In flow over bluff bodies such as a cylinder, how does the pressure drag differ from the friction drag?

Passo 1

Beleza, o enunciado pergunta “no escoamento ao redor de corpos de grande área aparente (bluff bodies) como um cilindro, qual a diferença entre arrasto de pressão e arrasto de atrito?”. O conteúdo aqui é Mecânica dos Fluidos, mais especificamente a decomposição do arrasto em duas partes: arrasto de pressão e arrasto de atrito. Para resolver, a gente vai precisar saber o que é arrasto, de onde vêm as forças de pressão e de atrito (viscosidade), e como isso se comporta num cilindro com separação de fluxo.

Passo 2

Primeiro, definir o arrasto total. Em fluidos viscosos, a força de arrasto D resultante pode ser escrita como
D = Dp + Df
onde
- Dp é o arrasto de pressão (ou “form drag”),
- Df é o arrasto de atrito (ou “skin friction drag”).

Passo 3

Arrasto de atrito ( Df):
  • Vem das tensões de cisalhamento (shear stresses) geradas na camada limite que envolve o cilindro.
  • Depende da viscosidade do fluido e da velocidade em contato com a superfície.
  • Em geral, para um corpo “afiado” sem muita separação, Df é importante. Mas no cilindro, a camada limite se separa cedo, o que muda o jogo.

Passo 4

Arrasto de pressão ( Dp):
  • Provém da diferença de pressão entre a face frontal (lado de alta pressão) e a região de vácuo parcial na parte de trás (wake).
  • Quando o fluxo se separa, forma-se uma grande zona de baixa pressão atrás do corpo, aumentando muito Dp.
  • Para cilindros e outros bluff bodies, essa componente domina porque o wake é extenso.

Passo 5

Comparando:
  • Em corpos delgados (perfil de avião), o arrasto de atrito pode ser maior que o de pressão.
  • Em corpos bluff (cilindro, cubo, esfera grande), a separação cria uma grande diferença de pressão atrás, então o Dp supera em muito o Df.
  • Tipicamente, para um cilindro em fluxo subcrítico, mais de 80 % do arrasto total vem de Dp.

Resposta

Em um cilindro (bluff body), o arrasto de pressão ( Dp) decorre da diferença de pressão entre a frente e o wake atrás do corpo e é a parcela dominante do arrasto. Já o arrasto de atrito ( Df) vem do esforço viscoso na superfície, mas, no caso de grande separação de fluxo em bluff bodies, ele é bem menor em comparação com o arrasto de pressão.

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