Qual a diferença entre escoamento interno e escoamento externo?
Passo 1
O que o enunciado pede: explicar claramente qual é a diferença entre escoamento interno e escoamento externo.
Informações que temos (implícitas no enunciado): não há dados numéricos, é uma pergunta conceitual. Preciso definir os dois tipos, listar características físicas e práticas, dar critérios para distinguir um do outro e trazer exemplos e fórmulas úteis para a prova.
Informações que temos (implícitas no enunciado): não há dados numéricos, é uma pergunta conceitual. Preciso definir os dois tipos, listar características físicas e práticas, dar critérios para distinguir um do outro e trazer exemplos e fórmulas úteis para a prova.
Passo 2
Definição simples e direta de cada um:
- Escoamento interno: é o escoamento de um fluido confinado por paredes sólidas em todas as direções transversais ao sentido médio do movimento. Exemplos típicos: fluxo em tubos, canais e dutos.
- Escoamento externo: é o escoamento de um fluido que passa por um corpo com o fluido “livre” em infinito distante — isto é, não há confinamento próximo que imponha paredes próximas ao corpo. Exemplos típicos: fluxo ao redor de um cilindro, esfera, perfil aerodinâmico (asa).
Passo 3
O que significa “confinado” na prática (critério físico):
- Em escoamento interno as paredes estão tão próximas que a camada limite das paredes interage com a outra parede oposta ou com o eixo do duto; portanto a presença das paredes domina o campo de velocidades e a perda de carga.
- Em escoamento externo as paredes/obstáculos mais próximos estão suficientemente distantes para que exista um escoamento “livre” longe do corpo, com uma velocidade de referência
e condição não perturbada a grandes distâncias.
Regra prática: se as paredes ficam a distâncias da ordem do tamanho do corpo que alteram fortemente o campo ao redor, trata-se de interno; se as paredes estão muito afastadas e não influem, trata-se de externo.
Passo 4
Grandezas características e como são usadas diferentemente
- Diâmetro hidráulico: para escoamento interno usa-se frequentemente o diâmetro hidráulico
quando a secção é não circular. Definição:
onde
é a área da secção e
é o perímetro molhado. Explicando as variáveis:
mede a área útil por onde o fluido passa;
é o comprimento das paredes que ficam em contato com o fluido.
- Número de Reynolds: usado em ambos, mas com comprimento característico diferente. Para dutos usa-se
. Para um corpo em escoamento externo normalmente o comprimento característico é o diâmetro do corpo, a corda do aerofólio ou a distância a partir da borda de ataque. Explicando: é densidade, velocidade característica, viscosidade dinâmica. - Interpretação prática do
: determina regime laminar/turbulento. Exemplos importantes: - Fluxo interno em tubo: transição laminar → turbulento típica em torno de
(com base em diâmetro). - Placa plana (escoamento externo): transição em torno de
(com base no comprimento desde a borda de ataque).
- Fluxo interno em tubo: transição laminar → turbulento típica em torno de
Passo 5
Comportamento da camada-limite e desenvolvimento do perfil de velocidade
- Escoamento interno: existe normalmente uma região de entrada (entrance length) onde o perfil de velocidade se desenvolve até atingir um perfil plenamente desenvolvido (fully developed). Em escoamento laminar num tubo circular o perfil é parabólico (perfil de Poiseuille). Para escoamento laminar em tubo a perda de carga por atrito pode ser relacionada pela lei de Poiseuille e o fator de atrito tem expressão simples:
onde
é o fator de atrito de Darcy (explicando: relaciona perda de carga com velocidade média).
- Escoamento externo: a camada-limite cresce ao longo da superfície do corpo; não existe “perfil axial plenamente desenvolvido” equivalente, porque a geometria do corpo muda as condições locais. A espessura da camada-limite em uma placa plana laminar escala aproximadamente como
(o que significa que a camada-limite cresce com a distância
). A separação de camada e a formação de esteira (wake) são fenómenos muito importantes em escoamentos externos.
Passo 6
Forças e arrasto: diferença de mecanismos dominantes
- Em escoamento interno a resistência ao escoamento é dominada por atrito viscoso nas paredes (skin friction). O arrasto “global” se manifesta como perda de carga (queda de pressão ao longo do duto).
- Em escoamento externo há duas contribuições principais para o arrasto: arrasto de atrito (skin friction) e arrasto de pressão (form drag) causado por separação de camada e formação de esteira. Em muitos corpos externos (cilindro, esfera) o arrasto por pressão pode dominar.
Passo 7
Correlações de engenharia — como se memorializa para prova
- Escoamento interno (turbulento em tubos): correlação prática para transferência de calor (exemplo) — Dittus–Boelter:
onde
é o número de Nusselt,
o número de Prandtl. Boa para tubos lisos e fluxo completamente desenvolvido turbulento.
- Escoamento externo (laminar sobre placa): para tirar ordem de grandeza da camada-limite usa-se a solução de Blasius; para transferência de calor local existem correlações diferentes que dependem de
e . A mensagem prática: use correlações apropriadas ao tipo (interno vs externo) e ao regime.
Passo 8
Fenômenos típicos que aparecem em cada caso (lista para decorar)
- Escoamento interno: entrada hidráulica, desenvolvimento do perfil, perdas por atrito ao longo, efeitos de rugosidade relativa às paredes, possibilidade de escoamento plenamente desenvolvido.
- Escoamento externo: desenvolvimento de camada-limite ao longo do corpo, separação, wake, formação de vórtices, coeficiente de arrasto
que depende fortemente da forma e do .
Passo 9
Como decidir num enunciado de prova (passos práticos)
- Identificar se o escoamento está confinado por paredes próximas (tubo, canal) — se sim, trate como interno.
- Se for “arredor de um corpo” com fluido vindo de longe com velocidade
, trate como externo. - Escolher comprimento característico apropriado (no interno:
; no externo: tamanho do corpo ou ). - Calcular
com esse comprimento e aplicar critérios/ correlações adequadas (ex.: para transição, fórmula se laminar em tubo, correlações de ou de conforme o caso).
Passo 10
Exemplos rápidos (para fixar)
- Fluxo em tubo de água de 10 mm de diâmetro a velocidade média
: é escoamento interno; usa-se para . - Fluxo do vento sobre um carro: escoamento externo; velocidade de referência
e área de referência para arrasto são usadas para calcular força de arrasto via
Passo 11
Dicas de prova e resumo didático final (seu “cola mental”)
- Escreva primeiro: “escoamento interno = confinado; escoamento externo = não confinado (fluido livre)”.
- Indique o comprimento característico usado e justifique (ex.: “usei
porque o duto não é circular”). - Cite um critério de transição e uma correlação típica (por exemplo
para tubo e em regime laminar de tubo). - Se pedirem comportamento físico, comente separação e arrasto de pressão para externo, e perdas por atrito/plenamente desenvolvido para interno.
Resposta
Escoamento interno: fluido confinado por paredes próximas (dutos, canais); perfil de velocidade pode tornar-se plenamente desenvolvido, perdas dominadas por atrito nas paredes; comprimento característico costuma ser o diâmetro hidráulico
e, em tubo laminar,
.
Escoamento externo: fluido passa por um corpo em um campo livre ( ); existe desenvolvimento de camada-limite, possível separação e wake, arrasto pode ser dominado por pressão; comprimento característico é o tamanho do corpo ou distância
, e forças geralmente expressas com
via
.
Escoamento externo: fluido passa por um corpo em um campo livre (