A Área de Mecânica dos Fluidos

1. INTRODUÇÃO

A área de Mecânica dos Fluidos é de suma importância na formação dos engenheiros, sendo considerada uma grande base de conhecimento para a compreensão dos Fenômenos de Transporte. Ela é a parte da mecânica aplicada que se dedica a analise do comportamento de líquidos e gases tanto em equilíbrio quanto em movimento, conforme Rosa (2013, p. 4), “A matéria apresenta-se no estado sólido ou no estado fluido, este abrangendo os estados líquido e gasoso. O espaçamento e a atividade intermoleculares são maiores nos gases, menores nos líquidos e muito reduzido nos sólidos”.

Os Fluidos em questão são substâncias capazes de escoar e cujo volume toma a forma de seu recipiente, quando em equilíbrio, os fluidos não suportam forças tangenciais ou cisalhantes. Munson, Young e Okiishi (2004) nos trazem a contribuição do conceito de fluido, o definindo como:

[...] a substância que deforma continuamente quando submetida a uma tensão de cisalhamento de qualquer valor. A tensão de cisalhamento (força por unidade de área) é criada quando uma força atua tangencialmente numa superfície (MUNSON;YOUNG; OKIISHI, 2004, p. 02).

Os fluidos podem ser divididos em líquidos e gases, sendo o primeiro praticamente incompressível e ocupa volumes definidos, ao passo que os gases são compressíveis. Dessa forma caracteriza-se que a mecânica dos fluidos lida com o comportamento dos fluidos em repouso ou em movimento.

O escoamento de fluidos pode ser permanente (estável) ou não-permanente (instável); uniforme ou não-uniforme (variado); laminar ou turbulento; uni, di ou tridimensional; rotacional ou irrotacional, conforme mostra a figura 1 a seguir:

                           

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Fig 1- Tipos e regimes de escoamento

Dentre os escoamentos descritos acima destacaremos o escoamento laminar e turbulento, onde o escoamento laminar Fig 2 trata de um escoamento com baixa velocidade e as trajetórias das partículas são bem definidas e constantes. Em contra ponto o escoamento turbulento Fig 2 se define pelas altas velocidades de escoamento o que torna a trajetória das partículas desordenadas e indefinidas.

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Fig 2- Escoamento laminar e Turbulento

O engenheiro inglês Osbone Reynolds definiu valores específicos para a transição de categorias, definindo o numero de Reynolds como fator de classificação do regime de escoamento, delimitando assim os seguintes valores: regime laminar Re <=2000 e regime turbulento =>4000.

Daniel Bernoulli propôs a teoria da constância da carga da energia por unidade de volume de liquido, onde o dimensionamento de determinada tubulação é condicionado pelo comportamento líquido que esta sendo conduzido por ela.

O estudo de um escoamento turbulento totalmente desenvolvido em um tubo circular é utilizado na maioria das aplicações práticas, devido ao seu movimento desordenado é possível avaliar a queda de pressão analiticamente. As perdas em escoamentos dentro de tubulações se classificam em perdas de carga distribuídas ou Primárias e Perdas de carga localizadas ou Secundárias. A perda de carga distribuída conforme Ferreira e Marques (2017),  

[...] trata de energia dissipada ao longo da tubulação, caractrizada por uma pequena quantidade de dissipação por unidade de comprimento de tubulação. Ela é condicionada pela velocidade do escoamento, do diâmetro e da rugosidade da tubulação (FERREIRA; MARQUES, 2017, p. 23).

 Além da perda de carga distribuída, será caracterizada a perda de carga localizada devido a uma ampliação ou redução brusca do diâmetro da tubulação. Ferreira e Marques (2017) destacam que as perdas de cargas localizadas são:

[...] dissipações pontuais de energia causadas por um obstáculo qualquer que interfere na seção interne de tubulação. Geralmente, são atribuídas aos acessórios hidráulicos presentes na tubulação, dentre os quais se podem citar os registros de gaveta, de esfera, curvas, cotovelos, joelhos etc (FERREIRA; MARQUES, 2017, p. 26).

Na afirmação de Ferreira e Marques (2017), nota-se que essas perdas extras aparecem sempre que componentes adicionais, tais como válvulas, cotovelos e conexões, estão presentes na tubulação. Estas perdas são causadas principalmente pela separação do escoamento que ocorre nestes acessórios.

1. MEMORIAL DE CÁLCULOS

No texto verificou-se o seguinte problema: Como o trecho da tubulação foi dividido em dois, teremos duas partes de 67,5 m de comprimento. Uma delas tem duas válvulas de gaveta (k = 0,2), um cotovelo de 90°(k = 0,9) e dois de 45° (k = 0,4). Como essa tubulação tem vazão e diâmetro de 25 l/s e 20 cm, respectivamente, seus cálculos são os seguintes: 

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O regime de escoamento tem uma relação significante nas perdas de carga de uma tubulação, onde no problema proposto foram realizados dois cálculos sendo um de perdas distribuídas condicionada pela velocidade do escoamento, do diâmetro e da rugosidade da tubulação (sem acessórios) e de perdas localizadas, condicionadas aos acessórios hidráulicos presentes na tubulação (com acessórios).