Mecânica dos Fluidos II

Código:

L.EM023

Sigla:

MF II

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Fluidos e Energia

Ocorrência: 2022/2023 - 1S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Secção de Fluidos e Energia
Curso/CE Responsável:	Licenciatura em Engenharia Mecânica

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
L.EM	217	Plano de Estudos Oficial	3	-	6	52	162

Língua de trabalho

Português

Objetivos

Analisar, compreender e caraterizar o comportamento dos fluidos em escoamentos interiores, as necessidades energéticas de um escoamento e o funcionamento de bombas e ventiladores centrífugos, a medição de grandezas fundamentais em escoamentos, a interação entre um fluido em movimento e um objeto nele imerso e alguns aspetos fundamentais dos escoamentos compressíveis, tendo em vista a resolução de problemas de mecânica dos fluidos em engenharia.

Resultados de aprendizagem e competências

Espera-se que no final do semestre os alunos:
1. Reconheçam as diferenças fundamentais entre escoamentos com variação desprezável da massa volúmica do fluido e escoamentos compressíveis;
2. Saibam aplicar as equações de conservação da massa e da energia a escoamentos viscosos em condutas, calcular perdas de carga, necessidades de energia e caudal disponível, e dimensionar condutas simples;
3. Conheçam os princípios fundamentais do funcionamento e as curvas caraterísticas de bombas e ventiladores centrífugos, visando a seleção e a análise do funcionamento desses equipamentos;
4. Os princípios de funcionamento e os domínios de utilização dos tipos de medidores de velocidade, de caudal e de pressão mais comuns;
5. Compreendam os aspetos essenciais dos escoamentos em torno de corpos neles imersos e caraterizar as forças resultantes da interação escoamento-corpo.

Modo de trabalho

Presencial

Pré-requisitos (conhecimentos prévios) e co-requisitos (conhecimentos simultâneos)

Análise Matemática
Mecânica I e II

Programa

ESCOAMENTO NO INTERIOR DE TUBAGENS
Características gerais do escoamento viscoso no interior de tubagens. Regime laminar e regime turbulento. Região de entrada e escoamento completamente desenvolvido. Distribuição de pressão e tensão de corte. Escoamento laminar completamente desenvolvido (esc de Hagen-Poiseuille). Obtenção de equações fundamentais através de: (1) balanço de forças num elemento de volume de fluido. Escoamento laminar completamente desenvolvido. Obtenção de equações fundamentais através de: (2) equações de Navier Stokes (Mecânica dos  Fluidos I); (3) análise dimensional; (4) equação de energia). Coeficiente de fricção de Darcy. Resolução de problema Diagrama de Moody. Equação de Colebrook. Efeito da rugosidade (escoamento hidraulicamente liso e escoamento rugoso). Perda de carga em linha em condutas lisas de secção circular. Equação de Darcy-Weisbach. Escoamento turbulento completamente desenvolvido. Transição de regime laminar para regime turbulento. Componentes média e flutuante da velocidade. Decomposição de Reynolds. Tensões de corte em regime turbulento. Perfil de velocidades em regime turbulento. Lei de parede. Modelação de turbulência. Análise dimensional do escoamento no interior de tubagens. Escoamento turbulento completamente desenvolvido. Transição de regime laminar para regime turbulento. Componentes média e flutuante da velocidade. Decomposição de Reynolds. Tensões de corte em regime turbulento. Perfil de velocidades em regime turbulento. Lei de parede. Modelação de turbulência. Análise dimensional do escoamento no interior de tubagens. Perdas de carga localizadas. Condutas não circulares. Tipo de problemas de instalações.Tubagens em série e tubagens em paralelo. Medição de caudal e velocidade. Medidores de caudal. Placa-orifício. Venturi. Rotâmetro.

 

ESCOAMENTOS EXTERIORES
Características gerais de escoamentos em torno de corpos. Conceitos de sustentação e arrasto e respectivos coeficientes aerodinâmicos. Escoamento separado, zona de recirculação, esteira, pontos de estagnação, separação e recolagem. Camada limite sobre uma superfície plana. Espessura de deslocamento, espessura de quantidade de movimento e factor de forma. Equações de camada limite laminar em formulação diferencial. Análise dimensional das equações de camada limite bi-dimensional. Solução de Prandtl/Blasius. Soluções aproximadas da camada limite turbulenta. Formulação integral de camada limite. Transição de camada limite de regime laminar a turbulento. Camada limite turbulenta. Camada limite na presença de gradiente de pressão. Formulação integral de camada limite com gradiente de pressão. Resistência aerodinâmica. Resistência devido a forças de pressão e forças viscosas. Influência da forma do corpo e do número de Reynolds. Resistência aerodinâmica do escoamento em torno de objectos bi e tri-dimensionais. Sustentação. Escoamento em torno de perfis alares. Distribuição de pressão na superfície do corpo. Conceito de circulação.

 

ESCOAMENTO EM SUPERFÍCIE LIVRE
Características gerais. Ondas de superfície: velocidade da onda e efeitos do número de Froude. Considerações energéticas: equilíbrio energético e energia especifica. Escoamento uniforme: aproximações de escoamento uniforme e equações Chezy e Manning. Escoamento gradualmente variado. Escoamento rapidamente variado: salto hidráulico, descarregadores e comportas.

 

ESCOAMENTO COMPRESSÍVEL
Classificação de escoamentos compressíveis. Conservação de massa e quantidade de movimento em escoamento compressível. A velocidade do som - número de Mach.Propagação de som a partir de uma fonte pontual em movimento. Cone de Mach. Efeitos de compressibilidade na equação de Bernoulli. Categorias de escoamento compressível. Efeito da variação da área da secção. Escoamento isentrópico numa tubeira convergente-divergente. Escoamento numa tubeira de secção uniforme. Escoamento não-isentrópico de um gás perfeito: escoamento em conduta s/atrito  de área constante com transferência de calor (Rayleigh). Escoamento bidimensional. Escoamento numa conduta de área constante com atrito. Analogia com escoamento incompressível numa conduta. Linha de Fanno. Escoamento de um gás ideal em condições adiabáticas e com atrito (escoamento de Fanno). Escoamento inviscido numa conduta de área constante com aquecimento ou arrefecimento. Linha de Rayleigh. Escoamento in víscido de um gás ideal com aquecimento ou arrefecimento (escoamento de Rayleigh). Linhas de Rayleigh, linhas de Fanno e choques normais. Analogia entre escoamento  compressível e escoamento em superfície livre. Escoamento  supersónico bidimensional.

 

TURBOMÁQUINAS
Princípios fundamentais: tipos de máquinas e triângulo de velocidadesBomba centrífuga. Determinação da curva característica da máquina. Curva real e outros parâmetros de funcionamento. Cavitação e altura de sucção. Curva característica de uma instalação. Compatibilização entre as características de uma instalação e de uma bomba. Associação de bombas. Análise dimensional e semelhança em turbomáquinas. Velocidade específica e outros parâmetros adimensionais. Bombas axiais e bombas mistas. Turbinas hidráulicas e turbomáquinas compressíveis.

 

INTRODUÇÂO À MECÂNICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL
Introdução. Discretização e algoritmos de resolucão. Fases e passos principais na na modelação computacional. Software comercial. Aplicações e vantagens.

Bibliografia Obrigatória

Philip M. Gerhart, John I. Hochstein, Andrew L. Gerhart; Munson, Young and Okiishi's Fundamentals of Fluid Mechanics, 9th Edition, Wiley, 2021. ISBN: 978-1-119-59811-4

Bibliografia Complementar

Russell C. Hibbeler; Fluid Mechanics (in SI Units), 2nd GLOBAL Edition, 2020. ISBN: 9781292247304

Observações Bibliográficas

https://www.wiley.com/en-pt/Munson%2C+Young+and+Okiishi%27s+Fundamentals+of+Fluid+Mechanics%2C+8th+Edition-p-9781119159568

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

A unidade está organizada em três sessões semanais com a duração de 1,5 hora cada, sendo duas teórico-práticas e uma prática.

A participação nas 3 sessões laboratoriais (cada uma delas com a duração de 2 horas) é obrigatória para os alunos em primeira inscrição.

Os alunos que tenham realizado as sessões de laboratório no ano letivo 2021-2022 poderão optar por não as realizar e manter a classificaçao do ano anterior.

Software

Matlab

Palavras Chave

Ciências Físicas > Física > Mecânica clássica > Dinâmica dos fluidos
Ciências Tecnológicas > Engenharia > Engenharia mecânica > Engenharia de sistemas de propulsão
Ciências Tecnológicas

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída com exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	60,00
Teste	30,00
Trabalho laboratorial	10,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Estudo autónomo	101,00
Frequência das aulas	59,00
Trabalho laboratorial	6,00
Total:	166,00

Obtenção de frequência

Presença nas três sessões de laboratório e no mínimo de 70% das sessões práticas.

A participação nas 3 sessões laboratoriais (cada uma delas com a duração de 2 horas) é obrigatória para os alunos em primeira inscrição.

Os alunos que tenham realizado as sessões de laboratório no ano letivo 2021-2022 poderão optar por não as realizar e manter a classificaçao do ano anterior.

Fórmula de cálculo da classificação final

Durante o semestre: duas provas (questionário) de tipo teórico, em plataforma Moodle.
Questionário 1:  a 7 de Novembro, às 17:30.  
Questionário 2:  a 12 de Dezembro, às 17:30.

Sem consulta, com a duração de 30 minutos. Classificada de 0 a 20, e peso de 30% (15% cada) na classificação final.

Durante o semestre: sessões de laboratório.
Três sessões de laboratório (com a duração de 2 horas cada) para realização de trabalho experimental. Em todas as sessões é respondido e avaliado um questionário, que no seu conjunto constituirão a classificação de laboratório.

Na época de exame, prova escrita de caráter prático.

•  Exame (às 11:00 de 5 de Janeiro de 2023); ou


•  Recurso (às 08:30 de 23 de Janeiro de 2023)

Consulta limitada (formulário de duas páginas A4), duração de 90 minutos. O acesso a esta prova exige um mínimo de 7/20 valores na prova teórica (Moodle) e provas de laboratório.

A obtenção da classificação mínima de 7 valores na prova do Moodle e sessões de laboratório é condição para a participação na parte escrita do Exame ou do Recurso.

1. A época de recurso ou melhoria de nota inclui, como um todo, avaliação nas duas componentes, teórica e prática. Os pesos das componentes teórica e prática na classificação final serão os mesmos da época de exame. Na época de recurso é exigida igualmente a classificação mínima de 7 valores nas componentes teórica.


2. A classificação obtida na prova de Moodle no final do semestre é parte integrante do Exame. A prova de Recurso  terá a sua prova de Moodle, horas antes da componente escrita.

A classificação final será determinada com pesos de 30% e 10% da classificação das provas no Moodle e laboratório, e 60% da prova escrita.




em todas estas componentes (Exame ou Recurso, Moodle e Laboratório) é exigida a classificação mínima de 7 (sete) valores.

A classificação final poderá ser ajustada em mais ou menos 1/20, função de critérios de assiduidade, participação nas aulas, etc..

Alunos com classificação superior a 16 valores poderão ser submetidos a prova oral.

Provas e trabalhos especiais

Não estão previstos.

Trabalho de estágio/projeto

Não aplicável.

Avaliação especial (TE, DA, ...)

De acordo com as normas da FEUP e em prova idêntica à da época de recurso.

Melhoria de classificação

De acordo com as normas da FEUP, em simultâneo e com as mesmas regras da prova de recurso.