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Júpiter - Sistema de Gestão Acadêmica da Pró-Reitoria de Graduação


Escola Politécnica
 
Engenharia Mecânica
 
Disciplina: PME3330 - Mecânica dos Fluidos II
Fluid Mechanics II

Créditos Aula: 4
Créditos Trabalho: 0
Carga Horária Total: 60 h
Tipo: Semestral
Ativação: 01/01/2016 Desativação:

Objetivos
- Estabelecer a relação entre as disciplinas básicas – Cálculo e Física – e o desempenho e projeto de sistemas em Engenharia (aeronaves e veleiros, por exemplo).
- Introduzir conceitos básicos de Mecânica dos Fluidos com relevância na solução de problemas reais.
 
- Establish the link between what is taught in basic subjects, such as Calculus and Physics, and the efficiency and design of engineering systems (e.g. Airplanes and Sailing Boats).
- Introduce the basic concepts of Fluid Dynamics with relevance to the solution of real engineering problems.
 
 
Docente(s) Responsável(eis)
920257 - Fábio Saltara
3563564 - Jorge Luis Baliño
93439 - Julio Romano Meneghini
 
Programa Resumido
Revisão de Cinemática da Partícula Fluida. Dinâmica da Partícula Fluida. Equações de Navier-Stokes. Camada Limite. Força sobre corpos. Turbulência. Escoamento Potencial. Superfícies de Sustentação.
 
Review of Fluid Particle Kinematics. Fluid Particle Dynamics. Navier-Stokes Equations. Boundary Layer. Drag Force. Turbulence. Potential Flow. Lift theory.
 
 
Programa
I.Revisão de Cinemática da Partícula Fluida: Noção de campo, descrição Euleriana, aceleração convectiva, operadores vetoriais. Movimento da partícula fluida: translação de corpo rígido, rotação de corpo rígido e deformação. Taxa de variação de volume, equação da continuidade para fluidos incompressíveis; Teorema básico do cálculo diferencial; Teoremas da Gauss e de Stokes, Gradiente do campo de velocidades.
II.Dinâmica da partícula fluida: Forças de contacto, pressão e tensão; Definição constitutiva de fluido; fluido ideal: equações de Euler e equação de Bernoulli. Fluido real: viscosidade, tensões viscosas, fluidos Newtonianos, e não Newtonianos.
III.Equações de Navier-Stokes: Equações de Navier-Stokes, escalas, ordens de magnitude e adimensionais (números de Reynolds, de Froude, de Strouhal). Equação de transporte de vorticidade. Decomposição de Helmholtz. Soluções analíticas das Equações de Navier-Stokes: solução de Couette e Poiseuille.
IV.Camada Limite: Equações de Prandtl e solução de Blasius.
V.Força de Arrasto: Relação entre a força de arrasto e a espessura da esteira, formas aerodinâmicas. Arrasto por fricção: placa plana paralela ao escoamento; estimativa do coeficiente de fricção; fórmula de Blasius. Arrasto de forma: placa plana ortogonal ao escoamento, estimativa do arrasto; arrasto de forma e número de Reynolds. Comparação entre arrasto de forma e de fricção. Separação da camada limite, instabilidade da camada cisalhante e emissão de vórtices na esteira de corpos rombudos.
VI.Turbulência: Escoamento laminar, turbulento e transição. Turbulência na camada limite: influência na força de arrasto da placa plana; influência no coeficiente de resistência de dutos e rugosidade da parede; influência no arrasto de forma de cilindros circulares e esferas. Lei da parede, sub-camada inercial, perfil logarítmico universal. Tensão de Reynolds. Hipótese de Boussinesq. Comprimento de mistura de Prandtl. Modelagem de turbulência.
VII.Escoamento Potential: Minimização da força de arrasto e irrotacionalidade. Reversibilidade e irreversibilidade: visualização das linhas de corrente em escoamento irrotacional. Soluções singulares: fontes/sorvedouros, dipolos e vórtices pontuais no plano. Sobreposição de escoamentos planos elementares. Escoamento em torno de cilindro circular com circulação, efeito Magnus. Teorema de Kutta-Joukowski. Paradoxo de D’Alembert.
VIII.Teoria das Superfícies de Sustentação: Teoria de Fólios, condição de Kutta, coeficientes de sustentação e momento. Características geométricas dos aerofólios, família NACA, comparação entre teoria e experimentos, estol. Asas com pequena razão de apsecto, vórtice de ponta de asa e arrasto induzido.
 
I.Review of Fluid Particle Kinematics: the notion of field, Eulerian description, convective acceleration, vector operators. The motion of the fluid particle, translation, rotation and deformation. Volume rate of change, continuity equation; the fundamental theorems of Calculus: Gauss and Stokes theorems, the gradient of velocity.
II.Fluid Particle Dynamics: Contact forces, pressure and shear stress; constitutive equation; ideal fluid: Euler and Bernoulli equations. Real fluids: viscosity, viscous stresses, Newtonian fluids, Non-Newtonian fluids.
III.Navier-Stokes Equations: Navier-Stokes equations, order of magnitude and non-dimensional numbers (Reynolds, Froude and Strouhal). Transport of vorticity equation. Helmholtz decomposition. Analytic solutions of the Navier-Stokes equations: Couette and Poiseuille solutions.
IV.Boundary Layer: Prandtl equations and Blasius' solution.
V.Drag Force: Relation between drag force and the width of the wake, aerodynamic shapes; Friction drag: flat plate; evaluation of the friction coefficient; Blasius formula. Form drag: flat plate at 90 degrees; form drag and Reynolds number. Comparison between the form and friction drag. Boundary layer separation, instability of the shear layers, vortex shedding and vortex wake.
VI.Turbulence: Laminar and turbulent flow, transition. Turbulence in the boundary layer: influence on the resistance and wall roughness effect; influence on the drag of cylinders and spheres. Wall function, laminar sub-layer, universal logarithm law. Reynolds stress. Boussinesq's hypothesis. Prandtl's mixing length. Turbulence modeling.
VII.Potential Flow: Minimization of drag and irrotational flow. Reversibility and irreversibility: streamlines flow visualization in irrotational flow. Singular solutions: source/sinks, dipoles and vortices. Superposition of elementary flows. Potential flow around a circular cylinder with circulation, Magnus effect. Kutta-Joukowski theorem. D'Alembert paradox.
VIII.Lift Theory: airfoil theory, Kutta condition, lift and moment coefficients. Geometrical characteristics of airfoils, stall, NACA family, comparison between theory and experiment. Wings with small aspect ratio, wing tip vortex, induced drag.
 
 
Avaliação
     
Método
A avaliação será feita através de provas escritas.
Critério
Média ponderada de provas escritas.
Norma de Recuperação
Os alunos com Média Final da Primeira Avaliação inferior a 5,0 e superior a 3,0 poderão participar de Prova de Recuperação. A Nota da Segunda Avaliação será calculada através da média da Nota da Prova de Recuperação e da Média Final da Primeira Avaliação.
 
Bibliografia
     
Frank M.White, “Mecânica dos Fluidos”, Tradução da 6.a edição Norte-Americana, McGraw Hill, 2010.

Merle C. Potter e David C. Wiggert, “Mecânica dos Fluidos”, Tradução da 3a. Edição Norte-Americana, Thomson, 2004.
 

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