Enunciado
FenTrans, MecFlu, TransCal e TransMassa - Incropera - Fundamentos de Transferência de Calor e Massa- Ed: 7º - Capítulo 7.Problemas - Ex. 5
Seja o perfil de velocidade na camada-limite de velocidade sobre uma placa plana representado por . Utilizando condições de contorno apropriadas, obtenha uma expressão para o perfil de velocidades em termos da espessura da camada-limite e da velocidade na corrente livre . Usando a forma integral da equação do momento na camada-limite (Apêndice G), obtenha expressões para a espessura da camada-limite e para o coeficiente de atrito local, expressando o seu resultado em termos do número de Reynolds local. Compare os seus resultados com aqueles obtidos com a solução exata (Seção ) e pela solução integral com um perfil cúbico (Apêndice G).
Passo 1
A primeira coisa que o exercício nos pede é para encontrar a expressão para o perfil de velocidade. Para isso, vamos começar definindo quais são as condições de contorno para o problema. Tudo bem?
Pelo princípio da aderência, a camada de fluido em contato com a placa assume a velocidade da placa. Como a placa está parada, a velocidade em é .
A partir da espessura da camada limite, o fluido deixa de sofrer interferência da placa e atinge a velocidade da corrente livre. Então, nossa segunda condição de contorno é . Aplicando as duas condições no perfil:
O nosso perfil de velocidade é:
Passo 2
Nosso próximo passo será aplicar a equação de quantidade de movimento:
Considerando que não temos escoamento na direção . Então:
Substituindo :
Se escrevermos
Ficamos com:
Substituindo o perfil de velocidade:
Passo 3
Antes de continuar, vamos eencontrar uma nova função para . A tensão de atrito na superfície é descrita como:
Substituindo na equação anterior:
Integrando:
Para uma placa plana, o número de Reynolds é expresso como:
Então:
Passo 4
Por fim, precisamos encontrar a expressão para o coeficiente de atrito local. Para isso, vamos partir da equação da tensão de cisalhamento que encontramos antes. Lembra dela? Ela era:
Se substituirmos a relação de espessura da camada limite:
O próximo passo será utilizar esta relação para obter o coeficiente de atrito. Pela definição de tensão de cisalhamento:
Comparando com as equações da seção :
E com a solução de perfil cúbico do apêndice G:
Podemos ver que chegamos em relações semelhantes, já que a espessura da camada limite e o coeficiente de atrito local são funções de , porém, com valores absolutos um pouco menores:
Resposta