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Capítulos 07 ao 13
Tipologia: Provas
1 / 1079
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Não perca as partes importantes!
Given: (^) Equations Describing pipe flow
Find: (^) Non-dimensionalized equation; Dimensionless groups
Solution:
Nondimensionalizing the velocity, pressure, spatial measures, and time:
L
V t t L
r r L
x x p
p p V
u u = = = Δ
*= *= * * *
Hence
L u = Vu p =Δ pp x = Lx r = Dr t =
Substituting into the governing equation
⎟
⎟ ⎠
⎞ ⎜
⎜ ⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
∂
∂ =− Δ ∂
∂
∂
1
1 *
1 1 *
2
2
(^2) r
u
r r
u
D
V x
p
L
p t
u
L
V V t
u ν ρ
The final dimensionless equation is
⎟
⎟ ⎠
⎞ ⎜
⎜ ⎝
⎛
∂
∂
∂
∂ ⎟ ⎠
⎞ ⎜ ⎝
⎛ ⎟ ⎠
⎞ ⎜ ⎝
⎛
∂
Δ ∂ =− ∂
∂
1
2
2
(^2) r
u
r r
u
D
L
x DV
p
V
p
t
u ν
ρ
The dimensionless groups are
D
L
V DV
p ν
ρ 2
Δ
Given: (^) Equation for unsteady, 2D compressible, inviscid flow
Find: (^) Dimensionless groups
Solution:
Denoting nondimensional quantities by an asterisk
0
0
0 0 0
L Lc
tc t c
c c c
v v c
u u L
y y L
x x
Note that the stream function indicates volume flow rate/unit depth!
Hence
0
c
Lt x = Lx y = Ly u = c u v = c v c = c c t = =
Substituting into the governing equation
3 2 0 2
2 2 2
3 0 2
2 2 2
3 0
3 2 2 0 2
3 2 0 = ∂ ∂
x y
u v L
c
y
v c L
c
x
u c L
c
t
u v
L
c
L t
c ψ ψ ψ ψ
The final dimensionless equation is
2
2
2 2 2 2
2 2 2
2 2
2
∂ ∂
x y
u v y
v c x
u c t
u v
t
No dimensionless group is needed for this equation!
Given: (^) That drag depends on speed, air density and frontal area
Find: (^) How drag force depend on speed
Solution:
Apply the Buckingham Π procedure
c F V ρ A n = 4 parameters
d Select primary dimensions M , L , t
e
2 2 3
L L
M
t
L
t
ML
F V ρ A
r = 3 primary dimensions
f V ρ A m = r = 3 repeat parameters
g Then n – m = 1 dimensionless groups will result. Setting up a dimensional equation,
( ) 000 2
2 3
1
M L t t
ML L L
M
t
L
V AF
c
a b
a b c
⎟^ = ⎠
⎞ ⎜ ⎝
⎛ ⎟ ⎠
⎞ ⎜ ⎝
Π = ρ
Summing exponents,
: 2 0 2
: 3 2 1 0 1
: 1 0 1
− − = = −
− + + = =−
t a a
L a b c c
M b b
Hence
V A
F (^1) ρ 2 Π =
h Check using F , L , t as primary dimensions
[ ] 1 2 2
2
4
(^1 ) Π = =
L t
L
L
Ft
F
The relation between drag force F and speed V must then be
2 2 F ∝ρ V A ∝ V
The drag is proportional to the square of the speed.
Π 1 = =[ ] 1 FL
[ ] 1
2 Π 2 = = F
t
Ft
Π 3 = = [ ] 1 F
Note: Any combination of Π1, Π 2 and Π 3 is a Π group, e.g., (^3)
2
1
e
, so Π1, Π 2 and Π 3 are not unique!