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8/18/2019 Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9 http://slidepdf.com/reader/full/mec-dos-fluidos-diapositivos-cap-9 1/47 1 Escoamento Potencial Incompressível a Duas Dimensões Mecânica dos Fluidos  – Cap. 9 Luis Adriano Oliveira & António Gameiro Lopes

Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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1

Escoamento Potencial Incompressível

a Duas Dimensões

Mecânica dos Fluidos  – Cap. 9

Luis Adriano Oliveira & António Gameiro Lopes

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Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Exemplos Ilustrativos  – Vórtice

Tornado de grau F5 (2007), Manitoba, Canadá.Fonte: Wikimedia Commons © Hobson, J.

Furacão Katrina (2005).Fonte: Wikimedia Commons © U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration.

Poder destruidor de um tornado (2005).

Woodward, Iowa, E.U.A.Fonte: Wikimedia Commons © National Weather Service.

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Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Exemplos Ilustrativos  – Sustentação e Stall 

Avião F/A-18 Hornet em elevado ângulo deataque. Desencadeamento de turbulência retarda

ocorrência de  stall .Fonte: Wikimedia Commons © Malfitano, B.

Avião planador DG-800.Fonte: Wikimedia Commons © Flugzeugbau, D.G.

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Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Exemplos Ilustrativos  – Apoio Aerodinâmico(Sustentação Negativa)

Ferrari F1 (1952) sem qualquer apêndice aerodinâmico.

Museu Ferrari, Maranello, Itália.Fonte: © Oliveira, L.A.

Ferrari F1 (2009):  spoiler dianteiro.

Museu Ferrari, Maranello, Itália.Fonte: © Oliveira, L.A.

Porsche RS Spyder (2014) equipado com sploilers.

Museu Porsche, Munique, Alemanha.Fonte: © Oliveira, L.A.

McLaren F1 (1987) equipado com sploilers.

Museu Porsche, Munique, Alemanha.Fonte: © Oliveira, L.A.

4

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Exemplos Ilustrativos  – Vórtices de Extremidade (I)

Avião F-15 após abastecimento em voo.Fonte: Wikimedia Commons © Lommer.

Vórtices de vapor libertados por avião Boeing 757.Fonte: Wikimedia Commons © Abbott, B.

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Exemplos Ilustrativos  – Vórtices de Extremidade (II)

Vórtices de vapor libertados por avião C-17 Globemaster III.Fonte: Wikimedia Commons © Cooley, R.E.

Vórtices de vapor libertados por avião Lockheed L-1011.Fonte: Wikimedia Commons © Jacek, F.H.

6

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Remate à baliza.

(a) –  bola sem efeito; (b) –  bola com efeito; (c) –  bola com efeito oposto.

Exemplos Ilustrativos  – Efeito de Magnus (I)

V    (a)

V    (c)V    (b)

7

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Avião equipado com rotor de Flettner.Museu do Ar e do Espaço de San Diego, E.U.A.

Fonte: Wikimedia Commons © Autor desconhecido.

Embarcação equipada com rotor de Flettner.Fonte: Wikimedia Commons © Balcer.

Exemplos Ilustrativos  – Efeito de Magnus (II)

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Introdução

Ideia-base da teoria potencial: ausência de efeitos viscosos, r = c.te

u

 y  

Domínio de validade:

 – Regime de camada limite – Ausência de gradientes de pressão desfavoráveis – 2-D predominante

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1, 2, 3 : escoamento potencial

10

1 – escoamento de aproximação

2  – escoamento externo “invíscido”3 – escoamento interno “invíscido

4 – camada limite laminar 5  – camada limite turbulenta6  – zona de escoamento separado7  – zona inteiramente viscosa8  – esteira

2

1

3

2

4

5

8

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Existe uma função y ( x,y ), “função de corrente”, tal que:

2-D,  r = c.te

Equação da continuidade:

u v0

 x y

(condição necessária e suficiente para que udy-vdx seja uma diferencial exata)

u v y x

y y 

Significado matemático de y :

 – Representação alternativa do campo de velocidade:duas variáveis (u, v ) uma única (y ), embora de ordem superior 

 – Equação da continuidade identicamente satisfeita

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Função de Corrente

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Função de Corrente (cont.)

Linha de corrente paralela à velocidade:

Significado físico de y :

te

dx dydx dy d 0

u v x y

c.

y y y 

1

ˆ ˆ ˆ ˆ  ˆ  ds dx i dy j n dy i dx jds

Caudal volúmico elementar que atravessa :ds

    ˆ ˆ  dy i dx j

ˆ ˆ  ˆ  dQ V .n ds u i v j ds udy vdx dy dx d  ds y x

y y y 

Caudal volúmico que atravessa a superfície de controlo entre os pontos 1 e 2 :

2 2

1 2 2 11 1Q dQ d  y y y   

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

y=y1 1

y=y2

2

ds

dx

dy

n

 x

 y

O

12

      1 2 : superfície de controlo

(profundidade(profundidade unitária)unitária)

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O caudal volúmico de fluido que se escoa entre dois pontos é dado

pela diferença entre os respetivos valores da função de corrente y

Dimensões de y : L2 T -1 (caudal volúmico por unidade de profundidade do escoamento)

Notas:

 – A função de corrente é definida a menos de uma constante arbitrária; – O valor numérico depende, portanto, do ponto O tomado para referência; – O sinal de y convenciona-se, aqui, ser positivo quando o escoamento se orienta,

em relação a O, no sentido horário (y cresce no sentido do braço esquerdo do nadador); – Duas linhas de corrente não podem intersectar-se, salvo num ponto de estagnação.

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

y=y1

y=y2>y1

 x

 y

O

Função de Corrente (conclusão)

Significado físico de y (conclusão):

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Se, além de incompressível, o escoamento 2-D for irrotacional:

ou seja:

v u0

 x y

u v x y

 

ˆ ˆ  V u i v j grad    

De novo, a representação de um campo vetorial cede lugar à de um escalar ,sem qualquer perda de informação

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Função Potencial de Velocidade

(condição necessária e suficiente para que udx+vdy seja uma diferencial exata)

Existe uma função ( x,y ), potencial de velocidade, tal que:

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Enquanto representações alternativas de um mesmo campo de velocidade,função de corrente y e potencial de velocidade  estão, necessariamente,

interligadas

(condições de Riemann-Cauchy)

u v x y

  

 

 y x x y

y y  

Via respetivas definições:

u v y x

y y y 

 

y e  são ambas harmónicas:

2 22

2 2

2 2te 2

2 2

v urotV 0 0 0 0 x y   x y

u vc. 0 0 0

 x y   x y

y y y 

  r  

 

 

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Relação entre e y

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Isolinhas de  e y são ortogonais:

ˆ ˆ ˆ ˆ     grad v i u j u i v j grad y  

Exceções: pontos de estagnação e pontos singulares

Escoamento potencial pode ser graficamente representado (rede ou malha)

 – setas podem ser invertidas

 – contorno sólido linha de corrente

 –  e y podem ser permutados (condições de Riemann-Cauchy permanecem satisfeitas)

 – para iguais incrementos de ou y :maior densidademaior velocidade

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Relação entre e y (conclusão)

y2

y1

y3  f3

f2f1

f2

f1

f3  y3

y2y1

16

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 A equação de Laplace é linear 

Versatilidade da Teoria Potencial para gerar funções potenciais de escoamentos relevantes:

 – sobreposição de funções elementares

 – campo de velocidade é determinado por diferenciação

Uma vez conhecido o potencial de velocidade:

 – transformação conforme

 – análise numérica

 – analogias mecânica e eletromagnética

 – campo de pressão é determinado via equação de Bernoulli

 – resulta, assim, definida a condição de fronteira para a análise de camada limite

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Sobreposição de Escoamentos

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I  – Escoamento uniforme

Velocidade decorre de y por derivação: c.te irrelevante (= 0 )

 y

0

te te

u V udy f ( x ) V y f ( x ) y

v 0 V y f ( x ) f ( x ) 0 f ( x ) c. V y c. x x

y y 

y y 

Horizontal:

V y V xy  

 e y permutados

Vertical:

Procedendo de modo análogo para  , resulta, finalmente:

V x V yy  

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Escoamentos Elementares Planos

f3   f4f2f1

y4

y3

y2

y1

 y

 xa

a

18

(a) – horizontal; (b) – inclinado

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Inclinação a    u V cos v V sina a 

 y

0udy f ( x ) V y cos f ( x )y a 

tev V sin f ( x ) f ( x ) V x sin c. xy  a a 

V y cos x siny a a 

Fonte pontual: singularidade a partir da qual é alimentado uniformementeum escoamento em todas as direções

Fonte 2-D: singularidade linear (intensidade uniforme e comprimento infinito)Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Escoamentos Elementares Planos (cont.)

f3   f4f2f1

y4

y3

y2

y1

 y

 xa

a

I  – Escoamento uniforme (conclusão)

 Analogamente:   V x cos y sin a a 

II –

Fonte e sorvedouro (poço) bidimensionais

19

(a) – horizontal; (b) – inclinado

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Escoamento axissimétrico:coordenadas polares (r, q )

1 1v v

r r r r  q 

y y  

q q 

Q  – caudal volúmico (por unidade de profundidade): r r Q 1

Q 2 r v v2 r r 

  

 

 =Q/2   – intensidade da fonte (do sorvedouro, se < 0 )

r r 

r r 

te

v v dr f ( ) dr f ( ) ln r f ( )r r 

1 1v 0 f ( ) f ( ) c. ln r  

r r q 

  q q q  

 q q  

analogamente: y q 

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Escoamentos Elementares Planos (cont.)

II  – Fonte e sorvedouro (poço) bidimensionais (cont.)

f2

f1

y3

y2

y1

r 1

qy=0 

y4

y2

y1

f3

f2

f1

r 2

qf=0 

f4

r 2

r 1

(a) (b)

20

(a) – fonte; (b) – vórtice

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Permuta entre  e y :

Riemann-Cauchy:   1

r r 

r k 1k dr f ( ) k ln r  

r r r 

y y q y 

 

k : intensidade do vórtice

y q    k  q 

1v 0

1 k v

r r q 

 

te

v r k c.q   

Convenciona-se vórtice positivo se k > 0 (sentido anti-horário)

r = 0  singularidade (evitada na natureza por vórtice rotacional ou forçado)

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Escoamentos Elementares Planos (cont.)

III  – Vórtice irrotacional ou vórtice livre

f2

f1

y3

y2

y1

r 1

qy=0 

y4

y2

y1

f3

f2

f1

r 2

qf=0 

f4

r 2

r 1

(a) (b)

21

(a) – fonte; (b) – vórtice

Ci l ã

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G : circulação da velocidade ao longo do circuito

Seja o contorno formado por elementos de fluido:

 Arot V .dA V .dl     G   Teorema de Stokes:

2-D: circuito (contorno) fechado, de elemento , encerra área de elementodl    dA

G > 0 , se circuito percorrido no sentido anti-horário

Teorema de Kelvin:

 A circulação da velocidade ao longo de um circuito fechado, que acompanha o

escoamento de um fluido incompressível invíscido, mantém-se invariável com o tempo

 D / Dt D / Dt V .dl ... 0G    

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Circulação

 y

 x

dl 

y= c.te A

22

Ci l ã ( l ã )

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Vórtice livre:

 – Qualquer circuito fechado que envolva a origem:

 –Qualquer circuito fechado que não envolva a origem: G =0

V .dl grad .dl d kd 2 k  G q  

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Circulação (conclusão)

 y

 x

dl 

y= c.te A

Sobreposição de Escoamentos

 A equação de Laplace é linear :

Se d 1 e d 2 (d =,y ) forem soluções da equação, d 1+d 2 também é solução

23

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i

ite

 x, y x, y

c. y y x

y y 

Determinação das linhas de corrente da sobreposição de i escoamentos:

(a) – via analítica: (b) – via gráfica:

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Sobreposição de Escoamentos (cont.)

(equação paramétrica)

ya= y2

ya= y1yb= y1

yb= y2

2y1

y1+y2

2y2

(a)

ya

1a

yb= 6a

5a

4a

3a

2a

1a

2a

3a

4a

5a

5

5

5

5

23

3

3

4

4

4

8

8

8

8

9

9

9

9

9

10

10

11

(b)

Escoamento resultante:

união de pontos com igual valor de y 

24

Fonte e Poço de Iguais Intensidades

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1 2 1 2

1 2 1 2

ln r ln r    

y y y q q  

Intensidades:  ,   ( > 0 )

Sobreposição gráfica:

2 2

1

2 2

2

r r a 2ar cos

r r a 2ar cos

  2 2

3

2 2 2 2

1 1ln r a 2ar cos ln ...

2 2

4ar cos 2 2ar cos... ...

2 3r a r a

q q  

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Fonte e Poço de Iguais Intensidades

q1   x

 y

Ofonte poço

( x,y)

aa

q2q

r 1

r 2r  b 

Ofonte poçoaa

eixo de simetria

a   a

-1a

-4

-4   -4

-3

-3-3

-3-2

-2

-2

-2

-2  -2a

-3a

-4a

-5a

-6 a

-7 a 1a

2a

3a

4a

5a

6 a

7 a

25

Dipolo

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: dipolo (ou doblete)

Nível de velocidade razoável se: te

2a 0

lim 2a c.  

cos sin

r r 

  q q  y    : intensidade

2 2 2

 y r sin

r x y

2 2

2C x y

2C 2C  y 

y y 

   y 

2 2

2C x y2C 2C  

   

    

3

2 2 2 22a 0

4ar cos 2 2ar coslim ...

2 3r a r a

q q  

2a 0

2a cos coslim

r r  

  

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Dipolo

 x

y=C 1

 y

y=C 2

y=C 3

y=C 4

y=C 5

y=C 6 

y>0

y<0

26

Cilindro de Secção Circular

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r  2 2

1v cos V v sin V  

r r r r q 

 q q 

Escoamento uniforme + dipolo oposto:

cos cosV x V r cos cos V r  

r r r 

 sin sinV y V r sin sin V r  r r r 

  q q   q q 

  q q  y q q 

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Cilindro de Secção Circular 

y=0

Campo de velocidade:

27

Cilindro de Secção Circular (cont )

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r  2 2

1v cos V v sin V  

r r r r q 

 q q 

2r v 0, cos 0 / 2 k , k 0,1,2,... V / r  

v 0, sin 0 k , k 0,1,2,...q 

q q  

q q  

Pontos de estagnação : em geral, associados a contornos físicos relevantes V 0

r v 0 v 0q   A , B ,0V V 

    

 A B0 0y y 

0y  

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Cilindro de Secção Circular (cont.)

se

se

ou se

y=0

 x

 y

y=0y=0

 A   B

q

V e

contorno relevante

28

Cilindro de Secção Circular (cont )

Page 29: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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2 2 2 2c c c c

1 1 1 p V p V p p V V 2 2 2

 r r r 

 sin V r 0r 

  y q 

 sin 0 0,

r / V 

q q  

  

Distribuição de pc  forças de arrasto, D , e de sustentação, L  / / V    V 

Equação deBernoulli:

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Cilindro de Secção Circular (cont.)

, se:

ou se

(eixo Ox )

(contorno do cilindro)

y=0

 x

 y

y=0y=0

 A   B

q

29

Cilindro de Secção Circular (cont.)

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  r cc   c   2

r / V 

V 0 V V sin V 2V sin

r q 

  

  q q 

22

c

V  p p 1 4 sin

2

 r q 

c c cdF p dA p r d 1 p / V d  q q 

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Cilindro de Secção Circular (cont.)

r  2

2

v cos V  r    r 

1v sin V  

r    r q 

 q 

 q 

   

   

2 2c c

1 p p V V 

2

 r 

y=0

 x

 y

y=0y=0

 A   B

r q

dD

dL30

Cilindro de Secção Circular (cont.)

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2

2 2 2c0 0

V  D p cos d p 1 4 sin cos d 0

V 2 V 

    r    q q q q q  

Paradoxo de d’Alembert

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Cilindro de Secção Circular (cont.)

y=0

 x

 y

y=0y=0

 A   B

q

Origem do erro: viscosidade ignorada

cdF p / V d    q 

2

2c

V  p p 1 4 sin

2

 r q 

dD dF cosq 

!!!

31

Cilindro de Secção Circular (cont.)

Page 32: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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 D 0

 Analogamente:

2

c0 L p sin d 0

     q q 

L=0 verifica evidência experimental

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

ç ( )

 x

 y

esteira

camada limite

separação

escoamento potencial

y=0

Paradoxo de d’Alembert (conclusão)

Opção realista:

escoamento potencial é

condição de fronteirapara estudo da camada limite

(simetria em relação ao eixo Oy )

(simet. / eixo Ox )

32

Efeito de Magnus

Page 33: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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g

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Representação esquemática do efeito de Magnus

usado na propulsão de um barco.Fonte: Wikimedia Commons © Dan-yell.

Demonstração laboratorial.

Efeito de Magnus: barco equipado com rotor de Flettner.Fonte: Wikimedia Commons © VollwertBIT.

33

Efeito de Magnus – Interpretação Qualitativa

Page 34: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Equação de Bernoulli:

2 21 1 1 2 2 2

1 1 p V g z p V g z 

2 2 r r r r 

aumento de p diminuição de V 

1 2 z z 

Força de Magnus x

 p

V< , p>V   p

O

V > , p<V   p

Força de Magnus

 x

 p

V< , p>V   p

O

V > , p<V   p

Efeito de Magnus   Interpretação Qualitativa

34

Ef it d M A áli Q tit ti

Page 35: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

8/18/2019 Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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cos

V r cos k k 0r 

 sinV r sin k ln r  

  q  q q 

  q y q 

r 1

V V r r 

q   

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Sobreposição: Escoamento Uniforme + Dipolo + Vórtice Livre

vórticelivre

 x

 yV 

dipolo

escoamentouniforme

Efeito de Magnus  – Análise Quantitativa

35

Ef it d M A áli Q tit ti ( t )

Page 36: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

8/18/2019 Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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Pontos de estagnação

  2r 

2

V 0, cos 0 / 2, 3 / 2 V / r  

k / r V 0, arc sinV / r 

q q  

q   

 

r  2

2

V cos V  r 

k V sin V  

r r q 

  q 

  q 

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

cos

V r cos k k 0r 

  q 

q q 

r V 

1V 

r q 

 

 

se

se

ou se

Efeito de Magnus  – Análise Quantitativa (cont.)

36

Efeito de Magnus – Análise Quantitativa (cont )

Page 37: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

8/18/2019 Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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Três situações possíveis:

k k k 

a 1 b 1 c 12 V 2 V 2 V     

 D 0

 L 0

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Efeito de Magnus   Análise Quantitativa (cont.)

Pontos de estagnação

(cont.)

  2r 

2

V 0, cos 0 / 2, 3 / 2 V / r  

k / r V 0, arc sinV / r 

q q  

q   

 

se

se

ou se

(a) (b) (c)

37

Efeito de Magnus – Análise Quantitativa (conclusão)

Page 38: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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Equação de Bernoulli:

c r / V V V q    

2

2 2 2c c

V 1 1 p p V V p V k 2V sin

2 2 r r q 

  

   

2

c0 L p sin d ... 2 V k L V 

     q q r r G    

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

2

k V sin V  

r r q 

  q 

cV V 2V sin k  q   

Efeito de Magnus   Análise Quantitativa (conclusão)

38

Efeito de Magnus – Análise Quantitativa (conclusão)

Page 39: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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 L V  r G  

Teorema de Kutta-Joukowski (base da teoria dos perfis alares):

 – Força perpendicular ao escoamento (2-D) incidente ( arrasto nulo)

 – Força depende diretamente da circulação, G , gerada em torno da secção reta

 – Direção e sentido de L: rotação, de   /2 , da velocidade incidente (anticirculação)

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Efeito de Magnus   Análise Quantitativa (conclusão)

Força de sustentação por unidade de comprimento (envergadura):

(válido parasecção qualquer )

39

Teoria dos Perfis Alares

Page 40: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Nomenclatura

 – Superfície sustentadora – Envergadura, b

 – Área de projeção, – Perfil – Alongamento, – Bordo de ataque – Bordo de fuga – Linha de corda – Corda, c 

 – Esqueleto, d 

 – Flecha, h

 – Ângulo de ataque, a 

 – Arrasto, D

 – Sustentação, L

 – Coeficiente de arrasto, C D – Coeficiente de sustentação, C L – Escoamento de aproximação,

2 pb / A  

 p A b c

 D2

 p

 L2

 p

 DC 

1V A

2

 LC 1

V A2

 r 

 r 

40

a

 D

 L

V c

 A p

d  esqueleto

linha de corda

c

h

b

Teoria dos Perfis Alares (cont.)

Page 41: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

8/18/2019 Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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Objetivo: determinar a circulação, , gerada pelo escoamento em torno de um perfilaerodinâmico, enquanto função da sua forma, das condições de aproximaçãoe do ângulo de ataque

Transformação conforme: Mudança de variáveis, sendo preservados os ângulos

e o valor da circulação

z T e a sua imagem na transformação (z T ) têm que serpontos de estagnação. Isto define o valor de

Condição de Joukowski:

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

( )

(a)  plano z 

a

d z 1

d z 2

az =p

h

z T 

z S 

(b)  plano z

 x

 y

d z2

d z1

 z T 

a

41

Teoria dos Perfis Alares (cont.)

Page 42: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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Como é gerada, fisicamente, a circulação?

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

( )

 A circulação, em torno do perfil alar, é fisicamente gerada em três fases:

(a) – G =0 : viscosidade torna a posição de S2 , enquanto ponto de estagnação, instável

(b) – Condição de Joukowski respeitada:

(c ) – Teorema de Kelvin verificado. Vórtice de cauda desprende-se e dissipa-se. Fica:

 L V  r G 

0G G  

42

G <0 

S 1

S 2   G 

(b)(a) (c)

S 1

S 2

Perda de Sustentação ( Stall )

Page 43: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

8/18/2019 Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

ç ( )

 LC 2 a  

Teoria (perfil sem espessura):

Stal l : separação de camada limiteno extradorso do perfil sustentador 

43

Outros Exemplos de Perfil Alar 

Page 44: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

8/18/2019 Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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Hélice propulsora ou ventilador : princípio análogo

Turbina axial

L1: componente ativa

L1: componente ativa (de avanço)L2 : neutralizada pela quilha

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Vela de barco

44

A Realidade Tridimensional – Vórtices de Extremidade

Page 45: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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 – Diferença de pressões entre faces – Envergadura necessariamente finita

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

 – Vórtices de extremidade

 – Folha de vórtices assegura transição

 – A jusante, vórtices tendem a coalescer  – Daí resultam duas linhas de vórtices

Consequência prática:Resistência induzida, D i 

45

e

aa

e

A Realidade Tridimensional (cont.)

Page 46: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

8/18/2019 Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

http://slidepdf.com/reader/full/mec-dos-fluidos-diapositivos-cap-9 46/47

Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

Representação 2-D da sustentação e do sistema de

vórtices libertado por um planador.Fonte: Wikimedia Commons © Olivier, C.

Representação 3-D (mais realista) da sustentação e

do sistema de vórtices libertado por um planador.Fonte: Wikimedia Commons © Olivier, C.

46

A Realidade Tridimensional (conclusão)

Page 47: Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

8/18/2019 Mec Dos Fluidos-Diapositivos Cap 9

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Mecânica dos Fluidos, 4.ª Ed. At. e Aum., 2012, L.A. Oliveira, A.G. Lopes, © Lidel  – Edições Técnicas, Lisboa

e

aa

e

Consequência prática doefeito 3-D:Arrasto induzido, D i 

Vórtices de vapor libertados por avião Boeing 757.Fonte: Wikimedia Commons © Abbott, B.

47