fluidos
Reitor Targino de Araújo Filho Vice-Reitor Pedro Manoel Galetti Junior Pró-Reitora de Graduação Emília Freitas de Lima Secretária de Educação a Distância - SEaD Aline Maria de Medeiros Rodrigues Reali Coordenação UAB-UFSCar Claudia Raimundo Reyes Daniel Mill Denise Abreu-e-Lima Joice Otsuka Sandra Abib Coordenador do Curso de Tecnologia Sucroalcooleira Miguel Antonio Bueno da Costa Conselho Editorial José Eduardo dos Santos José Renato Coury Nivaldo Nale Paulo Reali Nunes Oswaldo Mário Serra Truzzi (Presidente) Secretária Executiva Fernanda do Nascimento UAB-UFSCar Universidade Federal de São Carlos Rodovia Washington Luís, km 235 13565-905 - São Carlos, SP, Brasil Telefax (16) 3351-8420 www.uab.ufscar.br uab@ufscar.br EdUFSCar Universidade Federal de São Carlos Rodovia Washington Luís, km 235 13565-905 - São Carlos, SP, Brasil Telefax (16) 3351-8137 www.editora.ufscar.br edufscar@ufscar.br
Wu Hong Kwong Fenômenos de transportes mecânica dos fluidos 2010
2010, Wu Hong Kwong Concepção Pedagógica Daniel Mill Supervisão Douglas Henrique Perez Pino Equipe de Revisão Linguística Ana Luiza Menezes Baldin Clarissa Neves Conti Daniela Silva Guanais Costa Francimeire Leme Coelho Jorge Ialanji Filholini Letícia Moreira Clares Luciana Rugoni Sousa Paula Sayuri Yanagiwara Sara Naime Vidal Vital Equipe de Editoração Eletrônica Christhiano Henrique Menezes de Ávila Peres Izis Cavalcanti Rodrigo Rosalis da Silva Equipe de Ilustração Jorge Luís Alves de Oliveira Lígia Borba Cerqueira de Oliveira Priscila Martins de Alexandre Capa e Projeto Gráfico Luís Gustavo Sousa Sguissardi Ficha catalográfica elaborada pelo DePT da Biblioteca Comunitária da UFSCar W959f Wu, Hong Kwong. Fenômenos de transportes : mecânica dos fluidos / Wu Hong Kwong. -- São Carlos : EdUFSCar, 2010. 153 p. -- (Coleção UAB-UFSCar). ISBN 978-85-7600-201-7 1. Mecânica dos fluidos. 2. Manometria. 3. Massa - conservação. 4. Energia - conservação. I. Título. CDD 620.106 (20 a ) CDU 532 Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta obra pode ser reproduzida ou transmitida por qualquer forma e/ou quaisquer meios (eletrônicos ou mecânicos, incluindo fotocópia e gravação) ou arquivada em qualquer sistema de banco de dados sem permissão escrita do titular do direito autoral.
........... SUMÁRIO APRESENTAÇÃO...................................................... 11 UNIDADE 1: Introdução à mecânica dos fluidos 1.1 Primeiras palavras.............................................. 15 1.2 Problematizando o tema... 15 1.3 Conceituação de um fluido... 16 1.4 Propriedades dos fluidos........................................ 17 1.5 Tensão em um ponto... 18 1.6 Pressão... 19 1.7 O fluido e o contínuo............................................ 19 1.8 Lei de viscosidade de Newton coeficiente de viscosidade.... 19 1.9 Reologia dos fluidos............................................ 22 1.10 Escoamento laminar e turbulento... 25 1.11 Experiência de Reynolds... 26 1.11.1 Número de Reynolds... 27 1.12 Algumas definições............................................. 28
UNIDADE 2: Estática dos fluidos 2.1 Introdução..................................................... 37 2.2 Pressão... 37 2.3 Variação da pressão com a posição... 37 2.4 Relação de pressão............................................. 41 2.5 Manometria.................................................... 43 2.6 Empuxo.... 46 2.7 Exercício resolvido... 46 UNIDADE 3: Balanço global de massa 3.1 Primeiras palavras.............................................. 51 3.2 Problematizando o tema... 51 3.3 Sistemas versus volumes de controle... 51 3.4 Balanço global de massa (BGM)... 52 3.4.1 Princípio da conservação de massa a um volume de controle fixo no espaço................................................. 52 3.5 Simplificações... 55 UNIDADE 4: Balanço global de energia 4.1 Primeiras palavras.............................................. 65 4.2 Balanço global de energia (BGE).... 65
4.3 Simplificações... 70 4.4 Balanço global de energia mecânica (BGEM).... 74 4.5 Tubo de Pitot................................................... 76 4.6 Exercícios resolvidos........................................... 79 UNIDADE 5: Balanço global de quantidade de movimento 5.1 Balanço global de quantidade de movimento (BGQM).............. 91 5.2 Simplificações... 92 5.3 Observação.................................................... 98 5.4 Exercícios resolvidos... 98 UNIDADE 6: Camada limite 6.1 Introdução.................................................... 107 6.2 Camada limite................................................. 107 6.2.1 Perfil de velocidade na camada limite laminar... 109 6.3 Coeficiente de resistência... 111 6.3.1 Resistência em escoamento sobre uma placa plana................ 112 6.4 Exercício resolvido... 114 UNIDADE 7: Escoamento turbulento 7.1 Primeiras palavras............................................. 119 7.2 Problematizando o tema... 119
7.3 Escoamento turbulento... 120 7.3.1 Velocidade média no tempo... 120 7.4 Distribuição de velocidade em um tubo circular liso............... 121 7.5 Observações.................................................. 124 7.6 Exercícios resolvidos... 124 7.7 Exercício... 126 UNIDADE 8: Equações de projeto para escoamento de fluidos incompressíveis 8.1 Primeiras palavras............................................. 129 8.2 Problematizando o tema... 129 8.3 Fator de atrito em tubos circulares.... 129 8.4 Escoamento laminar........................................... 130 8.5 Escoamento turbulento... 132 8.6 Rugosidade relativa............................................ 133 8.6.1 Rugosidade relativa para tubos comerciais....................... 136 8.7 Algumas equações para cálculo de escoamento de fluidos incompressíveis............................................... 136 8.7.1 Formas de cálculo de l wf para canos... 136 8.7.2 BGEM para canos não horizontais e com bomba ou turbina.......... 140 8.8 Comprimento equivalente.... 140
8.9 Aplicações.................................................... 143 REFERÊNCIAS....................................................... 151
APRESENTAÇÃO Como o principal objetivo neste livro é o projeto de sistemas bomba-tubulação, em que um fluido será bombeado de um ponto até outro, é importante saber os vários tipos de fluidos que existem, os quais serão estudados na Unidade 1. Durante o escoamento, há variações na pressão do fluido e a Unidade 2 tratará sobre isso. Devido ao deslocamento de fluido nesses sistemas, o desenvolvimento das equações parte da aplicação dos princípios de conservação de massa, energia e quantidade de movimento, que serão vistos nas Unidades 3, 4 e 5, respectivamente. A velocidade do fluido dentro do tubo pode ser alta ou baixa, assim é importante saber as características de cada caso. Essas características serão apresentadas nas Unidades 6 e 7. E, finalmente, o projeto desses sistemas em si será tratado na Unidade 8, na qual será aplicado o que foi visto nas Unidades 1 a 7. 11