Sylwia Janas
Sprawozdanie z mechaniki płynów
Temat: Wizualizacja przepływów.
Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z metodami wizualizacji. Obserwacja przebiegu linii przepływu ciał opływowych i nie opływowych.
Wizualizacja przepływu
Wizualizacja jest metodą, pozwalającą uczynić przepływ widzialnym, np. w sensie uwidocznienia przebiegu linii prądu w obszarach ruchu laminarnego i turbulentnego, punktów spiętrzenia lub też obszarów o silnych zawirowaniach. Dysponujemy kilkoma sposobami, umożliwiającymi taką wizualizację przepływu.
W przypadku przepływów, w których występuje powierzchnia swobodna cieczy, możemy posłużyć się sproszkowanym aluminium lub lycopodium. Proszek taki, wysypany na powierzchnię swobodną układa się w obraz linii prądu, w warunkach przepływu ustalonego.
Do wizualizacji przepływów cieczy w rurach lub tunelach wodnych możemy użyć kulek polystyrenu o względnym ciężarze właściwym 1,03. Roztwory fluorescencyjne stosuje się w celu uzyskania obrazu przepływu przez zawory.
W aerodynamice bardzo szeroko stosuje się jeszcze inny sposób wizualizacji przepływów, za pomocą dymu z parafiny, wytwarzanego dzięki kondensacji pary parafiny w strumieniu zimnego powietrza.
Także Reynolds był w stanie stwierdzić istnienie dwu rodzajów przepływów: laminarnego i turbulentnego, właśnie dzięki wizualizacji, obserwując zachowanie się cienkiej zabarwionej strugi cieczy wprowadzonej do szklanej rury, którą przepływa woda.
Natomiast, w celu dokonania wizualizacji opływu ciał w powietrzu, stosuje się małe niteczki, wykonane z jedwabiu lub skrawków wełny, przymocowanych wprost do powierzchni opływanego ciała. Jeżeli przepływ jest laminarny to nitki pozostają spokojne, jeżeli przepływ jest turbulentny trzepocą się w nieuporządkowany sposób, odtwarzając, w pewnym sensie, ruch turbulentny strumienia.
Ważną cechą charakterystyczną opływu ciała jest położenie punktu przejścia przepływu laminarnego w warstwie przyściennej w przepływ turbulentny.
Przyrządy stosowane przy wizualizacji
Tunele aerodynamiczne . Zasadniczym zadaniem tunelu aerodynamicznego jest wytworzenie strumienia powietrza o niskim poziomie turbulencji i o stałej prędkości w przestrzeni pomiarowej, przy możliwie małym zużyciu mocy. W tym celu tunel zaopatrzony jest w zwężkę o dużym współczynniku kontrakcji, przy czym po stronie napływu na zwężkę znajduje się komora wyrównawcza, ograniczona siatkami drucianymi.
Tunele wodne. Układ tunelu jest podobny do tunelu aerodynamicznego z tą jednak różnicą, że czynnikiem roboczym jest tu woda, a nie powietrze.
Zasady kształtowania obu tych tuneli są więc bardzo zbliżone. Średnica przestrzeni pomiarowej jest zwykle ok. 1 m, a prędkość ok. 20m/s.
Opis ćwiczenia:
Na laboratorium oglądaliśmy wizualizację wodną i powietrzną. W tunelu wodnym obserwowaliśmy uwidoczniony przebieg linii prądu powstających, przy opływie ciał. Podobny przebieg zauważamy w tunelu aerodynamicznym. Powietrze opływa skrzydło oraz sześcian. Przyczepione do elementów nitki odwzorowują przebieg linii prądu.
Rysunki przedstawiające opływ ciał w tunelu wodnym.
Konfuzor- prędkość wody zostaje zwiększona, przepływ jest ustalony bez zawirowań.
Dyfuzor- prędkość wody zostaje zmniejszona, przepływ w środkowej części jest ustalony lecz przy ściance występują zawirowania.
Rysunki ciał opływowych i nieopływowych.
Rys. 1 Rys. 2
Sześcian ustawiony w pozycji prostopadłej do napływu wody jest ciałem nieopływowym. Napływająca woda spiętrza się w punkcie krytycznym i występują liczne zawirowania.
Obrót sześcianu, tak jak na rysunku 2, nie powoduje zmiany go w ciało opływowe. Napływająca woda spokojnie opływa nie powodując zawirowań, tylko płaską płytkę.
Rysunki przedstawiające opływ ciał w tunelu aerodynamicznym.
Przedstawiony poniżej rys. przedstawia przekrój tunelu, w którym umieszczone jest skrzydło z przyklejonymi małymi nitkami. Ustawienie go w pozycji równoległej do napływu powietrza powoduje swobodny przebieg linii prądu (nitki są spokojne).
Następny rys. przedstawia przekrój tunelu z umieszczonym w środku sześcianem, na którego powierzchni przyklejone są niteczki. Wyraźnie widać, że jest on ciałem nieopływowym, gdyż nitki są wichrowate, niepoukładane. Obrót sześcianu pozwala zmniejszyć nieco zawirowania lecz nie eliminuje ich całkowicie.
Na zajęciach została pokazana jeszcze jedna metoda wizualizacji tzw. bezpośrednia.
Polega na tym, że nanosi się na element farbę fosforencyjną . Kiedy element umieszczony zostaje w tunelu, opływ powietrza pozostawia na modelu zanik farby. Oznacza to powstające w tych miejscach zawirowania.
Literatura:
R.A. Duckworth „Mechanika płynów”