Mecânica dos fluidos/Equações básicas em forma adimensional

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Equações em forma adimensional

Equação de continuidade

A equação de continuidade em forma diferencial


ρt+((ρv))=0


tem dimensão [D{ρ}·D{t}-1] = M·L-3·T-1. Para obter uma equação correspondente adimensional, substituímos a densidade ρ por ρ*·ρr e a velocidade v por v*·vr, onde ρr e vr são valores de referência e ρ* e v* são números puros. Aplicamos um procedimento equivalente também aos comprimentos; por exemplo, substituímos x por x*·Lr, onde Lr é um comprimento de referência. Assim:


ρt=(ρρr)(ttr)=ρrtrρt


(ρv)=(ρvx)x+(ρvy)y+(ρvz)z=[(ρρr)(vxvr)](xLr)+[(ρρr)(vyvr)](yLr)+[(ρρr)(vzvr)](zLr)


=ρrvrLr((ρvx)x+(ρvy)y+(ρvz)z)


Se escolhermos tr tal que tr=Lrvr, a equação se torna


ρt+(ρvx)x+(ρvy)y+(ρvz)z=0


ou


ρt+((ρv))=0, onde F=Fx+Fy+Fz.

Equação de Bernoulli

Para escrever a equação de Bernoulli em forma adimensional, a pressão p deve ser substituída por p*·pr, com p_r = ρvr2 = ρ*·ρr·vr2. Assim, se fizermos vr=gLr,


pρ+v22+ gz=constante


pprρρr+(vvr)22+ gzLr=constante


p(ρρrvr2)ρρr+vr2(v)22+ vr2z=constante


p+(v)22+ z=constante


Equações de Navier-Stokes para um líquido Newtoniano

Considerando-se o eixo Z como apontando para cima e desprezando-se um dos eixos horizontais, o que é válido para a maioria das situações, as equações de Navier-Stokes para um líquido Newtoniano (densidade e viscosidade constantes), têm a forma seguinte:


ρ0(vxt+vxvxx+vzvxz)=px+μ0(2vxx2+2vxz2)


ρ0(vzt+vxvzx+vzvzz)=ρ0gpz+μ0(2vzx2+2vzz2)


Essas equações têm dimensão [D[p]·D[z]-1] = [[M·L-1·T-2]·L-1] = [M·L-2·T-2]. Em forma adimensional, teremos


ρρr((vxvr)(ttr)+(vxvr)(vxvr)(xLr)+(vzvr)(vxvr)(zLr))=(ppr)(xLr)+μμr(2(vxvr)(xLr)2+2(vxvr)(zLr)2)


ρρr((vzvr)(ttr)+(vxvr)(vzvr)(xLr)+(vzvr)(vzvr)(zLr))=ρρrg(ppr)(zLr)+μμr(2(vzvr)(xLr)2+2(vzvr)(zLr)2)


Como


f(x)g(x)=f(x)xxg(x)=f(x)xg(x)xf(x)(kx)=1kf(x)xe

2f(x)g(x)2=g(x)(f(x)g(x))=g(x)(1kf(x)x)=1k(kx)(f(x)x)=1k2(x)(f(x)x)=1k2(2f(x)x2)


Temos


ρrvrtrρvxt+ρrvr2Lrρ(vxvxx+vzvxz)=prLrpx+μrvrLr2μ(2vxx2+2vxz2)


ρrvrtrρvzt+ρrvr2Lrρ(vxvzx+vzvzz)=ρρrgprLrpz+μrvrLr2μ(2vzx2+2vzz2)


Com as substituições usuais (pr=ρρrvr2evr=gLr) e ainda μr=ρrLrvre tomando tr=Lrvr teremos,


ρrvr2Lrρvxt+ρrvr2Lrρ(vxvxx+vzvxz)=ρρrvr2Lrpx+ρrLrvr2Lr2μ(2vx(x)2+2vx(z)2)


vxt+vxvxx+vzvxz=px+μρ(2vx(x)2+2vx(z)2)


Similarmente,


vzt+vxvzx+vzvzz=1pz+μρ(2vz(x)2+2vz(z)2)


Também é comum escolher vr tal que coincida com a velocidade do fluxo na superfície livre. Esse valor é indicado usualmente também como v. Tal substituição implica que a pressão de referência pr e a velocidade de referência sejam relacionadas da mesma forma (pr=ρρrvr2), mas a identidade vr=gLr não pode ser empregada. Neste caso, a primeira equação se mantém inalterada, mas a segunda se torna:


vzt+vxvzx+vzvzz=gLrv2pz+μρ(2vz(x)2+2vz(z)2)




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