Mecânica dos Fluidos: Fundamentos e Aplicações

836 Pages·2012·58.986 MB·Portuguese

by  Yunus A. Çengel, John M. Cimbala

MECÂNICA DOS FLUIDOS
O fluxo em tubulações e o escoamento em canais abertos, respectivamente. Este
livro foi escrito com suficiente amplitude de cobertura a ponto de poder ser usado
em uma seqüência de dois cursos, se desejado.
FILOSOFIA E MÉTODO
Adotamos a mesma filosofia dos livros Termodinâmica, de Y. A. Çengel e M. A.
Boles, Heat Transfer: A Practical Approach, de Y. A. Çengel, e Fundamentais of
Thermal-Fluid Sciences, de Y A. Çengel e R. H. Turaer, todos publicados pela
McGraw-Hill. Ou seja, nossa meta é oferecer um livro didático de engenharia que:
• Comunique-se diretamente com a mente dos engenheiros de amanhã, de
uma maneira simples, mas precisa.
• Conduza os estudantes ao claro entendimento e sólida compreensão dos
princípios básicos da mecânica dos fluidos.
• Estimule o raciocínio criativo, o desenvolvimento de uma compreensão
mais profunda e da percepção intuitiva da mecânica dos fluidos.
• Seja lido pelos estudantes com interesse e entusiasmo em vez de ser mera­
mente um auxílio para resolver problemas.
Nossa filosofia é que a melhor maneira de aprender é através da prática. Por­
tanto, fizemos um esforço especial ao longo de todo o livro para reforçar a matéria
apresentada (tanto no próprio capítulo como nos capítulos anteriores). Por exem­
plo, muitos dos exemplos de problemas ilustrados e problemas de final de capítulo
são abrangentes, obrigando o estudante a rever os conceitos aprendidos nos capí­
tulos anteriores.
Em todo o livro apresentamos exemplos gerados pela dinâmica de fluidos
computacional (CFD) e apresentamos um capítulo introdutório sobre o assunto.
Nosso objetivo não é ensinar detalhes sobre os algoritmos numéricos associados à
CFD — isto é mais apropriadamente apresentado em um curso separado, tipica­
mente no m'vel de pós-graduação. Ao contrário, nossa intenção é apresentar aos
estudantes universitários as capacidades e limitações da CFD como uma ferra­
menta de engenharia. Usamos as soluções CFD de modo muito similar à maneira
como usamos os resultados experimentais obtidos em uma prova no túnel aero­
dinâmico, ou seja, para reforçar a compreensão da física de escoamento dos flui­
dos e fornecer visualizações do escoamento que tenham qualidade e ajudem a
explicar o comportamento do fluido.
C ONT EÚ DO E O RG ANI ZAÇ AO
Este livro é organizado em quinze capítulos, iniciando com os conceitos funda­
mentais dos fluidos e dos escoamentos de fluidos e encerra com uma introdução à
dinâmica dos fluidos computacional, cuja aplicação está cada vez mais comum,
até mesmo nos cursos de graduação universitários.
• O Capítulo 1 apresenta uma introdução básica aos fluidos, classificações do
escoamento dos fluidos, volume de controle versus formulações de sistemas,
dimensões, unidades, algarismos significativos e técnicas de resolução de
problemas.
• O Capítulo 2 é dedicado à propriedade dos fluidos como, por exemplo, den­
sidade, pressão de vapor, calores específicos, viscosidade e tensão superficial.
• O Capítulo 3 trata da estática e pressão dos fluidos, inclusive manômetros e
barômetros, forças hidrostáticas em superfícies submersas, capacidade de
flutuação e estabilidade e fluidos que se movimentam como sólidos.
• O Capítulo 4 aborda tópicos relacionados à cinemática dos fluidos como, por
exemplo, as diferenças entre as descrições Lagrangieana e Euleriana dos
Ç395m Çengel, Yunus A.
Mecânica dos fluidos [recurso eletrônico]: fundamentos e
aplicações / Yunus A. Çengel, John M. Cimbala; tradução:
Katia Aparecida Roque, Mario Moro Fecchio; revisão técnica;
Fábio Saltara, Joige Luis Balino, Karl Peter Burr; consultoria
técnica; Helena Maria de Ávila Castro. Dados eletrônicos. -
Porto Alegre : AMGH, 2012.
Editado também como livro impresso em 2007.
ISBN 978.85.8055-066-5
I. Engenharia. 2. .Mecânica dos fluidos. 1. Cimbala, John M.
ü. Título.
CDU 532
Catalogação na publicação: Ana Paula .M. Magnus CRB 10/2052
MECANICA DOS FLUIDOS
FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES YUNUS A.
ÇENGEL
Oeoartment of
Mechanical Engíneering
Univsrsify of Nevada,
JOHN M.
Tradução
KATIA APARECIDA ROQUE CIMBALA
MARIO MORO FECCHIO Oeoartment of
Mectianical and Nuclear
Revisão Técnica Engjneering, The
PROF. DOUTOR FÁBIO SALTARA Pe’\nsytvania State
Escola Politécnica da USP University
JORGE LWS BAUfiO
Graduado e Doutorado em Engenharia Nuclear
pelo Instituto Balseiro (Universidad Nacional de Cuyo, Argentina}
Professor Doutor do Departamento de Engenharia Mecânica da USP
KARL PETER BURR
Engenheiro Naval, Ph. D. em Hidrodinâmica pelo Massachusetts Instituteof Technology
Pesquisador no Depto. de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica USP
Consultoria Técnica
HELENA MARIA DE ÁVILA CASTRO
Professora Doutora do Instituto de Matemática e Estatística da USP
Versão impressa
desta obra: 2007
Mc
Graw
AMGH Editora Ltda.
2012
Obra originalmente publicada sob o título Fluid Mechanics: Fundamentais and Aplications
© 2006 by The McGrdw-Hill Companies, Inc.
ISBN da obra original: 0-07-247236-7
Editora: Gisélia Costa
Preparação de Texto: Mônica de Aguiar Rocha
Imagem da Capa: © Getty/Eric Meola, Niagara Falis
Diagramaçâo: ERJ Composição Editorial e Artes Gráficas Ltda.
Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à
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mao Mêee a vida.
S A
o b r e os u t o r e s
Yunus A. Çengel
é Professor Emérito de Engenharia Mecânica na Univer­
sidade de Nevada, Reno. É bacharel em engenharia mecânica pela Universidade
Técnica de Istambul e Mestre e Ph.D. em engenharia mecânica pela Universida­
de Estadual da Carolina do Norte. Suas áreas de pesquisa são a energia renovável,
dessalinização, análise de exergia, aperfeiçoamento da transferência de calor,
transferência de calor por radiação e conservação de energia. Serviu como diretor
do Industrial Assessment Center (lAC) na Universidade de Nevada, Reno. de 1996
a 2000. Dirigiu equipes de alunos de engenharia em numerosas instalações indus­
triais na região norte do Estado de Nevada e na Califórnia para fazerem avaliações
e preparou relatórios de conservação de energia, minimização de resíduos e me­
lhoria da produtividade.
O Dr. Çengel é co-autor do livro didático amplamente adotado. Termo­
dinâmica, 5" edição, também publicado pela McGraw-Hill Interamericana do
Brasil. Ele também é o autor do livro didático Heat Transfer: A Practical
Approach, 2“ edição e co-autor do livro didático Fundamentais ofThermal-Fluid
Sciences, 2“ edição, ambos publicados pela McGraw-Hill. Alguns dos seus livros
didáticos foram traduzidos para o chinês, japonês, coreano, espanhol, turco, ita­
liano e grego.
O Dr. Çengel recebeu diversos Outstanding Teacher Awards, e recebeu tam­
bém o ASEE Meriam/Wiley Distinguished Author Award pela excelência como
autor em 1992 e novamente em 2000.
O Dr. Çengel é engenheiro profissional registrado no Estado de Nevada, é
membro da American Society of Mechanical Engineers (ASME) e da American
Society for Engineering Education (ASEE).
John M. CimbOlO
é professor de Engenharia Mecânica na Universidade
Estadual da Pensilvânia, na University Park. É bacharel em Engenharia Aeroes­
pacial pela Universidade Estadual da Pensilvânia e é Mestre em Aeronáutica pelo
Califórnia Institute of Technology (CalTech). Recebeu seu Ph.D. em Aeronáutica
do CalTech em 1984 sob a supervisão do professor Anatol Roshko, a quem será
etemamente grato. Suas áreas de pesquisa incluem mecânica dos fluidos com­
putacional. fluido-mecânica experimental e transferência de calor, turbulência,
modelagem de turbulência, turbomaquinaria, qualidade do ar no interior de am­
bientes e controle de poluição atmosférica. Durante o ano acadêmico de 1993-94,
o professor Cimbala obteve uma licença sabática da universidade e trabalhou no
Langley Research Center da NASA, onde aprimorou seus conhecimentos em
dinâmica dos fluidos computacional (CFD) e modelagem de turbulência.
O Dr. Cimbala é co-autor do livro didático IndoorAir Quality Engineering:
Environmental Health and Control ofindoor Pollutants (2003), publicado pela
Marcel-Dekker, Inc. Ele também colaborou em partes de outros livros, e é o autor
e co-autor de dezenas de papers para periódicos e conferências. Mais informações
podem ser encontradas em www.nine.psit.edu/címbala.
O professor Cimbala recebeu diversos Outstanding Teaching Awards e vê os
livros que escreve como uma extensão do seu amor pelo magistério. É membro do
American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), da American Society
of Mechanical Engineers (ASME), da American Society for Engineering Educa­
tion (ASEE) e da American Physical Society (APS).
Prefácio xii 2-2 Densidade e Gravidade Específica 33
Densidade dos Gases Ideais ou Perfeitos 33
C A P Í T U L O 1 2-3 Pressão de Vapor e Cavitação 35
INTRODUÇÃO E CONCEITOS BÁSICOS 1 2-4 Energia e Calores Específicos 36
2-5 Coeficiente de Compressibilidade 38
1 -1 Introdução 2
Coeficiente de Expansão Volumétrica 39
O Que é Fluido? 2
2-6 Viscosidade 41
Áreas de Aplicação da Mecânica dos Fluidos A
2-7 Tensão Superficial e Efeito Capilar 45
1 -2 Condição de Não-Escorregamento 5
Efeito Capilar 47
1 -3 Uma Breve História da Mecânica dos Huidos 6
Resumo 48
1 -4 Classificação de Escoamentos de Fluidos 8
Referências e Leituras Sugeridas 49
Regiões de Escoa mento Viscoso versus Não Viscoso 8
Aplicação em Foco: Cavitação 50
Escoamento Interno versus Externo 9
Escoamento Compressível i^ersuslncompressível 9 Problemas 51
Escoamento Laminar versus Turbulento 10
Escoamento Natural (ou Não Forçado) versus Forçado 10
C A P Í T U L O 3
Escoamento em R^ime Permanente versus em R^ime
Não Permanente 10
PRESSÃO E ESTÁTICA DOS FLUIDOS 56
Escoamentos Uni, Bi e Tridimensionais 12
1 -5 Sistema e Volume de Controle 13 3-1 Pressão 57
1 -6 Importância das Dimensões e Unidades 14 Pressão em um Ponto 58
Variação da Pressão com a Profundidade 59
Algumas Unidades SI e Inglesas 15
Homogeneidade Dimensional 17 3-2 OManômetio 61
Razões de Conversão de Unidades 18
Outros Dispositivos de Medição da Pressão 64
1 -7 Modelagem Matemática de Problemas de 3-3 O Barômetro e a Pressão Atmosférica 65
Engenharia 19
3-4 Introdução à Estática dos Fluidos 68
Modelagem na Engenharia 19
3-5 Forças Hidrostáticas sobre Superfícies Planas
1-8 Técnica de Resolução de Problema 20
Submersas 69
Passo 1: Definição do Problema 20
Caso Especial: Placa Retangular Submersa 72
Passo 2: Diagrama Esquemático 21
Passo 3: Hipóteses e Aproximações 21 3-6 Forças Hidrostáticas sobre Superfícies Curvas
Passo 4: Leis Físicas 21
Submersas 74
Passo 5: Propriedades 21
Passo 6: Cálculos 21 3-7 Flutuação e Estabilidade 77
Passo 7: Raciocínio, Verificação e Discussão 21 Estabilidade de Corpos imersos e Flutuantes 80
1 -9 Pacotes de Aplicativos para Engenharia 22 3-8 Fluidos em Movimento de Corpo Rígido 82
Engineering Equation Solver (EES) (Solucionador de Caso Especial 1: Fluidos em Repouso 84
Equações de Engenharia) 23 Caso Especial 2: Queda Livre de um Corpo Fluido 84
FLUENT 24 Aceleração em uma Trajetória Reta 84
Rotação em um Contêiner Cilíndrico 86
1- 10 Exatidão, Precisão e Algarismos
Resumo 89
Significativos 24
Referências e Leituras Sugeridas 90
Resumo 27 Problemas 90
Referências e Leituras Sugeridas 27
Aplicação em Foco: O Que Explosões Nucleares e C A P Í T U L O 4
Pingos de Chuva Têm em Comum 28
CINEMÂTICA DOS FLUIDOS 103
Problemas 29
4-1 Descrições Lagrangiana e Euleriana 104
C A P Í T U L O 2
Campo de Aceleração 106
Derivada Material 109
PROPRIEDADES DOS FLUIDOS 31
4-2 Fundamentos da Visualização do Escoamento 110
2- 1 Introdução 32 Linhas de Corrente e Tubos de ODrrente 110
Meio Contínuo 32 Linhas de Trajetória 112
MECÂNICA DOS FLUIDOS
Linhas de Emissão 113
C A P Í T U L O 6
Linhas de Tempo 115
Técnicas de Refraçâo para Visualização do Escoamento 116
anAlise de momento nos sistemas de
Técnicas de Visualização do Escoamento em Superfícies 117
ESCOAMENTO 197
4-3 Representação Gráfica dos Dados de Escoamento
de Fluidos 117 6-1 Leis de Newton e Conservação do Momento 198
Gráficos de Perfil 117
6-2 Escolhendo um Volume de Controle 199
Gráficos Vetoriais 118
Gráfico de Contornos 119 6-3 Forças Que Atuam sobre um
4-4 Outras Descrições Cinemáticas 119 Volume de Controle 200
Tipos de Movimento ou Deformação dos 6-4 A Equação do Momento 203
Elementos de Fluido 119
Casos Especiais 204
Vorticidade e Rotacionalidade 124
Fator de Correção do Fluxo do Momento, p 205
Comparação entre Dois Escoamentos Circulares 127
Escoamento em R^ime Permanente 206
4-5 O Teorema de Transporte de Reynolds 128 Escoamento em R^ime Permanente
Dedução Alternativa do Teorema de Transporte com uma Entrada e uma saída 207
de Reynolds 133 Escoamento sem Forças Externas 207
Relação entre a Derivada Material e o TTR 135 6-5 Revisão do Movimento de Rotação
Resumo 135 e do Momento Angular 215
Aplicação em Foco: Atuadores Fluídicos 136 6-6 Equação do Momento Angular 217
Referências e Leituras Sugeridas 137 Casos Especiais 219
Problemas 137 Escoamento sem Torques Externos 220
Dispositivos com Escoamento Radial 220
C A P I T U L O 5 Resumo 225
Referências e Leituras Sugeridas 226
EQUAÇÕES DE CONSERVAÇÃO DE MASSA, Problemas 226
DE BERNOULLI E DE ENERGIA 148
C A P Í T U L O 7
5-1 Introdução 149
Conservação de Massa 149 ANÁLISE DIMENSIONAL E MODELAGEM 231
Conservação do Momento 149
Conservação de Energia 149 7-1 Dimensões e Unidades 232
5-2 Conservação de Massa 150 7-2 Homogeneidade Dimensional 233
Vazões em Massa e Volume 150 Adimensionalização das Equações 234
Princípio de Conservação de Massa 151 7-3 Análise Dimensional e Similaridade 238
Volumes de Controle Móveis ou Deformáveis 153
Balanço de Massa para Processos com Escoamento 7-4 O Método das Variáveis Repetidas e o
em Regime Permanente 154 Teorema Pi de Buckingham 242
Caso Especial: Escoamento Incompressível 154
Destaque Histórico: Pessoas Homenageadas pelos
5-3 Energia Mecânica e Eficiência 156
Parâmetros Adimensionais 249
5-4 A Equação de Bemoulli 161 7-5 Testes Experimentais e Semelhança
Aceleração de uma Partícula de Fluido 161 Incompleta 256
Dedução da Equação de Bemoulli 162
Configuração de uma Experiência e Correlação dos Dados
Balanço de Forças Transversal às Linhas de Corrente 164
Experimentais 256
Escoamento Compressível Não Permanente 164
Semelhança Incompleta 257
Pressões Estática, Dinâmica e de Estagnação 164
Teste no Túnel de Vento 257
Limitações do Uso da Equação de Bemoulli 166
Escoamentos com Superfícies Livres 260
Linha Piezométrica (HGL) e Linha de Energia {EGL> 167
Aplicação em Foco: Como uma Mosca Voa 262
5-5 Aplicações da Equação de Bemoulli 169
Resumo 263
5-6 Equação Geral da Energia 175
Referências e Leituras Sugeridas 263
Transferência de Energia por Calor, Q 176 Problemas 264
Transferência de Energia por Trabalho, W 176
5-7 Análise de Energia de Escoamentos em
C A P Í T U L O 8
Regime Permanente 179
Caso Especial: Escoamento Incompressível sem Nenhum ESCOAMENTO EM TUBOS 277
Dispositivo de Trabalho Mecânico e Atrito Desprezível 182
Fator de Correção da Energia Cinética, a 182 8-1 Introdução 278
Resumo 188
8-2 Escoamentos Laminar e Turbulento 279
Referências e Leituras Sugeridas 189
Problemas 189 Número de Reynolds 279
Ix
SUMÁRIO
8-3 A Região de Entrada 280 Dedução da Equação de Navier-Stokes para Escoamento
Incompressível, Isotérmico 372
Comprimentos de Entrada 282
Equações da Continuidade e de Navier-Stokes em Coordenadas
8-4 Escoamento Laminar em Tubos 282 Cartesianas 374
Queda de Pressão e Perda de Carga 284 Equações da Continuidade e de Navier-Stokes em Coordenadas
Tubos Inclinados 286 Cilíndricas 374
Escoamento Laminar em Tubos Não Circulares 287
9- 6 Análise Diferencial dos Problemas de Escoamento
8-5 Escoamento Turbulento em Tubos 290 de Fluidos 375
Tensão de Cisalhamento Turbulenta 291 Cálculo do Campo de Pressão para um Campo de Velocidade
Perfil da Velocidade Turbulenta 292 Conhecido 375
O Diagrama de Moody 295 Soluções Exatas das Equações da Continuidade e de Navier-
Tipos de Problemas de Escoamento de Fluidos 297 Stokes 380
8-6 Perdas Menores 301 Condições de Contorno 381
8-7 Redes de Tubulações e Seleção de Bomba 307 Resumo 397
Referências e Leituras Sugeridas 397
Sistemas de Tubulações com Bombas e Turbinas 309
Problemas 397
8-8 Medição de Vazão e Velocidade 316
Sonda de Pitot e Sonda Estática de Pitot 317
C A P Í T U L O 1 0
Medidores de Vazão por Obstrução: Orifício,
Venturi e Medidores de Bocal 318
SDLUÇÕES APRDXIMADAS DA EQUAÇÃD
Medidores de Vazão por Deslocamento Positivo 321
Medidores de Vazão Tipo Turbina 322 DE NAVIER-STDKES 409
Medidores de Vazão de Área Variável (Rotâmetros) 323
Medidores de Vazão Ultra-Sônicos 324 10- 1 Introdução 410
Medidores de Vazão Eletromagnéticos 326
10-2 Equações de Movimento na
Medidores de Vazão de Vórtice 327
Forma Adimensional 411
Anemômetros Térmicos {Fio Quente e Filme Quente) 328
Velocimetria Laser Ooppier 329 10-3 A Aproximação de Escoamento Lento 414
Velocimetria por Imagem de Partícula 330
Arrasto em uma Esfera em Escoamento Lento 416
Aplicação em Foco: Como Funcionam, ou Não
10-4 Aproximação para Regiões do
Funcionam, os Medidores de Vazão de Placa de
Escoamento sem ^^scosidade 418
Orifício 333
Dedução da Equação de Bernoulli em Regiões de Escoamento
Resumo 334 Sem Viscosidade 419
Referências e Sugestões de Leitura 335
10-5 A Aproximação de Escoamento Iirotacional 422
Problemas 336
Equação da Continuidade 422
Equação do Momento 422
C A P Í T U L O 9 Dedução da Equação de Bernoulli em Regiões Irrotacionais do
Escoamento 424
ANÁLISE DIFERENCIAL DE ESCDAMENTD Regiões Irrotacionais de Escoamento Bidimensionais 427
DE FLUIDD 345 Superposição em Regiões Irrotacionais de Escoamento 430
Escoamentos Planares Irrotacionais Elementares 430
Escoamentos Irrotacionais Formados pela Superposição 436
9-1 Introdução 346
10- 6 A Aproximação da Camada Limite 445
9-2 Conservação da Massa - A Equação da
As Equações da Camada Limite 449
Continuidade 346
O Procedimento de Camada Limite 453
Dedução Usando o Teorema do Divergente 347
Espessura de Deslocamento 457
Dedução Usando um Volume de Controle Infinitesimal 348
Espessura do Momento 460
Forma Alternativa da Equação da Continuidade 351
Camada Limite Turbulenta sobre uma Placa Plana 462
Equação da Continuidade em Coordenadas Cilíndricas 351
Camadas Limites com Gradientes de Pressão 467
Casos Especiais da Equação da Continuidade 352
A Técnica Integral de Momento para Camadas Limites 471
9-3 A Função Corrente 357
Resumo 479
A Função Corrente em Coordenadas Cartesianas 357 Referências e Leituras Sugeridas 479
A Função Corrente em Coordenadas Cilíndricas 363
Aplicação em Foco: Formação de Gotículas 480
A Função Corrente Compressível 365
Problemas 481
9-4 Conservação do Momento Linear - Equação de
Cauchy 365
C A P Í T U L O 11
Dedução Usando o Teorema do Divergente 366
Dedução Usando um Volume de Controle Infinitesimal 367 ESCDAMENTD SDBRE CDRPDS; ARRASTD E
Forma Alternativa da Equação de Cauchy 369
Dedução Usando a Segunda Lei de Newton 369 SUSTENTAÇÃD 490
9-5 A Equação de Navier-Stokes 370
11- 1 Introdução 491
Introdução 370
Fluidos Newtonianos versus Fluidos Não Nevirtonianos 371 11-2 Arrasto e Sustentação 492