Explique por que escoamentos turbulentos têm maior perda de carga que laminares para a mesma vazão.
Passo 1
O enunciado pede para entendermos por que, à mesma vazão (ou seja, mesma velocidade média
), um escoamento turbulento em duto sofre maior perda de carga do que um escoamento laminar. O conteúdo é Mecânica dos Fluidos: usaremos a equação de Darcy–Weisbach para perda de carga por atrito e as expressões do fator de atrito em regime laminar e turbulento.
Passo 2
A perda de carga por atrito em um tubo de comprimento
e diâmetro
é dada por
onde
é o fator de atrito adimensional. Para mesma vazão
, a velocidade média
é a mesma, então a diferença de
vem exclusivamente de
.
Passo 3
Em regime laminar (número de Reynolds
) sabemos que
Já em regime turbulento, para tubos lisos e
entre
e
, a fórmula de Blasius dá
Comparando as duas para um mesmo
típico de fluxo transicional ou turbulentizado, por exemplo
, temos
ou seja
. Logo em
a perda de carga é maior no turbulento.
Passo 4
Fisicamente, no regime turbulento há redemoinhos e mistura intensa das camadas de fluido, o que aumenta o transporte de momento lateral e eleva a tensão de cisalhamento na parede. Essa maior tensão de cisalhamento gera mais dissipação de energia em forma de calor, refletida em um
maior e, consequentemente, em maior perda de carga.
Resposta
Escoamentos turbulentos têm maior perda de carga que laminares, à mesma vazão, porque o fator de atrito
em regime turbulento é significativamente maior do que em regime laminar. Esse aumento de
decorre da mistura caótica (redemoinhos) que intensifica a tensão de cisalhamento na parede e dissipa mais energia.