Enunciado
FenTrans, MecFlu, TransCal e TransMassa - Fox - Mecânica dos Fluidos- Ed: 8º - Capítulo 8.Problemas - Ex. 17
Na Seção 8.2, nós deduzimos o perfil de velocidades entre placas paralelas (Eq. 8.5) usando um volume de controle diferencial. Em vez disso, seguindo o procedimento que nós usamos no Exemplo 5.9, deduza a Eq. 8.5 partindo das equações de Navier-Stoker (Eqs. 5.27). Assegure-se de fazer todas as considerações necessárias para a dedução.
Passo 1
Tá legal, a primeira coisa que devemos fazer é escrever as equações de Navier-Stokes, então, teremos:
Essa será nossa equação 1. Ainda temos:
Essas serão nossas equações 2, 3 e 4 respectivamente.
Passo 2
Beleza! Agora vem a parte das considerações, sabemos que nesse caso temos regime permanente, então podemos cancelar os termos dependentes do tempo das equações 2, 3 e 4. Temos também que o escoamento é incompressível, então . Agora, sabemos que não teremos nenhuma variação ou alteração na direção , de modo que o restante da sua equação 4, além do termo no tempo que já cancelamos, será zero. E também todos os outros termos nas equações 1, 2 e 3 que dependem de serão iguais a zero.
Passo 3
Agora, assumindo escoamento totalmente desenvolvido, não teremos nenhuma variação de propriedade na direção , com exceção da pressão, então todas as derivadas com relação a podem ser igualadas a zero. Podemos também desconsiderar as forças de campo na direção , de modo que . Então, até o momento, as equações se tornaram:
Dessa forma, através da primeria equação, vemos que devemos ter constante, dessa forma, como sabemos que na parede temos , então a velocidade deve ser zero em qualquer outro ponto do escoamento. Com isso, podemos zerar os temros dependentes de , e as equações se tornam:
Então, na direção teremos:
Passo 4
Agora, analisando a equação resultante da direção , temos:
Integrando uma vez em , temos:
Integrando novamente em , temos:
Agora, isolando da equação, temos:
Agora, para encontrar as constantes e vamos utilizar as condições de contorno conhecidas, são elas, a velocidade nula na parede:
Então a equação acima se torna:
E, para a segunda condição, temos:
Então o perfil de velocidade será:
Então a equação será: