Equação Diferencial da Continuidade
Teoria
Opa! Seja muito bem vindo ao Responde Aí! Bora conversar sobre esse carinha super importante na Mecânica dos Fluidos, a Equação Diferencial da Continuidade?!
Equação da Continuidade
Talvez você já tenha ouvido falar em equação da continuidade e inclusive feito exercícios sobre no ensino médio, e ela tinha essa carinha aqui:
Basicamente o que essa equação tá dizendo pra a gente é que a vazão mássica que entra
A questão é, essa velocidade é uma velocidade média! O que é ótimo, inclusive super útil, mas as vezes estamos interessados em um perfil de velocidade do escoamento. É ai que entra a forma diferencial da equação de continuidade!
Forma Diferencial da Equação da Continuidade
A equação da continuidade em sua forma diferencial vai ter essa carinha aqui:
Onde:
é o termo de acúmulo, que só vamos usar quando o regime for transiente; são as velocidade nos eixos respectivamente; é a densidade do fluido.
Mas calma, não se assusta! Vamos entender o contexto e depois a gente foca na fórmula!
📢 Clique para ver mais:
- Equação da Continuidade: Exercícios Resolvidos
- Equações de Navier-Stokes
- Livro Fox - Introdução à Mecânica dos Fluidos - 8a Edição Resolvido Passo a Passo
Na figura a baixo temos um escoamento dentro de uma tubulação. Com as informações que temos até agora, para calcular a velocidade na qual o fluido escoa, precisaríamos saber a área do tubo e a vazão mássica do fluido. Assim poderíamos encontrar a velocidade média do fluido!
Mas aqui a gente esta interessado em perfil de velocidade, lembra?
Pegando a imagem acima como exemplo e considerando um regime desenvolvido e laminar, teríamos um perfil de velocidade assim:
Para determinar esse perfil de velocidade, usamos a equação da continuidade na sua forma diferencial!
Beleza, mas na prática…nos exercícios, como eu uso a equação da continuidade na sua forma diferencial?!
Nesse vídeo abaixo a gente explica isso e mais um pouco! 👇 😉
Equação da Continuidade: Coordenadas Cilíndricas
A Equação da continuidade pode ser representada em coordenadas cilíndricas também. Só que nesse caso as componentes de velocidade são
Agora vamos aplicar a equação da continuidade:
Vamos assumir um escoamento permanente, logo de cara já riscamos o termo de acúmulo
Dessa forma ficamos com a seguinte expressão:
Considerando que a densidade se mantém constante ao longo do escoamento:
E qual a interpretação física que podemos tirar disso?
A derivada de uma constante vai ser sempre igual a zero. Logo
-Mas quando teríamos velocidade angular
Para velocidade angular podemos imaginar uma máquina de lavar roupa, cheia de água no momento que ela esta centrifugando! Agora para velocidade radial imagina que você pegou uma mangueira de água tapou sua extremidade, onde a água sai e fez vários furinhos no cano! Quando você ligar a torneira a água vai esguichar no sentido radial!
Equação da Continuidade: Forma Vetorial
Podemos escrever nossas equações da seguinte maneira também, que é um pouco mais fácil de memorizar:
Sendo
Agora vamos praticar com exercícios?
Equação da Continuidade: Coordenadas Cilíndricas
Equação da Continuidade: Forma Vetorial
Exercícios Resolvidos
Exercício Resolvido #1
Elaboração própria.
Um caso muito comum na mecânica dos fluidos é o caso permanente e incompressível.
Deduza a expressão da Equação da Continuidade para o caso permanente, ou seja, sem variações no tempo, e incompressível, onde é constante.
Passo 1
Temos a equação da continuidade:
Aplicando a primeira condição de escoamento permanente
Senfo uma função qualquer
Logo
Passo 2
Se é constante, podemos tirar de dentro das derivadas:
Colocando em evidência
Como é diferente de zero, podemos jogar ele pro outro lado da equação
Logo a expressão procurada é:
Esta expressão será bastante usada daqui pra frente nos exercícios.
Resposta
Exercício Resolvido #2
Elaboração própria
Considere o seguinte campo de velocidade bidimensional para um escoamento permanente e incompressível:
Essa distribuição de velocidade satisfaz a equação da continuidade? Esse escoamento é possível?
Passo 1
Bem, na teoria, vimos que a equação da continuidade aqui na Análise Diferencial é essa aqui:
E como o enunciado diz que o escoamento é permanente, a derivada em relação ao tempo é zero . Logo, a equação da continuidade fica assim:
Além disso, o fluido é incompressível, o que nos permite colocar a massa específica para fora da derivada, pois ela é constante e independe de x, y e z.
Com essa equação, vamos analisar agora o perfil de velocidades!
Passo 2
Quem são , , e ?
Essas letras são as componentes da velocidade em cada direção. Lembrando que o perfil de velocidade foi dado no enunciado:
Podemos escrever em termos de cada componente:
Como o escoamento é bidimensional:
Substituindo na equação da continuidade para regime permanente e fluido incompressível:
Resolvendo as derivadas parciais
Então, para a distribuição de velocidades dada, a equação da continuidade é satisfeita! Ou seja, esse escoamento é possível.
Resposta
Sim, a distribuição de velocidades dada satisfaz a continuidade.
Sim, o escoamento é possível.
Exercício Resolvido #3
Frank M. White, Mecânica dos Fluidos, 6ª ed. Porto Alegre: AMGH, 2011.
Um escoamento idealizado incompressível tem a distribuição tridimensional de velocidade proposta:
Encontre a forma apropriada da função que satisfaz a relação da continuidade
Passo 1
Então galera, vamos antes de tudo lembrar que , , e são as componentes de em cada direção , e . Ou seja podemos reescrever o campo de velocidade desse jeito:
Nosso objetivo nesse problema é aplicar a Equação da Continuidade e procurar o formato que deve ter.
Passo 2
No enunciado ele nos dá uma informação também muito importante: o escoamento é INCOMPRESSÍVEL. Isso significa sempre que é uma constante, logo qualquer derivada de é igual a zero.
Colocando em evidência:
Sabendo que dividimos os dois lados por :
Passo 3
Agora precisamos encontrar os valores de e :
Substituindo na expressão da Continuidade:
Sabemos que , ou seja não depende de nenhuma outra varíavel além de , podemos reescrever a derivada e realizar a integração:
Logo:
Sendo a constante de integraçã.
Resposta
Exercício Resolvido #4
Frank M. White, Mecânica dos Fluidos, 6ª ed. Porto Alegre: AMGH, 2011.
Um campo de velocidade bidimensional é dado por
Em que K é constante. Esse campo satisfaz a continuidade incompressível? Transforme essas velocidades em componentes polares e . O que esse escoamento pode representar?
Passo 1
O enunciado já nos diz a seguinte informação: “Um campo de velocidade bidimensional”, isso significa que , pois não há movimento no eixo .
Outra informação importante é que ele nos pede para checar se o campo de velocidade satisfaz a continuidade INCOMPRESSÍVEL, ou seja, checar a continuidade para .
Isso tudo reduz a nossa equação conforme faremos abaixo:
Passo 2
Próxima etapa é aplicar o campo definido por e na nossa equação, ou seja, precisamos derivar em função de e em função de :
Aplicando a Regra do Quociente:
No nosso caso:
e
Arrumando as coisas:
Realizando o mesmo procedimento para :
Aplicando na Continuidade:
Logo, sim a Continuidade é satisfeita.
Passo 3
Para a próxima parte do problema, devemos transformar nossas coordenadas cartesianas em cilíndricas ou polares:
Aplicando em e :
Sabendo que :
Fazendo o mesmo para :
Passo 4
Agora para encontrarmos e , devemos usar as seguintes relações de transformação de velocidades cartesianas e polares:
Comparando com as expressões que encontramos no Passo 3
É o mesmo que dizer:
Logo
E isso representa um vortex potencial.
Resposta
Representa um vortex potencial.
Exercício Resolvido #5
Frank M. White, Mecânica dos Fluidos, 6ª ed. Porto Alegre: AMGH, 2011.
Um campo de escoamento incompressível tem os componentes cilíndricos , , , em que C e K são constantes e , . Esse escoamento satisfaz a continuidade? O que ele pode representar fisicamente?
Passo 1
De novo um escoamento incompressível, logo .
E mais uma vez aplicaremos o campo de velocidade a Equação da Continuidade, dessa vez na sua forma polar.
Passo 2
Sabemos pelo enunciado que:
Aplicando na Equação da Continuidade:
Sabemos também que
O que reduz a nossa equação aos seguintes termos, já dividindo a equação por
Passo 3
Agora só nos resta realizer as derivações
Substituindo na equação:
Passo 4
Esse escoamento pode representa um escoamento circular dentro de um tubo cilíndrico de raio e altura que está em movimento circular.
No centro do cilindro o fluido não rotaciona (), apenas move-se no sentido , com velocidade . Na parede do cilindro e , adiante veremos que isso tem o nome de hipótese do não escorregamento na parede e podemos concluir que o cilindro está rotacionando com velocidade .
Resposta
Esse escoamento pode representa um escoamento circular dentro de um tubo cilíndrico de raio e altura que está em movimento circular.
Exercício Resolvido #6
Frank M. White, Mecânica dos Fluidos, 6ª ed. Porto Alegre: AMGH, 2011.
As coordenadas polares esféricas (r, θ, ϕ) são definidas na figura. As transformações cartesianas são
A relação da continuidade cartesiana incompressível (Equação 1) pode ser transformada na forma polar esférica (Equação 2)
Equação 1
Equação 2
Qual é a forma mais geral de quando o escoamento é puramente radial, isto é e são nulas?
Passo 1
Então chefe, de cara o exercício nos pede pra encontrar sabendo que e são iguais a zero.
Aplicando isso na equação da continuidade que ele nos fornece, sumimos com um monte de termos e ficamos com a seguinte expressão:
Onde chegamos na seguinte conclusão
Se integrarmos a equação acima em , chegamos na expressão para :
Onde garante a generalidade da solução.
Passo 2
Aplicando a nossa função na equação, sempre teremos a continuidade satisfeita:
Como não depende de , a derivada será sempre zero.
Resposta
Exercício Resolvido #7
Frank M. White, Mecânica dos Fluidos, 6ª ed. Porto Alegre: AMGH, 2011.
Um pistão comprime gás em um cilindro movendo-se a uma velocidade constante V, como na figura:
Admita que a massa específica do gás e a posição do pistão em sejam e , respectivamente. Considere que a velocidade do gás varie linearmente de na face do pistão até em . Se a massa específica do gás varia apenas com o tempo, encontre uma expressão para .
Passo 1
Então, no enunciado já são dadas diversas informações que serão úteis para a gente nesse problema:
- As condições iniciais do pistão;
- O fato da velocidade variar linearmente ():
Logo,
Sendo a posição do pistão que se move com velocidade constante ,
- A massa específica só varia no tempo.
Passo 2
Olhando a equação da continuidade já podemos eliminar algumas derivadas que simplificarão nosso problema:
Substituindo nossa expressão de :
Separando as variáveis e integrando:
Devemos fazer uma substituição de variáveis ,
Logo:
Voltando à equação:
Ou:
Resposta
Exercício Resolvido #8
Frank M. White, Mecânica dos Fluidos, 6ª ed. Porto Alegre: AMGH, 2011.
Uma aproximação razoável para a camada-limite laminar incompressível bidimensional sobre a superfície plana da figura é
Admitindo uma condição de não escorregamento na parede, encontre uma expressão para o componente de velocidade para
Depois encontre o valor máximo de em , para o caso particular do escoamento de ar, quando e .
Passo 1
Do enunciado tiramos as seguintes informações:
Por curiosidade, condição de não-escorregamento quer dizer que a velocidade do fluido na parede é a mesma da parede, no caso .
Passo 2
Pare encontramos devemos aplicar a equação da continuidade, para escoamentos incompressíveis e bidimensionais:
Substituindo em :
Calculando a derivada em :
Substituindo na continuidade:
Logo,
Separando as variáveis e integrando:
Logo a resposta da letra a)
Passo 3
Se queremos descobrir o valor máximo de em , devemos usar a relação, para maximizar o valor de ,
Sabemos que:
Conhecemos , e que
De e calculamos :
Substituindo em ,
Temos duas soluções,
Que é onde temos velocidade mínima, na parede.
E,
Que é no topo da camada limite
Logo máximo:
Resposta
Letra a)
Letra b)