Introdução à Mecânica dos Fluídos Fox McDonald Pritchard 8ª Edição

Introdução à Mecânica dos Fluídos Fox McDonald Pritchard 8ª Edição

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Sumário

CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1 Nota aos Estudantes 1.2 Escopo da Mecânica dos Fluidos 1.3 Definição de um Fluido 1.4 Equações Básicas 1.5 Métodos de Análise

Sistema e Volume de Controle Formulação Diferencial versus Formulação Integral Métodos de Descrição 1.6 Dimensões e Unidades

Sistemas de Dimensões Sistemas de Unidades Sistemas de Unidades Preferenciais Consistência Dimensional e Equações de “Engenharia” 1.7 Análise de Erro Experimental 1.8 Resumo Problemas

CAPÍTULO 2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 2.1 Fluido como um Contínuo 2.2 Campo de Velocidade

Escoamentos Uni, Bi e Tridimensionais Linhas de Tempo, Trajetórias, Linhas de Emissão e Linhas de Corrente 2.3 Campo de Tensão 2.4 Viscosidade

Fluido Newtoniano Fluidos Não Newtonianos 2.5 Tensão Superficial 2.6 Descrição e Classificação dos Movimentos de Fluido

Escoamentos Viscosos e Não Viscosos Escoamentos Laminar e Turbulento Escoamentos Compressível e Incompressível Escoamentos Interno e Externo 2.7 Resumo e Equações Úteis

Referências Problemas

CAPÍTULO 3 ESTÁTICA DOS FLUIDOS

3.1 A Equação Básica da Estática dos Fluidos 3.2 A Atmosfera Padrão 3.3 Variação de Pressão em um Fluido Estático

Líquidos Incompressíveis: Manômetros Gases 3.4 Sistemas Hidráulicos 3.5 Forças Hidrostáticas sobre Superfícies Submersas

Força Hidrostática sobre uma Superfície Plana Submersa Força Hidrostática sobre uma Superfície Curva Submersa 3.6 Empuxo e Estabilidade 3.7 Fluidos em Movimento de Corpo Rígido (no Site da LTC Editora) 3.8 Resumo e Equações Úteis

Referências Problemas

CAPÍTULO 4 EQUAÇÕES BÁSICAS NA FORMA INTEGRAL PARA UM VOLUME DE CONTROLE 4.1 Leis Básicas para um Sistema

Conservação de Massa Segunda Lei de Newton O Princípio da Quantidade de Movimento Angular A Primeira Lei da Termodinâmica A Segunda Lei da Termodinâmica 4.2 Relação entre as Derivadas do Sistema e a Formulação para Volume de Controle

Derivação Interpretação Física 4.3 Conservação de Massa

Casos Especiais 4.4 Equação da Quantidade de Movimento para um Volume de Controle Inercial

Análise de Volume de Controle Diferencial Volume de Controle Movendo com Velocidade Constante 4.5 Equação da Quantidade de Movimento para um Volume de Controle com Aceleração Retilínea 4.6 Equação da Quantidade de Movimento para Volume de Controle com Aceleração Arbitrária (no

Site da LTC Editora) 4.7 O Princípio da Quantidade de Movimento Angular

Equação para Volume de Controle Fixo Equação para um Volume de Controle Rotativo (no Site da LTC Editora) 4.8 A Primeira Lei da Termodinâmica

Taxa de Trabalho Realizado por um Volume de Controle Equação do Volume de Controle 4.9 A Segunda Lei da Termodinâmica 4.10 Resumo e Equações Úteis Problemas

CAPÍTULO 5 INTRODUÇÃO À ANÁLISE DIFERENCIAL DOS MOVIMENTOS DOS FLUIDOS 5.1 Conservação da Massa

Sistema de Coordenadas Retangulares Sistema de Coordenadas Cilíndricas 5.2 Função de Corrente para Escoamento Incompressível Bidimensional 5.3 Movimento de uma Partícula Fluida (Cinemática)

Translação de um Fluido: Aceleração de uma Partícula Fluida em um Campo de Velocidade Rotação de Fluido Deformação de Fluido 5.4 Equação da Quantidade de Movimento

Forças Atuando sobre uma Partícula Fluida Equação Diferencial da Quantidade de Movimento Fluidos Newtonianos: As Equações de Navier Stokes 5.5 Introdução à Dinâmica de Fluidos Computacional

Por que a DFC É Necessária Aplicações de DFC Alguns Métodos Numéricos/DFC Básicos Usando uma Planilha A Estratégia de DFC Discretização Usando o Método das Diferenças Finitas

Montagem do Sistema Discreto e Aplicação de Condições de Contorno Solução do Sistema Discreto Malha de Convergência Lidando com a Não Linearidade Solucionadores Diretos e Iterativos Convergência Iterativa Considerações Finais 5.6 Resumo e Equações Úteis

Referências Problemas

CAPÍTULO 6 ESCOAMENTO INCOMPRESSÍVEL DE FLUIDOS NÃO VISCOSOS 6.1 Equação da Quantidade de Movimento para Escoamento sem Atrito: a Equação de Euler 6.2 As Equações de Euler em Coordenadas de Linhas de Corrente 6.3 A Equação de Bernoulli – Integração da Equação de Euler ao Longo de uma Linha de Corrente para Escoamento Permanente Dedução Usando Coordenadas de Linha de Corrente Dedução Usando Coordenadas Retangulares Pressões Estática, de Estagnação e Dinâmica Aplicações Precauções no Emprego da Equação de Bernoulli 6.4 A Equação de Bernoulli Interpretada como uma Equação de Energia 6.5 Linha de Energia e Linha Piezométrica 6.6 Equação de Bernoulli para Escoamento Transiente – Integração da Equação de Euler ao Longo de uma Linha de Corrente (no Site da LTC Editora) 6.7 Escoamento Irrotacional

A Equação de Bernoulli Aplicada a um Escoamento Irrotacional Potencial de Velocidade Função de Corrente e Potencial de Velocidade para Escoamento Bidimensional, Irrotacional e Incompressível: Equação de Laplace Escoamentos Planos Elementares Superposição de Escoamentos Planos Elementares 6.8 Resumo e Equações Úteis

Referências Problemas

CAPÍTULO 7 ANÁLISE DIMENSIONAL E SEMELHANÇA 7.1 As Equações Diferenciais Básicas Adimensionais 7.2 A Natureza da Análise Dimensional 7.3 O Teorema Pi de Buckingham 7.4 Determinação dos Grupos Π 7.5 Grupos Adimensionais Importantes na Mecânica dos Fluidos 7.6 Semelhança de Escoamentos e Estudos de Modelos

Semelhança Incompleta Transporte por Escala com Múltiplos Parâmetros Dependentes Comentários sobre Testes com Modelos 7.7 Resumo e Equações Úteis

Referências Problemas

CAPÍTULO 8 ESCOAMENTO INTERNO VISCOSO E INCOMPRESSÍVEL 8.1 Introdução

Escoamento Laminar versus Turbulento A Região de Entrada PARTE A ESCOAMENTO LAMINAR COMPLETAMENTE DESENVOLVIDO 8.2 Escoamento Laminar Completamente Desenvolvido entre Placas Paralelas Infinitas

Ambas as Placas Estacionárias Placa Superior Movendo se com Velocidade Constante, U 8.3 Escoamento Laminar Completamente Desenvolvido em um Tubo PARTE B ESCOAMENTO EM TUBOS E DUTOS 8.4 Distribuição de Tensão de Cisalhamento no Escoamento Completamente Desenvolvido em Tubos

8.5 Perfis de Velocidade em Escoamentos Turbulentos Completamente Desenvolvidos em Tubos 8.6 Considerações de Energia no Escoamento em Tubos

Coeficiente de Energia Cinética Perda de Carga 8.7 Cálculo da Perda de Carga

Perdas Maiores: Fator de Atrito Perdas Menores Bombas, Ventiladores e Sopradores em Sistemas de Fluidos Dutos Não Circulares 8.8 Solução de Problemas de Escoamento em Tubo

Sistemas de Trajeto Único Sistemas de Trajetos Múltiplos PARTE C MEDIÇÃO DE VAZÃO 8.9 Métodos Diretos 8.10 Medidores de Vazão de Restrição para Escoamentos Internos

A Placa de Orifício O Bocal Medidor O Venturi Elemento de Escoamento Laminar 8.11 Medidores de Vazão Lineares 8.12 Métodos Transversos

Referências Problemas

CAPÍTULO 9 ESCOAMENTO VISCOSO, INCOMPRESSÍVEL, EXTERNO PARTE A CAMADAS LIMITE 9.1 O Conceito de Camada Limite 9.2 Espessuras de Camada Limite 9.3 Camada Limite Laminar sobre uma Placa Plana: Solução Exata (no Site da LTC Editora) 9.4 Equação Integral da Quantidade de Movimento 9.5 Uso da Equação Integral da Quantidade de Movimento para Escoamento com Gradiente de

Pressão Zero Escoamento Laminar Escoamento Turbulento Resumo dos Resultados para Escoamento em Camada Limite com Gradiente de Pressão Zero 9.6 Gradientes de Pressão no Escoamento da Camada Limite PARTE B ESCOAMENTO FLUIDO EM TORNO DE CORPOS SUBMERSOS 9.7 Arrasto

Arrasto de Atrito Puro: Escoamento sobre uma Placa Plana Paralela ao Escoamento Arrasto de Pressão Puro: Escoamento sobre uma Placa Plana Normal ao Escoamento Arrastos de Pressão e de Atrito: Escoamento sobre uma Esfera e um Cilindro Carenagem 9.8 Sustentação 9.9 Resumo e Equações Úteis

Referências Problemas

CAPÍTULO 10 MÁQUINAS DE FLUXO 10.1 Introdução e Classificação de Máquinas de Fluxo

Máquinas para Realizar Trabalho sobre um Fluido Máquinas para Extrair Trabalho (Potência) de um Fluido Abrangência 10.2 Análise de Turbomáquinas

O Princípio da Quantidade de Movimento Angular: A Equação de Euler para Turbomáquinas Diagramas de Velocidade Eficiência – Potência Hidráulica Análise Dimensional e Velocidade Específica 10.3 Bombas, Ventiladores e Sopradores

Aplicação da Equação de Euler para Tubomáquina para Bombas Centrífugas Aplicação da Equação de Euler para Bombas e Ventiladores Axiais Características de Desempenho Regras de Semelhança

Cavitação e Altura de Carga de Sucção Positiva Líquida Seleção de Bomba: Aplicação para Sistemas Fluidos Sopradores e Ventiladores 10.4 Bombas de Deslocamento Positivo 10.5 Turbinas Hidráulicas

Teoria de Turbina Hidráulica Características de Desempenho para Turbinas Hidráulicas Dimensionamento de Turbinas Hidráulicas para Sistemas Fluidos 10.6 Hélices e Máquinas Eólicas

Hélices Máquinas Eólicas 10.7 Turbomáquinas de Escoamento Compressível

Aplicação da Equação da Energia para uma Máquina de Escoamento Compressível Compressores Turbinas de Escoamento Compressível 10.8 Resumo e Equações Úteis

Referências Problemas

CAPÍTULO 11 ESCOAMENTO EM CANAIS ABERTOS 1.1 Conceitos Básicos e Definições

Considerações para Simplificação Geometria do Canal Velocidade de Ondas Superficiais e o Número de Froude 1.2 Equação de Energia para Escoamentos em Canal Aberto

Energia Específica Profundidade Crítica: Energia Específica Mínima 1.3 Efeito Localizado de Mudança de Área (Escoamento sem Atrito)

Escoamento sobre um Ressalto 1.4 O Ressalto Hidráulico

Aumento de Profundidade Através de um Ressalto Hidráulico Perda de Carga Através de um Ressalto Hidráulico 1.5 Escoamento Uniforme em Regime Permanente

A Equação de Manning para Escoamento Uniforme Equação de Energia para Escoamento Uniforme Seção Transversal do Canal Ótima 1.6 Escoamento com Profundidade Variando Gradualmente

Cálculo de Perfis de Superfície 1.7 Medição de Descarga Usando Vertedouros

Vertedouro Retangular Suprimido Vertedouros Retangulares Contraídos Vertedouro Triangular Vertedor de Soleira Espessa 1.8 Resumo e Equações Úteis

Referências Problemas

CAPÍTULO 12 INTRODUÇÃO AO ESCOAMENTO COMPRESSÍVEL 12.1 Revisão de Termodinâmica 12.2 Propagação de Ondas de Som

Velocidade do Som Tipos de Escoamento – O Cone de Mach 12.3 Estado de Referência: Propriedades de Estagnação Isentrópica Local

Propriedades Locais de Estagnação Isentrópica para o Escoamento de um Gás Ideal 12.4 Condições Críticas 12.5 Resumo e Equações Úteis

Referências Problemas

CAPÍTULO 13 ESCOAMENTO COMPRESSÍVEL 13.1 Equações Básicas para Escoamento Compressível Unidimensional 13.2 Escoamento Isentrópico de um Gás Ideal: Variação de Área

Escoamento Subsônico, M < 1 Escoamento Supersônico, M > 1 Escoamento Sônico, M = 1 Condições Críticas e de Estagnação de Referência para Escoamento Isentrópico de um Gás Ideal Escoamento Isentrópico em um Bocal Convergente Escoamento Isentrópico em um Bocal Convergente Divergente 13.3 Choques Normais

Equações Básicas para um Choque Normal Interpretação de Fanno e Rayleigh do Choque Normal Funções de Escoamento de Choque Normal para Escoamento Unidimensional de um Gás Ideal 13.4 Escoamento Supersônico em Canais, com Choque

Escoamento em um Bocal Convergente Divergente Difusor Supersônico (no site da LTC Editora) Operação de Túnel de Vento Supersônico (no site da LTC Editora) Escoamento Supersônico com Atrito em um Canal de Área Constante (no site da LTC Editora) Escoamento Supersônico com Adição de Calor em um Canal de Área Constante (no site da LTC Editora) 13.5 Escoamento em um Duto de Área Constante, com Atrito

Equações Básicas para o Escoamento Adiabático Escoamento Adiabático: a Linha de Fanno Funções de Escoamento de Linha de Fanno para o Escoamento Unidimensional de um Gás Ideal Escoamento Isotérmico (no site da LTC Editora) 13.6 Escoamento sem Atrito em um Duto de Área Constante, com Transferência de Calor

Equações Básicas para Escoamento com Transferência de Calor A Linha de Rayleigh Funções de Escoamento de Linha de Rayleigh para Escoamento Unidimensional de um Gás Ideal 13.7 Choques Oblíquos e Ondas de Expansão

Choques Oblíquos Ondas de Expansão Isentrópicas 13.8 Resumo e Equações Úteis

Referências Problemas

Respostas de Problemas Selecionados Índice

Prefácio

Introdução

Este texto foi escrito para um curso de introdução em mecânica dos fluidos. A nossa abordagem do assunto, assim como nas edições anteriores, enfatiza os conceitos físicos da mecânica dos fluidos e os métodos de análise que se iniciam a partir dos princípios básicos. O objetivo principal deste livro é auxiliar os usuários a desenvolver uma metodologia ordenada para a solução de problemas. Para isto, partimos sempre das equações básicas, estabelecemos com clareza as considerações ou hipóteses adotadas, e tentamos relacionar os resultados matemáticos com o comportamento físico correspondente. Mantivemos a ênfase no uso de volumes de controle como suporte de uma metodologia prática para resolver problemas, bem como incluímos uma abordagem teórica.

Metodologia de Solução de Problemas

A metodologia de solução Fox McDonald Pritchard usada neste texto é ilustrada em numerosos Exemplos em cada capítulo. As soluções para os Exemplos foram preparadas de modo a ilustrar a boa técnica de solução e a explicar pontos difíceis da teoria. Os Exemplos aparecem em formato destacado na sequência do texto e, por isso, são de fácil identificação e acompanhamento. As informações adicionais importantes sobre o texto e os nossos procedimentos são apresentados na “Nota aos Estudantes” existente na Seção 1.1 do livro texto. Aconselhamos que você analise essa seção com bastante atenção e que incorpore os procedimentos sugeridos à sua metodologia de solução de problemas e de representação de resultados.

Objetivos e Vantagens de Utilizar Este Texto

As explicações completas apresentadas no texto, juntamente com os numerosos Exemplos detalhados, tornam este livro bem compreensível para estudantes. Isso permite ao professor deixar de lado os métodos tradicionais de ensino que se baseiam em aulas expositivas. O tempo em sala de aula pode ser utilizado, então, para apresentar material complementar, aprofundar tópicos especiais (tais como escoamento não newtoniano, escoamento de camada limite, sustentação e arrasto, ou métodos experimentais), resolver exemplos de problemas, ou explicar pontos difíceis dos problemas extraclasse propostos. Além disso, os 51 Exemplos com planilhas do Excel são úteis para apresentar uma variedade de fenômenos da mecânica dos fluidos, especialmente os efeitos produzidos quando os parâmetros de entrada variam. Desse modo, cada período de aula pode ser utilizado da maneira mais apropriada para atender às necessidades dos estudantes.

Quando os estudantes terminarem o curso de mecânica dos fluidos, esperamos que estejam aptos a aplicar as equações básicas em uma variedade de problemas, incluindo aqueles com os quais eles não tenham tido contato previamente. Enfatizamos em particular os conceitos físicos em todo o texto para ajudar os estudantes a modelar a variedade de fenômenos que ocorrem nas situações reais de escoamento fluido. Embora nesta edição incluamos, por conveniência, um resumo das equações úteis no final da maioria dos capítulos, salientamos que nossa filosofia é minimizar o uso de “fórmulas mágicas” e enfatizar a abordagem sistemática e fundamental para resolver o problema. Seguindo esse formato, acreditamos que os estudantes adquiram segurança em suas habilidades para aplicar o conteúdo e para descobrir que podem pensar em soluções para problemas um tanto desafiadores.

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