Tipos de Fluido

Fluxo de Moléculas Contínuo vs Fluxo Livre

Considerando um fluido sobre um corpo e suponha que um cilindro circular de diâmetro 2d. Além disso, considere que um fluido consiste em moléculas individuais que se movem aleatoriamente. A distância média que uma molécula percorre entre as colisões com moléculas vizinhas é definida como o caminho livre médio λ. Se λ tiver uma magnitude menor que a escala do que o cilindro de diâmetro 2d, então o fluido aparece para o corpo como uma substância contínua. As moléculas que impactam o corpo na superfície com tanta frequência que o corpo não consegue distinguir as colisões, e a superfície sente o fluido como um meio contínuo. Tal fluido é chamado de contínuo. O outro extremo é onde λ está na mesma ordem que a escala corporal. Nesse caso, as moléculas de gás estão tão espaçadas em relação a d que as colisões com a superfície do corpo ocorrem raramente, e a superfície do corpo pode distinguir cada impacto molecular. Esse fluido é denominado molecular livre.

Fluido Viscoso vs Invíscido

Uma característica importante de gás ou líquido é a capacidade das moléculas de se moverem livremente. O movimento molecular, mesmo de forma aleatória, transporta massa, impulso e energia de um fluido para outro.

O transporte em escala molecular dá origem aos fenômenos de difusão de massa, viscosidade e condução térmica.

Os fluidos que possuem esses fenômenos são chamados de viscosos. Contrário ao fluido que não envolve atrito, condução térmica ou difusão, temos o fluido invíscido. Esses tipos de fluido não existem na natureza, entretanto há aproximações possíveis, casos em que a influência do transporte é pequena e pode-se modelar o fluidocomo invíscido.

Teoricamente, o fluido invíscido ocorre quando o número de Reynolds tende ao infinito. Para problemas práticos, muitos fluidos com Reynolds elevado podem ser considerados invíscidos. Nesse caso, a influência do atrito, condução térmica e difusão são limitados a uma região fina adjacente à superfície do corpo, que é chamada de camada limite. O restante dofluido é considerado basicamente invíscido.

Em contraste, existem alguns fluidos que são dominados por efeitos viscosos. Nenhuma teoria invíscida pode prever a aerodinâmica de tais fluidos. Exigem a inclusão de efeitos viscosos.

Fluidos Compressíveis vs Incompressíveis

Um fluido no qual a densidade ρ é constante é chamado de incompressível, já um fluido onde a densidade é variável é denominado compressível. Fluido verdadeiramente incompressível, onde a densidade é precisamente constante, não ocorre na natureza. No entanto, de forma análoga à nossa discussão sobre o fluido invíscido, há uma série de problemas aerodinâmicos que podem ser modelados como incompressíveis sem qualquer perda prejudicial de precisão. Por exemplo, o fluido de líquidos homogêneos é tratado como incompressível e, portanto, a maioria dos problemas envolvendo hidrodinâmica assume densidade constante. Além disso, o fluido de gases em um baixo número de Mach é essencialmente incompressível; para M <0,3, é sempre seguro assumir que a densidade é constante. Por outro lado, o fluido de alta velocidade, próximo a Mach 1 e acima, deve ser tratado como compressível; para tais fluidos, a densidade pode variar em amplas latitudes.

Regimes de Que Variam com o Número de Mach

A descrição dos fluidos pelo número de Mach possui a distinção mais usada. Tomando um número de Mach M local em um ponto arbitrário em um fluido, então, por definição, o fluido local será subsônico para M < 1, Sônico para M = 1 e supersônico para M > 1.

Considerando o regime, podemos descrever ainda mais:

Fluido Subsônico

Um campo de fluido é definido como subsônico se o número de Mach for menor que 1 em todos os pontos. Fluidos subsônicos são caracterizado por linhas de fluxo suaves.

Fluido Transônico

O fluido é transônico em regiões variadas entre M < 1 e M > 1. Se M é subsônico, mas está próximo da unidade, o fluido pode se tornar localmente supersônico. Se M é aumentado ligeiramente acima da unidade, uma onda de choque em arco é formada na frente do corpo. Por trás dessa onda de choque, o fluido é localmente subsônico-supersônicos e é dominado como fluido transônicos.

Em especial para corpos delgados, os fluidos transônicos ocorrem para números de Mach entre 0,8 e 1,2.

Fluidos Supersônico

O fluido supersônico para pontos do fluido, no qual M > 1 em todos os pontos. Fluidos supersônicos são frequentemente caracterizados pela presença de ondas de choque através das quais as propriedades de fluido e as linhas de fluxo mudam. Em um fluido supersônico, porque a velocidade do fluido local é maior do que a velocidade do som, distúrbios criados em algum ponto do fluido não podem funcionar do seu jeito a montante. Esta propriedade é uma das maiores diferenças físicas significativas entre fluidos subsônicos e supersônicos. Isto é a razão básica pela qual as ondas de choque ocorrem em fluidos supersônicos, mas não ocorrem em fluidos subsônico constante.

Fluidos Hipersônico

O fluido hipersônico ocorre para velocidades supersônicas muito altas. Se M for suficientemente grande, a camada de choque torna-se muito fina e as interações entre a onda de choque ocorre a camada limite viscosa na superfície. Além disso, na camada da onda de choque a temperatura torna-se alta o suficiente para que ocorram reações químicas no ar. As moléculas de O2 e N2 são separadas; ou seja, as moléculas de gás dissociar. Quando M se torna grande o suficiente para que a interação viscosa e/ou efeitos de reação química começam a dominar o fluido, o campo de fluido é denominado hipersônico.

Frequentemente fluidos hipersônicos ocorrem para números de Mach acima de 5.

Resumo

Os tipos de fluidos podem ser colocados em um diagrama para diferenciar cada tipo de fluxo.