Enunciado

Um escoamento incompressível, em regime permanente e sem atrito, da esquerda para a direita sobre um cilindro circular estacionário de raio a , é representado pelo campo de velocidade:

V → = U 1 - a r 2 cos ⁡ θ e → r - U 1 + a r 2 sen ⁡ θ e → θ

Obtenha uma expressão para a distribuição de pressão ao longo da linha de corrente formando a superfície do cilindro, r = a . Determine os locais onde a pressão estática sobre o cilindro é igual à pressão estática da corrente livre.

Passo 1

Tá legal, vamos começar calculando a velocidade na superfície do cilindro, em r = a , dessa forma, temos:

V → = U 1 - a a 2 cos ⁡ θ e → r - U 1 + a a 2 sen ⁡ θ e → θ

V → = U 1 - 1 cos ⁡ θ e → r - U 1 + 1 sen ⁡ θ e → θ

V → = - 2 U sen ⁡ θ e → θ

Passo 2

Agora vamos aplicar a equação de Bernoulli ao longo da superfície para r = a , dessa forma, pegando um ponto no próprio cilindro (1) e outro referente à corrente livre (2), temos:

p 1 ρ + v 1 2 2 + g z 1 = p 2 ρ + v 2 2 2 + g z 2

Como o enunciado não mencionou nada, podemos desprezar a diferença entre as cotas z 1 e z 2 , a velocidade v 1 foi encontrada no passo 1 e a velocidade v 2 = U , pois é a velocidade da corrente livre, então, substituindo os valores conhecidos, temos:

p 1 ρ + - 2 U sen ⁡ θ 2 2 = p 2 ρ + U 2 2

Isolando p 1 da equação temos:

p 1 ρ = p 2 ρ + U 2 2 - 4 U 2 s e n 2 θ 2 → p 1 = p 2 + ρ U 2 2 1 - 4 s e n 2 θ

Passo 3

Agora para encontrar os locais onde a pressão estática sobre o cilindro p 1 é igual a pressão de corrente livre p 2 , temos que fazer:

p 1 = p 2

Substituindo o valor encontrado para p 1 no passo 2, temos:

p 2 = p 2 + ρ U 2 2 1 - 4 s e n 2 θ → ρ U 2 2 1 - 4 s e n 2 θ = 0

1 - 4 s e n 2 θ = 0 → s e n 2 θ = 1 4 → s e n θ = ± 1 2

Nesse caso, como θ varia de 0° até 360°, para completar toda a superfície do cilindro, então teremos vários pontos onde a pressão estátia é igual a pressão de corrente livre, dessa form,a teremos:

s e n θ = ± 1 2 → θ = 30 ° ; 150 ° ; 210 ° ; 330 °

Lembrando que poderíamos ter percorrido a circunferência no sentido negativo de θ também e encontrar os valores correspondentes.

Resposta

p 1 = p 2 + ρ U 2 2 1 - 4 s e n 2 θ

θ = 30 ° ; 150 ° ; 210 ° ; 330 °

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