Enunciado
FenTrans, MecFlu, TransCal e TransMassa - Çengel - Mecânica dos Fluidos- Ed: 1º - Capítulo 9.Problemas - Ex. 93
Repita o Problema invertendo as paredes estacionária e móvel. Particularmente, faça a parede interna estacionária e a parede do tubo externo se movendo a uma velocidade constante para a direita, todas as demais condições permanecendo as mesmas. Encontre uma expressão para a componente da velocidade como uma função de e dos outros parâmetros do problema.
Passo 1
Vamos começar retomando o Problema . Nossa situação era a seguinte:
Tínhamos um líquido de propriedades constantes () escoando no espaço entre dois cilindros. Não havia gradiente de pressão ou ação da força da gravidade, de foma que o líquido escoava apenas devido ao cilindro interno ter velocidade na direção . Tudo bem até aqui?
O que o exercício propõe é que agora o cilindro externo tem velocidade e o cilindro interno está parado. Ou seja:
Devemos obter o perfil de velocidades para esta nova condição. Vamos lá?
Passo 2
O primeiro passo para chegar ao perfil de velocidade será aplicar a equação da continuidade para coordenadas cilíndricas:
Considerando que estamos em regime estacionário e que apenas a componente da velocidade é não-nula:
Assim, a equação da continuidade se reduz à:
Então, podemos concluir que a velocidade não depende da direção . Ou, de forma equivalente podemos dizer que:
Nosso próximo passo para obter o perfil de velocidades será aplicar a equação de Navier-Stokes para esta situação.
Passo 3
Como só temos escoamento na direção , iremos aplicar a equação de Navier-Stokes para esta componente:
Vamos agora olhar os termos do lado esquerdo da equação.
Sabemos que o processo ocorre em regime permanente. Além disso, as componentes de velocidade e são nulas e, pela equação da continuidade vimos que . Então,
Então, o lado esquerdo da equação se reduz à:
Vamos agora verificar os termos do lado direito.
Para esta situação, não temos gradiente de pressão e podemos desprezar a ação da força gravitacional. Além disso, vimos pela equação da continuidade que . Assim:
E a equação de Navier-Stokes fica:
Passo 4
Como a derivada em relação à é nula podemos dizer que:
Em que é uma constante. Continuando:
Integrando os dois lados da equação em relação à :
Para obter as constantes e vamos aplicar as condições de contorno para o problema. Pelo princípio da aderência sabemos que . Então, nossas condições de contorno são:
Passo 5
Aplicando estas condições no perfil de velocidade:
Subtraindo a primeira equação da segunda:
Substituindo na primeira relação:
Aplicando as constantes no perfil ficamos com:
Resposta
O perfil de velocidades para este caso é: