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
resultante pode ser escrita como
onde
-
-
Passo 3
Arrasto de atrito (
):
- 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,
é importante. Mas no cilindro, a camada limite se separa cedo, o que muda o jogo.
Passo 4
Arrasto de pressão (
):
- 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
. - 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
supera em muito o . - Tipicamente, para um cilindro em fluxo subcrítico, mais de 80 % do arrasto total vem de
.
Resposta
Em um cilindro (bluff body), o arrasto de pressão (
) 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 (
) 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.