Deq ufba eng370 aula2 breve apresentacao

Universidade Federal da Bahia

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

[email protected]

Marcio Luis Ferreira Nascimento

ENG370: Fenômenos de Transporte I

Aula 2 – Breve Apresentação do Curso: Continuação


Estudo dos Fenômenos de

Transporte: Por que? Stents são dispositivos vasodilatadores: uma endoprótese expansível que previne ou impede a constrição do fluxo sanguineo


Ondas gigantes em Jaws, Maui, Hawaii (janeiro 2012)


Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto: Angras 1 e 2. A água serve para refrigerar o reator, conforme esquema

Para Que Estudar Fenômenos de Transporte?1

Por exemplo no estudo dos fluidos é base para diversas engenharias, como a hidráulica. Mas um engenheiro nuclear pode estudar o escoamento de fluido num sistema hidráulico de um reator nuclear, enquanto um bioengenheiro pode estudar o fluxo sanguíneo nas artérias de um paciente.



Um engenheiro ambiental pode estar ocupado com a contaminação das vizinhanças de um deposito de lixo pelo chorume ou ainda com a eficiência de um sistema de irrigação. Um engenheiro naval pode estar interessado em investigar os riscos de mergulho em águas profundas.


Um engenheiro mecânico / aeronáutico pode projetar um sistema hidráulico dos flaps de um avião.


O mesmo princípio é utilizado em F1. Ao lado, patente russa de aerofólios ainda em uso: www.nextcraft.com


Na engenheira de eventos as vezes é necessário montar / desmontar enormes cenários, basicamente por sistemas hidráulicos


Esboço do projeto o palco “A Bigger Bang” do Rolling Stones (2006) e palco montado durante apresentação em Milão


Algumas Aplicações em Fenômenos de

Transporte


Eng. Civil e Arquitetura – Base do estudo de hidráulica, hidrologia e aplicações no conforto térmico e de edificações

APLICAÇÕES EM ENGENHARIAS

Eng. Sanitária e Ambiental – Estudo da difusão de poluentes no ar, água e solo.

Eng. Química – Base das Operações Unitárias, que são a base da Eng. Química

Eng. de Produção – Otimização dos processos produtivos e de transporte de fluidos. Aplicação nas análises de ciclo de vida dos processos industriais.

Eng. Elétrica e Eletrônica – Cálculo de dissipação de potência, nas máquinas produtoras ou dissipadoras de energia elétrica, otimização do gasto de energia de computadores e dispositivos de comunicação.

Eng. Mecânica – Aplicação nos processos de usinagem, de tratamento térmico, no cálculo de máquinas hidráulicas, base para os processos de transferência de calor nas máquinas térmicas e frigoríficas.

Aplicação em projetos de aquecedores

Estudos de si-mulação hidro-dinâmica tipo Rayleigh–Taylor (LANL 2006, Li & Li)


Aerodinâmica1

www.santosdumont.14bis.mil.br

Alberto Santos Dumont (1873-1932), aeronauta, esportista e inventor brasileiro

Um cartão-postal do Santos-Dumont 14-bis em 12 de novembro de 1906.

Universidade Federal da Bahia A

erodinâmica

2

Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) do jato X-43A (2004) em Mach 7

Lockheed SR-71 Blackbird (1966) – avião de reconheci-mento estraté-gico – Mach 3,5


Parque Eólico da Bahia em Brotas de Macaúbas (2011)

Poluição da margem do Rio Amarelo, na cidade de Lanzhou, província de Gansu, China (2006)

Gotas de água proveniente de filme de água

Estudo aerodinâmico em Túnel de Vento


Fluxo de Ar em Bolas Qual a razão para bolas

serem tão diferentes no golfe, futebol, tênis e beisebol?

Na Copa do Mundo de 2010 a Jabulani ficou bastante conhecida pelo seu comportamento peculiar durante chutes, principalmente de longa distância. Sua nova textura de superfície, composta de ranhuras especiais, a minimização de gomos e costuras permite tal comporta-mento

Ao lançar bolas de golfe as ranhuras permitem que a mesma gire mais ao redor do seu eixo e assim consiga atingir maiores distâncias


Fórmula 1 Os carros de Fórmula 1 se utilizam da força aerodinâmica voltada para baixo (sustentação negativa) para aumentar a tração sem a necessidade de adicionar peso significativo. A utilização de grandes valores de sustentação negativa permite altas velocidades em curvas – em seu máximo pode exceder ao dobro do peso do veículo numa velocidade de 320 km/h em linha reta.

Cockpit de Fernando Alonso numa Ferrari (2008)

Asas frontais, caixas dos espelhos e suportes de suspensão são cuidadosamente carenados. A fuselagem inferior do carro é cuidadosamente projetada para direcionar o escoamento do ar, com a utilização de difusores de forma a se obter a máxima pressão negativa.


Coração artificial – primeiro implante de sucesso em 1982

Semelhante a um transplante de coração, o coração Artificial Temporário Total SynCardia substitui tanto a falta de ventrículos quanto as quatro válvulas cardíacas (2004)

Bioengenharia1


Bioengenharia2

Primeiro coração virtual (2009): www.heartworks.me.uk

http://www.heartworks.me.uk/�


Ger

ação

de

Ener

gia

Reações nucleares liberam energia quando a massa total dos produtos é menor que a soma das massas dos núcleos iniciais.

A diferença (‘massa perdi-da’) correspon-de a energia E=mc2.

Durante a fissão, um núcleo massivo fragmenta-se em pequenos e grandes peda-ços. O processo é ma-ximizado se um nêutron colide com um nú-cleo.


Usinas Nucleares no Brasil: Angras

1 e 2 Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto: Angras 1 e 2 (a 3 encontra-se em construção)

Eletronuclear (Eletrobrás Termonuclear S/A): www.eletronuclear.gov.br

Existem hoje (julho 2012) 435 reatores nucleares em operação em 31 países gerando eletricidade para aproximadamente um bilhão de pessoas e responsáveis por aproximadamente 17% da energia elétrica mundial. Outras 62 plantas estão sendo construídas em 14 países.

Em muitos países industrializados a eletricidade gerada por reatores nucleares representa a metade ou mais de todo o consumo de energia elétrica (casos da França e alguns outros países europeus).

A energia nuclear tem um histórico de confiabilidade, ambientalmente segura, barata e sem emitir gases nocivos na atmosfera – embora riscos existam (ex.: Fukushima, Japão - 2011).


País

Em operação Em construção Número Potência (MW) Número Potência (MW )

Argentina 2 935 1 692 Armenia 1 375 - - Bélgica 7 5,927 - - Brasil 2 1,884 1 1,245

Bulgária 2 1,906 - - Canadá 18 12,604 - - China

• Continental •Taiwan

16 6

11,816 5,018

26 2

26,620 2,600

Republica Tcheca 6 3,766 - - Finlândia 4 2,736 1 1,600 França 58 63,130 1 1,600

Alemanha 9 12,068 - - Hungria 4 1,889 - -

Índia 20 4,391 7 4,824 Irã 1 915 - -

Japão 50 44,215 2 2,650 Republica Coréia 23 20,671 3 3,640

México 2 1,300 - - Holanda 1 482 - -

Paquistão 3 725 2 630 Romênia 2 1,300 - -

Federação Russa 33 23,643 11 9,927 Republica Eslovaca 4 1,816 2 782

Eslovênia 1 688 - - África do Sul 2 1,830 - -

Espanha 8 7,567 - - Suécia 10 9,325 - - Suíça 5 3,263 - -

Ucrânia 15 13,107 2 1,900 Reino Unido 16 9,246 - -

USA 104 101,465 1 1,165 Total 435 370,003 62 59,245

Plantas nucleares no mundo (2012)

www.euronuclear.org

Compartilhamento da energia nuclear na geração de eletricidade (IAEA, 2010 )


Possibilidade de Estudos e Pesquisas em Mecânica dos

Fluidos e Nuclear Comparação da

estrutura de vórtice criada por uma gota de água após impacto com uma poça de água (foto invertida de Peck e Sigurdson, 1994, esquerda) e teste nuclear acima do solo em Nevada (1957, direita).


Detalhamento dos experimentos de Peck e Sigurdson (1994, 1995)


Geologia


Ecologia CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional)

de uma barragem de rio utilizando software Flow 3D


“Veias do Braço Esquerdo”, Estudos de Anatomia, folio 69r – Leonardo da Vinci (c. 1507–8)

“As Veias de Água da Terra, rio Arno”, Desenhos e Papéis Diversos, Vol. IV, folio 444r Leonardo da Vinci (c. 1504)


Estruturas Hidráulicas

Roda de Falkirk

Rotas de navegação

Elevador de barcos rotativo escocês (2002), que permite embarcações pequenas possam acessar dois canais - do União para o Estuário de Clyde. A diferença na altura entre os dois canais é de 24 m. A rotação de 180º leva apenas 4 min, acomodando barcos com dimensões de até 4 m por 20 m.

www.thefalkirkwheel.co.uk


Hidrodinâmica

Submarino nuclear SSN-21 classe Seawolf (inaugurado em 1997), de 45000 Hp

Com 108 m de comprimento, velocidade de 64,8 km/h (submerso) e 33,3 km/h (superfície). Atinge até 610 m e suporta 14 oficiais e mais 126 tripulantes


Metereologia

Ciclone tropical Hamish – 7 de março de 2009

Tornado


Calor e Termodinâmica

Imagens Schlieren de mão em duas situações: a elevação de ar mais leve e mais quente (convecção natural) próxima do corpo indica que animais de sangue quente estão cercados por uma camada térmica ascendente de ar aquecido

Schlieren, do alemão “camadas”/“raias”, correspondem a inomogeneidades óticas em materiais transparentes (como o ar) não visíveis ao olho humano. A técnica consiste na deflexão da luz por um gradiente do índice de refração


Exercício: Projeto de

Engenharia


Projeto de Engenharia: Aplicação Regra da Cadeia

www.sociedadedosol.org.br

1 - Reservatório 2 - Coletores 3 - Chuveiro elétrico com misturador e dimmer para apoio térmico 4 - Sistema geral de tubos

Aspecto do coletor solar aplicado no telhado de uma residência

Um coletor de energia solar desenvolvido para o sudeste brasileiro aquece 0,1 m3/s de água. Este líquido é levado a um reservatório cilíndrico de volume π(0,5)2h (a saber, 0,5 m). Pergunta-se: qual e a velocidade do nível de água (dh/dt) do reservatório?


Projeto de Engenharia: Aplicação Regra da Cadeia

Um coletor de energia solar desenvolvido para o sudeste brasileiro aquece 0,1 m3/s de água. Este liquido e levado a um reservatório cilíndrico de volume π(0,5)2h (a saber, h = 0,5 m). Pergunta-se: qual e a velocidade do nível de água (dh/dt) do reservatório? Tem-se que:

V = π(0,5)2h

= 0,1 m3/s dV dt

Observa-se também a aplicabilidade do uso da regra da cadeia:

= ⋅ dV dt

dV dh

dh dt

= ⋅ V h

dh dt

Da análise dimensional temos que:

0,1 m3

s = ⋅ π(0,5 m)2h

h dh dt

0,127m

s = dh

dt Fazendo as contas:


Informações sobre o Curso


O curso visa apresentar ao estudante de Engenharia um conhecimento básico das leis de transferência

de massa, momentum e energia, conhecimento esse indispensável a uma formulação correta dos

problemas correntes de Engenharia

Objetivo da Disciplina


Propriedades dos Fluidos. Hidrostática. Cinemática e

Dinâmica dos Fluidos. Transferência de Calor e de

Massa.

Ementa do Curso Daniel Bernoulli (1700-1782), físico e

matemático suíço


INTRODUÇÃO 1.1. Definição de um fluido 1.2. Domínio da mecânica dos fluidos 1.3. Equações básicas 1.4. Métodos de análise 1.5. Dimensões e unidades

Conteúdo Programático1

Obra Hydrodynamica, de Daniel Bernoulli (1738), considerado o primeiro trabalho no mundo

CONCEITOS FUNDAMENTAIS 2.1. O fluido como um contínuo 2.2. Campo de velocidade 2.3. Campo de tensões 2.4. Fluido Newtoniano: viscosidade 2.5. Descrição e classificação dos escoamentos de fluidos


ESTÁTICA DOS FLUIDOS 3.1. Pressão em um ponto 3.2. Equação básica da estática dos fluidos 3.3. Pressões instrumentais e absolutas 3.4. Sistemas hidráulicos 3.5. Forças hidráulicas em superfícies submersas 3.6. Flutuações e estabilidade


Ludwig Prandtl (1875-1953), físico alemão

EQUAÇÕES BÁSICAS NA FORMA INTEGRAL PARA O VOLUME DE

CONTROLE 4.1. Leis básicas para um sistema 4.2. Relação entre as derivadas do sistema e a formulação do volume de

controle 4.3. Conservação da massa 4.4.Equação da quantidade de movimento linear para um volume de

controle inercial 4.5. Equação da quantidade de movimento angular para um volume de

controle inercial 4.6. A Primeira Lei da Termodinâmica 4.7. A Segunda Lei da Termodinâmica


DINÂMICA DO ESCOAMENTO INCOMPRESSIVEL

NÃO VISCOSO 5.1. Campo de tensões em um escoamento não

viscoso 5.2. Equação da quantidade de movimento para

escoamento livre de fricção – Equação de Euler 5.3. Equação de Bernoulli 5.4. Pressão estática de estagnação e dinâmica 5.5. Relação entre a Primeira Lei da Termodinâmica e

a Equação de Bernoulli


Leonhard Euler (1707-1782), matemático físico, astrônomo, filósofo, educador e engenheiro suíço

Caramelo de açúcar, mostrando comporta-mento viscoso

Exemplos de computação de dinâmica dos fluidos (DFC)


ANÁLISE DIMENSIONAL E SIMILARIDADE 6.1 Natureza da análise dimensional 6.2 Teorema de Buckingham 6.2. Procedimento detalhado para o uso do

Teorema de Buckingham 6.4. Significado físico de grupos adimensionais

usuais 6.5 Similaridade de escoamento e estudos de

modelos 6.6. Similaridade estabelecida através das

equações diferenciais

Conteúdo Programático4 Edgar Buckingham (1867-1940), físico americano

Foto Schlieren do aquecimento do ar entorno de um braço ESCOAMENTO VISCOSO INCOMPRESSÍVEL 7.1 Cálculo de perda de carga 7.2 Solução dos problemas de escoamento em

canos


Cronograma Tentativo


i) Mecânica dos Fluidos – Çengel & Cimbala – Ed. McGraw-Hill (2006) ii) Introdução a Mecânica dos Fluidos – Fox, Pritchard & Mcdonald – Ed.

LTC (2006) iii) Fenômenos de Transporte – Bird, Stewart & Lightfoot – Ed. LTC (2004) iv) Fenômenos de Transporte para Engenharia – Braga Filho – Ed. LTC

(2006) v) Fenômenos de Transporte para Engenharia – Roma – Ed. Rima (2006) vi) Fundamentos de Física – Halliday, Resnick & Walker – (2009) vii) The Genesis of Fluid Mechanics – Calero – Springer (2008)

Referências Bibliográficas


Uso do Moodle


O que é ? www.moodle.ufba.br


Acesso ao


Curso ONLINE Acesso aos livros digitais do curso

código inscrição: FT2013


A folha deverá conter registros originais feitos com caneta azul; Não serão aceitas folhas com fotocópias (P&B ou coloridas); Não serão aceitas folhas com registros a lápis; Não serão aceitas folhas diferentes de UMA FOLHA A4;

Avaliações1 movimento laminar da esfera no fluido (i.e., não-turbulento)

Nas provas de unidade será permitido ao aluno trazer apenas uma folha A4 pessoal para consulta, assinada e datada;

Para elaboração das provas é permitido o uso de máquina de calcular;

Evite arredondar ou truncar números. Erros de aproximação, erros de conta assim como erros de unidades serão considerados na nota;

Prova SUBSTITUTIVA substitui a menor nota e será realizada na última semana de aulas (considerando TODO O CURSO). Quem falta a uma prova não tem direito à SUBSTITUTIVA. Nas provas SUBSTITUTIVA NÃO serão permitidos os usos de folhas de consulta;

As provas de unidade podem ter questões opcionais. As provas SUBSTITUTIVAS NÃO trazem questões opcionais;

O curso é presencial. Não haverá 2ª chamada de provas. Casos excepcionais devem ser tratados dentro dos trâmites legais da UFBA, de acordo com REG;


Metodologia para correção das provas escritas: 1. Ao acertar a questão, naturalmente receberá nota completa. Ao errar

algum “detalhe”, usualmente receberá uma nota com fração equivavalente entre 1/10 e 1/2 da questão. Por exemplo, ao errar numa questão que vale 2,5, a nota da questão deve ser zero caso não apresente nada significativo ou conteúdo grosseiro. O fato de não acertar completamente tambem implicará numa nota menor. Apenas respostas (mesmo que corretas) não serão consideradas sem demonstração passo a passo enquanto prova.

2. A aprovação na disciplina requer uma nota mínima, portanto, não conte com “aproximações” para sua aprovação.

3. Listas de exercicios são opcionais e não serão consideradas nas notas.

Avaliações2

entrada de ar

compressor câmara de combustão turbina

entrada de combustível

saída de gases quentes


1a. PROVA : por volta de 19/11/2013 (3ª)

2a. PROVA : : por volta de 07/01/2014 (3ª)

3a. PROVA : : por volta de 06/02/2014 (5ª)

SUBSTITUTIVA: 13/02/2014 (5ª): TODO O CURSO

Limite de faltas = 25% de 68h = 17h = 8 aulas (16hs)

A partir da 9ª ausência em sala de aula (18 faltas), estará caracterizada a reprovação por falta.

Atrasos serão registrados como uma falta. Um dia de aula perdido = duas faltas

Acesso ao material: www.moodle.ufba.br, procurar curso de ENG370 na Escola Politécnica (senha: FT2013). A nota final consiste numa média simples das notas das provas efetuadas

Cronograma Tentativo & Presença

Arquimedes de Siracusa (287-212 a.C.) por Domenico Fetti (1620 d.C.) Provas a cada dez aulas aproximadamente:

http://www.moodle.ufba.br/�








NETiqueta Por gentileza não utilizar equipamentos

eletrônicos (principalmente computadores) Evitar o uso de celulares, tablets e internet

em sala


Outro Exercício de Cálculo...


Um silo móvel localizado no cais do porto de Salvador é formado por um cone de h = 10 m de altura e armazena grãos para importação.

O silo opera com um vazamento constante de 2m3/min de soja, o produto resultante caindo diretamente em caminhões. Para a instalação de um rotâmetro (medidor de fluxo) é necessário prever a velocidade com que o material escoa no raio 0,8 m.

Tem-se que:

V = (1/3)πR2h

= 2 m3/min dV dt

Observa-se a aplicabilidade do uso da regra da cadeia:

= ⋅ dV dt

dV dh

dh dt

= ⋅ V h

dh dt

Da análise dimensional temos que:

2 m3

min = ⋅ πR2h

3h dh dt

2,98m

min = dh

dt Fazendo as contas com R = 0,8m:

R= 0,8m

h = 10m


Pensata

“Há três espécies de mentiras: as mentiras, as mentiras abomináveis e as estatísticas”*

(*) "Chapters from My Autobiography", publicado pela North American Review (1906). "Figures often beguile me," ele escreveu, "particularly when I have the arranging of them myself; in which case the remark attributed to Disraeli would often apply with justice and force: 'There are three kinds of lies: lies, damned lies, and statistics.'"

Samuel Langhorne Clemens (1835 – 1910), mais conhecido como Mark Twain, escritor e humorista americano

“Números não mentem, mas têm a propensão de dizer a verdade com intenção de enganar”. Eric Temple Bell (1883 – 1960), matemático, historiador e autor de ficção científica escocês


www.protec.ufba.br

Departamento de Engenharia Química Escola Politécnica

Obrigado pela Atenção!

P R O C E S S O S D E T E C N O L O G I A

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