6ªQuestão: Responda as seguintes questões.
a) O que são tluidos e como caracteriza-los?
b) Quais são os tipos de fluidos?
c) O que podemos esperar da eficiência de um motor a combustāo a 50.000 ft em comparação com a eficiência no nível do mar? Explique baseado na mecânica dos fluidos (justifique com a equação o movimento).
a) O que são tluidos e como caracteriza-los?
b) Quais são os tipos de fluidos?
c) O que podemos esperar da eficiência de um motor a combustāo a 50.000 ft em comparação com a eficiência no nível do mar? Explique baseado na mecânica dos fluidos (justifique com a equação o movimento).
Passo 1
O enunciado pede três coisas:
a) Definir o que são fluidos e como caracterizá-los;
b) Classificar os tipos de fluidos;
c) Comparar a eficiência de um motor a combustão a ft com a do nível do mar, usando conceitos da mecânica dos fluidos e justificando com a equação do movimento.
a) Definir o que são fluidos e como caracterizá-los;
b) Classificar os tipos de fluidos;
c) Comparar a eficiência de um motor a combustão a
Passo 2
Um fluido é uma substância que, submetida a qualquer tensão de cisalhamento, deforma-se continuamente; em outras palavras, não sustenta tensões tangenciais estáticas. Para caracterizar um fluido precisamos identificar suas propriedades físicas principais:
– Densidade : massa por unidade de volume, varia com pressão
e temperatura
.
– Viscosidade dinâmica : mede a resistência interna ao escoamento.
– Compressibilidade (ou o inverso, módulo de incompressibilidade): indica quanto o volume muda quando aplicamos uma variação de pressão.
– Propriedades termodinâmicas associadas, como capacidade calorífica ,
e coeficiente de expansão térmica.
– Densidade
– Viscosidade dinâmica
– Compressibilidade
– Propriedades termodinâmicas associadas, como capacidade calorífica
Passo 3
Os fluidos podem ser classificados em:
a) Fluido ideal versus fluido real:
a) Fluido ideal versus fluido real:
- Fluido ideal (ou perfeito):
e incompressível. - Fluido real:
e, em geral, compressível.
b) Fluido incompressível versus compressível: - Incompressível:
, típico de líquidos. - Compressível:
, típico de gases.
c) Fluido Newtoniano versus não-Newtoniano: - Newtoniano: tensão de cisalhamento
é proporcional à taxa de deformação , isto é, . - Não-Newtoniano: relação não linear entre
e .
Passo 4
Para entender o efeito da altitude sobre a eficiência de um motor a combustão usamos duas equações básicas da mecânica dos fluidos:
- Equação da continuidade num escoamento unidimensional e estacionário:
onde
é a vazão mássica,
a área de admissão e
a velocidade do ar.
2. Equação de Euler (equação de movimento para fluido invíscido e incompressível):
2. Equação de Euler (equação de movimento para fluido invíscido e incompressível):
Em regime estacionário ao longo de uma linha de corrente e desprezando
, obtém-se a forma de Bernoulli:
Passo 5
A
ft a pressão e a densidade do ar caem significativamente (por exemplo, de
,kg/
para
kg/
).
– Pela continuidade, ; com
menor,
cai, reduzindo o fluxo de massa de ar admitido no motor.
– Menos ar significa menos combustível queimado por ciclo e menos trabalho útil produzido.
– Pelas fórmulas de termodinâmica de ciclos a combustão (como Otto ou Brayton), a potência útil decresce com e o consumo específico de combustível sobe.
Portanto, a eficiência global (potência útil sobre energia do combustível) é menor em ft do que ao nível do mar.
– Pela continuidade,
– Menos ar significa menos combustível queimado por ciclo e menos trabalho útil produzido.
– Pelas fórmulas de termodinâmica de ciclos a combustão (como Otto ou Brayton), a potência útil decresce com
Portanto, a eficiência global (potência útil sobre energia do combustível) é menor em
Resposta
a) Fluidos são substâncias que não suportam tensão de cisalhamento estática, deformando-se continuamente sob qualquer cisalhamento. Caracteriza-se pelas propriedades físicas densidade
, viscosidade
, compressibilidade, além de parâmetros termodinâmicos como
e
.
b) Classificam-se em fluido ideal (viscosidade nula) versus real, compressível versus incompressível e Newtoniano versus não-Newtoniano.
c) A
ft a densidade do ar é muito menor, reduzindo a vazão mássica
e, consequentemente, a potência e eficiência do motor. Pela equação de movimento (Euler/Bernoulli), a queda de
implica menor pressão de admissão e menor capacidade de produzir trabalho útil, de modo que a eficiência global do motor cai em altitude elevada.