Fundamentos do Escoamento de Fluidos: Conceitos Essenciais

Fundamentos do Escoamento de Fluidos

O escoamento dos fluidos é complexo e nem sempre sujeito à análise matemática exata. Diferentemente dos sólidos, os elementos de um fluido em escoamento movem-se a velocidades diferentes e podem estar sujeitos a acelerações distintas. Dois conceitos significativos para o escoamento dos fluidos serão abordados:

1. O princípio da conservação da massa, do qual é desenvolvida a equação da continuidade;
2. A Equação de Bernoulli, que representa a energia disponível em um escoamento, discutindo as energias envolvidas.

Fluidos Reais e Ideais

Todos os fluidos conhecidos possuem viscosidade. Todos os fluidos reais são viscosos. Em certas situações, a viscosidade do fluido pode ser negligenciada. O escoamento dos fluidos reais é função da pressão de trabalho, da viscosidade e da velocidade de circulação. Um fluido ideal é um fluido imaginário cuja viscosidade é nula.

Linhas de Corrente

A Linha de Trajetória é o lugar geométrico dos pontos ocupados por uma partícula em instantes sucessivos. É a linha traçada por uma dada partícula ao longo de seu deslocamento.

Tubo de Corrente

No interior de um fluido em escoamento, existem infinitas linhas de corrente, definidas por suas partículas fluidas. Se considerarmos uma curva fechada, que não seja linha de corrente, no interior desse fluido, a superfície constituída pelas linhas de corrente por ela interceptadas definirá o denominado tubo de corrente, ou veia líquida.

Regimes de Escoamento: Permanente e Não-Permanente

Um escoamento se processa em regime permanente (ou estacionário) quando, ao observarmos, ao longo do tempo, um volume de controle previamente escolhido, as propriedades médias das partículas fluidas contidas nesse volume permanecem constantes. No regime permanente, a aceleração local é nula, e as linhas de corrente e as trajetórias coincidem.

Escoamentos Tridimensionais

Todos os escoamentos que ocorrem na natureza são tridimensionais. As grandezas que nele interferem, em cada seção transversal de um filamento ou tubo de corrente, variam em três dimensões.

Escoamentos Bidimensionais

Se as grandezas do escoamento variarem em duas dimensões, isto é, se o escoamento puder definir-se, completamente, por linhas de corrente contidas em um plano, o escoamento será bidimensional. É o caso de um vertedor de uma barragem.

Escoamentos Unidimensionais

O escoamento é dito unidimensional quando uma única coordenada é suficiente para descrever as propriedades do fluido. Para que isso aconteça, é necessário que as propriedades sejam constantes em cada seção.

Escoamentos Viscosos e Não-Viscosos

Um escoamento não-viscoso é aquele no qual os efeitos da viscosidade não influenciam significativamente o escoamento e são, portanto, desprezados. Pode ser também chamado de escoamento de fluido ideal ou perfeito. Um escoamento viscoso é aquele no qual os efeitos da viscosidade são importantes e não podem ser desprezados. Pode ser chamado também de escoamento de fluido real.

Escoamento Laminar

Uma das consequências da existência da viscosidade em um fluido é a variação da velocidade de escoamento das camadas de fluidos. Assim, as velocidades em dois pontos distintos da mesma seção transversal são diferentes. Um perfil dessas velocidades pode ser obtido colocando-se um corante em um líquido em escoamento. O fluido que está em contato com a parede da tubulação está em repouso, e sua velocidade aumenta com a aproximação ao eixo, onde atinge o valor máximo. A diminuição da velocidade é produzida pela força de atrito tangencial entre duas camadas adjacentes do fluido que, por sua vez, é função do seu coeficiente de viscosidade. Quando a velocidade de fluxo através de uma seção é máxima no centro e decresce segundo uma parábola até zero na camada adjacente à parede do tubo, o escoamento se diz laminar. Ocorre quando as partículas de um fluido movem-se ao longo de trajetórias bem definidas, apresentando lâminas ou camadas (daí o nome laminar), cada uma delas preservando sua característica no meio. No escoamento laminar, a viscosidade age no fluido no sentido de amortecer a tendência de surgimento da turbulência. Este escoamento ocorre geralmente a baixas velocidades e em fluidos que apresentem grande viscosidade.

Escoamento Turbulento

Em geral, um fluido escoa laminarmente quando sua velocidade não é muito grande e o tubo é liso, sem protuberâncias. Entretanto, se a velocidade de fluxo atingir valores acima de certo limite (que depende de diversos fatores, como a natureza do fluido e sua temperatura), o fluido pode escoar de maneira irregular com formação de redemoinhos, resultado da mistura entre camadas adjacentes de fluido. A esse tipo de escoamento dá-se o nome de turbulento.

Ocorre quando as partículas de um fluido não se movem ao longo de trajetórias bem definidas, ou seja, as partículas descrevem trajetórias irregulares, com movimento aleatório, produzindo uma transferência de quantidade de movimento entre regiões de massa líquida. Este escoamento é comum na água, cuja viscosidade é relativamente baixa.