Exemplos
Exemplos de Análise dimensional usando o pacote Python BuckinghamPi¶
from buckinghampy import BuckinghamPi
Transferência de calor de um corpo aquecido¶
Um corpo com dimensão característica $a$ submetido a um fluido com capacidade térmica $c$ e condutividade térmica $k$ é mantido a uma temperatura $\theta$ acima da temperatura do fluido. Qual a taxa de transferência de calor deste corpo?
Nome da grandeza | Símbolo | Dimensões |
---|---|---|
Taxa de transferência de calor | $h$ | $HT^{-1}$ |
Dimensão linear do corpo | $a$ | $L$ |
Velocidade do escoamento | $v$ | $LT^{-1}$ |
Diferença de temperatura | $\theta$ | $\Theta$ |
Capacidade de calor do fluido | $c$ | $HL^{-3}\Theta^{-1}$ |
Condutividade térmica do fluido | $k$ | $HL^{-1}T^{-1}\Theta^{-1}$ |
calor = BuckinghamPi()
calor.add_variable(name="h", dimensions='H*T^(-1)')
calor.add_variable(name="a", dimensions='L')
calor.add_variable(name="v", dimensions='L*T^(-1)')
calor.add_variable(name="θ", dimensions='Θ')
calor.add_variable(name="c", dimensions='H*L^(-3)*Θ^(-1)')
calor.add_variable(name="k", dimensions='H*L^(-1)*T^(-1)*Θ^(-1)')
calor.generate_pi_terms()
calor.print_all()
Escolhemos um conjunto¶
Conjunto 5:
$$\Pi_1 = \frac{a c v}{k} \qquad \Pi_2 = \frac{a k \theta}{h}$$
$$\Pi_2 = \Pi_2\left(\Pi_1\right)$$
Ou seja: $$ h = k a \theta F\left(\frac{a c v}{k} \right) $$
Problemas: aqui consideramos 4 grandezas independentes¶
Mas e se considerarmos apenas 3 independentes?
Como? Temperatura como energia cinética média, então temos um resultado diferente!
calor1 = BuckinghamPi()
calor1.add_variable(name="h", dimensions='H*T^(-1)')
calor1.add_variable(name="a", dimensions='L')
calor1.add_variable(name="v", dimensions='L*T^(-1)')
calor1.add_variable(name="θ", dimensions='H') # SÓ MODIFIQUEI AQUI!!!!
calor1.add_variable(name="c", dimensions='H^(-3)')
calor1.add_variable(name="k", dimensions='L^(-1)*T^(-1)')
calor1.generate_pi_terms()
calor1.print_all()
Selecionando o conjunto 3:¶
$$\Pi_1 = \frac{h}{k a \theta} \qquad \Pi_2 = \frac{v}{k a^2} \qquad \Pi_3 = c a^3 $$
ou seja:
$$ h = k a \theta F\left(\frac{v}{k a^2}, c a^3\right) $$
Aplicações em Remo¶
remo = BuckinghamPi()
remo.add_variable(name='v', dimensions='V')
remo.add_variable(name='G', dimensions='L^3*N^(-1)')
remo.add_variable(name='A', dimensions='R*V^3*L^2*N^(-1)')
remo.add_variable(name='rho', dimensions='R')
remo.add_variable(name='N', dimensions='N')
remo.generate_pi_terms()
remo.print_all()
Escolhendo o conjunto 1¶
$$\Pi = \frac{G^{2/9}\rho^{1/3} v }{A^{1/3} N^{1/9}} \quad\longrightarrow\quad v = const \cdot \frac{A^{1/3}}{\rho^{1/3}G^{2/9}}\cdot N^{1/9}$$
Para uma distância fixa, 2000 m por exemplo, o tempo deve ser proporcional a $N^{-1/9}$
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