Hidráulica
Código
10433
Unidade Orgânica
Faculdade de Ciências e Tecnologia
Departamento
Departamento de Engenharia Civil
Créditos
6.0
Professor responsável
Mário Jorge Rodrigues Pereira da Franca
Horas semanais
6
Total de horas
84
Língua de ensino
Português
Objectivos
Proporcionar aos alunos conhecimentos no domínio dos escoamentos em pressão, dos escoamentos com superfície livre, dos escoamentos através de orifícios e descarregadores, e das características e condições de funcionamento de turbinas e de bombas hidráulicas.
Pré-requisitos
Os alunos devem apresentar conhecimentos nas áreas da Análise Matemática e da Física.
Conteúdo
PARTE TEÓRICA
1. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS: Forças exteriores; Massa volúmica, peso volúmico e densidade; Compressibilidade; Viscosidade; Tensão superficial e capilaridade de líquidos; Tensão de saturação do vapor de um líquido.
2. HIDROSTÁTICA: Lei hidrostática de pressões; Pressões absolutas e pressões relativas; Manómetros; Impulsão hidrostática; Impulsão hidrostática sobre corpos imersos e flutuantes; Impulsão hidrostática sobre superfícies planas; Impulsões sobre superfícies curvas; Impulsão sobre a base e a totalidade de recipientes; Fluidos submetidos a aceleração constante.
3. HIDROCINEMÁTICA: Introdução; Descrição Lagrangiana e Euleriana; Derivada material e vector aceleração; Linhas de escoamento: linha de corrente, trajectória e linha de filamento; Tipos de escoamento; Caudal, tubo de fluxo e velocidade média; Escoamentos laminares e turbulentos.
4. HIDRODINÂMICA: Leis de conservação na forma integral; Teorema de transporte de Reynolds; Conservação da massa; Conservação da quantidade de movimento; Coeficiente da quantidade de movimento linear. Leis de conservação na forma diferencial; Equação da continuidade; Equações de Cauchy; Equações constitutivas; Equações de Navier-Stokes; Equações de Euler; Variação da cota piezométrica segundo a normal às linhas de corrente; Equações da energia; Equações de Bernoulli para escoamentos permanentes de líquidos perfeitos (ao longo de uma trajectória plana; ao longo de uma trajectória qualquer; para escoamentos irrotacionais); Linha piezométrica e linha de energia; Piezómetro e tubo de Pitot; Aplicação a líquidos reais da equação de Bernoulli para líquidos perfeitos; Equação de Bernoulli para tubos de fluxo; Equação de Bernoulli para escoamentos permanentes de líquidos reais em tubos de fluxo; Equações de Bernoulli para escoamentos variáveis; Potência hidráulica, bombas e turbinas.
5. Leis de resistência dos escoamentos uniformes: Conceitos fundamentais; Tensão tangencial na fronteira sólida; Escoamentos laminares e turbulentos: experiência de Reynolds; Tensão tangencial de origem turbulenta; Escoamentos laminares uniformes; Escoamentos turbulentos uniformes em tubagens circulares de rugosidade uniforme; Escoamentos turbulentos uniformes em tubagens circulares comerciais; Leis empíricas para o regime turbulento.
6. Escoamentos permanentes sob pressão: Tipos de escoamentos permanentes e perdas de carga em singularidades; Perdas de carga contínuas; Saída de condutas para a atmosfera; Cálculo de instalações; Influência do traçado das condutas; Bombas em série e em paralelo; Condutas com consumo uniforme de percurso.
7. ESCOAMENTOS VARIÁVEIS SOB PRESSÃO: Tipos de escoamento; Problemas em causa; Golpe de ariete (análise qualitativa); Elementos de análise quantitativa do golpe de ariete; Oscilação em massa.
8. ESCOAMENTOS COM SUPERFÍCIE LIVRE: Considerações gerais; Regime uniforme (Secções simples; Emulsionamento de ar; Distribuição de velocidades numa secção transversal; Secção de resistência mínima e máximo caudal; Secções mistas; Secções compostas; Secções fechadas); Equações de Saint-Venant; Teorema de Bernoulli e energia específica. Tipos de escoamento (Equação de Bernoulli; Energia específica; Função H = H(h) para caudal constante; Função h = h(Q) para energia específica constante); Quantidade de movimento total; Número de Froude e controlo do escoamento; Regolfo com caudal constante (Equação diferencial; Curvas de regolfo com caudal constante em canais prismáticos; Exemplos de singularidades e regolfos - mudança de declive, queda brusca, passagem de um reservatório para um canal, comporta com abertura inferior; Cálculo das curvas de regolfo com caudal constante - formas da equação diferencial, integração numérica em canais prismáticos, método das diferenças finitas); Ressalto hidráulico (Considerações prévias; Ocorrência e formas; Estudo do ressalto; Ressalto em canais de secção rectangular; O ressalto como onda estacionária; Ressalto afogado; Ressalto em condutas em pressão; Aplicações do ressalto); Regolfo com caudal variável ao longo do percurso (Canal colector; Descarregador lateral); Escoamentos permanentes rapidamente variados (Tipos de escoamentos rapidamente variados; Linha de energias críticas. Descarregador de soleira espessa horizontal; Alargamentos e estreitamentos em regime lento; Passagem dum reservatório para um canal de declive forte através duma transição; Canal cilíndrico com sobrelevação do fundo ou com estreitamento).
9. ESCOAMENTOS POR ORIFÍCIOS E DESCARREGADORES: Orifícios (Orifícios em paredes delgadas; Tubos adicionais. Orifícios em paredes espessas; Velocidade de chegada; Orifícios submersos; Orifícios de grandes dimensões em paredes verticais; Orifícios regulados por comportas); Descarregadores (Descarregador rectangular de parede delgada; Outros tipos de descarregador de parede delgada; Descarregador com soleira normal; Descarregador com soleira espessa horizontal; Canal com queda vertical).
10. TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS: Introdução; Tipos de turbinas e bombas; Descrição geral e condições de instalação de turbinas (Turbinas Pelton; Turbinas de reacção - turbinas Francis, diagonais e Kaplan; Domínio de aplicação de turbinas); Tipos de turbina consoante a queda útil; Número específico de rotações de turbinas; Funcionamento de turbinas em regime permanente (Pontos de funcionamento; Variação do rendimento de turbinas com o caudal; Diagramas em colina. Funcionamento em vazio e em embalamento); Altura de aspiração de turbinas de reacção; Descrição geral e condições de instalação de bombas; Número específico de rotações de bombas; Diagramas de funcionamento de bombas (Funcionamento normal, em vazio e em curto-circuito; Funcionamento não usual); 3.12. Estudo do funcionamento permanente a partir das curvas características (Características da bomba e da instalação; Características instáveis e estáveis; Funcionamento de bombas em série e em paralelo); Arranque e escorvamento de bombas; Altura de aspiração de bombas; Escolha de bombas.
Bibliografia
1. Livros ou textos de Apoio base:
a) Apontamentos da unidade curricular disponibilizados no CLIP (https://clip.unl.pt/).
b) Quintela, A.C. (1985). “Hidráulica”, F. C. Gulbenkian, 2ª edição.
c) Manzanares, A.A. (1980). “Hidráulica Geral”, Volume II, Associação de Estudantes do Instituto Superior Técnico.
d) Lencastre, A. (1983). “Hidráulica Geral”.
2. Livros de Texto Complementares:
a) Currie, I.G. (1974). ” Fundamental Mechanics of Fluids“, McGraw-Hill.
b) Manzanares, A.A. (1980). “Hidráulica Geral”, Volume I, Associação de Estudantes do Instituto Superior Técnico.
c) Streeter, V.L.; Wylie, E.D. (1983). “Fluid Mechanics. First SI Metric Edition“, McGraw-Hill.
d) Chow, V.T. (1959). “Open Channel Hydraulics”, McGraw-Hill.
e) French, R.H. (1986). “Open-Channel Hydraulics”, McGraw-Hill.
Método de ensino
Aulas teóricas e aulas práticas onde são resolvidos problemas típicos nas aulas práticas e é feito acompanhamento do trabalho individual dos alunos.
Método de avaliação
a) A avaliação contínua de conhecimentos efectua-se através de quatro testes.
b) Cada um dos testes conterá uma parte teórica e uma parte prática (resolução de um exercício), permitindo a avaliação contínua da matéria curricular da disciplina do seguinte modo:
1º teste (13 Outubro 2012), 45 minutos:
Matéria: Hidrostática e Hidrocinemática
2º teste (3 Novembro 2012), 45 minutos:
Matéria: Hidrodinâmica
3º teste (28 Novembro 2012), 60 minutos:
Matéria: Leis de resistência dos escoamentos uniformes, Escoamentos permanentes sob pressão e Escoamentos variáveis sob pressão
4º teste (22 Dezembro 2012), 60 minutos:
Matéria: Escoamentos com superfície livre e Escoamentos por orifícios e descarregadores
c) Cada teste é classificado na escala de zero a vinte valores.
d) A classificação final (CF) na unidade curricular obtém-se através da seguinte média ponderada da classificação nos testes (CT1, CT2, CT3 e CT4):
CF = 0,20*(CT1+CT2) + 0,30*(CT3+CT4)
e) Os alunos poderão ainda realizar um exame final (alternativamente ao sistema de avaliação contínua ou em caso de não obterem nota mínima na classificação final da avaliação contínua), contendo questões relacionadas com os mesmos módulos da matéria abrangidos pelos quatro testes.
f) A aprovação na unidade curricular requer a classificação final mínima de 9,5 valores.
g) Os alunos que obtiverem uma classificação final superior a 16,5 valores realizarão uma prova oral para defesa dessa nota. Se a não pretenderem defender, ser-lhes-á atribuída a classificação final de 16 valores.