118984745 varios exercicios resolvidos mecanica dos fluidos PDF

Title 118984745 varios exercicios resolvidos mecanica dos fluidos
Author Patricia Sebajos
Course Engenharia Mecânica
Institution Centro Universitário das Faculdades Metropolitanas Unidas
Pages 106
File Size 5.4 MB
File Type PDF
Total Downloads 67
Total Views 145

Summary

exercicios resolvidos...


Description

Elementos e Mecânica dos Fluídos Exemplo – No tubo da figura, determinar a vazão em volume e a velocidade na seção ( 2 ), sabendo – se que o fluído é água.

Nota: Como o fluido é incompressível, (líquido) então a Equação da Continuidade nos dá:

Q1 = Q 2

Q =v ×A

v1 × A1 = v2 × A2 v ×A v2 = 1 1 A2



v2 =

1m s × 10 cm 2 5 cm 2



v2 = 2 m s

A vazão será:

Q1 = v 1 × A1 ⇒

m 1m2 Q1 = 1 × 10 cm 2 × s 10 4 cm 2



m 1m2 × 5cm 2 × s 10 4 cm 2



3

3

Q1 = 10 − m s

ou

Q2 = v 2 × A2

⇒ Q2 = 2

− Q2 = 10 3 m 3 s

Portanto:

Q = 10 −3

m 3 1000L × s 1 m3



Q = 1L s

Paulo Vinicius Rodrigues de Lima [email protected]

Elementos e Mecânica dos Fluídos 2

Exemplo resolvido 4.1 – Ar escoa num tubo convergente. A área de maior seção do tubo é 20cm e a 2

10cm . A massa específica do ar na seção (1) é 0,12utm m3 , enquanto na seção (2) é 0,09utm m3 . Sendo a velocidade na seção (1) 10 m s , determinar a velocidade na seção (2) e a vazão

menor

em massa.

Nota: Trata-se de fluído compressível, ρ1 ≠ ρ2 e a Equação da Continuidade nos dá Qm1 = Qm 2 .

Qm 1 = Qm 2

Qm = ρ × v × A

ρ1 × v1 × A1 = ρ2 × v 2 × A2

v2 =

ρ1 × v1 × A1 ρ2 × A2

Qm = ρ1 × v 1 × A1

0,12 ⇒

utm

v2 =

m

0,09



Qm = 0,12

× 10

3

utm m3

utm m



v 2 = 26,67 m s

2

× 10 cm

×10

3

m × 20 cm2 s

m 1m2 × 20 cm 2 × 4 s 10 cm2



Qm = 2,4 × 10−3 utm s

ou

Qm = ρ2 × v 2 × A 2



Qm = 0,09

utm m

3

× 26,67

2 m 1m × 10cm2 × 4 s 10 cm2

Paulo Vinicius Rodrigues de Lima [email protected]



Qm = 2,4 × 10 −3 utm s

Elementos e Mecânica dos Fluídos Exemplo resolvido 4.2 – Um tubo admite água

20 L s . No mesmo reservatório é trazido óleo

( ρ = 100utm m ) , num reservatório com uma vazão de (ρ = 80utm m ) por outro tubo com a vazão de 10 L s . 3

3

A mistura homogênea formada é descarregada por um tubo cuja seção tem uma área de Determinar a massa específica da mistura no tubo de descarga e a velocidade da mesma.

30cm2 .

Pela Equação da Continuidade:

Qm 1 + Qm 2 = Qm 3

Qm = ρ × Q

ρ1 × Q1 + ρ2 × Q2 = ρ3 × Q3 Como os fluídos admitidos são incompressíveis, além de ser válida a Equação da Continuidade, vale a relação:

Q3 = Q1 + Q2

L L ⇒ Q 3 = 20 + 10 s s



Q 3 = 30L s

Logo:

ρ1 × Q1 + ρ2 × Q2 = ρ3 × Q3

2000 ρ3 =



ρ × Q1 + ρ2 × Q 2 ρ3 = 1 Q3

utm L utm L × + 800 3 × 3 m s m s L 30 s



ρ3 =

ρ3 =

utm L × m3 s L 30 s

Q3 A3





v 3 = 10 m s

utm L utm L × 20 + 80 3 × 10 3 m s m s L 30 s

2800 ⇒

1

v3 =

100

L 1m 3 30 × s 1000 L v3 = 1m 2 30 cm2 × 10 4 cm 2

Paulo Vinicius Rodrigues de Lima [email protected]



ρ 3 = 93,3 utm m 3



Elementos e Mecânica dos Fluídos Exemplo resolvido 4.5 – No dispositivo da figura, o pistão desloca-se 0,5m e o trabalho realizado nesse deslocamento é 50kgf × m . Supõe-se que não haja perda de pressão entre a saída da bomba e a face do pistão. Determinar: a) A potência fornecida ao fluído pela bomba; b) A vazão em L s ; c) A pressão na face do pistão.

N =? Q=? P= ?

W = 50kgf × m S = 0,5 m t = 0,5 s

N=

W t

V Q= d t



N=

⇒ Q=

N = P×Q



50kgf × m 0,5 s

Ap × S

P=

t N Q



N = 100 kgf × m s

2 50 c m ×

⇒ Q=



P=

1m2 4

10 cm 0,5 s

100 kgf × m s 5 ×10− 3 m 3

1

2

× 0,5 m



s

Paulo Vinicius Rodrigues de Lima [email protected]



P = 20.000

Q = 5 × 10−3 m 3 s

kgf m2

ou

P=2

kgf cm 2

Elementos e Mecânica dos Fluídos 4.1 – Ar escoa por um tubo de seção constante de diâmetro 5cm . Numa seção (1) a massa específica é

0,12utm m 3 e a sua velocidade é de 20 m s . Sabendo-se que o regime é permanente e que o escoamento é isotérmico, determinar: 2

a) A velocidade do gás na seção (2), sabendo que a pressão na seção (1) é 1kgf cm (abs) e na 2

seção (2) é 0,8 kgf cm (abs); b) A vazão em massa; c) A vazão em volume em (1) e (2).

Nota: O fluído é gás, portanto, não pode ser caculada a vazão em volume.

Escoamento isotérmico ⇒

ρ1 = 0,12 utm m 3

∴ p1v1 = p2 v 2

v1 = 20 m s a) v 2 = ?



( abs) cm2 ( abs )

P1 = 1 kgf cm2 P2 = 0,8 kgf v2 =

P1 × v1 P2

Pv = cte

⇒ v2 =

A1 = A2

P1 ×v 1 = P2 × v 2



t1= t 2

1 kg f cm 2 × 20 m s 0,8 kgf

cm2



v2 =

P1 × v1 P2

v 2 = 25 m s

b) Qm = ρ1 × Q1 = ρ1 × v1 × A1

(

m π × 0,05 m × Q m = 0,12 3 × 20 s 4 m utm

)

2



Qm = 4,71× 10− 3 utm s

c) Q1 = ? Q 1 = v 1 × A1

m π × ( 0,05m ) ⇒ Q 1 = 20 × s 4

Q 2 = v 2 × A2

⇒ Q1 = 25

2

Q 1 = 39,27 ×10 −3 m 3 s



m π × ( 0,05m ) × s 4

2

Q 1 = 49,09 ×10 − 3 m 3 s



d ) ρ2 = ? ρ1 ×v 1 × A1 = ρ2 × v 2 × A2



ρ2 =

ρ1 × v1 v2

m utm × 20 3 s m 25 m s

0,12 ⇒

ρ2 =



3 ρ2 = 0,096 utm m

ou Qm = ρ2 × v2 × A2



ρ2 =

Qm v 2 × A2



ρ2 =

4,71× 10− 3 utm s 25

m × s

π × ( 0,05m ) 4

Paulo Vinicius Rodrigues de Lima [email protected]

2



ρ2 = 0,096 utm m3

Elementos e Mecânica dos Fluídos 4.2 – Os reservatórios I e II da figura são cúbicos e enchidos pelos tubos respectivamente em 100 e 500 s. Determinar a velocidade da água na seção “A” indicada, sabendo – se que o diâmetro é 1 m.

VI = 5m × 5m × 5m VI = 125m3

π × D2 AA = 4

⇒ AA =

π × (1m ) 4

AA = 0,7853 m2 VII = 10m × 10m × 10m VII = 1000 m3

v= Qentrada = Q saída

QA AA



v=

v = 4,13 m s

QA = QI +QII QA =

VI V + II Δt I Δt II

125m 3 1000m 3 + 100s 500s 3 1,25 m 2m 3 + QA = s s QA =

3

Q A = 3,25 m s

Paulo Vinicius Rodrigues de Lima [email protected]

3,25 m3 s 0,7853 m2

2

Elementos e Mecânica dos Fluídos 4.4 – Um propulsor a jato queima 0,1utm s de combustível quando o avião voa a velocidade de 200 m s . Sendo dados:

ρar = 0,12 utm m 3 ; ρm = 0,05 utm m3 , na seção (2);

A1 = 0,3m 2 e A2 = 0,2m2 . Determinar a velocidade dos gases queimados

(v m ) na seção de saída.

Qm 1 + Qm 3 = Qm 2 Q1 × ρ1 +Q 3 × ρ3 = Q 2 × ρ2

(v1 × A1 × ρ1 ) + 0,1utm = (v 2 × A2 × ρ2 ) s

⎛ utm ⎞ m utm ⎞ utm ⎛ ⎟ = ⎜ v 2 × 0,2 m 2 × 0,05 × 0,3 m2 × 0,12 3 ⎟ + 0,1 ⎜ 200 1 ⎜ 3 ⎟ s s m ⎠ ⎝ m ⎝ ⎠ utm utm utm 7,2 + 0,1 = v 2 × 0,01 s s m 7,3 utm s v2 = 0,01 utm m v 2 = 730m s

Paulo Vinicius Rodrigues de Lima [email protected]

Elementos e Mecânica dos Fluídos 4.7 – O tanque da figura pode ser enchido pela água que entra pela válvula A em 5h., pela que entra por B em 3h. e pode ser esvaziado (quando totalmente cheio) pela válvula C em 4h. (supondo vazão constante). Abrindo todas as válvulas (A,B,C,D) ao mesmo tempo o tanque matem-se totalmente cheio. Determinar a 2 área da seção de D se o jato de água deve atingir o ponto O da figura. Dado: g = 10 m s .

Lembrar: Q0 = v 0 × A0 Pela equação da continuidade: QA + QB + = QC + QD 3

3

3

30 m 30 m 30 m + = + QD 5h 3h 4h QD = 8,5 m3 h

movimento da gota: ⇒ na horizantal: MRU X = x0 + vD ×t ⇒ na vertical: MRUV (queda livre) t0 = 0 } 1 Y = y0 + vD × t − g × t 2 2 1 0 = 5+ 0− × 10t2 ⇒ t = 1s 2

Assim: QD = vD × AD Q AD = D vD 2

m3 1h 8,5 × h 3600 s AD = m 10 s

em "X": X = x0 + vD ×t f 10 = 0 + v D ×1 vD = 10 m s

AD = 2,361 ×10 − m 4

ou AD = 2,361cm2

Paulo Vinicius Rodrigues de Lima [email protected]

2

Elementos e Mecânica dos Fluídos 4.8 – Sabendo-se que num conduto de seção circular o diagrama de velocidade é parabólico dado pela



2 ⎛ r⎞ ⎤ ⎟ ⎥ , onde v é uma velocidade genérica, vmáx é a velocidade no eixo do ⎢⎣ ⎝ R ⎠ ⎥⎦ conduto, r é um raio genérico e R é o raio do conduto. Calcular a velocidade média na seção 1 (escoamento laminar). Sabe-se que: vm = × ∫v dA . A

equação v = vmáx = ⎢1− ⎜

1 v = × ∫ v( r ) dA ⇒ A A

⎧⎪ ⎫⎪ ⎡ ⎛ r ⎞2 ⎤ 1 v= v r dr 1 2 × − × π × × ⎢ ⎥ ⎨ ⎬ ⇒ π × R 2 ∫A ⎩⎪ máx ⎣⎢ ⎝⎜ R ⎠⎟ ⎥⎦ ⎭⎪

v=

⎧⎪ ⎡ ⎛ r ⎞2 ⎤ ⎫⎪ vmáx × 2 π × − × × ⇒ r dr 1 ⎨ ⎢ ⎥ ⎬ ⎜ ⎟ ∫A ⎪ ⎢ ⎝ R ⎠ ⎥ π × R2 ⎦ ⎩⎣ ⎭⎪

v=

3 2v máx R ⎛ r × dr ⎞ r dr × × − ⎜ ⎟ ⇒ 2 2 ∫0 ⎝ R R ⎠

R

⎡r 2 ⎤ ⎡ r4 ⎤ 2v × − v = máx ⎢ 2⎥ ⎢ 2⎥ R2 ⎣ ⎦ 0 ⎣ 4R ⎦

v=

2v má x R2

2

×

R 4



v=

v=

R

⇒ 0

v=

v=

2 ⎫⎪ 2vmáx R ⎧⎪ ⎡ ⎛ r ⎞ ⎤ × − × ⇒ r dr 1 ⎨ ⎢ ⎥ ⎬ ⎜ ⎟ 2 ∫0 ⎪ ⎢ ⎝ R ⎠ ⎥ R ⎦ ⎩⎣ ⎭⎪

⎛ 1 R 3 ⎞⎤ 2v máx ⎡ R r dr r × dr ⎟ ⎥ ⇒ × × − ( ) ⎢ ⎜ 2 2× ∫ ∫ R 0 ⎝R ⎠ ⎦⎥ ⎣⎢ 0

2vmáx ⎛ R2 R2 ⎞ ×⎜ − ⎟ ⇒ R2 4 ⎠ ⎝ 2

v máx 2

Paulo Vinicius Rodrigues de Lima [email protected]

Elementos e Mecânica dos Fluídos 4.9 – Sabe-se que num conduto de seção circular o diagrama de velocidade é exponencial dado pela 17

r⎞ ⎛ v = vmax ⎜ 1 − ⎟ , onde v é a velocidade genérica, vmax é a velocidade no eixo do conduto, r é R ⎝ ⎠ um raio genérico, R é o raio do conduto. Calcular a velocidade média na seção (escoamento turbulento). 1 v × dA . Sabe-se que: vm = A∫ equação:

dA = 2 π× r × dr

(ver exercício 4.8)

A = π× R

(ver exercício 4.8)

2

17

R

v=

1 v × dA ⇒ A∫

r ⎞ 1 ⎛ vmax ⎜ 1 − ⎟ R π × R 2 ∫0 ⎝ ⎠

v=

R 17 2vmax × ( R − r ) × r × dr 2 17 ∫ R ×R 0

v=



v=

× 2π × r × dr



v=

2 π × vmax π ×R

2

R

17

⎛R−r ⎞ × ∫⎜ × r × dr R ⎟⎠ 0 ⎝

R 17 2vmax × ( R − r ) × r × dr 15 7 ∫ R 0

note: R −r = t r =R−t dr = −dt

v=

2vmax R 1 7 × ( t) × ( R − t) × ( − dt) R 15 7 ∫0

R

I=

∫(

)

Rt1 7 − t8 7 × (− dt ) ⇒

v=

2vmax ×I R15 7

R

I=

0

⎛ 7t 15 7 I= ⎜ ⎜ 15 ⎝



∫(

R

)

t8 7 − Rt1 7 × dt ⇒

I=

0

R

0

⎞ ⎛ 7t 8 7 ⎟ − R⎜ ⎟ ⎜ 8 ⎠ ⎝

⎡⎛ R 15 7 I = 7 × ⎢⎜ 0 − 15 ⎣⎝

⎞ ⎛ R8 7 ⎞⎤ R − − 0 ⎟ ⎜ ⎟⎥ ⇒ 8 ⎠⎦ ⎠ ⎝

⎡7 R15 7 ⎤ I = 7× ⎢ ⎥ ⇒ ⎣ 120 ⎦ 2v max v = 15 ×I R 7

0

I=

49 R15 7 120 1



0

⎡⎛ ( R − r )15 7 I = 7 × ⎢⎜ ⎢⎜ 15 ⎣⎢⎝

⎞ ⎟ ⇒ ⎟ ⎠

R

v=

2 v max 15 7

R

×

R

0

87 ⎞ ⎛ ⎟ − R⎜ ( R − r ) ⎟ ⎜ 8 ⎠ ⎝

⎡ R15 7 R15 7 ⎤ I = 7× ⎢− + ⎥ ⇒ 8 ⎦ ⎣ 15



49 R15 7 120



R

t8 7 dt− R∫ 1t 7 dt ⇒

60



v=

49v max 60

Paulo Vinicius Rodrigues de Lima [email protected]

0

R

0

⎞⎤ ⎟⎥ ⎟⎥ ⎠ ⎦⎥



⎡−8 R15 7 + 15 R15 7 ⎤ I = 7× ⎢ ⎥ ⇒ 120 ⎣ ⎦



Elementos e Mecânica dos Fluídos 4.10 – No sistema da figura, sabe-se que na seção (1) de área 30 cm2 (circular), o escoamento é laminar. As velocidades dos pistões são indicadas na figura. Qual a vazão em kg/s no retorno, se Dado:

γ = 10.000 N m3 ?

g = 10 m s 2 .

Q1 + Q 2 = Q 3 + Q 4 + Q R 123 14 4244 3 ∑ Qentrada ∑ Qsaída

v max × A1 2 6m s 1m2 2 Q1 = × 30 c m × 4 2 2 10 cm

Q1 = v1 × A1 ⇒

Q 2 = v 2 × A2

Q3 = v 3 × A3

Q2 = 3 m s ×10 cm × 2

1m2

Q3 = 2 m s × 20 cm ×

104 cm2

Q1 = 9 × 10 −3 m3 s

Q2 = 3× 10−3 m3 s

Q3 = 4 ×10−3 m 3 s

ou

ou

ou

Q1 = 9 l s

Q2 = 3 l s

Q3 = 4 l s

Q1 + Q2 = Q3 + Q4 + QR 14 4244 3 123 ∑ Qentrada ∑ Qsaída 9 + 3 = 4 + 3 + QR

QMR = ρ× QR

Q4 = 3 × 10−3 m3 s ou

QR = 5 l s

QMR =

Q4 = 3 l s

QR = 5 ×10 −3 m 3 s

Q4 = v4 × A4 2

Q4 = 1 m s × 30 cm2 ×

1m 104 cm 2

QMR =

10.000 N m3

QMR = 5

10 m s 2

1

× 5 ×10−

3

m3 s

N ×s kg × m s ⇒ QMR = 5 1 × m m s2

QMR = 5kg s

[email protected]

104 cm2

γ × QR g

ou

Paulo Vinicius Rodrigues de Lima

1m2

2

Elementos e Mecânica dos Fluídos 3

4.11 – No circuito hidráulico abaixo, que opera com óleo de peso específico 8000 N m , há um vazamento. Determinar a despesa diária do óleo vazado, sabendo – se que seu custo é US$ 0,10/ kg. 2

2

2

Dados: v A = 2,5 m s ; AA = 40 cm ; v B = 2,1m s ; AB = 45 cm ; g = 10 m s .

49 × vmáx. ( turbulento) 60 49 v1 = ×6m s 60

γ = ρ× g ⇒

v1 =

8000 ρ=

v1 = 4,9 m s

ρ=

γ ⇒ g

ρ=

8000 N m 3 10 m s2

kg × m

m3 × s2 10 m s 2



ρ = 800 kg m3

Qm 1 = QmA + QmB + Qm vaz . Q1 × ρ1 = Q A × ρA + Q B × ρB + Qm vaz.

(v1 × A1 × ρ1 ) = ( vA × AA × ρA ) + ( vB × AB × ρB ) + Qm vaz . m kg ⎞ ⎛ m kg ⎞ ⎛ m kg ⎞ ⎛ −4 −4 −4 2 2 2 ⎜ 4,9 × 40 × 10 m × 800 3 ⎟ = ⎜ 2,5 × 40× 10 m × 800 3 ⎟ + ⎜ 2,1 × 45× 10 m × 800 3 ⎟ + Qm vaz. s m ⎠ ⎝ s m ⎠ ⎝ s m ⎠ ⎝ kg kg kg 15,68 =8 + 7,56 + Q m vaz. s s s Qm vaz. = 0,12 kg s

Despesa = 0,12

kg s

×

US$0,10 3600 s 24 h × × kg dia 1h

Despesa = 1036,8 US$ dia

Paulo Vinicius Rodrigues de Lima [email protected]

Elementos e Mecânica dos Fluídos 4.12 – Determinar o tipo de escoamento na seção (3). Dados:

Re1 = 5714 ; Re 2 = 8929 ; υ = 8,4 ×10 −5 m 2 s . D ×v A e DH = 4× R H = 4 . Obs: Re = H υ p Onde:

RH = raio hidráulico A = seção transversal molhada p = perímetro da seção em contato com o fluído

Re1 =

v1 × DH1

υ

Re2 =

2 × (ab ) DH 1 = a + b3 144244

DH2

SEÇÃO RETANGULAR

DH2 = 4 ×

m 0,3 m 40,2 74 8 6 474 8⎞ ⎛6 2× ⎜ 200mm × 300mm ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ DH 1 = m m 6 40,2 74 8 6 40,3 74 8 200mm + 300mm

0,12 m2 DH 1 = 0,5 m

1

Re1 =

υ



Re × υ v1 = 1 DH1

− 5714 × 8,4 ×10 5 m 2 s 0,24 m

v 1 = 1,99 m s

π × ( D2 ) 4 A = 4× 1 = 4 × π × D2 p1 2

( )

π × D2

2

×

4

1 π × D2

DH 2 = D2 1424 3



v1 ≅ 2,0 m s

v2 =

m 0,3m 40,2 74 8 6 474 8⎞ m ⎛⎜ 6 Q 1 =1,99 × 200mm ×300mm ⎟ ⎟ s ⎜ ⎝ ⎠ −1 3 1,19 10 = × Q1 m s −1

3

Q1 ≅ 1,2× 10 m s

Q 3 = 2,67 × 10 − 1m 3 s

υ

0,55 m

v × DH 2

0,55 m 1

υ × Re2 υ

v3 =

DH 2 8929 × 8,4 × 10 0,25 m

−5

m

2

1

2,67 × 10− 1 m3 s 0,3025 m 2

v 3 = 0,883 m s s DH 3 = 4×

v 2 = 3,00 m s

Q2 = 3,00

DH 3 ×v 3

− Q 2,67 ×10 1 m3 s v3 = 3 = mm 550 550 A3 1 mm 424 3 ×1 424 3

A3 lx l = 4× p3 4×l

DH 3 = l 1 424 3

Q2 = v 2 × A2

Q 1 =v 1 × A1

m3 s

Q3 = ( 1,2 + 1,47) × 10−1

Re3 =

DH2 = 250mm

v2 =

Q3 = Q1 + Q2

Re3 = ?

SEÇÃO CIRCULAR

Re2 =

1

v1 =

υ

DH 2 = 0,25 m

DH 1 = 0,24m v1 × DH1

Equação da continuidade (fluído incompressível)

v × DH 2

A a ×b DH 1 = 4 × 1 = 4 × 2 × ( a + b) p1

SEÇÃO QUADRADA

m π × ( D2 ) × s 4

2

m π × ( 0,25m) Q2 = 3,00 × 4 s −1

DH 3 = 0,55 m 2

Re3 =

3

Q2 ≅ 1, 47× 10 m s

Re3 =

DH 3 ×v 3

υ 0,55 m × 0,883 m s 8,4 × 10 − 5 m 2 s

Re 3 = 5781,6 turbulento Paulo Vinicius Rodrigues de Lima [email protected]



Elementos e Mecânica dos Fluídos 4.13 – Com o registro “R” inicialmente fechado, o nível do reservatório apresenta uma variação Δh = 10cm num intervalo de tempo de 10s . A partir deste instante, o registro é aberto, permanecendo constante o nível do reservatório. Pede-se: a) O diâmetro da seção transversal do tubo que abastece o tanque, sabendo-se que na mesma a velocidade máxima é 4m s e o escoamento é turbulento; b) Após o nível constante, qual o alcance “X” do jato; c) Regime de escoamento no tubo −6

2

de saída dado υ = 10 m s ; d) Diâmetro do tubo se o regime for laminar.

b)

a) Dt = ? Q =v ×A π × Dt 4 4Q = v × π × Dt 2

Q =v ×

Dt =

4Q v×π 17

r ⎞ ⎛ vm = vmáx ⎜1 − ⎟ ∴ R ⎝ ⎠ 49 vm = × vmáx ( turbulento) 60 49 vm = ×4m s 60 νm = 3,267m s

0,00641m 3 s

t =

V Δh × Atq = t t 0,10m × 0,641m2 Q = 10s



v=

...


Similar Free PDFs