INSTYRUT INZYNIERII ŚRODOWISKA Wrocław, 10.06.2010 rok

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu

LABOLATORIUM WODNE

- sprawozdania

Ćwiczenia wykonywali:

Maciej Cząstka

Damian Latos

Ewa Stępień

Anna Mołdach

Kierunek: Inżynieria Środowiska

Rok: I

Semestr: drugi

TREŚĆ

I Ćwiczenie nr 7- Zwężka Venturiego [31.05.2010]

II Ćwiczenie nr 3- Ruch laminarny i burzliwy [31.05.2010]

III Ćwiczenie nr 2- Właściwości cieczy (Lepkość) [ 07.06.2010]

IV Ćwiczenie nr 4- Wykres linii ciśnień i energii [ 07.06.2010]

ĆWICZENIE NR 7- Zwężka Venturiego

1. Cel ćwiczenia:

Celem jest znalezienie stałej n zwężki Venturiego oraz zapoznanie się z pomiarem przepływów przyrządem tego typu.

2. Podstawy teoretyczne:

Zwężka Venturiego (lub "dysza Venturiego") - przyrząd służący do pomiaru prędkości przepływu cieczy lub gazu, stworzonym przez Giovanni Battista Venturiego. Zasada jej działania jest idealną ilustracją prawa Bernoulliego.

W pewnym miejscu kanału, w którym z prędkością v przemieszcza się płyn (gaz lub ciecz), znajduje się przewężenie o znacznie mniejszym przekroju. Z prawa Bernoulliego, oraz warunku ciągłości przepływu, wynika, że kwadrat prędkości płynu przed zwężką jest wprost proporcjonalny do różnicy ciśnień przed zwężką i na niej. W klasycznej zwężce Venturiego w celu pomiaru wykorzystuje się barometr różnicowy. Obecnie w celach pomiarowych wykorzystuje się działające na tej samej zasadzie kryzy.

Zwężka znalazła szerokie zastosowania w miejscach, gdzie wymagane jest wytworzenie podciśnienia, np. w wodnych pompkach próżniowych. Jest również stosowana do sterowania, np. w przepływowych bojlerach gazowych. Gdy na skutek przepływu wody spada jej ciśnienie, wówczas otwiera się zawór gazowy.

Schemat zwężki Volturiego.

5. Schemat instalacji

1. zwężka Venturiego ZV

2.zbiornik zasilającego ZZ

3. przewód rurowego R z zaworem do regulacji przepływu ZR

4. baterii piezometrów BP

5. naczynie pomiarowe N

4. Przebieg ćwiczenia:

-1- Za pomocą zaworu ustalić dany przepływ w kanale. Odczekać około 5 minut aż

do momentu ustalenia się przepływu w całej instalacji.

-2- Zmierzyć strumień objętości odniesienia V odn q na zwężce, poprzez pomiar spadku

ciśnienia Dp (różnicy wysokości cieczy wskaźnikowej Dh ).

-3- Odczytać poziomy cieczy 1 H i 2 H na zwężce Venturiego oraz poziom H = a + z 3

na przegrodzie.

-4- Zmienić wielkość przepływu regulując stopniem zamknięcia zaworu. Po ustaleniu się

przepływu powtórzyć czynności z punktów -2- i -3-. Pomiary wykonać dla 3 różnych

wielkości przepływu.

5. Pomiary i obliczenia

l.p	Różnica poziomów wody w piezometrach [mm]	Objętość wody w naczyniu podstawionym [l]			Czas napełnienia naczynia [s]	Natężenie naczynia [l/s]
1	10		0,825	10		0,0825
2	5		1,845	30		0,0615
3	360		1,830	2		0,915

Wyznaczenie C i n:

Q	0,0615	0,0825	0,915
H	5	10	360

logQ	-1,2	-1,08	-0,038
logH	0,9	1	2,6

W skali logarytmicznej

y =ax + b

a = tg α= 2,6- 1,5/ -0,7= -1, 6

1,5= -1,6 * (-0,7) + b

b = 1,5- 1,12= 0,38

log Q= -1,6logH + 0,38

dla 0,38 =log K

K= 10^ 0,38= 2,4

Log Q= -1,6 log H + log 2,4

logQ = log H^(-1,6) +log2,4

logQ= log (2,4H ^(-1,6))

Q= 2,4H^(-1,6)

ODP: C= 2,4

n = -1,6

6. Wnioski

W zależności jak mocno zostaje odkręcony zawór ZR to zmianie podlega objętość wody przepływającej w czasie. Im przepływ był większy tym różnica zwierciadła wody piezometrze była większa.

ĆWICZENIE NR 3- Ruch laminarny i burzliwy

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie krytycznej liczby Reynoldsa oraz obserwacja zjawiska zmiany charakteru przepływu z ruchu laminarnego w ruch turbulentny (burzliwy), a także w przeciwnym kierunku tzn. przejścia ruchu turbulentnego w ruch laminarny.

2. Podstawy teoretyczne

Badania dotyczące ruchu płynów rzeczywistych wykazały, że przepływ płynu przez przewody może mieć różnorodny charakter. Wyróżnia się przy tym dwa zasadnicze rodzaje przepływów:

- laminarne (uwarstwione),

- turbulentne (burzliwe).

Takiego właśnie podziału przepływów dokonał w 1883 roku angielski uczony Osborne Reynolds. Przejście od jednego rodzaju ruchu do drugiego można zaobserwować w prostym doświadczeniu. Jeżeli w oś przezroczystej rury o przekroju kołowym wprowadzimy cienką strugę barwnika.

a) przy małych prędkościach przepływu struga wpuszczonego barwnika porusza się po torze

równoległym do osi Nie występują ruchy przewodu i jest wyraźnie widoczna (rys. 1a). Można wydzielić warstwy cieczy, między którymi nie ma wymiany masy. Taki ruch płynu nazywamy laminarnym,

b) przy nieco większych prędkościach struga zaczyna falować, dają się zaobserwować lokalne rozproszenia barwnika. Gdy prędkość przepływu przekroczy pewną wartość, następuje gwałtowna utrata stateczności przepływu i całkowite rozproszenie (tzn. wymieszanie się z otaczającą wodą) strugi barwnika (rys. 1b). Ten rodzaj ruchu nazywamy turbulentnym.

Charakteryzuje go m.in. to, że cząstki płynu nie poruszają się w kierunku równoległym do osi

przewodu, lecz wykonują ruchy nieuporządkowane, o różnych kierunkach prędkości.

Takiemu zachowaniu się cząstek towarzyszy powstawanie w płynie nieregularnych linii prądu oraz tworzenie się wirów. Wymiana masy , pędu i ciepła ulega przy tym znacznej intensyfikacji.

Rys. 1 a) przepływ laminarny

b) przepływ turbulentny

Doświadczenia wykazały, że na rodzaj ruchu wpływa m. in.:

- średnia prędkość przepływu vs [m/s],

- wymiar charakterystyczny przewodu np.:

a) średnia głębokość koryta h [m],

b) średnica rury d [m],

- lepkość cieczy (jej miarą jest współczynnik

lepkości):

a) kinematyczny [m /s],

b) dynamiczny[Ns/m ].

Kryterium przejścia ruchu laminarnego w turbulentny zostało ustalone przez Reynoldsa przez wprowadzenie pewnej liczby bezwymiarowej, zwanej obecnie liczbą Reynoldsa. Jej wartość obliczamy z następujących wzorów:

- dla przewodów rurowych:

- dla koryt i kanałów

3. Schemat instalacji

4. Przebieg ćwiczenia

1. Zmierzyć i wpisać do tablicy pomiarowej wewnętrzną średnicę d przewodu R. Pomiaru dokonać kilkakrotnie za pomocą suwmiarki, pamiętać należy o uwzględnieniu grubości ścianek przewodu (g = 5 mm),

2. Za pomocą zaworu wodociągowego ZW uruchomić zasilanie zbiornika ZZ,

3. Po osiągnięciu stałego poziomu wody w napełnianym zbiorniku otworzyć dopływ barwnika zaworem Z,

4. Powoli i uważnie otwierać zawór regulacyjny ZR starając się uchwycić moment rozmycia barwnej strugi (przejście z ruchu laminarnego w turbulentny - Re kr ),

5. Przygotować naczynie pomiarowe N i sekundomierz S,

6. Określić przepływ Q metodą objętościową: należy zmierzyć czas potrzebny do napełniania

objętości V w naczyniu pomiarowym N, wtedy: V- objętość przepływającej wody [m ]- czas [s]

7. Zanurzając termometr T w zbiorniku zasilającym ZZ zmierzyć kilkakrotnie temperaturę wody t i zapisać w tabeli pomiarowej,

8. Następnie za pomocą zaworu ZR zmniejszać prędkość wody w przewodzie, aż do chwili pojawienia się wyraźnej barwnej strugi równoległej do osi przewodu (przejście z ruchu turbulentnego w laminarny - Redkr ),

9. Zmierzyć przepływ Q metodą objętościową (jak w pkt.6): Q=V/ [m3/s]

10. Po zakończeniu pomiarów odciąć dopływ barwnika zaworem Z,

11. Zasilanie zbiornika głównego wyłączamy zamykając zawór ZW.

5. Pomiary

d = 290 mm= 0,29 m

t = 10 oC

u= 1.3081

lp	V[m3]		T[s]	Q[ m3/s]	F [m2]	v kr [m/s]	Re kr
1	0,0001		48	2,08*10^(-6)	0,07	0,0000297	6,68*10^(-6)
2	0,0001		49	2,04*10^(-6)	0,07	0,00002914	6,46*10^(-6)
3	0,0001		47	2,128*10^(-5)	0,07	0,0003	0,00006661
4		0,0007	72	9,72*10^(-6)	0,07	0,00014	0,00003104
5		0,0002	18	1,111*10^(-5)	0,07	0,00016	0,00003547

6. Wnioski

Przy niewielkich prędkościach strumienia ruch jest laminarny, a przy przekroczeniu pewnej prędkości granicznej przechodzi w ruch turbulentny.

ĆWICZENIE NR 2- Właściwości cieczy ( Lepkość)

1. Cel ćwiczenia

a) celem ćwiczenia jest wyznaczenie zależności naprężenia stycznego od prędkości odkształcenia postaciowego G: = f(G) oraz klasyfikacja badanego rodzaju cieczy (płyny niutonowskie, płyny nienewtonowskie i inne) na podstawie porównania otrzymanego wykresu ze znanymi modelami literaturowymi,

b) w ramach ćwiczenia należy wyznaczyć dynamiczny współczynnik

lepkości cieczy.

2. Podstawy teoretyczne

Lepkość cieczy - to właściwość polegająca na stawianiu oporu przy wzajemnym przesuwaniu się jej cząsteczek względem siebie. Lepkość jest zatem cechą dynamiczną cieczy, która charakteryzuje tarcie wewnętrzne między warstwami cieczy podczas jej ruchu. Rozpatrzmy prosty model składający się z dwóch płaskich, równoległych względem siebie płytek i cieczy wypełniającej przestrzeń między nimi (rys. 1).

Załóżmy, że dolna płytka jest nieruchoma, zaś górna porusza się równolegle do niej (tu: osi ox) ze stałą prędkością vx. Górna płytka przy poruszaniu się napotyka na pewien opór. W przypadku cieczy stawiają go właśnie siły lepkości. Przyjęto następujące założenia:

1. Cząstki cieczy bezpośrednio przylegające do każdej płytki poruszają się z taką samą prędkością jak płytka, czyli że między cieczą a płytką nie ma poślizgu,

2. Zmiana prędkości cząstek cieczy między płytkami przebiega liniowo czyli prędkość cieczy w dowolnym punkcie modelu jest proporcjonalna do odległości od dolnej płytki (patrz rozkład prędkości rys.1),

3. Tarcie wewnętrzne między cząstkami cieczy jest proporcjonalne do przyrostu prędkości. Opór cieczy stawiany przez nią w trakcie przesuwania się górnej płytki przedstawmy w postaci siły odniesionej do jednostki powierzchni, czyli w postaci naprężenia stycznego do kierunku ruchu.

Rys. 1. Rozkład prędkości

Na podstawie przyjętych założeń możemy więc powiedzieć, że naprężenie to jest proporcjonalne do przyrostu prędkości.

Płyny spełniające powyższą zależność nazywają się płynami niutonowskimi (liniowymi), natomiast płyny, w których naprężenia są nieliniową funkcją prędkości deformacji Ġ - noszą nazwę płynów nieniutonowskich (nieliniowych).

Obrazuje to rys. 2.

Do pomiaru lepkości służą tzw. wiskozymetry. Można wyróżnić następujące podstawowe ich rodzaje: wiskozymetry typu "opadająca kulka" (Hoppler`a), wiskozymetry rotacyjne(Couette`a), wiskozymetry wypływowe (Engler`a), kapilarne i rurowe. W skład stanowiska laboratoryjnego wchodzi lepkościomierz rotacyjny - Reotest 2. Jemu też, w dalszej części niniejszego opracowania, poświęcono nieco więcej miejsca. Wiskozymetr rotacyjny (Couette`a) Schemat ideowy tego lepkościomierza przedstawiono na rys. 3.

Jest toaparat, w którym wiruje cylinder wewnętrzny (znane są wiskozymetry zwirującym cylindrem zewnętrznym lub wirującym stożkiem).

3. Schemat instalacji

4. Przebieg i program ćwiczenia

1. Do doświadczenia przygotować glicerynę (lub inną ciecz badawczą),

2. Zmierzyć temperaturę badanej cieczy,

3. Sprawdzić prawidłowość połączeń wiskozymetru ze wskaźnikiem momentomierza i siecią elektryczną,

4. Przygotować zestaw cylindrów (naczyń),

5. Napełnić naczynie wirujące (S1) gliceryną,

6. Podłączyć naczynie do wiskozymetru (czynność tę wykonywać należy w obecności prowadzącego ćwiczenia!),

7. Ustawić zakres "I/II" wiskozymetru w pozycji pomiarowej "I",

8. Pokrętło "a/b", służące do zmiany prędkości Ġ, ustawić w położeniu "a",

9. Dźwignią regulatora obrotów R włączyć "pierwszy bieg" ( w),

10. Uruchomić urządzenie,

11. Odczytać wartość (moment M) i zapisać pod odpowiednią pozycją w tablicy pomiarowej,

12. Włączyć następny bieg ( w),

13. Odczytać wartość (moment M) i zapisać pod odpowiednią pozycją w tablicy pomiarowej,

14. Dokonać pomiaru par liczb ( M i w) w całym możliwym zakresie (tzn. od 1 do 12 "biegu"),

15. Ustawić zakres "I/II" w pozycji pomiarowej "II" i dokonać pomiarów ( M i w) analogicznie do wskazówek zawartych w punktach 9 ÷14,

16. Pokrętło "a/b", służące do zmiany prędkości Ġ, ustawić w położeniu"b",

17. Wykonać pomiar par liczb ( M i w) w całym zakresie w położeniu "Iib",

18. Ustawić zakres "I/II" w pozycji pomiarowej "I",

19. Wykonać pomiar par liczb ( M i w) w całym możliwym zakresie w położeniu "Ib". Wyniki zapisywać na bieżąco w tabeli pomiarowej pod pozycją Ib.

20. Po zakończeniu pomiarów wyłączyć urządzenie,

21. Opróżnić i oczyścić cylinder.

5. Pomiary

Gp	Tau
[1/s]	[Pa]
300,00	166,60
292,20	162,70
284,60	158,50
276,80	154,30
269,10	149,70
261,60	145,20
253,80	141,00
246,00	136,70
238,30	132,40
230,90	128,20
222,90	124,00
215,30	119,70
207,50	115,50
200,00	110,80
192,40	106,70
184,60	102,40
176,80	98,09
169,30	93,82
161,50	89,41
153,80	85,26
146,10	80,95
138,40	76,74
130,80	72,55
123,10	68,12
115,40	63,99
107,70	59,97
99,99	55,50
92,34	51,35
84,69	46,92
76,95	42,65
69,12	38,32
61,47	34,04
53,91	29,88
46,17	25,57
38,52	21,32
30,78	17,05
23,13	12,81
15,39	8,40
7,74	4,22
0,00	0,00

WYKRES T=f (G)

---