Enunciado
FenTrans, MecFlu, TransCal e TransMassa - Fox - Mecânica dos Fluidos- Ed: 8º - Capítulo 8.Problemas - Ex. 62
O clássico escoamento de Poiseuille (Eq. 8.12) mostra a condição de não deslizamento na parede. Se o fluido é um gás, e quando o livre caminho médio (distância média que uma molécula viaja antes de colidir com outra molécula) é comparável ao comprimento de escala do escoamento, então ocorrerá deslizamento na parede, de modo que a vazão e a velocidade serão aumentadas para um dado gradiente de pressão. Na Eq. 8.11, ainda será zero, deverá satisfazer a condição de deslizamento em . Deduza o perfil de velocidade e da vazão do gás em um microtubo ou nanotubo onde há deslizamento na parede. Calcule a vazão para , e .
Passo 1
Neste problema é pedido o perfil de velocidade e a vazão de um gás escoando em um microtubo. Para a resolução do problemas as seguintes hipóteses serão adotadas:
- escoamento completamente desenvolvido;
- deslizamento de parede (condição de contorno de velocidade em ).
Para escoamento completamente desenvolvido o perfil de velocidade é dado por:
O enunciado afirma que , então:
Passo 2
Agora será obtida a constante . Para isso será utilizada a condição de contorno de deslizamento de parede, na qual a velocidade em é dada por:
Já conhecendo a função velocidade (), pode-se escrever a velocidade na parede como:
Lembrando que e são constantes e que , então:
Igualando as funções velocidades conhecidas para :
Isolando :
Arranjando os termos da expressão de :
Passo 3
Conhecido o valor de é possível reescrever a expressão de velocidade do Passo 1:
Então, o perfil de velocidade é dado por:
Passo 4
A vazão pode ser calculada a partir de sua definição:
Já é conhecido o perfil de velocidade e o elemento diferencial de área é referente à seção transversal de uma seção circular, de forma que:
Assim, a vazão será obtida a partir da seguinte integração:
Lembrando que e são constantes:
Colocando em evidência, a expressão da vazão é escrita como:
Passo 5
A partir dos dados numéricos, a vazão é calculada como:
Logo, a vazão é de: