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Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-1
AAPPOOSSTTIILLAA DDEE MMEECCÂÂNNIICCAA DDOOSS FFLLUUIIDDOOSS
PPRROOBBLLEEMMAASS RREESSOOLLVVIIDDOOSS EE PPRROOPPOOSSTTOOSS
((22001111))
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-2
1.1 PROBLEMAS RESOLVIDOS - PROPRIEDADES DOS FLUIDOS (CAP.2) ................................................. 4
1.2 PROBLEMAS PROPOSTOS - PROPRIEDADES DOS FLUIDOS E PRESSÃO ( CAP.2 E CAP.3) .................... 10
1.3 PROBLEMAS RESOLVIDOS – LEI DA VISCOSIDADE DE NEWTON (CAP.2) ............................................ 13
1.4 PROBLEMAS PROPOSTOS – LEI DA VISCOSIDADE DE NEWTON (CAP.2) ............................................. 20
1.5 PROBLEMAS RESOLVIDOS – MANOMETRÍA. (CAP.3)....................................................................... 23
1.6 PROBLEMAS PROPOSTOS - CONCEITOS DE PRESSÃO (CAP3) ..................................................... 28
1.7 PROBLEMAS RESOLVIDOS - CINEMÁTICA DOS FLUIDOS (CAP4) ...................................................... 32
1.8 PROBLEMAS PROPOSTOS – CINEMÁTICA (CAP.4)........................................................................... 42
1.9 PROBLEMAS RESOLVIDOS – CONSERVAÇÃO DA MASSA (CAP.5)...................................................... 44
1.10 PROBLEMAS RESOLVIDOS – QUANTIDADE DE MOVIMENTO (CAP.5) .............................................. 50
1.11 PROBLEMAS PROPOSTOS – QUANTIDADE DE MOVIMENTO................................................... 60
1.12 PROBLEMAS RESOLVIDOS – ESCOAMENTO VISCOSO EM DUTOS (CAP.6 E CAP.7) ......................... 63
1.13 PROBLEMAS PROPOSTOS - PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÕES (CAP.7) ....................................... 79
1.14 PROBLEMAS PROPOSTOS - ESCOAMENTO VISCOSO EM DUTOS (CAP.7 E CAP.8).......................... 82
1.15 PROBLEMAS RESOLVIDOS - ANÁLISE DIMENSIONAL (CAP.9) ........................................................ 84
1.16 PROBLEMAS ADICIONAIS ............................................................................................................ 87
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-3
EEXXEEMMPPLLOOSS
PPRROOPPRRIIEEDDAADDEESS DDOOSS FFLLUUIIDDOOSS
CCAAPP 22
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-4
1.1 PROBLEMAS RESOLVIDOS - Propriedades dos Fluidos (Cap.2)
[ 1 ] Determine o peso de um reservatório de óleo que possui uma massa de 825 kg.
[ 2 ] Se o reservatório do exemplo anterior tem um volume de 0,917 m3 determine a massa específica, peso específico
e densidade do óleo.
[ 3 ] Se 6,0m3 de óleo pesam 47,0 kN determine o peso específico, massa específica e a densidade do fluido.
[ 4 ] Um tanque de ar comprimido apresenta um volume igual a 2,38x10-2m3. Determine a massa específica e o peso do
ar contido no tanque quando a pressão relativa do ar no tanque for igual a 340kPa. Admita que a temperatura do ar no
tanque é 210C e que a pressão atmosférica vale 101,3kPa. A constante do gás para o ar é R=287 (J/kg K)
[ 5 ] Um fluido tem uma viscosidade dinâmica de 5x10-3 N.s/m2 e uma massa específica de 0,85 kg/dm3. Determinar a
sua viscosidade cinemática.
[ 6 ] Determinar a altura representativa de uma pressão de 500 2K N m− em termos da altura de coluna de água de
massa específica ρ = −1000 3kg m , e em termos de altura de coluna de Mercúrio com massa específica
ρ = × −13 6 103 3. kg m . Utilizando p gh= ρ .
[ 7 ] A água de um lago localizada numa região montanhosa apresenta temperatura média igual a 100C e profundidade
máxima do lago de 40m. Se a pressão barométrica local é igual a 598 mmHg, determine a pressão absoluta na região
de mais profundidade do lago. Considere a densidade do mercúrio igual a 13,54.
[ 8 ] Expresse a pressão relativa de 155kPa como uma pressão absoluta. A pressão atmosférica local é de 98,0 kPa.
[ 9 ] Expresse uma pressão absoluta de 225,0 kPa como uma pressão manométrica. A pressão atmosférica local é de
101,0 kPa.
[ 10 ] Um vacuômetro indica uma pressão de 70 kPa. Determinar a pressão absoluta considerando que a pressão
atmosférica local é igual a 100 kPa.
[ 11 ] Um manômetro instalado numa tubulação de água indica uma pressão de 2,0 kgf/cm2. Determinar a pressão
absoluta em kgf/cm2, Pa, mH20 e mm Hg. Considere a pressão atmosférica igual a 1,0 kgf/cm2 e a densidade do
mercúrio igual a 13,6.
[ 12 ] Um fluido newtoniano apresenta viscosidade dinâmica igual a 0,38 N.s/m2 e densidade igual a 0,91 escoando
num tubo de 25mm de diâmetro interno. Sabendo que a velocidade média do escoamento é de 2,6 m/s, determine o
valor do número de Reynolds.
[ 13 ] Em um reservatório contendo glicerina, com massa=1200 kg e volume=0,952 m³. Determine: a) peso da glicerina;
b) massa específica da glicerina; c) peso específico da glicerina; d) densidade da glicerina.
[ 14 ] Um avião voa a 10700 m de altura, a velocidade de 850 km/h, onde a temperatura chega a -55ºC. Dados: KAR =
1,4 e RAR = 287 [J/(kg.K)] , determine: a) a velocidade do som; b) número de Mach; fluido compressível ou
incompressível? c) subsônico ou supersônico?
[ 15 ] Determine a massa específica do ar que se encontra num reservatório com temperatura de 50°C, no qual existe
um manômetro indicando uma pressão de 370 kPa.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-5
Solução dos Problemas - Propriedades dos Fluidos
[1] Determine o peso de um reservatório de óleo que possui uma massa de 825 kg.
kNN
s
mkgxw
mgw
093,8ou 25,809381,9825 2 ==
=
[2] Se o reservatório do exemplo anterior tem um volume de 0,917 m3 determine a massa específica, peso
específico e densidade do óleo.
Massa específica
33 90067,899917,0
825
m
kg
m
kg
V
m
≅===ρ
Peso específico
323 8,882581,967,899
m
N
s
m
x
m
kgg === ργ
Também poderia ser determinada como
33 8,8825917,0
25,8093
m
N
m
N
V
w
===γ
densidade
)4()4( 22 caOH
fluido
caOH
fluidod
oo
γ
γ
ρ
ρ
==
90,089967,0
1000
67,899
)4(2
≅===
caOH
fluidod
o
ρ
ρ
[3] Se 6,0m3 de óleo pesam 47,0 kN determine o peso específico, massa específica e a densidade do fluido.
Peso específico 334,78336
100047
m
Nx
V
W
===γ
Massa específica 351,79881,9
34,7833
m
kg
g
===
γρ
mm
xs
s
mkg
mm
Ns
s
m
m
N
g 3
2
2
3
2
2
3
.
.
====
γρ
Densidade 80,0
1000
51,798
0
2 40
===
CaH
óleod
ρ
ρ
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-6
[ 4 ] Um tanque de ar comprimido apresenta um volume igual a 2,38x10-2m3. Determine a massa específica e o peso do
ar contido no tanque quando a pressão relativa do ar no tanque for igual a 340kPa. Admita que a temperatura do ar no
tanque é 210C e que a pressão atmosférica vale 101,3kPa. A constante do gás para o ar é R=287 (J/kg K)
A pressão absoluta é Pabs=Pman+Patm=340kPa + 101,3kPa= 441,3 kPa.
A temperatura absoluta é Tabs(K) =T(oC) + 273= 21+273=294 K
A massa específica pode ser determinada com a lei dos gases perfeitos
323,5294287
10003,441
m
kg
x
x
RT
P
===ρ
As unidades são:
( ) 32
2
..
..
m
kg
xKmmN
KkgN
Kx
kgK
Nm
m
N
RT
P ==
==ρ
O peso de ar contido no tanque é igual a
NxxxgW 22,11038,281,923,5 2 ==∀= −ρ
Conferindo as unidades:
( ) N
s
mkg
m
s
m
m
kggW ==
=∀= 2323 .ρ
[ 5 ] Um fluido tem uma viscosidade dinâmica de 5x10-3 N.s/m2 e uma massa específica de 0,85kg/dm3. Determinar a
sua viscosidade cinemática.
s
m
x
kg
ms
s
kgm
x
kg
msN
x
m
kg
m
Ns
x 2
6
2
66
3
2
3
1088,5..1088,5..1088,5
850
105
−−−
−
=
====
ρ
µν
[ 6 ] Determinar a altura representativa de uma pressão de 500 2K N m− em termos da altura de coluna de água de
massa específica ρ = −1000 3kg m , e em termos de altura de coluna de Mercúrio com massa específica
ρ = × −13 6 103 3. kg m . Utilizando p gh= ρ .
Solução
Em termos de coluna de água: água de 95.50
81.91000
10500 3
m
g
ph =
×
×
==
ρ
Em termos de coluna de mercúrio com ρ = × −13 6 103 3. kg m .
mercúrio de 75.3
81.9106.13
10500
3
3
mh =
××
×
=
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-7
[7] A água de um lago localizada numa região montanhosa apresenta temperatura média igual a 100C e profundidade máxima do
lago de 40m. Se a pressão baromêtrica local é igual a 598 mmHg, determine a pressão absoluta na região de mais profundidade do
lago. Considere a densidade do mercúrio igual a 13,54.
A pressão da água, em qualquer profundidade h, é dada pela equação:
ghpp ρ+= 0
Onde po é a pressão na superfície do lago que representa a pressão atmosférica local (patm).
Como patm foi dada em coluna de mercúrio devemos
kPa
m
kg
xghpatm 43,79
m
N79430,79 x0,598m
s
m
x9,81100054,13 223 ==== ρ
Desta forma para o fundo do rio (h=40m) para água a 100C a qual corresponde uma massa especifica de 1000kg/m3 podemos
determinar a pressão absoluta como.
kPakPakPaxxkPaghpp 4724,39243,794081,9100043,79atm ≈+=+=+= ρ
[8] Expresse a pressão relativa de 155kPa como uma pressão absoluta. A pressão atmosférica local é de 98,0 kPa.
kPakPakPapPp man 2530,98155atmabs =+=+=
[9] Expresse uma pressão absoluta de 225,0 kPa como uma pressão manomêtrica. A pressão atmosférica local é de 101,0 kPa.
kPakPakPappPman 0,1240,1010,225atmabs =−=−=
[10] Um vacuômetro indica uma pressão de 70 kPa. Determinar a pressão absoluta considerando que a pressão atmosférica local é
igual a 100 kPa.
kPakPakPappp vac 3070100atmabs =−=−=
[11] Um manômetro instalado numa tubulação de água indica uma pressão de 2,0 kgf/cm2. Determinar a pressão absoluta em
kgf/cm2, Pa, mH20 e mm Hg. Considere a pressão atmosférica igual a 1,0 kgf/cm2 e a densidade do mercúrio igual a 13,6.
atmabs pPp man +=
em kgf/cm2
2abs 321 cm
kgfp =+=
Sabemos que 1 kgf =9,81N, desta forma e que 1cm2 = (1/100)2m2. Desta forma.
• Pressão em Pascal.
kPaxx
m
kgf
N
x
cm
kgfp 3,29410081,90,3
100
1
81,90,3 2
2
2
2abs ===
• Coluna de água
água de coluna de 30
81.91000
103,294 3
02
m
g
ph
H
=
×
×
==
ρ
• Coluna de mercúrio considerando d=13,6.
mercúrio coluna de 2,2
81,910006,13
103,294 3
m
xg
ph
Hg
=
×
×
==
ρ
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-8
[12] Um fluido newtoniano apresenta viscosidade dinâmica igual a 0,38 N.s/m2 e densidade igual a 0,91
escoando num tubo de 25mm de diâmetro interno. Sabendo que a velocidade média do escoamento é de 2,6
m/s, determine o valor do número de Reynolds.
O número de Reynolds é definido como
µ
ρ
ν
VDVD
== ou Re
a massa específica do fluido é determina em função da densidade
330 910100091,02 m
kg
m
kg
xd H === ρρ
156
38,0
910025,06,2Re ≅== xxVD
µ
ρ
Conferindo as unidades
( ) aladimension-1
...
Re
22
3
2
3
2
3 =
====
s
m
mkg
s
m
kg
m
s
m
sN
m
x
m
kg
xmx
s
m
m
Ns
m
kg
xmx
s
m
VD
µ
ρ
• O valor de um parâmetro adimensional não depende do sistema de unidade utilizado desde que todas as
variáveis utilizadas forem expressas num sistema de unidades consistente.
[13] Em um reservatório contendo glicerina, temos: massa = 1200 kg e volume = 0,952 m³. Determine: a) peso da
glicerina; b) massa específica da glicerina; c) peso específico da glicerina; d) densidade da glicerina.
a) W = F = m.a = mg W = 1200 kg x 9,81 m/s2 ≅ 11,77 kN
b) ρ = m / V ρ = 1200 kg / 0,952 m³ ≅ 1261 kg / m³
c) γ = ρ g 323 /37,1281,91261 mkNs
m
x
m
kg
≅=γ
d) d = ρfluido / ρágua a 4ºC 26,1
1000
1261
3
3
==
m
kg
m
kg
d
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-9
[14] Um avião voa a 10700 m de altura, a velocidade de 850 km/h, onde a temperatura chega a -55ºC. Dados: KAR =
1,4 e RAR = 287 [J/(kg.K)] , determine:
a) a velocidade do som; b) número de Mach; fluido compressível ou incompressível? c) subsônico ou supersônico?
(a) TxRxKc = ( ) [ ]Kx
Kxkg
J
xc 273552874,1 +−
= c ≅ 296 m/s
b) M = V / c
s
m
s
m
s
m
s
h
x
km
m
x
h
km
M
296
236
296
3600
1
1
1000850
≅=
M ≅ 0,8 [admensional]
M > 0,3 � Fluido Compressível
c) M ≅ 0,8 M < 1 � Subsônico
[15] Determine a massa específica do ar que se encontra num reservatório com temperatura de 50°C, no qual existe um
manômetro indicando uma pressão de 370 kPa.
).( PerfeitoGásEq
TxR
p
=ρ
absAR
manatmabs
TxR
pp
TxR
p +
==ρ
( )
( )
3
2
2
2
5,08
323
.
287
.
471330
27350287
370000101330
m
kg
Kx
Kxkg
s
mkg
sm
kg
Kx
Kxkg
J
PaPa
=⇒=
+
+
= ρρ
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-10
1.2 PROBLEMAS PROPOSTOS - Propriedades dos Fluidos e Pressão ( Cap.2 e Cap.3)
1. Um reservatório graduado contém 50ml de um líquido que pesa 6N. Determine o peso especifico, a massa especifica e a
densidade deste líquido.
2. Determine a viscosidade cinemática do ar a 20 0C sabendo que nestas condições a viscosidade dinâmica é igual a 1,85x10-4
Poise e a massa especifica igual a 1,208 kg/m3.
3. A tabela abaixo mostra a variação da massa especifica da água (kg/m3) em função da temperatura na faixa entre 20 a 600C.
Utilize estes dados para construir uma equação empírica do tipo: ρ=c1 + c2T + c3T2 que forneça a massa especifica da água
nesta faixa de temperatura. Comparar os valores fornecidos pela equação com os da tabela. Qual o valor da massa especifica
da água quando a temperatura é igual a 42,10C.
ρ (kg/m3) 998,2 997,1 995,7 994,1 992,2 990,2 988,1
T (0C) 20 25 30 35 40 45 50
4. A Equação de Shuterland é utilizada para determinação da viscosidade dinâmica dos gases é dada por:
ST
CT
+
=
2/3
µ
As constantes para a Eq. Sutherland adequada para o ar a pressão atmosférica padrão são C=1,458x10-6 kg/(msK1/2) e S=110,4K.
Utilize estes valores para estimar a viscosidade dinâmica do ar a 100C e a 900C. Compare os valores com os tabelados em textos
de mecânica dos fluidos
5. A Eq. Empírica para determinação da viscosidade cinemática para líquidos é conhecida como Eq. de Andrade e dada por:
=
T
BD expµ
Determine as constantes D e B da Eq. de Andrade para água para as temperaturas de 0,20,40,60, 80 e 1000C. Determine a
viscosidade dinâmica para 500C e compare com valores dados em tabelas. Método: Rescreva a equação na forma:
D
T
B ln1ln +=µ
Grafique em função de lnµ em função de 1/T. Os valores de D e B podem ser determinados a partir da inclinação e do ponto de
intercessão desta curva. Obs. Se você tem acesso a um programa de ajuste de curvas não linear poderá encontrar as constantes a
partir da Eq. original.
6. Determine a massa específica, volume específico, o peso específico e a densidade de um óleo que pesa 33kN contido num
reservatório de 3.5m3 Obs: considere g=9.81 m/s2 e o peso especifico da água igual a 9806N/m3. (d=0,96)
7. Um tanque de ar comprimido contém 6,0 kg de ar a 800C. A pressão relativa do tanque é igual a 300kPa. Determine o volume
do tanque. (V=1,52m3)
8. Determine a altura de pressão estática de uma coluna de água e de uma coluna de mercúrio para uma pressão de 10kgf/cm2.
Considere a massa especifica da água igual a 1000kgf/m3 e o peso específico do mercúrio é igual a 13600kgf/m3. Qual a
densidade do mercúrio. (d=13,6)
9. A densidade da água salgada é igual a 1,2. Determinar a altura equivalente de pressão estática de uma coluna de água
salgada considerando uma pressão de 10kgf/cm2. (h=83,3 mca)
10. Para uma pressão de 10kgf/cm2. qual será a altura de coluna de óleo e qual a sua densidade. O óleo tem um pesos específico
igual a 850kgf/m3.
11. Para um líquido que tem um peso específico igual a 8338,5N/m3 determinar qual a coluna representativa de pressão quando
se tem uma pressão de 981kPa. (h=117,65m)
12. Determinar o peso específico, o volume específico e a densidade do mercúrio: a) na lua b) na terra. Considere a massa
especifica do mercúrio igual a 13600 kg/m3. A aceleração da gravidade na terra é igual a 9,81 m/s2.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-11
13. A pressão manométrica de um tanque é medida, indicando uma altura de 55 cm de coluna de fluido com d=0,85. A pressão
atmosférica local é igual a 96k Pa. Determinar a pressão absoluta dentro do tanque.
14. Mergulha-se numa cuba contendo mercúrio um tubo de vidro aberto numa extremidade tal como se
mostra na figura. Considere d=13,6 e a pressão atmosférica igual à pressão atmosférica normal
(101,33kPa) com g=9,81m/s2. Determine nestas circunstancias a altura de coluna de mercúrio.
(h=760mmHg)
15. Um vacuômetro tipo Bourdon, indica uma pressão de 5.8psi (lbf/pol2) quando conectado a uma reservatório num local onde a
pressão atmosférica é igual a 14.5Psi. Determinar a pressão absoluta no reservatório.
16. Um manômetro tipo Bourdon indica que a pressão num tanque é igual a 5,31 bar quando a pressão atmosférica local é igual a
760mmHg. Qual será a leitura do manômetro quando a pressão atmosférica local for igual a 773mm de Hg.
17. Um manômetro de Bourdon instalado na tubulação de alimentação de uma bomba indica que a pressão negativa é igual a
40kPa. Qual é a pressão absoluta correspondente se a pressão atmosférica local é igual a 100kPa.
18. Admitindo que a pressão atmosférica local é igual a 101kPa, determine as alturas das colunas de fluido em barômetros que
contém os seguintes fluidos: a) mercúrio b) água c)álcool etílico. Calcule as alturas levando em conta a pressão de vapor
destes fluidos e compare com seus respectivos desconsiderando a pressão de vapor dos fluidos.
19. Um tanque fechado contem ar comprimido e um óleo que
apresenta uma densidade igual a 0,9. O manômetro em U
conectado ao tanque utiliza mercúrio com densidade igual a 13,6.
Se h1=914mm h2=152mm h3=229mm, determine a leitura no
manômetro localizado no topo do tanque. (Resposta:
Pmam=21,1kPa)
20. Determine o número de Reynolds numa tubulação de aço galvanizado novo de 300mm de diâmetro interno na qual escoa
água a uma temperatura de 350C com uma vazão de 60m3/h. Especifique se o escoamento é laminar ou turbulento. Determine
a perda de carga para a tubulação considerando um comprimento total de 50metros.
21. Determinar a massa especifica do ar num local onde a temperatura é igual a 500C e leitura do barômetro indica uma pressão
igual a 100kPa. (Obs: Considere o ar como um gás ideal) (ρ=1,07kg/m3)
22. Um tanque de ar comprimido apresenta um volume igual a 2,38x10-2m3. Determine a massa especifica e o peso do ar contido
no tanque quando a pressão relativa do ar no tanque for igual a 340kPa. Considere que a temperatura do ar no tanque é de
210C e que a pressão atmosférica é igual a 101,30kPa. (5,23kg/m3, 1,22N).
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-12
EEXXEEMMPPLLOOSS
LLEEII DDAA VVIISSCCOOSSIIDDAADDEE
((CCAAPP 22))
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-13
1.3 PROBLEMAS RESOLVIDOS – Lei da Viscosidade de Newton (Cap.2)
[1] Duas grandes superfícies planas mantêm uma distância h entre elas esta escoando um determinado fluido.
• Se o fluido for considerado não-viscoso (ideal) qual a tensão de cisalhamento na parede da placa superior ?.
• Se o perfil de velocidade for uniforme (1). Qual será a magnitude da tensão de cisalhamento na parede inferior comparada com
a tensão de cisalhamento no centro das placas ?
• Se o perfil de velocidade for uma reta inclinada (2). Onde a tensão de cisalhamento será maior ?
• Se o perfil de velocidade for parabólico (3): Onde a tensão de cisalhamento será menor ?.
[2] Considerando um perfil parabólico de velocidade V(y)= a + by2 determinar (a) O gradiente de velocidade (b) A tensão de
cisalhamento em y=0 e em y= -100mm. Considere um fluido com viscosidade dinâmica igual a 8.0x10-3 kg/ms.
[3] Duas superfícies grandes planas estão separadas por um espaço de 25 mm. Entre elas encontra-se óleo de massa específica
de 850 kg/m3 e viscosidade cinemática igual a 7,615x10-5 m2/s. Uma placa muito fina de 0,4 m2 de área move-se a uma velocidade
de 0,15m/s eqüidistante entre ambas superfícies. Considere um perfil linear de velocidade. Determinar (a) O gradiente de
velocidade (b) A tensão de cisalhamento sobre a placa fina (c) força necessária para puxar a placa.
[4] Uma placa infinita move-se sobre uma segunda placa, havendo entre elas uma camada de líquido, como mostrado na figura. A
separação das placas é igual a 0,3m. Considere um perfil de velocidade linear. A viscosidade do líquido é de 0,65 Centipoise A
densidade relativa é igual a 0,88 Determinar:
• ( a ) A viscosidade absoluta em Pa s e em (kg/ms) - A viscosidade cinemática do líquido
• ( b ) A tensão de cisalhamento na placa superior e na placa inferior em (Pa)
• ( c ) Indique o sentido de cada tensão de cisalhamento calculado em c e d.
(1) (2) (3)
dy
duµτ =
y
x
y
V=2,5m/s
h=100mm
0
U=0,3m/s
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-14
[5] A distribuição de velocidades do escoamento de um fluido newtoniano num canal formado por duas placas paralelas e largas é
dada pela equação
−=
2
1
2
3
h
yV
u
onde V é a velocidade média. O fluido apresenta uma viscosidade dinâmica igual a 1,92 N.s/m2. Considerando que V=0,6m/s e
h=5mm determinar:
a) Tensão de cisalhamento na parede inferior do canal
b) Tensão de cisalhamento que atua no plano central do canal.
[ 6 ] O perfil de velocidade do escoamento de um óleo numa superfície sólida é dada por: ( ) .2 2yyU =
Onde ( )yU é o perfil de velocidade em m/s e y o
afastamento da superfície em (m). O óleo apresenta viscosidade absoluta de
2x10-3Pa.s Determinar a tensão de cisalhamento a 20cm da superfície sólida.
[ 7 ] Um embolo de 100kg se move por gravidade no interior de um cilindro vertical. O diâmetro do êmbolo é de 200mm e o
diâmetro do cilindro de 200,1mm. A altura do embolo é de 320 mm. O espaço entre o embolo e o cilindro esta cheio de óleo com
viscosidade dinâmica igual a 8,5 N.s/m2. Determinar a velocidade na descida considerando um perfil linear de velocidade
(dv/dy=u/y).
[ 8 ] Ar a 200C escoa sobre uma placa plana apresentando um perfil de
velocidade senoidal tal como mostrado na figura. Determine a tensão de
cisalhamento para y=3,5mm. Considere a massa especifica do ar igual a
1,23 kg/m3 e viscosidade dinâmica igual a 1,8x10-5 (Pa s). Ob. O gradiente
de velocidades é dado por:
=
b
y
b
U
dy
du
2
cos
2max
pipi
Obs. Apresente a dedução de unidades no sistema internacional do
resultado.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-15
Solução – Problema 1
[1] Duas grandes superfícies planas mantém uma distância H. O espaço entre elas esta preenchido com um fluido.
(a) Se o fluido for considerado não-viscoso (ideal) qual será a tensão de cisalhamento na parede da placa superior ?.
(b) Se o perfil de velocidade for uniforme (1). Qual será a magnitude da tensão de cisalhamento na parede inferior comparada com
a tensão de cisalhamento no centro das placas ?
(c) Se o perfil de velocidade for uma reta inclinada (2). Onde a tensão de cisalhamento será maior ?
(d) Se o perfil de velocidade for parabólico (3): Onde a tensão de cisalhamento será menor ?.
(a) Num fluido ideal a viscosidade do fluido é nula (µ=0) e portanto a tensão τ=0.
(b) Num perfil uniforme de velocidade du/dy=0 e, portanto a magnitude da tensão de cisalhamento é nula em toda a seção (τ=0).
(c) Se o perfil de velocidade for uma reta inclinada o perfil de velocidade será do tipo u=k1 + k2y . Desta forma o termo du/dy=k2 =
constante, portanto, a tensão de cisalhamento será igual em todos os pontos da seção (τ=cte).
(d) Se o perfil de cisalhamento for parabólico, por exemplo, do tipo:
u=k1 + k2y2 , desta forma o termo du/dy=k2 y ,
Desta forma a tensão de cisalhamento vai aumentando linearmente.
Para y=0 (centro do canal) τ=0.
Para y=ymax (paredes) τ=τmax.
Desta forma a tensão de cisalhamento será zero no centro e máxima nas paredes. (τ=ky)
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-16
Solução – Problema 2
Considerando um perfil parabólico de velocidade V(y)= a + by2 determinar
(a) O gradiente de velocidade (b) A tensão de cisalhamento em y=0 e em
y= -100mm.
Considere um fluido com viscosidade dinâmica igual a 8.0x10-3 kg/ms.
Para y=0; V=Vmax=2,5m/s
como 2byaV += achamos que a=2,5m/s
Para y=-100 mm V=0 com 2byaV += achamos
( )
2
22
2505,2
250
1,0
5,20
yV
y
aVb
−=
−=
−
=
−
=
O gradiente de velocidade é dada por: ydy
du 500−=
Tensão de cisalhamento em y=0 :
0 x500x08,0x10 3- ===
dy
duµτ
Tensão de cisalhamento em y=-0,1m
2
3- 4,00)x500x(-0,18,0x10
m
N
dy
du
−=== µτ
Solução – Problema 3
Duas superfícies grandes planas estão separadas por um espaço de 25mm. Entre elas encontra-se óleo de massa específica de
850 kg/m3 e viscosidade cinemática igual a 7,615x10-5m2/s. Determinar a força necessária para puxar uma placa muito fina de
0,4m2 de área a uma velocidade de 0,15m/s que se move eqüidistante entre ambas as superfícies. Considere um perfil linear de
velocidade (dv/dy=u/y).
21 FFF +=
2
2
5
3 N.s/m06473,010615,7850 ===
−
s
m
x
m
kgρνµ
1
1 y
uA
dy
duAAF µµτ ≡==
2
2 y
uAF µ≡ como y1=y2 temos que F1=F2.
N
m
s
m
x
m
sN
xmx
y
uAF 62,0
0125,0
15,0
.06473,04,022 2
2 ==
= µ
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-17
Solução – Problema 4
[4] Uma placa infinita move-se sobre uma Segunda placa, havendo entre
elas uma camada de líquido, como mostrado na figura. Para uma pequena
largura da camada d, supomos uma distribuição linear de velocidade no
líquido. A viscosidade do líquido é de 0,65 centipoise A densidade relativa
é igual a 0,88 Determinar:
(a) A viscosidade absoluta em Pa s e em (kg/ms)
(b) A viscosidade cinemática do líquido
(c) A tensão de cisalhamento na placa superior (Pa)
(d) A tensão de cisalhamento na placa inferior em (Pa)
(e) Indique o sentido de cada tensão de cisalhamento calculado em c e d.
Hipóteses:
• Distribuição linear da velocidade
• Escoamento em regime permanente
• Viscosidade constante
(a) 1 cP = Pa s /1000
s 105,6
1000
)65,0( 4 Pax
cP
sPa
cP −==µ
1 cP = Pa s /1000
)/(105,6
1000
)/()65,0( 4 mskgx
cP
mskg
cP −==µ
(b) A viscosidade dinâmica
s
m
x
m
kg
x
ms
kg
x 2
3
3
4
1039,7
100088,0
105,6
−
−
===
ρ
µν
O perfil de velocidade é representado por a equação de uma reta:
bmyyu +=)(
Para y=0 u=0 e por tanto b=0 (intercepto no eixo de coord.)
Para y=d u=U e por tanto m= U/d
Desta forma o perfil de velocidade é dado como:
y
d
Uyu
=)(
O gradiente é dado por:
ctes
x
d
U
dy
du
====
−11000
3,0
10003,0
(c) A tensão de cisalhamento na placa inferior em (Pa)
Pa
m
N
sms
kg
x
d
U
dy
du
y
yx 65,065,0
11000105,6 2
4
0
==
==
= −
=
µµτ
• A placa superior é uma superfície y (negativa), portanto τyx atua no
sentido negativo (-) dos x
• A placa inferior é uma superfície y (positiva), portanto τyx atua no
sentido positivo dos x
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-18
Solução – Problema 5
[5] A distribuição de velocidades do escoamento de um fluido newtoniano num canal formado por duas placas paralelas e largas é
dada pela equação
−=
2
1
2
3
h
yV
u
onde V é a velocidade média. O fluido apresenta uma viscosidade dinâmica igual a 1,92 N.s/m2. Considerando que V=0,6m/s e
h=5mm determinar:
c) Tensão de cisalhamento na parede inferior do canal
d) Tensão de cisalhamento que atua no plano central do canal.
Utilizando a lei universal
τ µ=
du
dy
A distribuição da velocidade é unidimensional e em regime permanente já que u=u(y). Para determinar a tensão de cisalhamento
devemos determinar o gradiente de velocidade du/dy. Derivando a equação da distribuição da velocidade temos,
y
h
V
h
yV
dy
du
22
320
2
3 −=
−=
a) A tensão de cisalhamento na parede inferior do canal é dada para y=-h,
Paou
m
N
m
x
s
m
xx
m
Ns
h
Vh
h
V
hy 691 691005,0
16,0392,13)(3 222 =
==−−=
−=
µµτ
esta tensão cria um arrasto na parede. Como a distribuição de velocidade é simétrica, a tensão de cisalhamento na parede superior
apresenta o mesmo valor, e sentido da tensão na parede inferior.
Tensão de cisalhamento que atua no plano central do canal é dada para y=0 ou du/dy.
Desta forma a tensão de cisalhamento neste plano é nula. τplano médio=0.
O gradiente de velocidade e
portanto a tensão de cisalhamento varia linearmente com y. Neste caso a tensão de cisalhamento varia
de 0 no plano central a 691Pa nas paredes.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-19
Solução – Problema 6
[ 6 ] O perfil de velocidade do escoamento de um óleo numa superfície sólida é dada por: ( ) .2 2yyU =
Onde ( )yU é o perfil de velocidade em m/s e y o afastamento da superfície em (m). O óleo apresenta viscosidade absoluta de
2x10-3Pa.s Determinar a tensão de cisalhamento a 20cm da superfície sólida.
Como o perfil de velocidade é dado por ( ) .2 2yyU = Desta forma ( ) .4y
dy
ydU
=
A tensão de cisalhamento é dada por:
y
u
∂
∂= µτ 2
3 0016,0)2,0(4102)(
m
N
xxx
dy
ydU
===
−µτ
Solução – Problema 7
[ 7 ] Um embolo de 100kg se move por gravidade no interior de um cilindro vertical. O diâmetro do êmbolo é
de 200mm e o diâmetro do cilindro de 200,1mm. A altura do embolo é de 320mm. O espaço entre o embolo e
o cilindro esta cheio de óleo com viscosidade dinâmica igual a 8,5 N.s/m2. Determinar a velocidade na
descida considerando um perfil linear de velocidade (du/dy=u/y).
y
uDL
dy
duAAF µpiµτ ===
( )
s
cm
s
m
xxx
xx
DL
Fy
u 87,20287,0
5,832,02,0
00005,098,9100
====
piµpi
Solução – Problema 8
[ 8 ] Ar a 200C escoa sobre uma placa plana apresentando um perfil de
velocidade senoidal tal como mostrado na figura. Determine a tensão de
cisalhamento para y=3,5mm. Considere a massa especifica do ar igual a
1,23 kg/m3 e viscosidade dinâmica igual a 1,8x10-5 (Pa s). Ob. O gradiente
de velocidades é dado por:
=
b
y
b
U
dy
du
2
cos
2max
pipi
Obs. Apresente a dedução de unidades no sistema internacional do
resultado.
Pa
sxPax
xx
x
x
x
x
b
U
dy
du
dy
du
mmy
mmy
0257,0
068,1428.108,1
707106,01000
0,72
0,9
0,72
5,3
cos
2
5
max
5,3
5,3
=
=
=
==
=
−
=
=
piµ
pipiµµτ
µτ
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-20
1.4 PROBLEMAS PROPOSTOS – Lei da Viscosidade de Newton (Cap.2)
[1] A Fig. mostra duas placas planas paralelas a distância de 2 mm. A placa superior move-se com velocidade de 4 m/s, enquanto a
inferior é fixa. Se o espaço entre as duas placas for preenchido com óleo de viscosidade 0,1x10-4 m2/s e massa específica 830
kg/m3, Determine: (a) O gradiente de velocidade; (b) A tensão de cisalhamento (N/m2) na superfície da placa móvel em contato com
o fluido (c) A tensão de cisalhamento (N/m2) na superfície da placa fixa em contato com o fluido. (d) A força que deve ser vencida
para puxar a placa superior com área de 0,5m2. R: (a) 2000 s-1 (b) 16,6 N/m2 (c) 16,6 N/m2 (d) 8,3 N
[2] um canal é formado por duas placas paralelas separadas h=6mm
tendo entre elas glicerina a 200C com massa específica é igual a 1260
kg/m3 e a viscosidade dinâmica igual a 1,5 Pa.s.
Determinar: (a) a tensão requerida para mover a placa superior com
uma velocidade V=6,0m/s. (b) a força necessária para puxar a placa
superior considerando esta com superfície igual a 1,0m2.
R: (a) 1500 N/m2 (b) 1500 N
[3] Uma placa deslocando-se sobre uma pequena lâmina de
óleo sob a ação de uma força F, conforme a figura. O óleo tem
densidade 0,750 e viscosidade 3.10-3Pa.s. (a) Qual a tensão de
cisalhamento produzida pelo fluido sobre a placa? (b) Qual a
velocidade da placa móvel?
R: (a) 4,33 N/m2 (b) 2,88 m/s
[4] A correia da Fig. move-se a uma velocidade constante V e desliza no topo de um tanque de óleo. A corria apresenta um
comprimento L e uma largura b. O óleo apresenta uma profundidade h. Considerando a distribuição linear do perfil de velocidade no
óleo, determine a potencia necessária para o acionamento da correia, considerando que esta a potencia é dada por FVW =&
onde F é a força tangencial na correia e V a velocidade da correia. Dados: L=2,0m h=3cm V=2,5m/s b=60cm. Fluido: óleo
SAE 30
=
sm
kg
.
29,0µ R: 72,5 W.
[ 5 ] O escoamento laminar entre duas placas paralelas fixas é dado por:
−=
2
max
21)(
h
y
uyu onde umax representa a velocidade
máxima no canal, e h a separação das placas. (a) Determinar o gradiente
de velocidades. (b) Determinar a expressão da tensão de cisalhamento.
Considere a separação entre placas de 5mm, área superficial da placa
superior igual a 0,3m2 e velocidade máxima umax=0,5 m/s Determine (c) A
tensão de cisalhamento no centro do canal e na placa superior (d) A força
de atrito na placa inferior. R: (c) 0,46 N/m2. (d) 0,138 N
Obs água massa especifica 1000 kg/m3 e viscosidade
dinâmica e 1,15x10-3 Pa.s.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-21
[6] A distribuição de velocidades do escoamento de um fluido newtoniano num canal formado
por duas placas paralelas e largas é dada pela equação dada ao lado: onde V é a velocidade
média. O fluido apresenta uma viscosidade dinâmica igual a 1,92 Pa.s Considerando que
V=0,6m/s e h=5mm determinar: (a) Tensão de cisalhamento na parede inferior do canal (b)
Tensão de cisalhamento que atua no plano central do canal. (c) Desenhe a distribuição da
velocidade e da tensão de cisalhamento no canal. R: (a) 691,2 (N/m2)
−=
2
1
2
3)(
h
yVyu
[ 7 ] Uma placa quadrada de 1 m de lado e 20 N de peso desliza sobre um plano inclinado de 30o, sobre uma película de óleo. A
velocidade da placa é de 2 m/s. Determine viscosidade dinâmica do óleo, se a espessura da película é 2 mm.
R: (a) 0,01 Pa.s
[8] O corpo cilíndrico da Fig. possui um peso igual a 15N, uma
altura igual a 200mm e um diâmetro igual a 149,5mm. Este
corpo se move com uma velocidade constante igual a 50mm/s
dentro de um tubo de 150mm de diâmetro. Entre o tubo e o
cilindro existe uma película de óleo. Determine (a) tensão de
cisalhamento na parede interna do tubo externa (b) viscosidade
dinâmica do óleo. R: (a) 160 (N/m2) (b) 0,8 Pa.s
[9] Determine o torque resistente (Nm) originado pelo óleo
lubrificante em contato com o eixo vertical da Fig. O eixo
apresenta uma rotação constante de 3000 rpm. O Diâmetro do
eixo é igual a De=200mm e o diâmetro da luva igual a
Dm=200,1mm.L=500mm. Viscosidade do óleo 0,2x10-2 Pa.s
R: (a) 1256,6 (N/m2) (b) 39,5 Nm
[10] Uma barra cilíndrica de 30,4 cm de comprimento, diâmetro de 0,52 mm e massa de 1,36 kg, escorrega num tubo vertical com
0,58mm de diâmetro, podendo cair livremente. Calcule a velocidade atingida pela barra se uma película de óleo de viscosidade 23,9
Pa.s preenche o espaço entre o tubo e a barra.
[11] Um eixo na posição horizontal de D=60mm e 400mm de comprimento é
arrastado com uma velocidade de V=0,4m/s através de uma luva de 60,2mm. No
espaço entre o eixo e a luva existe óleo altamente viscoso com densidade 0,88 e
viscosidade cinemática igual a 0,003 m2/s.
(a) Determinar uma expressão geral que permita determinar a força requerida
para puxar o eixo em função das variáveis apresentadas. (b) Determinar a força
requerida para puxar o eixo. R: (b) 796 N
[12] Um eixo gira de 60mm de diâmetro e 400mm de comprimento gira dentro de
uma luva com velocidade igual 1500 rpm. No espaço entre o eixo e a luva existe
óleo altamente viscoso com densidade 0,88 e viscosidade cinemática igual a
0,003 m2/s. A luva possui um diâmetro igual a 60,2mm. Determinar (a) torque e
(b) potência originado nesta condições de operação.
R: (a) 281 Nm (b) 44,2 kW
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-22
EEXXEEMMPPLLOOSS
MMAANNOOMMEETTRRIIAA
(( CCAAPP 33 ))
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-23
1.5 PROBLEMAS RESOLVIDOS – Manometría. (Cap.3)
[1] Qual será a máxima pressão relativa que poderá ser medido com o tubo piezometrico para uma altura de 1,5m. Considere a
densidade do fluido igual a 8,5.
B de acima líquido de coluna da Pressão = P(B)
) (/5,12
) (/12508
5,181,910006,8
2
2
2
2
kPaoumkN
PaoumN
xxx
hgd
ghp
águamercurio
B
=
=
=
=
=
ρ
ρ
Manômetro piezométrico simples
[2] Se utiliza uma manômetro tipo “U” para medir uma pressão
de um fluido com massa especifica igual a 700kg/m3. O
manômetro utiliza mercúrio com densidade igual a 13,6.
Determinar:
a) Pressão relativa em A quando h1=0,4m e h2=0,9m.
b) Pressão relativa em A quando h1=0,4m e h2=-0,1m.
p gh ghA = −ρ ρman 2 1
a) pA = 13,6 x 1000 x 9,81 x 0,9 - 700 x 9.81 x 0.4
= 117 327 N (- 117,3 kN óu 1,17 bar)
b) pA = 13,6 x 1000 x 9,81 x ( - 0,1) - 700 x 9,81 x 0,4
= -16 088,4 N ( -16,0 kN óu - 0,16 bar)
A pressão negativa (-) indica que a pressão é menor que a pressão atmosférica.
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-24
[3] Na figura mostra-se dois tubos com fluido de massa específica igual a 990kg/m3 conectados a um manômetro tipo U. Determinar
a pressão entre os tubos considerando que o fluido manométrico é mercúrio com densidade igual a 13,6.
pC = pD
pC = pA + ρg hA
pD = pB + ρg (hB - h) + ρman g h
pA - pB = ρg (hB - hA) + hg(ρman - ρ)
pA - pB = ρg (hB - hA) + hg(dhg - dfluido) ρH20
= 990 x9,81x(0,75 – 1,5) + 0,5x9,81 x(13,6 – 0,99) x 1000
= -7284 + 61852
= 54 568 N/m2 ou Pa ( 0,55 bar)
[ 4 ] Um manômetro em U é fixado a um reservatório fechado contendo três fluidos diferentes como mostra a Fig.. A
pressão (relativa) do ar no reservatório é igual a 30kPa. Determine qual será a elevação da coluna de mercúrio do
manômetro.
• Por definição um manômetro mede pressão em relação a pressão
atmosférica.
• Para determinar Y trabalhamos com pressões relativas a
atmosférica.
• Como o reservatório este fechado, a pressão do ar igual a 30kPa
é uma pressão relativa a atmosfera.
Desta forma utilizando pressões relativas:
( ) ( ) ygdmgxEEgEEgdP aguaHgaguaaguaaguaoleoar 0,10225 ρρρρ =+−+−+
( ) ( ) yxxxxxxx 81,910006,130,181,910000281,910002581,9100082,030 =+−+−+
Resolvendo:
( ) ( )
626mm0,626my
133416y83562,6
y 1334169810196206,2413230000
81,910006,130,181,910000281,910002581,9100082,030000
==
=
=+++
=+−+−+ yxxxxxxx
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-25
[ 5 ] Com base na figura ao lado, determine:
A pressão absoluta no ponto A;
PA (Rel) = ρH2O . g . hH2O
PA (Rel) = 1000 kg/m3 x 9,81 m/s2 x 5 m ≅ 49 kPa
PA (Abs) = PAtm + Pman + PA(Rel)
PA (Abs) = 101,33 kPa + 120 kPa + 49 kPa
PA (Abs) ≅ 270 kPa
[ 6 ] Baseado na figura ao lado, determine:
a) A pressão absoluta e relativa na interface gasolina-água;
b) A pressão absoluta e relativa no fundo do reservatório.
a)
PA (Abs) = PAtm + PA (Rel)
PA (Abs) = 101,33 kPa + 33, 354 kPa ≅ 134,68 kPa
PA (Rel) = ρGas. g . hgas = 680 kg/m3 x 9,81 m/s2 x 5 m = 33,354 kPa
ρGas = d x ρágua à 4°C = 0,68 x 1000 kg/m3 = 680 kg/m3
b)
PB (Abs) = PA (Abs) + PB (Rel) = PA (Abs) + ρágua. g . hágua
PB (Abs) = 134,68 kPa + 1000 kg/m3 x 9,81 m/s2 x 1 m = (134,68 + 9,81) kPa ≅ 144,5 kPa
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-26
[ 7] Observando a figura e os dados seguintes, determine:
a) a massa específica do azeite de oliva;
b) a densidade do azeite de oliva.
Dados: d óleo = 0,89 , d mercúrio = 13,6 e a pressão absoluta no ponto F é igual a 231,3 kPa.
a)
PA (Abs) = PAtm + Póleo + Págua + Paz.oliva + PHg
PA (Abs)=PAtm +ρóleo.g.hóleo +ρH2O.g.hH2O +ρaz.oliva.g.haz.oliva +ρHg.g.hHg
olivaaz
HgHgOHOHóleoóleoATMF
olivaaz hg
hghghgPP
.
.
.
......
22
ρρρ
ρ
−−−−
=
( ) ( ) ( )[ ]{ }
m
s
m
Pa
oa
9,2.81,9
4,0.136005,2.10005,1.890.81,9101330231300
2
.
++−−
=ρ
3
2
2
.
/1370
9,2.81,9
.
38982
mkg
m
s
m
sm
kg
olivaaz ≅≅ρ
3
34
4
/890000189,0 mkg
m
kg
xxdd Càáguaóleoóleo
Càágua
óleo
óleo ===⇒= °
°
ρρ
ρ
ρ b)
37,1
/1000
/1370
.3
3
4
.
.
=⇒==
°
olivaaz
Càágua
olivaaz
olivaaz d
mkg
mkgd
ρ
ρ
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-27
[8] Um manômetro diferencial é conectado a dois tanques como mostrado na figura. (a) Determine a pressão entre as câmaras A e
B. (b) indicando em que câmara a pressão é maior.
kPaPP
PghghghP
BA
BtetraHgóleoA
28,37
321
−=−
=−++ ρρρ
Obs: A pressão em B é maior que a pressão em A
[ 9 ] Numa tubulação industrial é utilizado um tubo de Venturi
conectado a um manômetro diferencial como mostrado na figura. A
deflexão do mercúrio no manômetro diferencial é de 360mm e a
velocidade da água no ponto B é de 9,73m/s. Determine a variação de
pressão entre os pontos A e B. Obs. Densidade do mercúrio: 13,6.
( ) kPaxPP
PggxgxxgP
BA
BaaaaA
52
1000
81,9)7503696,13360(
1000
750
1000
3606,13
1000
360
1000
≈+−=−
=−
−−
−
+ ρρρρ
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-28
1.6 PROBLEMAS PROPOSTOS - Conceitos de Pressão (Cap3)
[ 1 ] O sistema da Fig. encontra-se aberto a atmosfera. Se a
pressão atmosférica é 101,03 KPa e pressão absoluta no fundo
do tanque é 231,3 kPa determine a pressão relativa entre a
água e o aceite de oliva. Obs: Densidade do óleo SAE 0,89.
Densidade do mercúrio 13,6.
[ 2 ] A Fig. mostra o efeito da infiltração de água num tanque
subterrâneo de gasolina. (a) Se a densidade da gasolina é 0,68
determine (a) pressão absoluta e relativa na interfase gasolina-
água e (b) pressão abs. e relativa no fundo do tanque.
R: (a) P(abs) 135 kPa P(rel) 33,67 kPa
(b) P(bas) 144,8 kPa P(rel) 43,48 kPa
[3] Numa tubulação que escoa água se utiliza um manômetro
em U conectado como mostrado na figura. O manômetro utiliza
benzeno com massa específica igual 879 kg/m3. Determinar:
(a) A diferença de pressão entre as duas tomadas de pressão.
(b) O sentido do escoamento da água dentro da tubulação.
R: PA - PB = 463 Pa (de A para B )
[4] Os recipiente A e B da figura contém água sob pressão de
294,3 kPa e 147 kPa respectivamente. Determine a deflexão do
mercúrio (h) no manômetro diferencial. Na Fig. x + y = 2,0 m.
Massa específica da água: 1000 kg/m3;
Massa específica do mercúrio: 13600 kg/m3
[5] Determinar a altura h2 (mm) no manômetro da Fig.
considerando que a diferença de pressão pB-pA=97kPa.
Considere água com massa especifica igual a 1000 kg/m3. A
densidade do óleo e do mercúrio é dada na Fig.
R: 22cm
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-29
[ 6 ] Seja a água contida na câmara pressurizada mostrada na
Fig. Massa específica da água 1000 kg/m3. Massa especifica do
mercúrio 13550
kg/m3. Determine a pressão manométrica no
ponto A. R: 20,92 kPa.
[ 7 ] Um manômetro em U é fixado a um reservatório fechado
contendo três fluidos diferentes como mostra a Fig. A pressão
(relativa) do ar no reservatório é igual a 30kPa. Determine qual
será a elevação da coluna de mercúrio do manômetro.
R: y=626mm
[8] Um manômetro diferencial é usado para a medição da
pressão causada por uma diminuição da seção reta ao longo
do escoamento. Massa específica da água = 1000kg/m³. Massa
específica do mercúrio = 13600kg/m³.
(a) Determine diferença de pressão entre os pontos A e B
(b) Quanto corresponde essa diferença de pressão em metros
de coluna de água ?
R: (a) (PA - PB) =375,72 kPa (b) 38,2 mH20
[9] Um manômetro diferencial é conectado a dois tanques fechados como mostrado na Fig. Determine a diferença de pressão entre
as câmaras A e B indicando em que câmara a pressão é maior. R: (PA - PB) = -37, 28 kPa (PB > PA)
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-30
[10] Determine a pressão na tubulação com água (A)
considerando que o manômetro em U esta aberto para a
atmosfera. O fluido manométrico apresenta um peso especifico
igual a 30 KN/m3. Considere que h1=30cm e h2=10cm.
R: 8,0 kPa
[ 11 ] Determinar a deflexão h do manômetro da figura abaixo,
quando a variação de pressão p1 - p2 = 870Pa. Considere as
densidades dos fluidos dA=0,88 e dB=2,95.R: 42,84mm
[ 12 ] Para o reservatório mostrado determinar a pressão manométrica lida no instrumento. (Obs. Densidade do mercúrio: d=13,6).
R: (a) 2,75 kPa
[ 13 ] Um reservatório de grande porte (Fig.) contém água,
tendo uma região ocupada por mercúrio com densidade igual
13,6. O reservatório é fechado e pressurizado tendo uma
pressão absoluta igual a 180 kPa. A pressão absoluta em A é
igual a 350 kPa. Determinar ( a ) A altura h2 em (metros) da
coluna de água. ( b ) Determine a pressão absoluta em B.
Obs: água a 200C: Massa especifica 1000 kg/m3.
R: (a) 6,45m (b) 251,12 kPa
[14] Dado o esquema da figura: a) Qual a leitura no manômetro (Pa) ; b) Qual a força (N) que age no interior do reservatório sobre
o topo. R: (a) 200 Pa (b) 2000 N.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-31
EEXXEEMMPPLLOOSS
CCIINNEEMMÁÁTTIICCAA DDOOSS FFLLUUIIDDOOSS
((CCaapp.. 44 ))
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-32
1.7 PROBLEMAS RESOLVIDOS - Cinemática dos Fluidos (Cap4)
[ 1] Dado o vetor velocidade: ( ) jyixV ˆ)8,05,1(ˆ8,05,0 −++=r Onde x e y em metros
1. Escoamento é uni bi ou tridimensional ?
2. Regime permanente ou não permanente ?
3. Determinar o ponto de estagnação
4. Avaliar o vetor velocidade em x=2m e y=3m
5. Determinar a magnitude da velocidade em x=2 e y=3m
[ 2 ] Verifique se o vetor velocidade corresponde ao escoamento de um fluido compressível ou incompressível.
( ) jxyiyxV ˆ)2(ˆ4 432 −=r
[ 3 ] Verifique se o vetor velocidade corresponde ao escoamento de um fluido compressível ou incompressível.
( ) jyixV ˆ)8,05,1(ˆ8,05,0 −++=r
[ 4 ] Dado o vetor velocidade: ( ) jyixV ˆ)8,05,1(ˆ8,05,0 −++=r
(1) Determinar o vetor da aceleração total.
(2) Avaliar a aceleração em (x,y,z)=(2,3,0)
(3) Determinar o modulo da aceleração em (2,3,0)
[ 5 ] Verifique se o escoamento é rotacional ou irrotacional ( ) ( )kjxiyxV ˆ10ˆ)3(ˆ12 43 ++=r
[ 6 ] Verifique se o escoamento é rotacional ou irrotacional ( ) ( )kzjzxiyxV ˆ12ˆ)44(ˆ6 22 +−−=r
[ 7 ] Considere um escoamento em regime permanente através de um bocal convergente considerando um perfil de velocidades
dada pela equação:
( )
+=→
L
x
utzyxV 21,,, 0 .
Determinar: a) a aceleração da partícula do fluido; b) a aceleração na entrada e
na saída do bocal, considerando u0 = 3,0m/s e L = 0,3m; c) a velocidade na
saída do bocal; d) a aceleração local na entrada e na saída.
[ 9 ] Dado o vetor velocidade ( ) ( )kzyjzyV ˆ3ˆ4 23 +−−=r
(a) Verifique se o escoamento é uni bi ou tridimensional.
(b) Verificar se o escoamento é em regime permanente ou não permanente.
(c) Determinar a aceleração da partícula observando a contribuição da aceleração local e da convectiva.
(d) Verificar se o escoamento é compressível ou incompressível.
(e) Verificar se o escoamento é rotacional ou irrotacional.
[ 10 ] Um campo de velocidade de uma partícula de fluido é dada por:
jyxiyxV ˆ)8,21,298,0(ˆ)65,08,21( −−−+++=r
(a) Determine a velocidade da partícula de fluido para o ponto (x,y)= (-2,3)
(b) Determine a expressão geral do vetor de aceleração da partícula de fluido.
(c) Avalia a aceleração da partícula de fluido para o ponto (x,y)= (-2,3)
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-33
Exemplo 1 Dado o vetor velocidade: ( ) jyixV ˆ)8,05,1(ˆ8,05,0 −++=r
Onde x e y em metros
6. Escoamento é uni bi ou tridimensional ?
7. Regime permanente ou não permanente ?
8. Determinar o ponto de estagnação
9. Avaliar o vetor velocidade em x=2m e y=3m
10. Determinar a magnitude da velocidade em x=2 e y=3m
(1) Escoamento é uni bi ou tridimensional ?
0
8,05,1
8,05,0
=
−=
+=
w
yv
xu
Desta forma jviuyxV ˆˆ),( +=r Resposta: Escoamento bidimensional
(2) Regime permanente ou não permanente ?
Consideramos o vetor velocidades: jviuyxV ˆˆ),( +=r
Tomando a derivada parcial no tempo: 0),( =
∂
∂
t
yxV
r
Resposta: Regime permanente
(3) Determinar o ponto de estagnação:
Ponto de estagnação: Ponto onde V=0
625,0
8,0
5,0
08,05,0
−=
−
=
=+=
x
xu
875,1
8,0
5,1
08,05,1
==
=−=
y
yv
Resposta: Ponto de estagnação em x=-0,625m y=1,875m
(4) Avaliar o vetor velocidade em x=2m e y=3m
( )
jiV
jiV
jxixV
ˆ)9,0(ˆ)1,2(
ˆ)4,25,1(ˆ)6,15,0(
ˆ)38,05,1(ˆ28,05,0
−+=
−++=
−++=
r
r
r
Resposta: Vetor velocidade: jiV ˆ)9,0(ˆ)1,2( −+=r
(5) Determinar a magnitude da velocidade em x=2 e y=3m
smvuV /28,29,01,2 2222 =+=+=
Resposta: Magnitude da velocidade em x=2 e y=3m V=2,28m/s
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-34
Exemplo 2: Verifique se o vetor velocidade corresponde ao escoamento de um fluido compressível ou incompressível. ( ) jxyiyxV ˆ)2(ˆ4 432 −=r
Solução:
Será fluido incompressível se:
0=•∇ V
r
ou 0=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
z
w
y
v
x
u
Será fluido compressível
0≠•∇ V
r
ou 0≠
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
z
w
y
v
x
u
0
2
4
4
32
=
−=
=
w
xyv
yxu
Derivando
0
8
8
3
3
=
∂
∂
−=
∂
∂
=
∂
∂
z
w
xy
y
v
xy
x
u
e somando obtemos 088 33 =−=
∂
∂+
∂
∂
xyxy
y
v
x
u
Portanto o escoamento é incompressível – Resposta: fluido incompressível
Exemplo 3: Verifique se o vetor velocidade corresponde ao escoamento de um fluido compressível ou incompressível.
( ) jyixV ˆ)8,05,1(ˆ8,05,0 −++=r
0
8,05,1
8,05,0
=
−=
+=
w
yv
xu
0
8,0
8,0
=
∂
∂
−=
∂
∂
=
∂
∂
z
w
y
v
x
u
008,08,0 =+−=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
z
w
y
v
x
u
Resposta: fluido incompressível
Atividade: Dado o vetor velocidade
( ) ( ) ( )kzxjxyzizyV ˆ3ˆ2ˆ 3222 ++=r
(a) Determine se o escoamento é em regime permanente ou não-permanente
(b) Determine a magnitude da velocidade da partícula no ponto (x,y,z)=(2,3,1).
(c) Determine a aceleração local da partícula.
(d) Verifique se o escoamento é compressível ou incompressível
(e) Determine de o escoamento é rotacional ou irrotacional.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-35
Exemplo 4: Dado o vetor velocidade: ( ) jyixV ˆ)8,05,1(ˆ8,05,0 −++=r
(1) Determinar o vetor da aceleração total.
(2) Avaliar a aceleração em (x,y,z)=(2,3,0)
(3) Determinar o modulo da aceleração em (2,3,0)
(1) Determinar o vetor da aceleração total.
z
V
w
y
V
v
x
V
u
t
V
Dt
VD
ap ∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂==
rrrrr
r observamos que é regime permanente: 0=
∂
∂
t
V
r
0
8,05,1
8,05,0
=
−=
+=
w
yv
xu
0
ˆ8,0
ˆ8,0
=
∂
∂
−=
∂
∂
=
∂
∂
z
V
j
y
V
i
x
V
r
r
r
( )
0
ˆ)64,02,1()ˆ8,0)(8,05,1(
ˆ)64,04,0()ˆ8,0(8,05,0
=
∂
∂
+−=−−=
∂
∂
+=+=
∂
∂
z
V
w
jyjy
y
V
v
ixix
x
V
u
r
r
r
jyix
Dt
VD
ˆ)64,02,1(ˆ)64,04,0( +−++=
r
Resposta: jyixap ˆ)64,02,1(ˆ)64,04,0( +−++=
r
(2) Avaliar a aceleração em (x,y,z)=(2,3,0)
ji
Dt
VD
ji
Dt
VD
jxix
Dt
VD
ˆ)72,0(ˆ)68,1(
ˆ)92,12,1(ˆ)28,14,0(
ˆ)364,02,1(ˆ)264,04,0(
+=
+−++=
+−++=
r
r
r
Resposta: jiap ˆ)72,0(ˆ)68,1()0,3,2( +=
r
(3) Determinar o módulo da aceleração em (2,3,0)
22222 /83,172,068,1)0,3,2( smaaaa yxpp =+=+==
r
Resposta: 2/83,1)0,3,2( smap =
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-36
Exemplo 5: Verifique se o escoamento é rotacional ou irrotacional
( ) ( )kjxiyxV ˆ10ˆ)3(ˆ12 43 ++=r
Rotacional 0
2
1 ≠∇= Vx
r
r
ω Irrotacional
k
y
u
x
vj
x
w
z
ui
z
v
y
w
ˆ
2
1
ˆ
2
1
ˆ
2
1
∂
∂−∂
∂+
∂
∂−∂
∂+
∂
∂−∂
∂=ωv
( )
( )kw
jxv
yxu
ˆ10
ˆ)3(
12
4
3
=
=
=
( )
( )
( ) 01212
2
1
2
1
000
2
1
2
1
00
2
1
33 =−=
∂
∂−∂
∂=
=−=
∂
∂−∂
∂=
−=
xx
y
u
x
v
x
w
z
u
z
z
y
y
x
ω
ω
ω
ω
ω
Resposta: Irrotacional
Exemplo 6: Verifique se o escoamento é rotacional ou irrotacional
( ) ( )kzjzxiyxV ˆ12ˆ)44(ˆ6 22 +−−=r
( )
( )2
2
12
)44(
6
zw
zxv
yxu
=
−−=
=
( ) 240
2
1
2
1
−=−=
∂
∂−∂
∂=
x
x
z
v
y
w
ω
ω
( ) 000
2
1
2
1
=−=
∂
∂−∂
∂=
y
y
x
w
z
u
ω
ω
( ) ( )22 3264
2
1
2
1
xx
y
u
x
v
z
z
+−=−−=
∂
∂−∂
∂=
ω
ω
Resposta: Rotacional
0=xω
0=yω
0=zω
0=ωr
0≠xω 0=yω 0≠zω
0≠ωr
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-37
Exemplo 7: Considere um escoamento em regime permanente através de um bocal convergente considerando um perfil de
velocidades dada pela equação:
( )
+=→
L
x
utzyxV 21,,, 0 .
Determinar: a) a aceleração da partícula do fluido; b) a aceleração na entrada
e na saída do bocal, considerando u0 = 3,0m/s e L = 0,3m; c) a velocidade na
saída do bocal; d) a aceleração local na entrada e na saída.
a) Unidimensional ( ) i
L
x
uutzyxV ˆ21,,, 0
+==→
t
V
z
V
w
y
V
v
x
V
u
Dt
VD
ap ∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂==
→→→→→
→
...
Como 0
t
V =
∂
∂
→
, então, o escoamento é em Regime Permanente;
+
=
+=∂
∂==
→→
→
L
x
L
u
L
u
L
x
u
x
V
u
Dt
VD
ap
21..2.2.21.
2
00
0 (aceleração da partícula do fluido)
b) ( ) ( )
+
=
+
==
→
→
mm
sm
L
x
L
u
Dt
VD
ap 3,0
0.21.
3,0
/3.221..2
22
0
2/60 smap =
→
(aceleração na entrada do bocal)
( ) ( )
+
=
+
==
→
→
m
m
m
sm
L
x
L
u
Dt
VD
ap 3,0
3,0.21.
3,0
/3.221..2
22
0
2
p s/m180a =
→
(aceleração na saída do bocal)
c) ( )
s
m
m
m
s
m
L
x
uuV 9
3,0
3,0.21.3210 =
+=
+==→ (velocidade na saída do bocal)
c) Neste exercício, a aceleração local é zero porque a equação não varia em função do tempo.
( ) i
L
x
uutzyxV ˆ21,,, 0
+==→
( )
+
=∂
∂=⇒=
→
→
→
→
L
x
L
u
x
V
ua
Dt
VD
tzyxa pp
21..2.,,,
2
0
0=
∂
∂
→
t
V
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-38
Exemplo 8: O vetor velocidade (m/s) de uma partícula de fluido é dado por:
( ) ( ) ( )kzxjxyzizyV ˆ3ˆ2ˆ 3222 ++=r
(a) Determine a magnitude velocidade da partícula no ponto (x,y,z)=(2,3,1).
(b) Determine a aceleração local da partícula.
(c) Verifique se o escoamento é compressível ou incompressível
(d) Determine de o escoamento é rotacional ou irrotacional.
Solução
(1) Velocidade na partícula no ponto (x,y,z)=(2,3,1).
(a)
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
smV
kjiV
kjiV
kzxjxyzizyV
/3,28
ˆ24ˆ12ˆ9
ˆ1.2.3ˆ1.3.2.2ˆ1.3
ˆ3ˆ2ˆ
3222
3222
=
++=
++=
++=
r
r
r
(2) Aceleração local da partícula.
(b)
z
V
w
y
V
v
x
V
u
t
V
Dt
VD
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
rrrrr
Resposta : Aceleração local da partícula: 0=
∂
∂
t
V
r
(a aceleração local da partícula é nula)
(c)Verifique se o escoamento é compressível ou incompressível
z
w
y
v
x
uV
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=∇
r
0320 32 ≠++=∇ xxzV
r
Por tanto se trata de fluido compressível.
(d) Escoamento é rotacional ou irrotacional. ?
0)22(
2
1
2
1
)92(
2
1
2
1
)40(
2
1
2
1
22
22
=−=
∂
∂−∂
∂
≠−=
∂
∂−∂
∂
≠−=
∂
∂−∂
∂
yzzyz
y
u
x
v
zxzy
x
w
z
u
xyz
z
v
y
w
Resposta: Escoamento rotacional
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-39
Exemplo 9: Dado o vetor velocidade ( ) ( )kzyjzyV ˆ3ˆ4 23 +−−=r
(f) Verifique se o escoamento é uni bi ou tridimensional.
(g) Verificar se o escoamento é em regime permanente ou não permanente.
(h) Determinar a aceleração da partícula observando a contribuição da aceleração local e da convectiva.
(i) Verificar se o escoamento é compressível ou incompressível.
(j) Verificar se o escoamento é rotacional ou irrotacional.
SOLUCAO
(A) Verifique se o escoamento é uni bi ou tridimensional.
Resposta: Trata-se de um escoamento bidimensional com componentes de velocidade somente em y e z
(v,w).
kwjvV ˆˆ +=r
(B) Verifique se o escoamento permanente ou não permanente.
Para ser escoamento em 3D em regime permanente. ),,,( tzyxVV =r
Neste caso: kzywjzyuV ˆ),(ˆ),( +=r
Portanto o escoamento não é dependente do tempo (regime permanente)
( C) Determinar a aceleração da partícula
z
V
w
y
V
v
x
V
u
t
V
Dt
VD
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
rrrrr
)()( ConvectivapLocalpp aaa
rrr
+=
Como se trata de regime permanente a contribuição da aceleração local é
nula: 0=∂
∂
t
V
r
z
V
w
y
V
v
x
V
u
Dt
VD
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
rrrr
0=
∂
∂
x
V
u
r
(escoamento bidimensional com u=0)
kyzzyjyzy
y
V
v ˆ)6)(4(ˆ)3)(4( 323 −−+−−−=
∂
∂
r
kyzy
z
V
w ˆ)3)(3( 22=∂
∂ r
( ) ( ) kzykyzzyjzyy
Dt
VD
ˆ)9(ˆ246ˆ123 42425 ++−+=
r
( ) ( )kyzzyjzyy
Dt
VD
ˆ243ˆ123 2425 +++=
r
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-40
( D ) Verificar se o escoamento é compressível ou incompressível.
Para que o fluido seja incompressível deve satisfazer a equação:
0=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=∇
z
w
y
v
x
uV
r
0=
∂
∂
x
u 23y
y
v −=∂
∂ 23y
z
w =
∂
∂
Desta forma verifica-se que o escoamento é incompressível.
033 22 =+−=
∂
∂+
∂
∂=∇ yy
z
w
y
vV
r
(E ) Verificar se o escoamento é rotacional ou irrotacional.
Lembrando que o vetor velocidade é dado por: ( ) ( )kzyjzyV ˆ3ˆ4 23 +−−=r
Trata-se de um escoamento bidimensional com componentes de velocidade somente em y e z (v,w).
kzywjzyvV ˆ),(ˆ),( +=r P
Desta forma o vetor rotacional pode ser simplificado:
k
y
u
x
vj
x
w
z
ui
z
v
y
w
ˆ
2
1
ˆ
2
1
ˆ
2
1
∂
∂−∂
∂+
∂
∂−∂
∂+
∂
∂−∂
∂=ωv
i
z
v
y
w
ˆ
2
1
∂
∂−∂
∂=ωv
yz
y
w 6=
∂
∂
4−=
∂
∂
z
v
Desta forma o escoamento é rotacional já que 0≠ωv
ixz ˆ)46(
2
1
−=ω
v
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-41
Exemplo 10: Um campo de velocidade de uma partícula de fluido é dada por:
jyxiyxV ˆ)8,21,298,0(ˆ)65,08,21( −−−+++=r
(d) Determine a velocidade da partícula de fluido para o ponto (x,y)= (-2,3)
(e) Determine a expressão geral do vetor de aceleração da partícula de fluido.
(f) Avalia a aceleração da partícula de fluido para o ponto (x,y)= (-2,3)
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-42
1.8 PROBLEMAS PROPOSTOS – Cinemática (Cap.4)
[1] Uma partícula de fluido apresenta o vetor de velocidades: kji xzytxttzyxV ˆˆ2ˆ 32),,,( +−=
r . Determinar:
(a) Se o escoamento é uni, bi ou tridimensional.
(b) Se o escoamento é permanente ou não-permanente.
( c ) Aceleração total da partícula
(d ) Aceleração total para (x,y,z)=(2,-2,0)
(e) Velocidade e aceleração da partícula para t=2s em (2,-2,0).
[2] O vetor velocidade de uma partícula de fluido é dado por: kji tyxztV ˆ2ˆˆ3 ++=
r
Determinar a equação que representa a aceleração da partícula.
[3] O vetor velocidade de uma partícula de fluido é dado por: kji zxxyzzyV ˆ3ˆ2ˆ22 32 ++=
r
(a) Determine se o fluido é rotacional ou irrotacional
(b) Se a componente da velocidade em z é nula, verifique se o fluido é rotacional ou irrotacional.
[4] O vetor velocidade de uma partícula de fluido é dado por: kzji etaytaxV ˆ2ˆ23ˆ2
2
+−=
r
Determinar a equação que representa a aceleração da partícula.
[5] O vetor velocidade de uma partícula de fluido é dado por: k
y
zxj
y
zxi
y
zxV ˆ3ˆ2ˆ 2
223
2
3
−−=
r
Verifique se o fluido é compressível ou incompressível.
[6] Dado o campo de velocidades kji zzxyxV ˆ2ˆˆ2 12)44(6 +−−=
r Determine o campo de velocidades angular
ou rotacional.
[7] Verifique quais dos seguintes campos de velocidades satisfaz a Eq. da continuidade.
(a) xu −= yv = (b) yu 3= xv 3= (c) xu 4= yv 4−=
(d) xyu 3= ytv 3= (e) tyxyu 2+= txxyv 4+= (c) 324 yxu = 42xyv −=
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-43
EEXXEEMMPPLLOOSS
CCOONNSSEERRVVAAÇÇÃÃOO DDAA MMAASSSSAA
(( CCaapp.. 55 ))
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-44
1.9 PROBLEMAS RESOLVIDOS – Conservação da Massa (Cap.5)
[1] Um tanque com volume de 0,05 m3 contêm ar a pressão absoluta de 800 kPa. No tempo t=0 o ar escapa do tanque
através de uma válvula com uma área de escoamento de 65mm2 . O ar que passa pela válvula tem uma velocidade de
311 m/s e uma massa especifica de 6,13 kg/m3. As propriedades no resto do tanque podem ser consideradas uniformes
a cada instante. Determine a taxa instantânea de variação da massa especifica do ar no tanque, em t=0.
[2] Um fluido escoa numa tubulação de raio R em regime laminar e permanente. A velocidade V é
dada pela equação:
i
R
rUV ˆ1
2
max
−=r
Onde r é a distancia radial a partir do eixo central do tubo. Determine o
fluxo de massa da tubulação.
[3] Um dispositivo semelhante ao da figura abaixo é utilizado para
escoamento de água em regime permanente. As áreas das A1=0,02m2 A2=0,05m2 A3= A4=0,04m2. O fluxo de massa através da seção (3) é de 60 kg/s, considerado saindo do dispositivo. A vazão entrando na seção (4) é
igual a 0,03m3/s. A velocidade entrando na seção (1) é igual a V1=3,0i m/s. Considerando as propriedades do fluido uniformes através de todas as
entradas e saídas do fluxo determine o fluxo e massa e velocidade na seção
(2).
[ 4 ] O reservatório da figura abaixo é abastecido com água por duas entradas sendo que ar é aprisionado no topo do reservatório.
Na figura D1=25mm, D2=75mm V1=0,9m/s e V2=0,6m/s. Aplique a Eq. integral da conservação da massa para obter uma expressão que representa a variação da altura da água (dh/dt) devido ao enchimento do reservatório.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-45
Solução Exemplo 1
[1] Um tanque com volume de 0,05 m3 contêm ar a pressão absoluta de 800 kPa. No tempo t=0 o ar escapa do tanque através de
uma válvula com uma área de escoamento de 65mm2 . O ar que passa pela válvula tem uma velocidade de 311 m/s e uma massa
especifica de 6,13 kg/m3. As propriedades no resto do tanque podem ser consideradas uniformes a cada instante. Determine a taxa
instantânea de variação da massa especifica do ar no tanque, em t=0.
Equação Básica 0=∫+∫ ∀ scvc AdVdt
rrρρ∂
∂
Hipóteses:
(1) As propriedades no tanque são uniformes, porem
dependentes do tempo.
(2) Escoamento uniforme na seção (1).
Como as propriedades são uniformes: Podemos retirar ρ da integral do primeiro termo.
( ) 0=∫+∫ ∀ sc AdVvcdt
rrρρ∂
∂
• Como ∀=∀∫
vc
d
0=∫+∀ sc AdVt
rrρρ∂
∂
• O fluido atravessa a fronteira unicamente na seção (1).
∫=∫ 1Asc AdVAdV
rrrr
ρρ
• Na superfície (1) o fluido esta saindo e o produto ρVdA é positivo (+).
• Se as propriedades são uniformes na superfície (1)
1111
AVAdV
A
ρρ =∫ rr
( ) 0111 =+∀∂
∂ AV
t
ρρ
• Como o volume do tanque (v.c.) não é uma função do tempo:
( ) 111 AVt ρρ −=∂
∂∀
( )
∀
−=
∂
∂ 111 AV
t
ρρ
( )
( )
( ) smkgm
m
x
x
s
m
x
m
kg
t
/48,2
05,0
10001000
65
1000
31113,6
33
2
3
−=
−=∂
∂ ρ
• Significa que a massa especifica esta diminuindo a uma taxa de 2,48 kg/m3 no momento de ser aberta a válvula (t=0).
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-46
Solução Exemplo 2
[2] Um fluido escoa numa tubulação de raio R em regime laminar e permanente. A velocidade V é dada pela equação:
i
R
rUV ˆ1
2
max
−=r
Onde r é a distancia
radial a partir do eixo central do tubo.
Determine o fluxo de massa da tubulação.
Solução:
A Eq. básica utilizada é a que representa o princípio da conservação da massa definida como:
0=∫+∫ ∀ scvc AdVdt
rrρρ∂
∂
Hipóteses:
• Escoamento permanente
• Escoamento incompressível
• Velocidade não-uniforme nas seções onde o fluido cruza as fronteiras.
∫∫∫ === AdVAdVAdVm rrrrrr& ρρρ 222111
A
u
R
uR
um
RRR
R
RR
R
rr
rdr
R
r
rdr
R
r
um
drr
R
r
um
pirdrdA
RR
R
R
224
2
442
1
42
1
42
1
:integral a Resolvendo
12
)2(1
2 : tubodo seção da área de elemento o doConsideran
max2max
2
max
222242
0
242
0
2
0
2
max
0
2
max
ρpiρpiρ
piρ
piρ
==
=
=
−=
−=
−=
−
−=
−=
=
∫
∫
∫
&
&
&
Pode ser verificado que neste escoamento laminar a velocidade media é
2
maxuu =
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-47
Solução Exemplo 3
[3] Dados
Áreas: A1=0,02m2 A2=0,05m2 A3= A4=0,04m2
Fluxo de massa em (3):
s
kg
m 603 =& (+)
Vazão em (4) : Q4=0,03m3/s
Velocidade em (1)
s
miV ˆ0,31 =
r
Consideramos a massa específica da água igual a 1000 kg/m3
A Eq. Básica utilizada é a que representa o princípio da conservação da massa definida como:
0=∫+∫ ∀ scvc AdVdt
rrρρ∂
∂
Hipóteses:
(1) Escoamento permanente
(2) Escoamento incompressível
(3) Propriedades uniformes em cada seção onde o fluido cruza as fronteiras.
Aplicando a Eq. As seções onde o fluido atravessa as fronteiras:
0
4331
=+++= ∫∫∫∫∫
AAAAsc
AdVAdVAdVAdVAdV
rrrrrrrrrr
ρρρρρ
Considerando escoamento uniforme e propriedades uniformes nas seções de entrada e saída do fluido no v.c.
1
1
1111
1
mAVAVAdV
AA
&
rr
=−== ∫∫ ρρρ (-) Os vetores velocidade e de área apontam em sentido contrário. Significa que o fluido esta entrando na seção 1 no v.c.
222
2
22
2
mAVAVAdV
AA
&
rr
=±== ∫∫ ρρρ Não sabemos se o fluido esta entrando o saindo nesta seção
∫∫ ===
3
33333
3 AA
mAVAVAdV &
rr
ρρρ (+) Pelo enunciado sabemos que o fluido esta na seção 3 saindo do v.c. Por tanto os vetores velocidade e de área apontam no mesmo sentido.
4
4
4444
4
mAVAVAdV
AA
&
rr
=−== ∫∫ ρρρ (-) Os vetores velocidade e de área apontam em sentido contrário. Significa que o fluido esta entrando na seção 4 no v.c.
04321 =+++=∫ mmmmAdV
sc
&&&&
rr
ρ
skgmx
s
m
x
m
kgAVm /6002,00,31000 23111 −==−= ρ& (-) entrando no v.c.
skgm /603 =& (+) saindo do v.c.
skg
s
m
x
m
kgQAVm /3003,01000
3
34444 −===−= ρρ& (-) entrando no v.c.
0306060 24321 =−++−=+++ mmmmm &&&&&
s
kg
m 302 =& Como o valor é positivo (+), significa que na seção (3) o fluido está saindo do v.c.
Para determinar a velocidade em (2):
222 AVm ρ=&
sm
xA
mV /6,0
05,01000
30
2
2
2 === ρ
& na forma vetorial:
s
mjV ˆ6,02 −=
r (aponta em sentido negativo do eixo y)
Obs. Notamos que os ângulos de inclinação das seções 3 e 3 não são necessários para avaliar o fluxo de massa.
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-48
Solução Exemplo 4
[ 4 ] O reservatório da figura abaixo é abastecido com água por duas entradas sendo que ar é aprisionado no topo do reservatório.
Na figura D1=25mm, D2=75mm V1=0,9m/s e V2=0,6m/s.
Aplicando a Eq. integral da conservação da massa se obtém uma expressão que representa a variação da altura da água (dh/dt)
devido ao enchimento do reservatório dada por:
Determinar dh/dt considerando que a área do reservatório: Ares=0,18m2.
resres A
VAVA
A
QQ
t
dh
mmd
t
221121
21 0
+=+=
∂
=−−∀
∂
∂
&&ρ
( ) ( )
sm
xx
A
VDVD
t
dh
res
/0172,0
18,0
6,0075,09,0025,0
44
22
2
2
21
2
1 =
+
=+=
∂
pipi
021 =−− mmdt
dhAres &&ρ
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-49
QQUUAANNTTIIDDAADDEE DDEE MMOOVVIIMMEENNTTOO
(( CCaapp..55 ))
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-50
1.10 PROBLEMAS RESOLVIDOS – Quantidade de Movimento (Cap.5)
[1] Água saí de um bocal estacionário e atinge uma chapa perpendicular ao fluxo. A velocidade da água ao sair do bocal é de 15m/s. A área do bocal é de 0,01m2. Determinar a força horizontal sobre o suporte.
[2] Um jato de água de 25,4mm de diâmetro com velocidade de 6,1 m/s atinge uma chapa curvada como mostrado na figura. O jato escoa livremente na atmosfera. Determinar as componentes x e y da força que exerce a placa plana a água.
[3] Considere o escoamento de água através de um cotovelo de 900 em regime permanente. Na entrada a pressão absoluta igual a 221 kPa e seção igual a 0,01 m2 . Na saída a seção é igual a 0,0025 m2 e o fluido é descarregado a pressão atmosférica (101kPa), e com velocidade igual a 16 m/s. Determinar: força necessária
para manter o cotovelo no lugar.
[4] Uma fonte decorativa tem uma vazão igual a 0,05m3/s e uma velocidade de 8m/s. (a) Considere que o ângulo θ definido na figura é igual a 600.Determine as reações nas direções x e y. (b) Determine a forças resultante e o ângulo
em que atua.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-51
[ 5 ] Utilizando as equações da quantidade de movimento determine a força
horizontal e vertical exercida sobre a superfície mostrada na figura. A
velocidade do jato de água e igual a 15m/s. Considere o jato como sendo com
diâmetro de 100mm. O ângulo da placa é de 600
Respostas: Rx=883,57 N Ry= 1530,39 N
[ 6 ] Determinar a velocidade do jato de água que sai de um bico de 50mm de
diâmetro o qual permite o equilíbrio da plataforma com peso de 700N. (Massa
especifica da água 1000 kg/m3).
[ 7 ] Uma tubulação horizontal de 200mm de diâmetro faz uma curva de 1800. Na
tubulação escoa um derivado de petróleo líquido com massa especifica igual a 900
kg/m3 com vazão de 150 m3/h. Determine a força exercida pelo fluido na curva se a
pressão relativa no ponto (1) é de 100 kPa e pressão no ponto (2) é igual a 80 kPa.
Obs. O fluido escoa de (1) para (2).
[ 8 ] Um jato de água de 60mm de diâmetro incide sobre uma placa tal como mostrado
na Figura. Se o peso total suportado é de 825N determine: (a) qual será a velocidade
do jato. (b) Qual a vazão do jato. Obs. Determine pelo método simplificado.
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-52
Solução Exemplo 1 Água saiu de um bocal estacionário e atinge uma chapa perpendicular ao fluxo. A velocidade da água ao sair do bocal é de 15m/s. A área do bocal é de 0,01m2. Determinar a força horizontal sobre o suporte.
Dados:
Velocidade do jato: smiV /ˆ15=r Área do bocal: An=0,01m2. Fluido água ρ=1000 kg/m3 Pressão atmosférica Patm=101 kPa. Determinar: Força resultante.
Solução: Escolhemos um sistema de coordenadas (x,y) e um volume de controle (v.c.) como mostrado na figura.
Equações Básicas
∫+∫ ∀=+ sc AdVVvc dVtFF Bs
rrrrrr ρρ∂
∂
Hipóteses: Escoamento permanente Escoamento incompressível Escoamento uniforme em cada seção onde o fluido cruza as fronteiras do V.C. Forças de campo desprezíveis.
∫=
sc
s AdVVF
rrrr
ρ
Analisamos as forças na direção - x. Admitimos que Rx atua no sentido positivo (+) do eixo x.
ApRApF atmxatmx −+= Por tanto xx RF =
A quantidade de movimento na direção - x:
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-53
{ } 11
11
1
AVuAdVuAdVu
AdVuAdVV
AA
Axsc
ρρρ
ρρ
−=−=
=
∫∫
∫∫
rrrr
rrrrr
O vetor velocidade apresenta uma única componente V1=u1=15m/s.
Nmx
s
m
x
m
kg
x
s
mAVu 225001,015100015 2311 −=−=− ρ
NAdVuR
A
x 2250
1
−== ∫ rrρ Como é negativo aponta no sentido contrário do eixo x.
Na forma vetorial NiFs ˆ2250−=
r
Método simplificado No método simplificado :
( )12 uuQFx −= ρ
( )12 uumFx −= &
A massa especifica é determinada com as condições da seção 1.
skgmx
s
m
x
m
kgAum /15001,0151000 2311 === ρ& (+) saindo do v.c.
A velocidade na seção 2 é igual a zero (u2=0)
N
s
m
x
s
kg
umFx 2250151501 −==−= & Aponta no sentido contrário ao eixo x.
Obs. Como todo o sistema está submetido a pressão atmosférica sua atuação anula-se.
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-54
Solução: Exemplo 2
Um jato de água de 25,4mm de diâmetro com velocidade de 6,1 m/s atinge uma chapa curvada como mostrado na figura. O jato
escoa livremente na atmosfera. Determinar as componentes x e y da força que exerce a placa plana a água.
Dados:
Velocidade do jato: smiV /ˆ15=r Área do bocal: Djato=0,0251m. Fluido água ρ=1000 kg/m3
Pressão atmosférica Patm=101 kPa.
Solução:
Escolhemos um sistema de coordenadas (x,y) e um volume de controle (v.c.) como mostrado na figura.
Equações Básicas
∫+∫ ∀=+ sc AdVVvc dVtFF Bs
rrrrrr ρρ∂
∂
Hipóteses:
Escoamento permanente
Escoamento incompressível
Escoamento uniforme em cada seção onde o fluido cruza as fronteiras do V.C.
Forças de campo desprezíveis.
∫=
sc
s AdVVF
rrrr
ρ
Análise de escoamento em (1) (Somente agem forças no eixo - x)
∫=
sc
sx AdVuF
rr
ρ
Analisamos as forças na direção - x. Admitimos que Rx atua no sentido positivo (-) do eixo x.
ApRApF atmxatmsx −−= Por tanto xsx RF −=
A quantidade de movimento na direção - x:
{ } 111
1
111
1
AVuAdVuAdVu
AA
ρρρ −=−= ∫∫ rrrr (fluxo entrando no v.c.)
Igualando os termos:
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-55
111 AVuRx ρ−=− e por tanto Rx aponta no sentido contrário ao admitido
Vetor velocidade:
Ponto (1) smiV /ˆ1,6=r e desta forma u1=6,1m/s.
Consideramos que o jato é uniforme
Área do bocal: Djato=0,0251m. e A1=A2=5,1x10-4m2
Nmx
s
m
x
m
kg
x
s
mAVuRx 98,1800051,01,610001,6 23111 === ρ
Análise de escoamento em (2) - (Somente agem forças no eixo - y)
∫=
2
222
A
sy AdVvF
rr
ρ
Analisamos as forças na direção - y. Admitimos que Ry atua no sentido positivo (+).
HatmyHatmsy ApRApF −+= Por tanto ysy RF =
Pela conservação da massa em (2) smjV /ˆ1,6=r e desta forma: v2=6,1m/s.
{ } 222
2
222
2
222 AVvAdVvAdVv
AA
ρρρ ∫∫ =+= rrrr (fluido saindo da s.c.)
Nmx
s
m
x
m
kg
x
s
mAVv 98,18000511,01,610001,6 23222 ==ρ
NAVvRy 98,19222 == ρ (Com o sentido admitido originalmente no sentido positivo (+)
Método simplificado
O fluxo de massa é dada por:
s
kg
mx
s
m
x
m
kgAum 11,300051,01,61000 2311 === ρ&
( )12 uumFx −= & u1=6,1m/s u2=0 e desta forma: NxumFx 98,181,611,31 −==−= &
( )12 vvmFy −= & v1=0 v2=6,1m/s e desta forma: NxvmFy 98,181,611,32 === &
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-56
Solução: Exemplo 3
[ 3 ] Considere o escoamento de água através de um cotovelo de 900 em
regime permanente. Na seção (1) da entrada o diâmetro é 120 mm, a
velocidade é igual a 4m/s e a pressão relativa igual a 120 kPa. Na seção (2)
da saída ó diâmetro é igual 60 mm sendo o fluido descarregado a pressão
atmosférica com velocidade igual a 16 m/s. Determinar: A força resultante Rx e
Ry. Obs. Apresente a equação integral geral do problema e aplique as
simplificações (hipótese) do escoamento.
∫+∫ ∀=+ sc AdVVvc dVtFF Bs
rrrrrr ρρ∂
∂
Hipotese e escoamento: Escoamento permanente
Escoamento incompressível
Escoamento uniforme em cada seção onde o fluido cruza as fronteiras do V.C.
Análise de escoamento em (1) (Somente agem forças no eixo - x)
∫=
sc
sx AdVuF
rr
ρ
( considerando força de campo FBx=0)
Analisamos as forças na direção - x. Admitimos que Rx atua no sentido positivo (-) do eixo x. Para simplificar trabalharemos com a pressão relativa
xrsx RApF −= 11
A1= 0,0113m2 A2= 0,00283m2 A quantidade de movimento na direção - x:
{ } 111
1
111
1
111 AVuAdVuAdVu
AA
ρρρ −=−= ∫∫ rrrr
(fluxo entrando no v.c.)
Nmx
s
m
x
m
kg
x
s
mAVu 1600113,00,410000,4 23111 ==ρ
11111 AVuApR rx ρ+= ( )
( ) NNxR
AVuApR
x
rx
15161600113,01000120
11111
=+=
+= ρ
s
kg
mx
s
m
x
m
kgAVm 28,4500283,0161000 2322 === ρ&
Análise de escoamento em (2) (Somente agem forças no eixo - y)
∫=+
2
222
A
Bysy AdVvFF
rr
ρ
Analisamos as forças na direção - y. Admitimos que Ry atua no sentido positivo (+). A componente de força de campo FBy não pode ser avaliada
já que não conhecemos o volume ou a massa de fluido no interior de cotovelo. No presente exercícios consideramos desprezível força de campo
FB . Desta forma analisamos unicamente as forças de superfície:
=+= yrsy RApF 22 como pr2=0, ysy RF =
{ } 222
2
222
2
222 AVvAdVvAdVv
AA
ρρρ ∫∫ =+= rrrr
(fluido saindo da s.c.) (+)
Nmx
s
m
x
m
kg
x
s
mAVv 72400283,016100016 23222 −=−=ρ
NAVvRy 724222 −== ρ (Contrario ao sentido admitido originalmente)
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-57
Solução: Exemplo 4
Uma fonte decorativa tem uma vazão igual a 0,05m3/s e uma velocidade de 8m/s. (a) Considere que o ângulo θ definido na figura é
igual a 600. Determine as reações nas direções x e y. (b) Determine a força resultante e o ângulo em que atua.
No método simplificado:
Equações utilizadas:
( )12 uumFx −=∑ &
( )12 vvmFy −=∑ &
O fluxo de massa pode ser determinado como:
s
kg
s
m
x
m
kgQAVm 5005,01000
3
311 ==== ρρ&
Resta determinar as componentes dos vetores de velocidade na entrada e saída do v.c.
jviuV ˆˆ 111 +=
r jviuV ˆˆ 222 +=
r
Componentes da velocidade em x:
O ângulo formado entre o plano horizontal e o veto V2 é: 1800 – (450 + 600)= 750
s
mVu 07,275cos8)75cos( 0022 ===
s
mVu 66,545cos845cos 0011 ===
Componentes da velocidade em y:
s
mVv 73,775sin875sin 0022 ===
s
m
sinsinVv 66,545845 0011 ===
Como v1 aponta em sentido contrario ao eixo-x fica com sinal negativo: v1= -5,66m/s
Força Resultante em x:
( ) N
s
kgRF xx 5,17966,507,250 −=−==∑ (Aponta em sentido contrário ao eixo - x)
Força Resultante em x:
( ) N
s
kgRF yy 5,66966,573,750 =+==∑ (Aponta no mesmo sentido que o eixo - y)
Força Resultante:
( ) NRRR yx 6935,669)5,179( 2222 ≈+−=+=
Ângulo formado pela resultante: 075≈=
x
y
R
R
Tanφ
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-58
Solução: Exemplo 5
[ 5 ] Determine a força horizontal exercida sobre a superfície mostrada na figura. A velocidade do jato de água é igual a 15m/s.
Considere que a lamina de fluido mantém a mesma espessura em toda sua trajetória.
∫+∫ ∀=+ sc AdVVvc dVtFF Bs
rrrrrr ρρ∂
∂
Hipóteses:
• Escoamento em regime permanente. Não que existe
variação das propriedades no tempo no V.C.
• Escoamento uniforme na entrada (1) e na saída (2).
• Escoamento com velocidades
unidimensionais.
• Escoamento com considerando fluido incompressível.
Fazendo analise em x:
( )∑ −= 12 xx vvQFx ρ onde:
smv
smv
x
x
/5,760cos15
/15
2
1
==
=
s
m
m
x
x
s
mAVQ
3
2
2
11 118,04
1,015 =
== pi
( )
NRx
xxRx
4,883
155,7118,01000
=
−=−
Solução: Exemplo 6
[ 6 ] Determinar a velocidade do jato de água que sai de um bico de 50mm de diâmetro o qual
permite o equilíbrio da plataforma com peso de 700N. (Massa especifica da água 1000 kg/m3).
4
0)(
)()(
2
2
1
21
D
vW
vAvW
vmF
vmvmF
y
y
piρ
ρ
=
−=−
+−=
−+−=
∑
∑
&
&&
sm
x
D
W
v /88,18
05,01000
70044
22 === piρpi
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-59
Solução: Exemplo 7
[ 7 ] Uma tubulação horizontal de 200mm de diâmetro faz uma curva de 1800. Na
tubulação escoa um derivado de petróleo líquido com massa especifica igual a 900
kg/m3 com vazão de 150 m3/h. Determine a força exercida pelo fluido na curva se a
pressão relativa no ponto (1) é de 100 kPa e pressão no ponto (2) é igual a 80 kPa.
Obs. O fluido escoa de (1) para (2).
P1=100kPa P2=80 kPa A1=A2 Velocidade media na tubulação: sm
D
V /33,13600
1504
2 == pi
( )xx uuQFx 12 −=Σ ρ
( )xxx uuQAPAPR 122211 −=++− ρ
( ) ( )xxx uuQAPPR 12121 )( −=++− ρ
conforme os eixo de coordenados: u1x=1,33m/s e u2x= -1,33m/s ( ) ( )
( ) NxxxR
APPuuQR
x
xxx
555256528,990314,080100)33,133,1(
3600
150900
)( 12112
=+−=++−−=
++−−= ρ
Solução: Exemplo 8
[ 8 ] Um jato de água de 60mm de diâmetro incide sobre uma placa tal como mostrado
na Figura. Se o peso total suportado é de 825N determine: (a) qual será a velocidade
do jato. (b) Qual a vazão do jato. Obs. Determine pelo método simplificado.
( )12 vvQFy −=∑ ρ
NWFy 825−=−=∑
( )
sm
xx
xxx
D
x
v
Av
vAv
/08,17
601000
100010008254
4
1000
825
825
0825
221
2
1
11
==
=
=
−=−
pipi
ρ
ρ
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-60
1.11 PROBLEMAS PROPOSTOS – QUANTIDADE DE MOVIMENTO
[ 1 ] Utilizando as equações da quantidade de movimento determine a força
horizontal e vertical exercida sobre a superfície mostrada na figura. A
velocidade do jato de água e igual a 15m/s. Considere o jato como sendo com
diâmetro de 100mm. O ângulo da placa é de 600
R:: Rx=883,57 N Ry= 1530,39 N
[ 2 ] Considere uma tubulação que escoa água com a curva mostrada na
figura. O ângulo em relação ao plano horizontal é igual a 400. Os diâmetro da
tubulação é D1=100mm e o diâmetro do bocal na saída é D2=30mm. Considere um fluxo de massa igual 15,29 Kg/s e pressão relativa em (1) igual
a p1=232 kPa.
Determine a forças resultantes (Rx e Ry) sobre o flange.
R:: Rx=2105,25 N Ry=-212,60 N
[ 3] O jato de água de 6 cm de diâmetro atinge uma placa contendo um
orifício de 4cm de diâmetro. Parte do jato atravessa pelo orifício, e parte é
defletida.
Determine a força horizontal necessária para conter a placa.
R: 981,75N
[ 4 ] A figura mostra o escoamento de água na qual a
tubulação apresenta uma redução de seção.
Na seção (1) o diâmetro D1=8cm e a velocidade V1=5m/s. Na seção (2) o diâmetro D2=5cm e a pressão é igual a p2=patm=101,32kPa. Nestas condições do escoamento o manômetro de coluna
de mercúrio apresenta uma altura de h=58cm. (a)
Determine a pressão relativa na seção (1) ( b ) Determine
a força total que os flanges resistem. ρágua=1000 kg/m3 ;
ρHg=13600 kg/m3 (a) 71,7 KPa (b) Rx=164,4 N.
V1=5m/s
(1) (2)
D1=8cm
x
y
P2=Patmágua D2=5cm
h=58cm
mercúrio
V1=5m/s
(1) (2)
D1=8cm
x
y
x
y
P2=Patmágua D2=5cm
h=58cm
mercúrio
[5 ] A figura mostra um bocal convergente montado numa
linha de uma tubulação industrial. Os manômetros
instalados antes e após o bocal apresentam as pressões
indicadas na figura. Determine a forca Rx que deve ser exercida pelos tubos adjacentes para suportar o bocal
convergente. Considere que o fluido e gasolina com
massa especifica igual a 680 kg/m3.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-61
[ 7 ] No sistema representado na figura escoa água em regime permanente (ρ=1000 kg/m3). Determinar a força resultante no eixo-y
(Ry) considerando que a velocidade V1=10m/s sendo o diâmetro da lamina de fluido homogênea e igual a 30mm. O ângulo da placa inclinada é igual a 450.
[ 8 ] Determinar a força de reação no sistema apresentado na figura no qual escoa água (ρ=1000 kg/m3 ) numa tubulação de
400mm de diâmetro com velocidade media igual a 5 m/s. A água sai a pressão atmosférica em forma de jato devido a placa plana
com diâmetro de 100 mm. Obs. Sistema em regime permanente e propriedades uniformes na entrada (1) e saída (2) do fluido.
[ 9 ] Uma bomba de jato de água tem área de Aj=0,01m2 e uma velocidade Vj=30m/s. O jato fica dentro de uma corrente secundaria de água com velocidade V1=3,0m/s. A área total do duto e A2=0,075m2. A água e eficazmente misturada e deixa a bomba com uma corrente uniforme na seção 2. Na entrada da bomba as pressões do jato e da corrente secundaria são iguais. Determine a
velocidade na seção de saída. Massa especifica da água 1000 kg/m3
‘
[ 10 ] Num Venturi escoa água conforme mostrado a figura. O manômetro de mercúrio indica uma altura H=20cm. Considere d1 = 2d2 = 16cm. A diferença de pressão entre os pontos 1 e 2 é 24,72kPa. Desconsiderar a perda de carga. Calcular o fluxo de massa no sistema. Obs: água 1000kg/m3 mercúrio 13600kg/m3.
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-62
EEXXEEMMPPLLOOSS
EESSCCOOAAMMEENNTTOO VVIISSCCOOSSOO IINNTTEERRNNOO
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-63
1.12 PROBLEMAS RESOLVIDOS – Escoamento Viscoso em Dutos (Cap.6 e Cap.7)
[ 1 ] Numa tubulação horizontal escoa água através com uma vazão de 0,1m3/s. O diâmetro da tubulação é igual a 150mm. O fator
de atrito da tubulação é igual a 0,0149. A 200C a água tem uma massa específica igual a 999 kg/m3 e viscosidade dinâmica igual a
1,0x10-3 Pa.s. Para um comprimento de tubulação de 10 metros determinar a variação de pressão na tubulação e a tensão de
cisalhamento na parede. R: ∆P=16 kPa τW = 60 N/m2.
[2] Determinar a perda de carga numa tubulação de 150mm de diâmetro e 30 metros de comprimento na qual escoa glicerina com
uma velocidade media igual a 4,0 m/s. A glicerina esta a uma temperatura de 25oC e com o qual a massa especifica é igual a 1258
kg/m3 e a viscosidade dinâmica igual a 9,6x10-1 Pa.s Determine (a) a perda de carga da tubulação. (b) o gradiente de pressão da
tubulação. (c) Tensão de cisalhamento na parede da tubulação. (d) A eq. para graficar o perfil de velocidades. (e) O valor da
velocidade para r = R/2. R: (a) hL=13,3 m (b) 5,4 kPa/m (c) τW = 204 N/m2. (d) V=6,0m/s
[ 3 ] Petróleo bruto escoa através de um trecho horizontal do oleoduto do Alasca, numa vazão de 1,6 milhão de barris por dia
(1barril=42galões). O tubo é de ferro galvanizado diâmetro interno igual a 48 pol. A rugosidade do tubo é de 0,1464mm. A pressão
máxima permitida na saída da bomba é de 1200 psi. A pressão mínima requerida para manter os gases dissolvidos em solução é
50psi. O petróleo a temperatura de bombeamento tem densidade igual a 0,93 e viscosidade cinemática igual 1,179x10-6
m2/s. Para
tais condições determine o espaçamento máximo possível entre as estações de bombeamento. Se a eficiência da bomba é 85%,
determine potência que deve ser fornecida em cada estação de bombeamento. R: 27,4MW
[4 ] As cabeças borrifadoras num sistema agrícola devem ser supridas com água através de 500 pés de tubo de PVC utilizando
uma bomba acionada por motor de combustão interna. Na sua faixa de operação de maior eficiência, a vazão de descarga da
bomba é de 1500 gpm a uma pressão não superior a 65psig. Para uma operação satisfatória, os borrifadores devem trabalhar a
30psig ou mais. As perdas localizadas e as variações de elevação podem ser desprezadas. Determine o diâmetro do tubo padrão
que pode ser empregado. Obs. Considere água a 200C.
[5] Numa planta de processamento químico, deve transportar-se benceno a
500C (d=0,86, µ=4,2x10-4 Pa.s) de uma ponto A até um outro ponto B com
uma pressão de 550kPa. Antes do ponto A esta instalada uma bomba. Com
relação à horizontal, o ponto A esta 21 metros abaixo do ponto B. O ponto A
esta conectado ao ponto B por uma tubulação de pvc nova com diâmetro
interno igual a 50mm. Determinar a pressão requerida na saída da bomba
considerando que o benzeno deve ser transportado com uma vazão de 110
litros/min.
Obs. Considere que a perda de carga na tubulação igual a 3,91m.
R: 760kPa.
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-64
[6] A figura mostra o escoamento de água na qual a tubulação apresenta uma redução de seção. Na seção (1) o diâmetro D1=8cm e a velocidade V1=5m/s. Na seção (2) o diâmetro D2=5cm e a pressão é igual a p2=patm=101,32kPa. Nestas condições do escoamento o manômetro de coluna de mercúrio apresenta uma altura de h=58cm.
( a ) Aplicando as relações de manométrica determine a pressão relativa na seção (1).
( b ) Aplicando a Eq. de Energia determine a perda de carga entre (1) e (2)
( c ) Aplicando a equação da quantidade de movimento determine a força total que os flanges resistem.
ρágua=1000 kg/m3 ; ρHg=13600 kg/m3
V1=5m/s
(1) (2)
D1=8cm
x
y
P2=Patmágua D2=5cm
h=58cm
mercúrio
V1=5m/s
(1) (2)
D1=8cm
x
y
x
y
P2=Patmágua D2=5cm
h=58cm
mercúrio [7] Óleo escoa com uma vazão de 0,2m3/s por um tubo de ferro fundido de 500m de comprimento e 200mm de diâmetro o qual
apresenta um rugosidade ε=0,26mm. Nestas condições, no diagrama de Moody se obtém um fator de atrito igual a 0,0225. (a)
Determine a perda de carga na tubulação. (b) Determine a queda de pressão se o tubo tem um ângulo de declive de 100 no sentido
do escoamento. ρ=900 kg/m3 ν=0,00001 m2/s.
[8] No sistema mostrado escoa água em regime permanente de A para B.
Na saída (ponto B) a pressão é igual a pressão atmosférica (101,32 kPa)
Determinar (em A) qual a pressão relativa e pressão absoluta para que o
fluido escoe com uma vazão 12 litros/segundo. A perda de carga do
sistema é igual a 12 metros de coluna de fluido (hL=12m). A diferença de altura entre o nível do fluido no reservatório e a saída do
fluido na tubulação é igual a 15m. O diâmetro da tubulação é igual a 50mm.
[ 9 ] Água flui de um reservatório através de uma tubulação com
750mm de diâmetro para uma unidade geradora (turbina) e sai
para um rio que localizado a 30 metros abaixo da superfície do
reservatório. A vazão e igual a 2,0 m3/s. A perda de carga da
tubulação e acessórios e igual a 27,29m.
• Determine a potencia da maquina considerando um
rendimento global de 88%..
Obs: massa especifica da água 1000 kg/m3
[ 10 ] Numa tubulação de 150mm de diâmetro e 30 metros de comprimento escoa um fluido com velocidade media igual a 4,0 m/s.
Determine a perda de carga da tubulação. Obs. Considere a massa especifica igual a 1258 kg/m3 e a viscosidade dinâmica igual a
9,6x10-1 Pa.s.
[ 11 ] Dois reservatórios são conectados por 100m de tubulação retilínea com
diâmetro de 50mm e rugosidade relativa igual a 0,002. Ambos reservatórios estão
abertos á atmosfera.
Determine a perda de carga na tubulação para uma vazão de 15 m3/h.
A massa especifica do fluido é igual a 780 kg/m3 e a viscosidade dinâmica igual a
1,7x10-3 Pa.s.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-65
[ 12 ] Determinar a diferença de pressão (em kPa) ao longo de uma tubulação de aço de 150mm de diâmetro e comprimento igual a
10m e rugosidade relativa igual a 0,002 no qual escoa água a 20oC com uma vazão de 0,1 m3/s. Qual será a perda de carga na
tubulação em metros de coluna de água. Determinar a tensão de cisalhamento.
Obs. considere para água a 200C a densidade igual a 0,999 e viscosidade dinâmica igual a 1,0x10-3 kg/m.s.
[13] Uma experiência de laboratório foi realizada na
disciplina para determinar a perda de carga entre os pontos
A e B distantes 150cm numa tubulação de 7mm de diâmetro.
Determinar a perda de carga entre os pontos A e B em
função da leitura manométrica do sistema apresentado na
figura abaixo.
(Densidade do mercúrio 13,6. Massa especifica da água
1000 kg/m3).
[ 14 ] Determine a perda de pressão (Pa) e o coeficiente de perda de
carga num laminador de fluxo instalado num duto de 50 cm de
diâmetro no qual escoa ar a 200C com ρ=1,2 kg/m3 µ=1,8x10-5 Pa.s.
O laminador e formado por tubos lisos de 30 cm de comprimento e 4
mm diâmetro.
[ 15 ] Água e bombeada entre dois reservatórios abertos para a atmosfera
a uma vazão de 5,6 litros/s, numa tubulação de 122m de comprimento e
50mm de diâmetro. A rugosidade relativa e igual a 0,001 sendo que o
coeficiente de atrito da tubulação igual a 0,0216. Considere Z1=6,1m e Z2=36,6m sendo (1) a superfície livre do reservatório de aspiração (antes da bomba) e (2) a superfície livre do reservatório de recalque (após a bomba).
Calcule a potência requerida pela bomba em Watts considerando um
rendimento global de 70%. O somatório de todos os coeficientes de perda
de carga dos acessórios e igual a Σk=13,2.
Obs. ρ=1000 kg/m3 ν=1,02x10-6 m2/s. ]
Z1=6,1m
Z2=36,6m
[ 16 ] Numa tubulação horizontal escoa água através com uma vazão de 0,1m3/s. O diâmetro da tubulação é igual a 150mm.
Considere que para a temperatura de 200C a água tem uma massa específica igual a 999kg/m3 e viscosidade dinâmica igual a
1,0x10-3 Pa.s. Para um comprimento de tubulação de 1000 metros determinar (a) a variação de pressão na tubulação.(b) a potencia
de acionamento da bomba.
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-66
Solução: Exemplo 1
[ 1 ] Numa tubulação horizontal escoa água através com uma vazão de 0,2m3/s. O diâmetro da tubulação é igual a 150mm. O fator
de atrito da tubulação é igual a 0,0149. Considere que para a temperatura de 200C a água tem uma massa específica igual a 999
kg/m3 e viscosidade dinâmica igual a 1,0x10-3 Pa.s. Para um comprimento de tubulação de 10 metros determinar a variação de
pressão na tubulação e a tensão de cisalhamento na parede.
1. Pela Eq. continuidade determinamos a velocidade que é igual a 5,66m/s.
2. Para determinar a variação de pressão na tubulação utilizamos a Eq. da energia:
B
BB
LA
AA z
g
u
g
phz
g
u
g
p
++=−++
22
22
ρρ
como a tubulação é horizontal (z1=z2) e do mesmo diâmetro (v1=v2)
L
BA h
g
p
g
p
=−
ρρ
onde a perda de carga é dada por:
( )
mca
x
xx
g
v
D
LfhL 62,181,92
66,5
15,0
100149,0
2
22
===
kPaxxghpp LBA 88,1581,999962,1 ≡==− ρ
Desta forma a tensão de cisalhamento na parede é dada como:
26006,010
88,15
4
15,0
4 m
NkPax
L
pD
w ===
∆=τ
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-67
Solução: Exemplo
2
[ 2 ] Determinar a perda de carga numa tubulação de 150mm de diâmetro e 30 metros de comprimento na qual escoa glicerina com
uma velocidade media igual a 4,0 m/s. A glicerina esta a uma temperatura de 25oC e com o qual a massa especifica é igual a 1258
kg/m3 e a viscosidade dinâmica igual a 9,6x10-1 Pa.s Determine (a) Perda de carga da tubulação. (b) Determine o gradiente de
pressão da tubulação. (c) Tensão de cisalhamento na parede da tubulação. (d) A equação apropriada para graficar o perfil de
velocidades. (e) O valor da velocidade para r = R/2.
D=150mm L=30m V=4,0m/s
T=25oC µ=9,6x10-1 ρ=1258 kg/m3
Perda de carga da tubulação.
Determinamos o Número de Reynolds
ar LaEscoamento
x
xxVD
min - 786
106,9
15,00,41258Re 1 ≅== −ν
Para escoamento laminar a perda de carga é dada por:
g
v
D
LhL 2Re
64 2
= ( ) mca
x
x
g
v
D
LhL 28,1381,92
4
15,0
30
786
64
2Re
64 22
===
Determine o gradiente de pressão da tubulação.
A variação de pressão
kPaxxghp L 16381,9125828,13 ≅==∆ ρ
O gradiente de pressão
m
kPa
m
kPa
L
p 4,5
30
163 ==∆
Tensão de cisalhamento na parede da tubulação
8Re
64
24
22 vvf
W ρρτ == desta forma
≅= 2
2
204
8
41258
786
64
m
N
xWτ
A equação apropriada para graficar o perfil de velocidades.
−=
2
max 1 R
r
uu
com umax=2umedio = 2x4m/s=8m/s
−=
2
10,8
R
r
u
O valor da velocidade para r = R/2.
−=
2
2
110,8u =6m/s
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-68
Solução: Exemplo 3
[ 3 ] Petróleo bruto escoa através de um trecho horizontal do oleoduto do Alasca, numa vazão de 1,6 milhão de barris por dia
(1barril=42galões). O tubo é de ferro galvanizado diâmetro interno igual a 48 pol. A rugosidade do tubo é de 0,1464mm. A pressão
máxima permitida na saída da bomba é de 1200 psi. A pressão mínima requerida para manter os gases dissolvidos em solução é
50psi. O petróleo a temperatura de bombeamento tem densidade igual a 0,93 e viscosidade cinemática igual 1,97x10-5m2/s. Para
tais condições determine o espaçamento máximo possível entre as estações de bombeamento. Se a eficiência da bomba é 85%,
determine potência que deve ser fornecida em cada estação de bombeamento.
Escoamento numa tubulação: comprimento desconhecido
Dados:
Q=1,6 milhões de barris dia
100kPa = 14,5psi. ou 1psi ≅ 6,897kPa
P1=1200 psi. (275,86kPa) P2=50 psi. (344,83 kPa)
Ferro galvanizado ε=0,1464mm
D=48 pol ( 1220mm)
DR=0,93 oú ρ=930 kg/m3
ν=1,97x10-5 m2/s.
η=85%
dia
barris
xQ 6106,1= 01 barril = 42 galões
min
67,46666
6024
42106,1 6 gal
x
xxQ ==
Conversão 01 galão/min = 6,309x10-5 m3/s
s
m
xxQ
3
5 94,210309,667,46666 == −
Aplicamos a Eq. de Energia entre o ponto 1 e o ponto 2.
2
2
22
1
2
11
22
z
g
u
g
p
Hhz
g
u
g
p
AL ++=+−++ ρρ
Simplificações
• Não existem equipamento adicionado ou retirando energia entre o ponto 1 e 2 portanto HR=0 e HA=0
• A tubulação apresenta o mesmo diâmetro portanto v1=v2.
• Como os pontos estão na mesma altura z1=0 e z2=0.
Com tais simplificações se tem:
( )
g
P
g
pphL ρρ
∆=−= 21
o valor limite da perda a de carga é dada por:
( ) fluidocm
x
xhL ..32,86981,9930
100083,34486,8275
=
−
= (neste caso de Petróleo bruto)
g
V
D
LfhL 2
2
=
Com tal equação podemos explicitar o comprimento da tubulação
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-69
2
2
V
g
f
DhL L= onde
2
9,0Re
74,5
7,3
/log25,0
−
+= Df ε
ε/D= 0,1464mm/1220mm=0,00012
ν
VD
=Re a velocidade media smx
D
Q
A
QV /51,2
22,1
94,244
22 ≅=== pipi
5
5 1055,11097,1
22,151,2Re x
x
xVD
≅==
−ν
01722,0
)1055,1(
74,5
7,3
00012,0log25,0
2
9,05 =
+=
−
x
f
kmx
V
g
f
DhL L 8,19151,2
81,92
01722,0
22,132,8692 22 ≅==
A bomba deverá fornecer (adicionar) no ponto 1 uma energia equivalente a perda de carga
HA=hL=869,32m
A potência teórica adicionada pela bomba ao fluido pode ser determinada como:
gQHP AA ρ=
onde ρ é a massa específica do fluido e Q a vazão.
A eficiência da bomba é definida como a relação entre o potencial adicionado pela bomba ao fluido e a potência subministrada à
bomba (potência motriz).
bomba a para fornecida Potência
fluido ao bomba pela adicionada Potência
Bomba =η
Desta forma a potência fornecida para a bomba:
G
A
motriz
gQH
P
η
ρ
=
kWxxxPmotriz 2,2743285,0
94,281,993032,869
==
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-70
Solução: Exemplo 4
[ 4 ] As cabeças borrifadoras num sistema agrícola devem ser supridas com água através de 500 pés de tubo de PVC utilizando
uma bomba acionada por motor de combustão interna. Na sua faixa de operação de maior eficiência, a vazão de descarga da
bomba é de 1500 gpm a uma pressão não superior a 65psig. Para uma operação satisfatória, os borrifadores devem trabalhar a
30psig ou mais. As perdas localizadas e as variações de elevação podem ser desprezadas. Determine o diâmetro do tubo padrão
que pode ser empregado.
Escoamento num Sistema de Irrigação: Diâmetro desconhecido
Dados: Q=1500 gpm (95 lts/s) L=152m Tubo de PVC ε=0,015mm
Fluido: água a 200C Tabela: ρ=998 kg/m3 ν=1,02x10-6 m2/s.
100kPa = 14,5psi. ou 1psi ≅ 6,897kPa
P1<= 65psig. (448,16 kPa) P2 >= 30 psig (206,85 kPa)
2
2
22
1
2
11
22
z
g
u
g
p
Hhz
g
u
g
p
AL ++=+−++ ρρ
Simplificações
• Não existem equipamento adicionado ou retirando energia entre o ponto 1 e 2 portanto HR=0 e HA=0
• A tubulação apresenta o mesmo diâmetro portanto v1=v2.
• Como os pontos estão na mesma altura z1=0 e z2=0.
Com tais simplificações se tem:
( )
g
P
g
pphL ρρ
∆=−= 21
Assumindo os valores extremos estamos considerando ∆Pamx
( )
aguacm
x
xhL ..6,2481,91000
100085,20616,448
=
−
=
g
V
D
LfhL 2
2
=
Igualando os termos
g
V
D
LfP
2
2
ρ=∆ (Pa)
Para trabalhar com o diâmetro substituímos a velocidade pela vazão (V=Q/A):
5
2
25
2
24
2
2
2
2
18816
2
4
2 D
Q
D
Lf
D
Q
D
Lf
D
Q
D
Lf
D
Q
D
LfP
===
=∆
pi
ρ
pi
ρ
pi
ρ
pi
ρ
Substituindo Q = 0,095 m3/s ν=1,02x10-6 m2/s ρ=998 kg/m3 L=152m
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-71
5715,1109 D
f
P =∆
D
QD
D
QVD 144Re 2
=
==
piννpiν
. Substituindo os dados
D
04,118586Re =
Procedimento Iterativo.
1. Admitimos um valor para o diâmetro. Por exemplo Eq. de Bresse. ( D=Q0,5)
2. Determinamos o Re.
3. Com Re e e/D determinamos o fator de atrito f
4. Com D e F obtemos a variação de pressão
5. Se ∆Pcal. ≅ ∆Pmax significa que o diâmetro assumido é adequado.
6. Se ∆Pcal. < ∆Pmax significa que podemos diminuir o diâmetro e recalcular
7. Se ∆Pcal. > ∆Pamx significa que devemos aumentar o diâmetro e recalcular.
Diâmetro (mm) ε/D Re f ∆Pcal. (Pa)
308 0,000487 3,85x105 0,01435 57 kPa < (241,31 kPa)
150 0,001 8x105 0,01378 201,31 kPa
Continuar
Quando o diâmetro não corresponde ao diâmetro comercial do tubo devemos recalcular e verificar os dados.
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-72
Solução: Exemplo 5
[5] Numa planta de processamento
químico, deve transportar-se
benzeno a 500C (d=0,86, µ=4,2x10-4 Pa.s) de uma ponto A até um
outro ponto B com uma pressão de 550kPa. Antes do ponto A está
instalada uma bomba. Com relação à horizontal, o ponto A esta 21
metros abaixo do ponto B. O ponto A esta conectado ao ponto B
por uma tubulação de pvc nova com diâmetro interno igual a
50mm. Determinar a pressão requerida na saída da bomba
considerando que o benzeno deve ser transportado com uma
vazão de 110 litros/min. Obs. Considere que a perda de carga na
tubulação igual a 3,91m.
Resposta: 760kPa.
Dados: Fluido Benzeno d=0,86 T=500C µ=4,2x10-4 Pa.s
PB=550kPa. D=50mm (A=0,001964m2) Q=110 l/min. ( 0,001834 m3/s) Solução:
Aplicamos a Eq. de Energia entre o ponto A e B.
BBBLTRADAAA zg
u
g
phHHz
g
u
g
p
++=−−+++
22
22
ρρ
Simplificações:
� Como a bomba esta antes do ponto A HAD=0 . Não existe turbinas retirando energia do sistema (HR=0)
� Como não existe perda de carga localizada (hLacc=0) hLT= hL
� Como a tubulação entre A e B não muda de diâmetro, pela continuidade AA=AB e portanto vA=vB.
� Tomando como eixo de referencia o nível do ponto A: ( ZB - ZA) =21m
B
B
LTA
A z
g
phz
g
p
+=−+
ρρ
reorganizando os termos, e explicitando a pressão em A:
( ) LTABBA hzzg
p
g
p
+−+=
ρρ
Devemos determinar a perda de carga da tubulação
g
V
D
LfhL 2
2
=
Considerando: velocidade: v=Q/A =0,934 m/s 93,0
001964,0
0,001834
===
A
Q
v
Reynolds:
µ
ρ DV
=Re 9563
4-4,2x10
005,0934,0860Re ≈= xx (escoamento turbulento)
com ε/D=0 - tubo liso no Diagrama de Moody achamos f=0,018.
( )
m
x
xx
g
V
D
LfhL 81,381,92
93,0
05,0
240018,0
2
22
===
fluidocm
x
x
g
pA
..9081,312
81,9860
1000550
=++=
ρ
kPaxxpA 30,75981,986090 ==
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-73
Solução: Exemplo 6
[6] A figura mostra o escoamento de água na qual a tubulação apresenta uma redução de seção. Na seção (1) o diâmetro D1=8cm e a velocidade V1=5m/s. Na seção (2) o diâmetro D2=5cm e a pressão é igual a p2=patm=101,32kPa. Nestas condições do escoamento o manômetro de coluna de mercúrio apresenta uma altura de h=58cm.
( a ) Aplicando as relações de manométrica determine a pressão relativa na seção (1).
( b ) Aplicando a Eq. de Energia determine a perda de carga entre (1) e (2)
( c ) Aplicando a equação da quantidade de movimento determine a força total que os flanges resistem.
ρágua=1000 kg/m3 ; ρHg=13600 kg/m3
V1=5m/s
(1) (2)
D1=8cm
x
y
P2=Patmágua D2=5cm
h=58cm
mercúrio
V1=5m/s
(1) (2)
D1=8cm
x
y
x
y
P2=Patmágua D2=5cm
h=58cm
mercúrio Aplicando Eq. de Manometria:
kPaxxghP aMR 7,7158,081,9)100013600()(1 =−=−= ρρ (Relativa)
Aplicando Eq. de Energia.
m
xx
x
g
vv
g
pphL 23,007,73,781,92
8,125
81,91000
10007,71
2
222
2
2
121 =−=
−+
=
−+
−=
ρ
Aplicando Eq. da Quantidade de movimento.
NxxvvmApRx 1,163)58,12(12,251000005,07,71)( 1211 =−−=−−= &
Solução: Exemplo 7
[7] Óleo escoa com uma vazão de 0,2m3/s por um tubo de ferro fundido de 500m de comprimento e 200mm de diâmetro o qual
apresenta um rugosidade ε=0,26mm. Nestas condições, no diagrama de Moody se obtém um fator de atrito igual a 0,0225. (a)
Determine a perda de carga na tubulação. (b) Determine a queda de pressão se o tubo tem um ângulo de declive de 100 no sentido
do escoamento. ρ=900 kg/m3 ν=0,00001 m2/s.
m
gg
V
D
LfhL 1162
37,6
2,0
5000225,0
2
22
===
Continuar: R: ∆P=265Pa.
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-74
Solução: Exemplo 8
[8] No sistema mostrado escoa água em regime permanente de A para B.
Na saída (ponto B) a pressão é igual a pressão atmosférica (101,32 kPa)
Determinar (em A) qual a pressão relativa e pressão absoluta para que o
fluido escoe com uma vazão 12 litros/segundo. A perda de carga do
sistema é igual a 12 metros de coluna de fluido (hL=12m). A diferença de altura entre o nível do fluido no reservatório e a saída do
fluido na tubulação é igual a 15m. O diâmetro da tubulação é igual a 50mm.
Dados
Q=12 l/s=0,012m3/s hL=12 m.c.f. PB= 101,33kPa. (Pressão Atm. padrão) ZB – ZA= 15m D=50mm Com a vazão podemos determinar a velocidade na tubulação:
( ) smxD
Q
v /12,6
00196,0
012,0
4
05,0
012,0
4
22
===
= pipi
A Eq. de energia aplicada entre os pontos A e B, fazendo não tendo máquinas adicionado (bombas) o extraindo (turbinas) energia.
B
BB
LA
AA z
g
u
g
phz
g
u
g
p
++=−++
22
22
ρρ
Considerando a velocidade em A muito pequena comparada com a velocidade na tubulação, fazemos desprezível o termo de
energia cinética da mesma.
B
BB
LA
A z
g
u
g
phz
g
p
++=−+
2
2
ρρ
Utilizando nesta expressão a pressão relativa, em B temos que PB=0. Desta forma a pressão relativa em A é dada como:
( ) LABBA hzzg
u
g
p
+−+=
2
2
ρ
considerando a massa especifica do fluido ρ=1000kgm/3
( ) m
xg
p A 90,2812159,11215
81,92
12,6 2
=++=++=
ρ
em unidades de pressão, a pressão relativa em A é dada como:
kPaxxpA 6,28390,2881,91000 ==
A pressão absoluta pA= pA(Rel) + pAtm = 283,6 + 101,33 =385 kPa.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-75
Solução: Exemplo 9
[ 9 ] Água flui de um reservatório através de uma
tubulação com 750mm de diâmetro para uma unidade
geradora (turbina) e sai para um rio que localizado a 30
metros abaixo da superfície do reservatório. A vazão e
igual a 2,0 m3/s. A perda de carga da tubulação e
acessórios e igual a 27,29m.
• Determine a potencia da maquina
considerando um rendimento global de 88%..
Obs: massa especifica da água 1000 kg/m3
B
BB
ALA
AA z
g
u
g
pHhz
g
u
g
p
++=+−++
22
22
ρρ
ABLA zzhH −+=
mH A 80,575,3029,27 =+=
WattsxxxQgHW A 4536
7,0
0056,080,5781,91000
===
η
ρ
&
Solução: Exemplo 10
[ 10 ] Numa tubulação de 150mm de diâmetro e 30 metros de comprimento escoa um fluido com velocidade media igual a 4,0 m/s.
Determine a perda de carga da tubulação. Obs. Considere a massa especifica igual a 1258 kg/m3 e a viscosidade dinâmica igual a
9,6x10-1 Pa.s.
Perda de carga da tubulação.
Número de Reynolds
ar LaEscoamento
x
xxVD
min - 786
106,9
15,00,41258Re 1 ≅== −ν
Para escoamento laminar a perda de carga é dada por:
g
v
D
LhL 2Re
64 2
= ( ) mca
x
x
g
v
D
LhL 28,1381,92
4
15,0
30
786
64
2Re
64 22
===
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-76
Solução: Exemplo 11
[ 11 ] Dois reservatórios são conectados por 100m de tubulação retilínea com
diâmetro de 50mm e rugosidade relativa igual a 0,002. Ambos reservatórios estão
abertos á atmosfera.
Determine a perda de carga na tubulação para uma vazão de 15 m3/h.
A massa especifica do fluido é igual a 780 kg/m3 e a viscosidade dinâmica igual a
1,7x10-3 Pa.s.
s
m
x
x
D
QV 12,2
05,0
3600
1544
22 === pipi
635.48
107,1
05,012,2780Re 3 === −x
xxVD
µ
ρ (turbulento)
( ) 0268,048635
74,5
7,3
002,0log25,0
2
9,0 =
+=
−
f
m
x
x
g
V
D
LfhL 28,1281,92
12,2
05,0
1000268,0
2
22
===
Solução: Exemplo 12
[ 12 ] Determinar a diferença de pressão (em kPa) ao longo de uma tubulação de aço de 150mm de diâmetro e comprimento igual a
10m e rugosidade relativa igual a 0,002 no qual escoa água a 20oC com uma vazão de 0,1 m3/s. Qual será a perda de carga na
tubulação em metros de coluna de água. Determinar a tensão de cisalhamento.
Obs. considere para água a 200C a densidade igual a 0,999 e viscosidade dinâmica igual a 1,0x10-3 kg/m.s.
A variação de pressão ma tubulação é dada pela Eq. de energia.
B
BB
LA
AA z
g
u
g
phz
g
u
g
p
++=−++
22
22
ρρ
como a tubulação é horizontal e do mesmo diâmetro
L
BA h
g
p
g
p
=−
ρρ
( )
mca
x
xx
g
v
D
LfhL 62,181,92
66,5
15,0
100149,0
2
22
===
kPaxxghpp LBA 88,1581,999962,1 ≡==− ρ
a tensão de cisalhamento na parede é dada como:
26006,010
88,15
4
15,0
4 m
NkPax
L
pD
w ===
∆=τ
Respostas ∆P=15,88 kPa τW=60 N/m2
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-77
Solução: Exemplo 13
[ 13 ] Uma experiência de laboratório foi realizada na
disciplina para determinar a perda de carga entre os pontos
A e B distantes 150cm numa tubulação de 7mm de diâmetro.
Determinar a perda de carga entre os pontos A e B em
função da leitura manométrica do sistema apresentado na
figura abaixo.
(Densidade do mercúrio 13,6. Massa especifica da água
1000 kg/m3).
B
BB
LA
AA z
g
u
g
phz
g
u
g
p
++=−++
22
22
ρρ
Tubulação é horizontal e do mesmo diâmetro:
g
p
g
ph BAL ρρ
−=
Aplicando Eqs. de manometria obtemos:
BxaguaHgxaguaA phhgghghp =−−−+ )(ρρρ
BaguaHgA pghghp =+− ρρ
( )ghpp aguaHgBA ρρ −=−
( ) kPaxpp BA 74,4581,910001360037,0 =−=−
m
mx
x
g
pph BAL 66,48191000
100074,45
==
−
=
ρ
Solução: Exemplo 14
[ 14 ] Determine a perda de pressão (Pa) e o coeficiente de perda de
carga num laminador de fluxo instalado num duto de 50 cm de
diâmetro no qual escoa ar a 200C com ρ=1,2 kg/m3 µ=1,8x10-5 Pa.s.
O laminador e formado por tubos lisos de 30 cm de comprimento e 4
mm diâmetro.
ar LaEscoamento
x
xxVD
min - 1600
108,1
00040,62,1Re 5 ≅== −µ
ρ
Para escoamento laminar a perda de carga é dada por:
g
v
D
LhL 2Re
64 2
= ( ) mca
x
x
g
v
D
LhL 91,481,92
6
004,0
3,0
1600
64
2Re
64 22
===
LghP ρ=∆ PaxxP 8,5791,481,92,1 ==∆
g
vkhL 2
2
= 67,2
6
91,481,922
22 ===
xx
V
ghk L
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-78
Solução: Exemplo 15
[ 15 ] Água e bombeada entre dois reservatórios abertos para a atmosfera
a uma vazão de 5,6 litros/s, numa tubulação de 122m de comprimento e
50mm de diâmetro. A rugosidade relativa e igual a 0,001 sendo que o
coeficiente de atrito da tubulação igual a 0,0216. Considere Z1=6,1m e Z2=36,6m sendo (1) a superfície livre do reservatório de aspiração (antes da bomba) e (2) a superfície livre do reservatório de recalque (após a bomba).
Calcule a potência requerida pela bomba em Watts considerando um
rendimento global de 70%. O somatório de todos os coeficientes de perda
de carga dos acessórios e igual a Σk=13,2.
Obs. ρ=1000 kg/m3 ν=1,02x10-6 m2/s. ]
Z1=6,1m
Z2=36,6m
B
BB
ALA
AA z
g
u
g
pHhz
g
u
g
p
++=+−++
22
22
ρρ
ABLA zzhH −+=
( )
m
xg
V
D
LfhL 82,2181,92
85,2
05,0
1220216,0
2
22
===
( )
m
xg
VKhac 46,581,92
85,22,13
2
22
===∑
mH A 80,575,3029,27 =+= WattsxxxQgHW A 45367,0
0056,080,5781,91000
===
η
ρ
&
Solução: Exemplo 16
[ 16 ] Numa tubulação horizontal escoa água através com uma vazão de 0,1m3/s. O diâmetro da tubulação é igual a 150mm.
Considere que para a temperatura de 200C a água tem uma massa específica igual a 999kg/m3 e viscosidade dinâmica igual a
1,0x10-3 Pa.s. Para um comprimento de tubulação de 1000 metros determinar (a) a variação de pressão na tubulação.(b) a potencia
de acionamento da bomba.
B
BB
LA
AA z
g
u
g
phz
g
u
g
p
++=−++
22
22
ρρ
Como a tubulação é horizontal e do mesmo diâmetro
L
BA h
g
p
g
p
=−
ρρ
onde: 00,151.848
100,1
15,099966,5Re 3 === −x
xxVD
ν
Turbulento.
Da apostila, utilizando a Eq. para tubos lisos com Re > 105
012,0)108(5,0056,0 32,05 =+= −xf
( )
mca
x
xx
g
v
D
LfhL 62,13081,92
66,5
15,0
1000012,0
2
22
===
kPaxxghpp LBA 128081,999962,130 ≡==− ρ kWxW 1281,01280 ==&
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-79
1.13 PROBLEMAS PROPOSTOS - Perda de Carga em Tubulações (Cap.7)
[ 1 ] Determine a velocidade crítica para (a) gasolina a 200C escoando em um tubo de 20mm e (b) para água a 200C escoando num tubo de 20mm. Obs. Para gasolina a 200C a massa específica é igual a 6,48x10-7 m2/s.
R:(a) V=0,065m/s (b) V=0,1m/s.
[ 2 ] Determine o tipo de escoamento que ocorre num tubo de 305mm quando (a) água a 150C que escoa a uma
velocidade de 1,07m/s (b) óleo combustível pesado a 150C escoando com a mesma velocidade considerando que apresenta uma viscosidade cinemática igual a 20,53x10-5 m2/s.
R: (a) Re 290.000 Turbulento (b) Re=1600 Laminar.
[ 3 ] Para condições de escoamento laminar, qual o diâmetro da tubulação que poderá conduzir 0,0057m3/s de óleo combustível médio a 4oC com viscosidade cinemática igual a 6,09x10-6 m2/s. R: D=60mm
[ 4 ] Um óleo lubrificante médio, com densidade 0,86 é bombeado através de 300m de um tubo horizontal de 50mm de diâmetro a razão de 0,00114m3/s. Se a queda de pressão for 200kPa qual será a viscosidade absoluta do óleo.
R:: µ=0,089 Pa.s
[ 5 ] Um óleo com viscosidade absoluta de 0,101 Pa.s e densidade 0,85 escoa através de 3000m de tubulação de ferro fundido com 300 de diâmetro com uma vazão de 0,0444m3/s. Determine a perda de carga no tubo. R: 8,14m.
[ 6 ] Um óleo combustível pesado escoa de A para B através de 914,4m de um tubo horizontal de açõ de 152mm. A pressão em A é de 1068,68 kPa e em B é de 34,47 kPa. O óleo apresenta uma densidade de 0,918 e viscosidade
cinemática é de 41,24x10-5 m2/s. Determine a vazão em m3/s. R: Q=0,039m3/s.
[ 7 ] Que diâmetro de tubo deve ser instalado para transportar 0,0222 m3/s de óleo combustível pesado a 16oC com viscosidade cinemática v=2,05x10-4m2/s e densidade igual a 0,912. A perda de carga disponível nos 300 m de tubo é de 6,7m. Obs. Adote a hipótese inicial de escoamento laminar e verifique posteriormente tal hipótese. R: D=170mm
[ 8 ] Uma quantidade de gasolina esta sendo descarregada de um tubo em um ponto de 2 a 67m de elevação. O ponto 1 localizado a 966m de tubo do ponto 2, está elevado na elevação de 83m, sendo a pressão neste ponto de 2,5kPa. Se a rugosidade do tubo é de 0,5mm. Determine o diâmetro do tubo necessário para descarregar a gasolina com uma vazão de 0,10m3/s. Para gasolina considere massa especifica igual a 719 kg/m3 e viscosidade dinâmica igual a 2,92x10-
4 N.s /m2 . R: D=258 mm
[ 9 ] Por um tubo inclinado 300 de 100mm de diâmetro escoa glicerina a 300C em sentido ascendente. Entre as seções de 1 e 2 distantes 10m se mede uma diferença de pressão p1-p2=0,8bar. Determinar a perda de carga velocidade do escoamento, número de Reynolds e tensão de cisalhamento na parede da tubulação. Considere a glicerina com massa especifica igual a 1260 kg/m3 e viscosidade cinemática 1,9x10-4m2/s.
R: hL=1,47m. V=2,37 m/s Re= 1247 (laminar) τW=45,4 N/m2.
[ 10 ] De um
deposito de óleo com massa especifica igual a 900 kg/m3 sai uma tubulação de 13mm de diâmetro. A vazão é de 900 L/h e a queda de pressão entre as duas seções distantes 2m é de 0,265bar. Considerando escoamento laminar, determinar a viscosidade cinemática e dinâmica e verificar se escoamento é realmente laminar.
Ra: v=3,76x10-5 m2/s µ=3,338x10-2 Pa.s
[ 11 ] Numa tubulação horizontal escoa água através com uma vazão de 0,2m3/s. O diâmetro da tubulação é igual a 150mm. O
fator de atrito da tubulação é igual a 0,0149. Considere que para a temperatura de 200C a água tem uma massa específica igual a
999kg/m3 e viscosidade dinâmica igual a 1,0x10-3 Pa.s. Para um comprimento de tubulação de 10 metros determinar a variação de
pressão na tubulação e a tensão de cisalhamento na parede. R: ∆P=16 kPa τW = 60 N/m2.
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-80
[12] Um tubo liso horizontal de 4cm de diâmetro transporta 0,004 m3/s de água a 200C.
Usando um perfil exponencial determine. (a) Fator de atrito (b) Velocidade máxima
(c) Posição radial em que u( r ) =Umedia (d) Tensão de cisalhamento na parede (e) Queda de pressão considerando um comprimento de 10m
Respostas:
• Fator de atrito f=0,0173
• Velocidade máxima Umax=3,74m/s.
• Posição radial em que u( r ) = Umedia : r=15,2mm
• Tensão de cisalhamento na parede τw=22Pa
• Queda de pressão considerando um comprimento de 10m ∆P=22kPa.
[13] Uma queda de pressão de 700 kPa é medida sobre um comprimento de 300m de um tubo em ferro forjado de
10cm de diâmetro que transporta óleo (d=0,9 v=10-5 m2/s). Determine a vazão: (a) Procedimento iterativo (b) Método explicito.
R: Q=0,037 m3/s
[14] Que diâmetro de uma tubulação horizontal de 400m de comprimento deve ser escolhido para transportar 0,002 m3/s de água a 200C de modo que a perda de carga não exceda 30m (a) Utiliza método iterativo (b) Utilize método explicito. R: D=40mm
[15] Um deposito com óleo com massa especifica igual a 900 kg/m3 é conectado a uma tubulação horizontal de 13mm de diâmetro interno. A vazão é de 900 litros/hora e a queda de pressão na tubulação entre duas seções distantes 2 metros é de 0,265bar. Considerando escoamento em regime laminar determinar a viscosidade cinemática e dinâmica do fluido. Verifique se de fato o escoamento é laminar como suposto no problema. Determine a tensão de cisalhamento na parede.
R: V=1,88 m/s µ=0,037 Pa.s ν=4,1x10-5 m2/s Re ≈ 590 - Laminar τw=43Pa
Nota: exercício similar resolvido no Fox ( Cap. de escoamentos em dutos)
[16] Se requer bombear 40 litros/segundo de água de um deposito a outro 40m mais elevado, distantes 560m. A tubulação é de ferro fundido com rugosidade de 0,25mm e diâmetro de 150mm determinar. Na tubulação existe um registro globo aberto com comprimento equivalente de 50 metros e duas junções com coeficiente de perda de carga igual a 0,4. a) Determine o fator de atrito por equação apropriada e compare o resultado utilizando o diagrama de Moody. b) Determinar com o fator de atrito (obtido pela equação) a perda de carga na tubulação em metros de coluna
de fluido e em Pascal. c) Determine a perda de carga localizada pelos acessórios presentes na tubulação. d) Determina a perda de carga total pela tubulação mais acessórios.
R: a) f=0,023 b) hl=22,35m c) hacc=hval-globo + hjunção=2,04m d) hlT= hl+ hacc≅25m
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-81
[ 17 ]O sistema de bombeamento trabalha com uma vazão de
0,015 m3/s. A tubulação de aspiração tem um comprimento de
15 metros. A tubulação de recalque tem um comprimento de
200 metros. A válvula de globo aberta apresenta um
comprimento equivalente Le=30D onde D é o diâmetro da
tubulação. Determine a perda de carga total do sistema de
Bombeamento e a potência de acionamento da bomba
considerando que apresenta um rendimento de 76%. A
tubulação de aspiração tem um diâmetro de 100 mm e a
tubulação de recalque apresentam um diâmetro interno de
50mm. Considere uma tubulação é de aço com rugosidade igual
a 4,6x10-5m.
Elemento Coef. de perda de carga - K Fluido - álcool 24oC
Saída do reservatório de aspiração 0,5 ρ=789 kg/m3
Entrada do reservatório de recalque 1,0 µ= a 5,6x10-4 Pa.s
curva de 900 0,57
R: hL=207,4m (z2 - z1) =10m H=217,4m W=33,2kW.
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-82
1.14 PROBLEMAS PROPOSTOS - Escoamento Viscoso em Dutos (Cap.7 e Cap.8)
[1] Determinar a perda de carga e a queda de pressão em 61m de um tubo de ferro fundido asfaltado horizontal de
152mm de diâmetro transportando água a uma velocidade media de 1,83m/s. ρ=1000 kg/m3 ν=1,02x10-6 m2/s.
R: (1,37m ) (13,43kPa).
[2] Óleo com ρ=1000 kg/m3 ν=0,00001 m2/s escoa a 0,2 m3/s por um tubo de ferro fundido de 500m de comprimento e
200mm de diâmetro. Determinar (a) a perda de carga (b) a queda de pressão se o tubo tem um ângulo de declive de 100 no sentido do escoamento. R: (117m ) (265 kPa).
[3] Óleo com ρ=950 kg/m3 ν=2,0x10-5 m2/s escoa por um tubo de 30cm de diâmetro e 100m de comprimento com uma perda de carga de 8m. A rugosidade relativa e 0,0002. Determine a velocidade media e a vazão.
R: (4,84 m/s) (0,342 m3/s). – Solução Iterativa.
[4] Determinar a velocidade numa tubulação de ferro fundido asfaltado horizontal de 61m na qual escoa água
apresentando uma perda de carga de 1,37m. Obs. ρ=1000 kg/m3 ν=1,02x10-6 m2/s.
R: (1,84 m/s) – Solução Iterativa.
[5] Óleo com ρ=950 kg/m3 ν=2,0x10-5 m2/s escoa por um tubo de 100m de comprimento com uma perda de carga de
8m sendo a vazão Q=0,342m3/s e a rugosidade ε=0,06mm. Determine o diâmetro da tubulação.
R: (0,3 m) – Solução Iterativa.
[6] Ar com ρ=1,22 kg/m3 ν=1,46x10-5 m2/s e forcado através de um duto horizontal quadrado de 229mmx229mm de
30m de comprimento, a uma vazão de 0,708 m3/s. Se a rugosidade ε=0,091mm determine a queda de pressão.
R: (258 N/m2)
[7] Água com 1000 kg/m3 ν=1,02x10-6 m2/s e bombeada entre dois reservatórios abertos para a atmosfera a uma vazão de 5,6 litros/s, por um tubo de 122m de comprimento e 50mm de diâmetro e diversos acessórios como mostra a figura. A rugosidade relativa e 0,001. Considere Z1=6,1m e Z2=36,6m sendo (1) a superfície livre do reservatório de aspiração (antes da bomba) e (2) a superfície do reservatório de recalque (após a bomba). Calcule a potencia requerida
pela bomba em Watts.
Acessório Coeficiente de perda de carga
Entrada em canto agudo 0,5
Válvula globo aberta 6,9
Curva com 12 pol de raio. 0,15
Cotovelo normal de 900 0,95
Válvula de gaveta aberta pela metade. 3,7
Saída em canto agudo 1,0
R: (3,2kW)
[8] Um duto de ferro fundido de 360m de comprimento e rugosidade absoluta igual a 10-4m conduz água a temperatura de 200C com uma vazão de 12 m3/s apresentando uma perda de carga na tubulação horizontal de 3,9m. Determinar o diâmetro da tubulação. R: (D=165,21mm).
[9] Uma tubulação de fibrocemento de 100m de comprimento e diâmetro de 200mm apresenta uma rugosidade de 10-
4m escoando água a 200C com uma vazão de 62,8 litros/s. Determinar a perda de carga da tubulação. R: hL=18,26 m.
[10] Num duto de concreto (ε= 3,0x10-4m) de 100mm de diâmetro escoa água a 37oC com perda de carga unitária de 0,0115 mca/m. Determinar a vazão. R: (Q=0,007155 m3/s ).
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-83
EEXXEEMMPPLLOOSS
AANNÁÁLLIISSEE DDIIMMEENNSSIIOONNAALL EE MMOODDEELLOOSS
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-84
1.15 PROBLEMAS RESOLVIDOS - Análise Dimensional (Cap.9)
[ 1 ] Está para ser realizado um teste de um projeto proposto para uma bomba
grande que deve fornecer 1,5 m3/s
através de um rotor de 40cm de diâmetro. Um modelo com um rotor de 8cm de diâmetro será usado. Que vazão deve ser usada no modelo para manter a semelhança em relação ao número de Reynolds ? O fluido a ser usado no modelo é a água, na mesma temperatura da água a ser bombeada pelo protótipo.
Para que haja semelhança neste problema de escoamento confinado incompressível, o número de Reynolds deve ser igual, ou
seja,
pm ReRe =
p
pp
m
mm
dUdU
νν
..
=
Reconhecendo que pm νν = , se as temperaturas são iguais, vemos que
5
08,0
4,0
===
m
m
d
d
U
U
m
p
p
m
A razão entre vazões é encontrada reconhecendo que AUQ .= :
2
2
.
.
pp
mm
p
m
dU
dU
Q
Q
= =
5
1
4,0
08,0
.5 2
2
=
Assim encontramos
sm
QQ pm /3,05
5,1
5
3
===
[2] A tensão superficial σ é função de velocidade U, da massa especifica ρ e do comprimento x. Obter a equação da tensão
superficial. Nota:
oCompriment
Força
=σ
XU cba ρσpi =
( ) ( ) ( ) LMLLTMTTLM cba 312000 −−−=
2
1
1
220
130
0
=
−=
=
===>−−==>
+−==>
−===>+==>
b
a
c
bcbaT
cbL
cacaM
XU 121 ρσpi −=
XkU ρσ 2=
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-85
[ 3 ] Uma unidade de bombeamento de grande porte do DMAE deverá fornecer 5400m3/h de água através de uma tubulação de
200cm de diâmetro. Determinar a vazão (em m3/h) que deve ser utilizada para estudar um modelo desta tubulação em laboratório
dispondo de uma tubulação de 50cm de diâmetro.
P
PP
M
MM
PM
DVDV
νν
=
= ReRe
Tratando-se do mesmo fluido νM=νP. PPMM DVDV =
M
PP
M D
DVV = smx
D
QV
P
P /4775,02
5,144
22 === pipi
sm
xVM /91,15,0
0,24775,0
==
4
2
M
M
DVQ pi=
)/1350(/375,0
4
5,0
91,1 33
2
hmsmQ == pi
[ 4 ] Num projeto hidrodinâmico de um pequeno submarino, é necessário determinar as forças resultantes de um protótipo de 2m de
diâmetro e 10m de comprimento o qual, quando submerso em água, deverá alcançar uma velocidade máxima de 10 m/s. Para
realizar o estudo prepara-se um modelo em escala de 1:20 do protótipo qual será testado num túnel hidráulico. Determine a
velocidade da água no túnel hidráulico para conseguir a semelhança dinâmica do modelo.
Solução: Por similaridade dinâmica o número de Reynolds do modelo e do protótipo deve ser igual:
Re Rem p
m p
ud ud
=
=
ρ
µ
ρ
µ
Desta forma a velocidade do modelo deverá ser
u u
d
dm p
p
m
p
m
m
p
=
ρ
ρ
µ
µ
Como ambos (modelo e protótipo) atuam em água então, �m = �p e �m = �p assim.
u u
d
d m sm p
p
m
= = =10
1
1 20
200
/
/
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-86
PPRROOBBLLEEMMAASS AADDIICCIIOONNAAIISS
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-87
1.16 PROBLEMAS ADICIONAIS
1. Problemas de Propriedades dos fluidos
[1.1] A densidade de um óleo é 0,8. Determine (a) massa específica, (b) volume específico (c) peso específico.
R: (a) 800 kg/m3; (b) 1,3.10-3 m3/kg; (c) 7848 N/m3.
[1.2] Uma placa plana infinita move-se a 0,3 m/s sobre outra igual e estacionária. Entre ambas há uma camada líquida de
espessura 3 mm. Admitindo que a distribuição das velocidades sejam linear, a viscosidade 0,65cP e a densidade 0,88, calcular:
a) A viscosidade em Pa.s. R = 6,5.10-4 Pa.s;
b) A viscosidade cinemática em St. R = 7,4 .10-3 St;
c) A tensão de cisalhamento na placa em Pa. R = 0,65 Pa.
[1.3] Sendo 1030 kg/m3 a massa específica da cerveja, qual sua densidade e o peso dela por garrafa? Sabe-se que o volume
ocupado é 600 ml. R: 1,030; 6,06 N.
[1.4] Num motor, um eixo de 112 mm de raio gira internamente a uma bucha engastada de 120 mm de raio interno. Qual é a
viscosidade do fluido lubrificante se é necessário um torque de 36 kgf.cm para manter uma velocidade angular de 180 rpm. Eixo e
bucha possuem ambos 430 mm de comprimento. R: 3,75.10-2 kgf.s/m2.
[1.5] De quanto é reduzido um volume de 1m3 de água, quando nele é aplicada uma pressão excedente de 1atm. =vE 2,2 GPa
R: 4,5.10-5 m3.
[1.6] Um líquido comprimido num cilindro tem volume de 1 litro a pressão de 1 MPa e um volume de 995 cm3 a 2 MN/m2. Determine
o módulo de elasticidade volumétrica do líquido. R: 2.105 Pa.
[1.7] Um gás com massa molecular 44 está a uma pressão de 0,9 MPa e a temperatura de 20 oC. Determinar a massa específica.
R: 16,26 kg/m3.
[1.8] Sabendo que a massa molecular do ar é 29 kg/kmol, qual o peso do ar por m3 a uma pressão de 1atm e 20 oC.
R: 11,8 N/m3.
[1.9] Em um tubo de 150 mm escoa ar sob uma pressão manométrica de 2 kgf/cm2 e uma temperatura de 27 oC. se a pressão
barométrica for 1 kgf/cm2, qual o peso específico do ar. R: 33,48 N/m3.
[1.10] Determinar o raio R e a massa de uma gota num conta-gotas de raio r (considerar a gota esférica).
R: R = 3
1
)
2
.3(
γ
σ r ; m =
g
r.2piσ
[1.11] Qual a pressão interna suportada por uma gota esférica de pequeno raio interno. R: r/2σ .
[1.12] Determinar a altura h de um determinado líquido, conforme a figura ao lado.
R:
r
h
.
cos.2
γ
ασ
= .
[1.13] Identificar o tipo de escoamento de um fluido que escoa numa tubulação de 3 cm de diâmetro a uma velocidade de 1m/s.
Sabe-se que a viscosidade é de 10-6 m2/s. R: Re = 30. 000 (turbulento).
[1.14] Calcular a velocidade máxima que um fluido pode escoar através de um duto de 30 cm de diâmetro quando ainda se
encontra em regime laminar. Sabe-se que a viscosidade do fluído é 2.10-3 Pa.s e a massa específica é de 800 kg/m3. R: 0,02 m/s
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-88
2. Problemas de Estática dos Fluidos
[2.1] Que profundidade de óleo de densidade 0,75 produzirá uma pressão de 2,8 kgf/cm2. Qual a profundidade em água para esta mesma pressão? R: 37,3 m; 28 mca.
[2.2] Um navio de carga tem uma seção reta longitudinal de área igual a 3000 m2 na linha d'água quando o calado é de 9 m. Supondo o peso específico da água igual a 10 kN/m3, qual a massa de carga que pode ser colocada no navio
antes que o calado atinja o valor de 9,2 m? Obs: Calado de um navio é a distância vertical entre a superfície da água e a parte
inferior do casco. R: 612644 kg.
[2.3] Determinar as pressões manométricas e absolutas em B e em C. Obs. Reservatório aberto para atmosfera.
R: 7,7 kPa; 27,67 kPa.
[2.4] Determine a pressão efetiva (relativa) e a absoluta no tanque da figura.
R: 1,57.105 Pa; 2,58.105 Pa.
[2.5] Qual a pressão manométrica e absoluta dentro de uma tubulação onde circula ar se o desnível do nível do mercúrio no manômetro de coluna é de 4 mm? Obs: Massa específica do mercúrio 13600 kg/m 3 e pressão atmosférica 1013,25 hPa. Desconsiderar o peso específico do ar. R: 533,6 Pa. R: 101858 Pa.
[2.6] Dado o desenho abaixo, calcular pA - pB.
R: 96.000 Pa.
[2.7] Determine PB – PA na figura.
R: -35.280Pa.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-89
3. Problemas de Conservação da Massa
[3.1] Uma estação de água deve recalcar 450 m3/h para abastecimento de uma cidade. Determine o diâmetro da canalização
para que a velocidade média seja 1,25 m/s. R: 36 cm.
[3.2] Em um tubo de 150 mm escoa ar com velocidade de 3 m/s sob uma pressão manométrica de 203 kPa e uma temperatura de 27 oC. A pressão atmosférica é 101,32 kPa. Determine o fluxo de massa. R: 0,181 kg/s.
[3.3] Determine a vazão da água (em litros/s) circulando através de um tubo de 32 mm de diâmetro, considerando a velocidade do fluido igual a 4 m/s? R: 3,21 litros/s.
[3.4] Qual a velocidade da água que escoa em um duto de 25 mm se a vazão é de 2 litros/s? R: 0,1 m/s
[3.5] Uma tubulação cilíndrica tem um trecho com uma seção de 300 mm de diâmetro e outro com 200 mm de diâmetro. A redução de seção é feita através de um elemento cônico colocado entre os dois trechos. Na parte maior da seção escoa ar com peso específico 9,8 N/m3 a uma vazão de 3,06 m3/s. Ao fluir para o trecho de menor seção o ar sofre uma redução de pressão e aumento de velocidade, provocando uma expansão no mesmo e reduzindo o peso específico
para 7,85 N/m3. Determine: a) A vazão volumétrica no trecho de menor seção. R: 3,82 m3/s. b) A velocidade do ar no trecho de menor seção. R: 43,31 m/s. c) A vazão mássica do ar no escoamento. R: 3,06 kg/s.
[3.6] Uma tubulação cilíndrica tem um trecho com uma seção de 300 mm de diâmetro e outro com 200 mm de diâmetro. A redução de seção é feita através de um elemento cônico colocado entre os dois trechos. Na tubulação escoa água líquida com massa específica de 1000 kg/m3 a uma vazão de 3,06 litros/s. Ao fluir para o trecho de menor seção a água sofre uma redução de pressão e
aumento de velocidade. Viscosidade 10-6m2/s. Determine: a) A vazão volumétrica no trecho de menor seção. R: 3,06 litros/s b) A velocidade do ar no trecho de menor seção. R: 0,097 m/sc) A vazão mássica do ar no escoamento. Re= 19490 (turbulento)
[3.7] Uma canalização lisa que conduz água a 15oC com diâmetro de 150 mm apresenta num determinado trecho uma seção contraída de 75mm de diâmetro onde a pressão interna é de uma
atmosfera (ao nível do mar). 3m acima do ponto (B) a pressão se eleva para 144.207Pa. Determinar a vazão e a velocidade nos pontos (A) e (B).
R: 3,1 m/s; 12,42 m/s; 55 litros
[3.8] Qual a velocidade da água através de um furo na lateral de um tanque, se o desnível entre o furo e a superfície livre é de 2 m?
[3.9] Um conduto que escoa água é constituído por 2 trechos, com diâmetros de 0,25m e 0,20m. A pressão no ponto (A) é de 1,5 atmosferas e que a velocidade no trecho de maior diâmetro é de 0,6 m/s, calcule a vazão no duto e a pressão no ponto (B. (Supor movimento sem atrito).
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-90
4. Problemas de Equação de Bernoulli e Equação da Energia
[4.1] Uma turbina gera 600 Hp quando o fluxo de água através dela é de 0,6 m3/s. Considerando um rendimento global de 87%, qual será a altura de carga que atua na turbina? R: 87,4 m.
[4.2] A bomba mostrada na figura recebe água, com vazão Q = 0,2 m³/s, através do duto com diâmetro de 20 cm e descarrega através do duto de descarga de diâmetro
15 cm que está instalado com uma elevação 0,5 m em relação a tubulação de sucção. O manômetro colocado no duto de sucção indica uma pressão p1 = -30 kPa, enquanto o manômetro instalado no tubo de descarga mede uma pressão p2 = 300.kPa. Considerando que não há trocas de calor e desprezando o atrito, determine a potência fornecida pela bomba. R: 73,8 kW
[4.3] A água escoa através de uma turbina, a razão de 0,21 m³/s. A pressões em A e
B são respectivamente 150 kPa e -35 kPa. Determinar a potência extraída pela turbina. R: 41,6 kW
[4.4] A figura mostra um esquema de escoamento de água, em regime permanente, com vazão Q = 0,5 m³/s, através de uma turbina. As pressões
estáticas nas seções (1) e (2) são, respectivamente, P1 = 180 kPa e P2 = -20 kPa. Desprezando a dissipação de energia mecânica por atrito viscoso e considerando que não há troca de calor, determine a potência fornecida pelo escoamento á turbina. R: 131,7 kW.
[4.5] O reservatório de grandes dimensões da figura descarrega água pelo tubo a uma vazão de 10 l/s. Considerando o
fluido ideal, determinar se a máquina instalada é bomba ou turbina e determinar sua potência se o rendimento for de 75%. A área da seção do tubo é 10 cm2.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-91
[4.6] A água flui numa tubulação, conforme figura. No ponto (1) da tubulação o diâmetro é de 175 mm, a velocidade é de 0,6 m/s e a pressão é igual a 345 kPa. No ponto (2) o diâmetro se reduz a 43 mm e a pressão é de 300 kPa. Calcule a perda de carga entre os pontos sabendo que o desnível entre eles
é de 5 m. R: 4,5 m
[4.7] A figura mostra um sistema no qual a bomba retira água, através de um duto com diâmetro D=10 cm, de um reservatório de grandes dimensões com a superfície livre mantida em nível constante. A água é descarregada, com vazão constante Q = 0,02 m³/s, a uma altura 38 m acima da bomba, através de um duto de diâmetro interno d = 8 cm,
num reservatório aberto para atmosfera. A perda de carga entra as seções (1) e (2) é igual a ph = 2m. Determine a
potência que a bomba fornece ao escoamento. R: 7,4 kW.
[4.8] Na instalação da figura uma bomba opera com água. A bomba tem potência de 3600 W e seu rendimento é de 80%. A água é descarregada na atmosfera a uma velocidade de 5 m/s pelo tubo, cuja área da seção é 10 cm2. Determinar a perda de carga entre as seções (1) e (2). R: 62,4 m.
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-92
5. Problemas de Escoamentos Viscosos Internos
[5.1] Um fluido escoa por um tubo de 10 mm de diâmetro com um Reynolds de 1800. A perda de carga é de 30 m em 100 m de tubulação. Calcular a vazão em litros/min. R: 6,06 litros/min.
[5.2] Seja 100 m de tubo liso horizontal de PVC de 32 mm de diâmetro por onde escoa água a uma velocidade de 2 m/s. Determinar (a) a perda de carga (energia): R: 12,65 m. (b) a variação de pressão R: 124.172 Pa.
[5.3] Um óleo lubrificante médio de densidade 0,86 é bombeado através de 500 m de um tubo horizontal de 50 mm de diâmetro a razão de 0,00125 m3/s. Se a queda de pressão é 2,1 kgf/cm2, qual a viscosidade do óleo?
R: 0,051 Pa.s.
[5.4] Calcular a perda de carga para o escoamento de 140 litros/s de um óleo de viscosidade cinemática 10-5 m2/s num tubo horizontal de ferro fundido de 40 m de comprimento e 200 mm de diâmetro. R: 4,66 m
[5.5] A água circula a 15 oC num tubo de aço rebitado de 300 mm de diâmetro e ε = 3 mm com ma perda de carga de 6 m.c.a num comprimento de 300 m de comprimento. Calcular a vazão. R: 0,12 m3/s.
[5.6] Determinar o diâmetro do tubo de aço estruturado necessário para transportar 252 litros/s de óleo,
smv /10 25−= a distância de 3.048 m com uma perda de carga de 22,86 m. R: 424 mm.
[5.7] Seja um escoamento de um fluido através de uma válvula globo totalmente aberta conectada em uma tubulação de ferro galvanizado de 2,5 cm de diâmetro. Sabe-se que a velocidade do escoamento é 3,0 m/s provocando um Reynolds de 1000. Determine em relação a válvula: (a) O comprimento equivalente; R: 3,9 m (b) A perda de carga provocada. R: 4,6 m
[5.8] Calcular a vazão pela tubulação de ferro fundido, de 150 mm de diâmetro, da figura. Viscosidade cinemática = 10-
6m2/s. R: 46 litros/s.
[5.9] Seja uma tubulação cilíndrica de 4 cm2 de seção transversal por onde circula um escoamento de água a 15 oC e velocidade de 2 m/s. A seção sofre uma redução brusca para a metade da área. Supondo uma tubulação lisa, determine em relação ao escoamento:
a) A perda de carga provocada pela contração em altura de coluna de mercúrio. R: 0,045 mH2O.
b) A variação de pressão provocada pela redução. R: 441,5 Pa. c) A perda de carga correspondente em altura de coluna de mercúrio. R: 3,3 mmHg.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-93
[5.10] No sistema de bombeamento a vazão (água temperatura 20 oC) é de 10 m3 /h
Determinar:
a) A perda de carga na sucção; R: 4,15 m.
b) A perda de carga no recalque; R: 4,488 m
c) Perdas de carga total; R: 9,03 m
d) A energia adicionada pela bomba; 25,82 m
e) A potência hidráulica da bomba; R: 709 W
f) A potência de acionamento da bomba
considerando um rendimento de 85%. R:
834 W.
[5.11] Seja o sistema abaixo com tubulação lisa
Determinar: a) A vazão volumétrica; R: 0,002 m3/s b) A velocidade do escoamento; R: 1,02 m/s c) O número de Reynolds; R: 51000
d) Total de perdas localizadas; R: 0,98 m e) Total de perdas nas tubulações; R: 0,94 m f) O total de perdas de carga; R: 1,92 m g) A energia adicionada pela bomba; R: 17,97 m h) A potência hidráulica; R: 352,6 W i) A potência de acionamento da bomba considerando um rendimento de 80%. R: 441 W
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-94
LISTA DE EXERCICIOS – 2010
[ 1 ] Óleo SAE 30W a 200C escoa por um tubo horizontal de 12cm de diâmetro. Na seção (1), a pressão é de 186 kPa. Na seção (2), que esta a 6 m a jusante, a pressão é de 171 KPa. Se o escoamento é laminar determine: (a) o fluxo de
massa (Kg/s) e (b) o número de Reynolds. (ρ=981 kg/m3 µ=0,29 kg / m s ). Ra: 43,16 kg/s; 1580
[2] Dois reservatórios de água A e B estão conectados entre si por um tubo de ferro fundido com rugosidade de 0,26mm. O tubo possui um comprimento de 40m e 20mm de diâmetro. Considere a perda de carga pela entrada com canto vivo do fluido no tubo e a perda de carga pela saída do fluido no tubo. O tubo possui uma válvula de retenção e uma válvula de gaveta aberta. O nível da água de ambos os reservatórios é igual. O reservatório A é fechado e
pressurizado com ar comprimido, sendo o reservatório B aberto a atmosfera a pressão igual a 88 kPa. Se a vazão inicial através do tubo for 1,2 Litros/s determine a pressão absoluta do ar na parte superior do reservatório A. Temperatura da água 100C. R: 741,7 kPa
[3] Um tubo horizontal no qual escoa água tem uma expansão brusca de D1=80mm para D2=160mm. Na seção menor a velocidade é igual a 10m/s sendo o escoamento turbulento. A pressão na seção menor é de P1=300kPa. (a) Tomando o fator de correção da energia cinética igual a 1,06 na entrada e na saída determine a pressão à jusante P2. (b) Estime o erro em Pa que teria ocorrido se a equação de Bernoulli tivesse sido usada.
R: (a) P2=320 kPa. (b) 30 kPa.
[4] Óleo escoa por um tubo horizontal de 15mm de diâmetro que descarrega na atmosfera com pressão de 88 kPa. A
pressão absoluta a 15m antes da saída é 135 kPa. Determine a vazão do óleo através do tubo. Propriedades: ρ=876 kg/m3 µ=0,24 kg/m s. R: 1,63x10-5 m3/s
[5] No escoamento laminar completamente desenvolvido em tubo circular, a velocidade em R/2 (a meio caminho entre a superfície da parede e o eixo central) é medida como 6,0m/s. Determine a velocidade no centro do tubo. Faça um desenho esquemático do problema com a respectiva solução. Resposta: 8m/s
[6] Considere um escoamento laminar completamente desenvolvido num tubo circular. Se o diâmetro do tubo for reduzido pela metade enquanto a vazão e o comprimento do tubo forem mantidos constantes, a perda de carga: (a) Dobrará (b) Triplicará (c) Quadruplicará (d) Aumentara por um fator de 8 (e) Aumentara por um fator de 16
R: Aumentara por um fator de 16
[7] Um tubo liso horizontal de 4cm de diâmetro transporta 0,004 m3/s de água a 200C. Usando um perfil exponencial determine. (a) Fator de atrito (b) Velocidade máxima (c ) Posição radial em que u(r) =Umedia (d) Tensão de cisalhamento na parede (e) Queda de pressão considerando um comprimento de 10m
R: (a) 0,0173; (b) 3,74m/s (c) 15,2mm (d) 22 N/m2 (e) 22kPa.
Anexo C: Problemas Resolvidos e Propostos
Jorge A. Villar Alé C-95
[8] A água escoa de um reservatório grande para um menor através de uma tubulação enferrujada de 50mm
de diâmetro, 17m de comprimento e com rugosidade igual a 0,5 mm. Determine a elevação Z1 para uma vazão de 6 litros/s. Água: ρ=1000 kg/m3; µ= 1,15.10-3 Pa.s. Resposta: 11,4m
[9] Um sistema de bombeamento água opera com vazão de 20 m³/h. Na tubulação de 50m
de comprimento e 60 mm de diâmetro a
velocidade do fluido é igual a 1,96 m/s. Na
instalação Z1=5 m e Z2=25 m. A soma dos coeficientes de perda de carga de todos os
acessórios é igual a 13,55.
A tubulação é de ferro galvanizado com rugosidade igual a 0,1 mm.
(a) Altura adicionada pela bomba
(b) Potência de acionamento considerando um rendimento de 65%.
Fluido: ρ=1000 kg/m3 ν=1,15x10-6m²/s.
R: (a) 26,83m (b) 2,25 kW
[ 10 ] Na figura mostra-se um sistema que utiliza uma turbina hidráulica. A tubulação é de ferro fundido com rugosidade
ε=0,15mm. O Comprimento da tubulação é igual a 125m e o diâmetro igual a 60mm. Na tubulação existe um registro de globo aberto com coeficiente de perda de carga k=10. O sistema opera com uma vazão de 0,004 m3/s. Determine: (a) Fator de atrito e perda de carga na tubulação (b) Potencia da turbina considerando uma eficiência de 100%. Considere água com: ρ = 998 kg/m3 ν=1,02x10-6 m2/s. R: (a) 0,027 (b) 1,3 kW
[11] Ar a pressão de 1Atm, e 30oC entra com velocidade de 7,0m/s num duto de 7m de comprimento com seção
retangular de 15cmx20cm. Desprezando os efeitos de entrada determine a perda de carga da tubulação e a potencia necessária para superar a perda de pressão nessa seção. Utilize aço com rugosidade igual a 0,045mm.
R: 5 W
Mecânica dos Fluidos
PUCRS C-96
[ 12 ] O sistema bomba-turbina da figura retira água do reservatório superior durante o dia para gerar energia para uma cidade. De noite, o sistema bombeia água do reservatorio inferior para o superior para restaurar a situação. Para uma vazão de projeto de 56,8 m3/min em ambas as direções, a perda de carga por atrito é de 5,2m. Determine a potência em kW (a) extraída pela turbina (b) adicionda pela bomba. Para os dois casos apresente a equação geral do problema e
aplique as simplificações (hipótese) do escoamento. Na figura Z1=45,7m e Z2=7,6m.
[ 13 ] Um piezômetro e um tubo de Pitot são colocados em um tubo
de água horizontal, como mostra a figura para medir a pressão estática e de estagnação (estática + dinâmica). Para as alturas de coluna d’água indicadas, determine (a) A pressão de estagnação
(b) a velocidade no centro do tubo. Na figura h1=30mm; h2=70mm e h3=120mm.
[ 14 ] Água escoa com uma vazão de 6 litros/s por uma tubulação horizontal com 50mm de diâmetro e 89m de comprimento. Considere tubulação de ferro fundido com rugosidade de 0,25mm. Determinar:
( a ) Número de Reynolds identificando o regime do escoamento ( b ) Fator de atrito e perda de carga da tubulação ( c ) Variação de pressão da tubulação ( d ) Tensão de cisalhamento na parede da tubulação. Obs: Fluido água a 100C: Viscosidade dinâmica: 1,307x10-3 Pa.s Massa especifica 999,7 kg/m3.
[15] Numa de 20mm de diâmetro escoa água a 200C com velocidade media igual 2,0 m/s. A tubulação apresenta 20m de comprimento e rugosidade igual a 0,02mm. Determine a velocidade e tensão de cisalhamento em (a) r=0 (b) r=4,0mm (c ) r=10mm Água: Massa especifica ρ =1000 kg/m3 Viscosidade dinâmica µ = 1,02x10-3 Pa.s
R: (a) 2,48m/s; 0 N/m2 (b) 2,29 m/s; 5 N/m2 (b) 0 m/s; 12,5 N/m2
[16] Para medir a velocidade do ar numa tubulação de ventilação industrial pode-se utilizar um tubo de Pitot introduzido a partir da parede da tubulação. Considerando os escoamentos laminar e turbulento e utilizando as expressões do perfil de velocidade para
cada um dos regimes identifique (para cada caso) qual a distância y a partir da parede da tubulação que deve ser introduzido o tubo de Pitot para que a sua medida represente a velocidade média da tubulação.
Laminar
−=
2
max 1)( R
rUru
Turbulento (n=7)
n
R
rUru
/1
max 1)(
−=
R: Laminar: y=0,293R Turbulento: y=0,242RMais conteúdos dessa disciplina
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