Enunciado
FenTrans, MecFlu, TransCal e TransMassa - Fox - Mecânica dos Fluidos- Ed: 8º - Capítulo 4.Problemas - Ex. 38
Uma curva redutora bidimensional tem um perfil de velocidade linear na seção . O escoamento é uniforme nas seções e . O fluido é incompressível e o escoamento é permanente. Determine o módulo e o sentido da velocidade uniforme na seção .
Passo 1
Queremos encontrar o módulo e o sentido da velocidade uniforme na seção 1, ou seja a velocidade máxima . Para um escoamento uniforme em 2 e 3, com um fluido incompressível e regime permanente, a equação de continuidade pode ser escrita como:
Podemos aplicar a equação da continuidade na superfície de controle, assim, podemos reescrever a equação da continuidade da seguinte maneira:
Passo 2
Na seção 1, a velocidade é e a área da superfície de controle é . Podemos escrever o perfil de velocidade na seção 1 como:
Pois, podemos perceber que a velocidade fica é máxima quando e decresce linearmente até quando .
Podemos escrever como função de apenas uma componente, pois só há variação em . Assim podemos considerar a profundidade como um valor , e escrever o diferencial de área como:
Passo 3
Na seção 2 e 3 foi dito que o escoamento é uniforme, logo, as velocidades são constantes e foram dadas no enunciado. Assim como na seção 1, na seção 2 e 3 o diferencial de área pode ser escrito como:
Podemos então aplicar a equação da continuidade:
Substituindo os termos, temos:
Precisamos agora examinar as direções dos vetores. Na seção 1 o vetor de área e velocidade agem em sentidos opostos, logo, o resultado do produto escalar é negativo. Na seção 2 e 3 o vetor velocidade a área agem no mesmo sentido, logo, o produto escalar é positivo. Portanto:
Passo 4
Agora, podemos resolver a equação resolvendo as integrais. Na seção 1 o limite de integração é de a , na seção 2 o limite de integração é de a e na seção 3 o limite de integração é de a . Assim temos:
Passo 5
Para encontrarmos o valor de , basta substituirmos os valores dados no enunciados para cada componente da equação encontrada acima. Substitua por , por , por , por e por .
Portanto, a velocidade máxima na seção 1 é .