Enunciado

Um sistema que consiste em dois tanques cilíndricos interconectados com D 1 = 30   c m e D 2 = 12   c m deve ser usado para determinar o coeficiente de descarga de um orifício curto com diâmetro D 0 = 5   m m . No início ( t = 0 s ) , as alturas do fluído nos tanques são h 1 = 50   c m e h 2 = 15   c m , como mostra a Figura P 8 - 118 . Se são precisos 170   s para que os níveis do fluído dos dois tanques se igualem e o escoamento pare, determine o coeficiente de descarga do orifício. Despreze todas as outras perdas associadas a esse escoamento.

Passo 1

Bom, nesse problema precisamos determinar o coeficiente de descarga do orifício, que consiste basicamente num fator de correção de perdas.

Como podemos desprezar as perdas associadas ao escoamento, podemos aplicar a equação de Bernoulli. Assim, criamos o diagrama estabelecendo pontos:

Passo 2

Pelo diagrama, nós temos um ponto 1 que entra em contato com a atmosfera logo, P 1 = P a t m ; e o ponto 0 no orifício com a pressão total do sistema, logo, P 0 = P a t m + ρ g h 2 . Além, disso, a velocidade no ponto 1 é aproximadamente V 1 ≅ 0 , uma vez que é baixa. Por fim, a altura no ponto 0 é de referência, ou seja, z 0 = 0 .

A partir da nossa analise, podemos substituir na equação:

P 1 ρ g + V 1 2 2 g + z 1 = P 2 ρ g + V 2 2 2 g + z 2

P a t m ρ g + h 1 = P a t m + ρ g h 2 ρ g + V O 2 2 g

Isolamos a velocidade:

V 0 = 2 g h 1 - h 2

Que, ao final, deve ser:

V 0 = 2 g h

Passo 3

Pela definição de coeficiente de descarga, temos:

v ˙ = C d   A 0 V 0

Podemos encontrar uma relação entre a altura e o tempo, sabendo que a massa se conserva. A distância vertical entre os níveis de agua é dado por h = h 1 - h 2 , imaginamos que a tendência é h 1 diminuir durante a descarga enquanto h 2 e h aumentam.

Assim, relacionando as seções com a altura, temos:

- A 1 d h 1 d t = A 2 d h 2 d t

Estabelecendo uma variação para a distância vertical, temos:

d h = d h 1 - d h 2           ∴           d h 1 = d h + d h 2

Isolando d h 2   que achamos nas relações com a altura e substituindo na expressão acima, obtemos:

d h 1 = d h + d h 2

d h 1 = d h + - A 1 A 2 d h 1

d h 1 = d h 1 + A 1 A 2

Passo 4

Agora podemos relacionar com o coeficiente de descarga através do orifício:

v ˙ = C d   A 0 V 0 = - A 1 d h 1 d t

Substituindo..

C d   A 0 2 g h = - A 1 1 + A 1 A 2 d h d t

Organizamos os termos, tempo para o lado e altura para outro:

- d t = A 1 A 2 A 1 + A 2 × 1 C d A 0 2 g h d h

Aplicamos a integração com intervalos de t < t < 0 e h < h < h 1 :

- ∫ 0 t d t = A 1 A 2 A 1 + A 2 × 1 C d A 0 2 g ∫ h 1 h 1 h d h

t = - A 1 A 2 A 1 + A 2 × 2 C d A 0 2 g h - h 1

Por fim, isolamos C d :

t = A 1 A 2 A 1 + A 2 2 h 1 - h × 1 C d A 0 2 g

C d = 2 h 1 - h A 0 A 2 + A 0 A 1 t 2 g

Passo 5

Substituindo os dados:

C d = 2 0,5 - 0 D 0 D 2 2 + D 0 D 1 2 × 170 × 2 × 9,81

C d = 2 0,5 - 0 0,5 12 2 + 0,5 30 2 × 170 × 2 × 9,81 = 0,933

Prontinho!!

Resposta

C d = 0,933

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