Fluid Dynamics: O que é a Pressão Estática?

Para compreender melhor o que é a pressão estática, precisamos primeiro de alguns antecedentes e esclarecimentos sobre outros termos. O termo “pressão” é amplamente utilizado para muitas aplicações dentro da dinâmica de fluidos e termodinâmica, desde a aerodinâmica ao desenho de plantas. Contudo, devemos inferir do contexto se estamos a falar de pressão estática, total ou dinâmica.

A maior parte das definições aqui mencionadas foram retiradas do livro Mechanics of Fluids de Merle C. Potter, David C. Wiggert, e Bassem H. Ramadan.

Considerações sobre a pressão Considerações importantes antes de iniciar uma simulação computacional de engenharia eólica

Na mecânica dos fluidos, a pressão é definida como uma força normal que actua sobre uma área. Matematicamente, a pressão p sobre um ponto é definida como:

As unidades métricas utilizadas para medir a pressão são newtons por metro quadrado (N/m²) ou, mais geralmente, kilopascal (kPa). A pressão atmosférica ao nível do mar, por exemplo, é de 101,3 kPa. As unidades inglesas de pressão são libras por polegada quadrada (psi) ou libras por pé quadrado (psf).

Simulação de Pressão de Ar Pressão Absoluta

Apenas como a temperatura, a pressão pode ser medida por diferentes escalas, e existem escalas absolutas também para ambas as propriedades. Num vácuo ideal, a pressão absoluta atinge zero. Desta forma, não há moléculas no espaço para exercer pressão. Portanto, é impossível alcançar uma pressão absoluta negativa.

As coisas tornam-se muito mais complicadas quando consideramos as medições relativas da pressão. Há muita confusão no que diz respeito à terminologia. É também comum que diferentes programas de software recomendem a interpretação das suas medições de pressão de formas contrastantes. Falaremos sobre como isso funciona com SimScale em um pouco.

Pressões Relativas de Simulação de Pressão de Ar

Existem muitas medidas de pressão relativa diferentes. O primeiro e mais comum exemplo chama-se pressão manométrica, que é alcançada quando se medem pressões relativas à pressão atmosférica. Também é comummente chamada pressão barométrica. Segue-se então uma conversão da pressão manométrica em pressão absoluta, adicionando-a à pressão atmosférica.

Vamos agora examinar outras medições de pressão que são utilizadas dentro do campo da mecânica dos fluidos.

Simulação da Pressão de Ar Pressão Estática

Para ilustrar o que é a pressão total, comecemos por verificar a famosa equação de Bernoulli:

e20

que mede a diferença de velocidade e pressão entre dois pontos de um fluxo.

A pressão p nesta equação é a pressão estática. Quando medida em relação à pressão atmosférica, a pressão estática é a mesma que a pressão manométrica. Contudo, é possível medir a pressão estática com um vácuo como referência, de modo a que o valor medido seja igual à pressão absoluta.

A pressão estática é medida quando o fluido está em repouso em relação à medição. Pode ser medida por um piezómetro ligado à parede do tubo onde o fluido está a fluir.

Pressão de ar de simulação Pressão dinâmica

Nota que ao medir a pressão estática antes, não consideramos os efeitos da velocidade. Se não negligenciarmos estes efeitos, haverá um aumento da pressão medida. Este aumento é chamado pressão dinâmica. A pressão dinâmica é uma função da velocidade e densidade do fluido:

Pressão total de simulação de pressão de ar

A pressão total, também chamada pressão de estagnação, é medida adicionando a pressão estática à pressão dinâmica:

A pressão total é normalmente medida com um dispositivo chamado tubo pitot. Pode-se ver tubos pitot em aviões, por exemplo, como pequenos furos ou tubos metálicos pendurados nas asas, como mostrado abaixo:

A velocidade dentro do tubo pitot é zero, tornando-o um ponto de estagnação. Outro dispositivo, chamado tubo pitot-static, pode ser utilizado para medir directamente a pressão dinâmica. Consiste basicamente num tubo pitot com uma abertura de pressão estática.

Para a maioria dos casos quotidianos, a pressão total é muito próxima da pressão estática. Isto acontece porque a maioria dos sistemas são concebidos para assegurar baixas velocidades de fluido, geralmente para evitar a perda de cabeça devido ao atrito, que é proporcional à energia cinética do fluido. Nestes casos, a distinção entre pressão total e pressão estática pode não ser relevante.

Pressão Estática em SimScale

Pressão Estática num Ventilador Centrífugo – Análise CFD Efectuada com SimScaleBasicamente, quando simulamos fluxos de fluidos, estamos a utilizar as equações Navier-Stokes. Agora, quando derivamos as equações Navier-Stokes para fluidos incompressíveis, o termo pressão tem apenas um significado matemático. Apenas o gradiente de pressão, que é responsável pela condução do fluido, tem significado físico. Por outras palavras, as medições de pressão são utilizadas principalmente para a verificação da sanidade da solução.

Seguir esta lógica, se alterássemos as condições limite de pressão fixa da nossa simulação, somando um valor constante, por exemplo, o fluxo resultante não seria alterado porque o gradiente de pressão continuaria a ser o mesmo.

Mais especificamente, para fluxos incompressíveis, SimScale utiliza a pressão específica, que é definida normalizando a pressão pela densidade.

SimScale também permite um conjunto rico de condições de limite. Para mais informações sobre a definição e utilização de condições de contorno na plataforma de simulação SimScale baseada em nuvem, pode consultar esta página da documentação. Para condições de limite de entrada de pressão, é utilizada a pressão total, enquanto que para saídas de pressão, é utilizada a pressão estática ou manométrica. Se quiser saber mais sobre a plataforma SimScale baseada em nuvem e as suas capacidades, descarregue este resumo das características.

Para saber mais sobre a simulação da pressão do ar, consulte este blog.

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