Mecânica dos fluidos/Exercícios resolvidos/E14

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Enunciado

Calcular o diâmetro que a tubulação do exercício E11 precisaria ter para que se garantisse uma vazão mínima de 10 l/s através de um tubo de 50 m de comprimento, considerando que a altura da água no reservatório será mantida no mínimo em 5 m.

Solução

Do exercício E12, sabemos que


gΔh=12(Nfi+NflLD+1)v¯2⇒NflD=1L(2gΔhv¯2−Nfi−1)


Assim


0.25[log(e3.7D+5.74NRe−0.9)]−2D=1L(2gΔh(4ΦπD2)2−Nfi−1)


14D⋅[log(e3.7D+5.74NRe−0.9)]2=(π2gD4Δh8Φ2−Nfi−1)L


4D⋅[log(e3.7D+5.74NRe−0.9)]2⋅(π2gD4Δh8Φ2−Nfi−1)=L


4D⋅[log(0.15mm3.7D+5.74NRe−0.9)]2⋅(3.142⋅9.8m/s2⋅5m8⋅(10l/s)2⋅D4−0,5−1)=50m


4D⋅[log(0.00015m3.7D+5.74NRe−0.9)]2⋅(3.142⋅9.8m/s2⋅5m8⋅(0.010m3/s)2⋅D4−0,5−1)=50m


O cálculo é difícil, pois tanto o Número de Reynolds quanto o coeficiente de atrito dependem do diâmetro do tubo. Por isso, será preciso usar um processo iterativo.

Iteração 1

No primeiro passo, consideremos um diâmetro de 50 mm. Assim


NRe=4ρ0Φπμ0D=4⋅1000kg/m3⋅10l/s3.14⋅0,0010kg⋅m−1⋅s−1⋅50mm


NRe=4⋅1000kg/m3⋅0.010m3/s3.14⋅0,0010kg⋅m−1⋅s−1⋅0.050m=250000


Calcula-se então o lado esquerdo da equação:


4⋅50mm⋅[log(0.00015m3.7⋅50mm+5.74⋅250000−0.9)]2⋅(3.142⋅9.8m/s2⋅5m8⋅(0.010m3/s)2⋅(50mm)4−0,5−1)=


4⋅0.050m⋅[log(0.00015m3.7⋅0.050m+5.74⋅250000−0.9)]2⋅(3.142⋅9.8m/s2⋅5m8⋅(0.010m3/s)2⋅(0.050m)4−0,5−1)=−1,5m


O valor obtido muito baixo, o que indica que o diâmetro precisa aumentar bastante.

Iteração 2

Consideremos um diâmetro de 300 mm. Assim


NRe=4⋅1000kg/m3⋅0.010m3/s3.14⋅0,0010kg⋅m−1⋅s−1⋅0.30m=42000


Calcula-se então o lado esquerdo da equação:


4⋅0.30m⋅[log(0.00015m3.7⋅0.30m+5.74⋅250000−0.9)]2⋅(3.142⋅9.8m/s2⋅5m8⋅(0.010m3/s)2⋅(0.30m)4−0,5−1)=47m


O valor obtido ainda está um pouco baixo, o que indica que o diâmetro precisa aumentar um pouco mais.

Iteração 3

Consideremos um diâmetro de 310 mm. Assim


NRe=4⋅1000kg/m3⋅0.010m3/s3.14⋅0,0010kg⋅m−1⋅s−1⋅0.31m=41000


Calcula-se então o lado esquerdo da equação:


4⋅0.31m⋅[log(0.00015m3.7⋅0.31m+5.74⋅250000−0.9)]2⋅(3.142⋅9.8m/s2⋅5m8⋅(0.010m3/s)2⋅(0.31m)4−0,5−1)=54m


O valor obtido indica que o diâmetro mínimo está entre 300 e 310 mm. Como numa aplicação prática usam-se sempre tubos com diâmetros padronizados, a informação obtida é suficientemente exata para a escolha do diêmetro da tubulação.


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