Dinâmica de fluidos é o ramo da ciência aplicada que se preocupa com o movimento dos líquidos e gases.
É um dos dois ramos da mecânica dos fluidos, que é o estudo de fluidos e como as forças os afetam. O outro ramo é a estática dos fluidos, que trata dos fluidos em repouso.
Cientistas em vários domínios estudam a dinâmica de fluidos. A dinâmica de fluidos fornece métodos para o estudo da evolução das estrelas, correntes oceânicas, padrões climáticos, placas tectónicas e até mesmo a circulação sanguínea.
Algumas importantes aplicações tecnológicas da dinâmica dos fluidos incluem os motores de foguetes, as turbinas eólicas, os oleodutos e os sistemas de ar condicionado.
O que é o fluxo?
A circulação de líquidos e gases é geralmente referida como "fluxo", um conceito que descreve como se comportam os fluidos e como eles interagem com o seu ambiente envolvente - por exemplo, movendo-se a água através de um canal ou tubo, ou sobre uma superfície.
O fluxo pode ser estável ou instável. M McDonough, professor de engenharia da Universidade de Kentucky, afirma que se todas as propriedades de um fluxo são independentes do tempo, então o fluxo é constante, caso contrário, é instável.
Ou seja, os fluxos constantes não mudam ao longo do tempo. Um exemplo de fluxo constante seria a água que flui através de um tubo a uma taxa constante. Por outro lado, um derrame de água feito por uma bomba antiquada de mão são exemplos de fluxo instável.
O fluxo também pode ser laminar ou turbulento. Os fluxos laminares são mais suaves, enquanto os turbulentos são mais caóticos. Um factor importante na determinação do estado de fluxo do fluido é a sua viscosidade, ou a espessura. Uma maior viscosidade aumenta a tendência do fluxo ser laminar.
Patrick McMurtry, professor de engenharia na Universidade de Utah, afirma que por fluxo laminar geralmente estamos a referir-nos a uma superfície lisa, em que quaisquer perturbações induzidas são amortecidas devido às relativamente fortes forças viscosas.
O fluxo laminar é desejável em muitas situações, tal como em sistemas de drenagem ou asas de avião, porque é mais eficiente e perde menos energia. O fluxo turbulento pode ser útil para causar a mistura de diferentes fluidos ou para igualização da temperatura.
Um fator importante no fluxo de fluido é o número do fluido Reynolds (Re), que tem o nome de um cientista do século 19, Osborne Reynolds, apesar de ter sido descrita pela primeira vez em 1851 pelo físico George Gabriel Stokes.
McDonough dá a definição de Re como a proporção de forças de inércia para os viscosos. A força de inércia é a resistência do fluido na mudança de movimento, e a força viscosa é a quantidade de atrito, devido à viscosidade ou espessura do fluido.
Note-se que Re não é apenas uma propriedade do fluido; inclui igualmente as suas condições de fluxo, tais como a sua velocidade e o tamanho e a forma da conduta ou quaisquer obstruções. Com um baixo Re, o fluxo tende a ser suave, ou laminar.
Por outro lado, com um elevado Re, o fluxo tende a ser turbulento, formando redemoinhos e turbilhões. O Re pode ser utilizado para prever como um gás ou líquido irá fluir em torno de um obstáculo numa corrente, tal como a água em num pilar de ponte ou o vento sobre uma asa de avião.
Fluxo líquido
O estudo do fluxo líquido é chamado de hidrodinâmica. Apesar de os líquidos incluíram todos os tipos de substâncias, tais como soluções de óleo e químicos, o líquido mais comum é a água e a maioria das aplicações hidrodinâmica envolvem a gestão do fluxo do líquido.
Isso inclui controle de enchentes, operação de sistemas de água encanada e esgoto e gestão de vias navegáveis. A hidrodinâmica trata principalmente sobre o escoamento de água em tubos ou canais abertos.
John Southard, do MIT, aponta a principal diferença entre o fluxo de tubulação e o fluxo de canal aberto. Os fluxos de tubulação fluem em condutas fechadas ou canais, tubos ou condutas de ar, estando inteiramente em contacto com limites rígidos.
Por outro lado, os fluxos de canal aberto, são aqueles cujos limites não são totalmente feitos de um material sólido e rígido. Importantes fluxos de canais abertos são rios, correntes de maré, canais de irrigação ou lençóis de água que atravessam a superfície do solo após a chuva.
Devido às diferenças existentes nestes limites, forças diferentes afectam os dois tipos de fluxos. Enquanto os fluxos em tubo fechado podem ser accionados por pressão ou gravidade, os fluxos em canais abertos são movidos pela gravidade.
A pressão é determinada, principalmente, pela altura do líquido acima do ponto de medição. Por exemplo, a maioria dos sistemas de água nas cidades utilizam torres de água para manter a pressão constante no sistema.
Esta diferença na elevação é chamada a cabeça hidrodinâmica. O líquido de um tubo também pode ser obrigado a fluir mais rapidamente e com uma maior pressão por meio da utilização de bombas mecânicas.
Fluxo de gás
O fluxo de gás tem muitas semelhanças com o fluxo de líquido, mas também tem algumas diferenças importantes. Em primeiro lugar, o gás é compressível, ao passo que os líquidos são geralmente considerados incompressíveis.
Se a densidade do fluido muda sensivelmente ao longo do campo de fluxo, o fluxo pode ser tratado como um fluxo compressível. Caso contrário, o fluido é considerada incompressível. Em segundo lugar, o fluxo de gás é pouco afectada pela força da gravidade.
O gás mais comummente encontradas na vida quotidiana é o ar; portanto, os cientistas têm dado muita atenção às suas condições de fluxo. O vento faz com que o ar se mova ao redor de prédios e outras estruturas, que também pode ser movido através de bombas e ventiladores.
Uma área de particular interesse é o movimento de objetos através da atmosfera. Este ramo da dinâmica de fluidos é chamada de aerodinâmica, que é a dinâmica dos corpos em relação aos gases, especialmente a interação de objetos em movimento com a atmosfera em movimento.
Princípio de Bernoulli
Geralmente, o fluido em movimento a uma velocidade superior tem menor pressão do que o fluido que se move a uma velocidade mais baixa. Este fenómeno foi descrito pela primeira vez por Daniel Bernoulli, em 1738 no seu livro "Hydrodynamica", sendo conhecido como o princípio de Bernoulli.
Ele pode ser aplicado para medir a velocidade de um movimento de líquido ou gás num tubo ou canal, ou sobre uma superfície. Este princípio também é responsável pela elevação das asas de avião, razão pela qual os aviões podem voar.
Uma vez que a asa é plana na parte inferior e curva na parte superior, o ar tem de se deslocar ao longo de uma distância maior na superfície de topo do que ao longo da superfície de fundo. Para fazer isso, ele deve ir mais rápido por cima, fazendo com que a pressão diminua. Isso faz com que o ar de alta pressão sobre a parte inferior levante a asa.
Problemas em dinâmica dos fluidos
Os cientistas costumam tentar visualizar o fluxo usando figuras chamadas linhas de corrente, streaklines e pathlines. Uma linha de corrente é uma linha contínua dentro de um fluido tal que a tangente em cada ponto representa a direcção do vector de velocidade neste ponto.
Por outras palavras, uma linha de corrente mostra a direcção do fluxo em qualquer ponto particular no fluxo. Um streakline, é a localização de todos os elementos do fluido que já passaram por um determinado ponto.
A pathline (ou o caminho das partículas), é a trajetória de um elemento individual de fluido. Se o fluxo não se altera ao longo do tempo, o pathline será o mesmo que a aerodinâmica. No entanto, no caso de um fluxo turbulento ou instável, estas linhas podem ser bastante diferentes.
A maioria dos problemas em dinâmica dos fluidos são demasiado complexos para serem resolvidos pelo cálculo direto. Nestes casos, os problemas devem ser resolvidos por métodos numéricos usando simulações por computador.
Esta área de estudo é chamada de dinâmica de fluidos numéricas ou computacionais (CFD), constituindo um ramo da ciência baseado em computador que fornece previsões numéricas de escoamentos de fluidos.
No entanto, como o fluxo turbulento tende a ser não-linear e caótico, um cuidado especial deve ser tomado na criação das regras e condições iniciais para estas simulações. Pequenas mudanças no início podem resultar em grandes diferenças nos resultados.
A precisão da simulação pode ser melhorada dividindo o volume em regiões menores e com intervalos de tempo menores, mas isso aumenta o tempo de computação. Por esta razão, CFD deve avançar juntamente com o aumento do poder de computação. [Livescience]
