Zakład Budownictwa Wodnego i Hydrauliki
Ć
wiczenie 13
Laboratorium z Mechaniki Płynów
Studia Inżynierskie
1 z 4
Ć
WICZENIE 13.
WYPŁYW ADIABATYCZNY POWIETRZA
Cel
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z:
•
Pojęciem wypływu adiabatycznego powietrza;
•
Metodyką pomiaru wielkości prędkości za pomocą rurki spiętrzającej;
•
Metodyką pomiaru wielkości wydatku za pomocą rurki spiętrzającej;
•
Zagadnieniem rozpływu strumienia powietrza;
•
Zagadnieniem zmiany temperatury towarzyszącej wypływowi adiabatycznemu;
•
Analizą błędów pomiarowych;
Zakres ćwiczenia:
•
Wyznaczenie rozkładu prędkości strumienia powietrza wypływającego przez
otwór w funkcji odległości od otworu;
•
Wyznaczenie rozkładu prędkości strumienia powietrza w przekroju poprzecznym
w pewnej odległości od dyszy wylotowej;
•
Określenie objętościowego natężenia przepływu strumienia powietrza w
przekroju poprzecznym
•
Analiza wyników;
Model
Model składa się ze zbiornika sprężonego powietrza wyposażonego w dyszę wylotową
oraz termometr i manometr sprężysty. Do zbiornika powietrze doprowadzane jest za pomocą
sprężarki z pierścieniem wodnym poprzez separator wody. Możliwe jest zrzucenie nadmiaru
wody z separatora do zbiornika dolnego.
Do pomiaru lokalnej prędkości strumienia powietrza służy rurka spiętrzająca Prandtla
połączona z manometrem cieczowym, wypełnionym wodą. Rurka spiętrzająca zainstalowana
jest na wózku, wyposażonym w urządzenia do określania lokalnej współrzędnej.
Ważnym i wrażliwym elementem modelu jest sprężarka z pierścieniem wodnym.
Urządzenie to wymaga ciągłego zasilania wodą. Należy pamiętać aby procedura załączania
Zakład Budownictwa Wodnego i Hydrauliki
Ć
wiczenie 13
Laboratorium z Mechaniki Płynów
Studia Inżynierskie
2 z 4
sprężarki wykonywana była we właściwej kolejności – załączenie zasilania sprężarki, a
następnie otwarcie dwóch zaworów (odcinającego – kulowy i regulacyjnego) na zasilaniu w
wodę. Podobnie procedura wyłączenia sprężarki wymaga uprzedniego odcięcia zasilania w
wodę, a następnie możliwe jest wyłączenie zasilania elektrycznego sprężarki.
W skład dodatkowego wyposażenia modelu wchodzi czujnik temperatury.
Metodyka pomiarowa.
Należy powoli zbliżać i oddalać rurkę spiętrzającą od wylotu z dyszy zbiornika
sprężonego powietrza – przesunięcie rurki niesie za sobą zmianę wskazania na
manometrze i przy zbyt szybkiej zmianie położenia prowadzi do zapowietrzenia
manometru.
Pomiary należy wykonywać dla ustabilizowanych warunków przepływu – w ruchu
ustalonym będzie to stały poziom wody w manometrze cieczowym.
Pomiary
1.
sprawdzenie modelu – zawór bezpieczeństwa manometru cieczowego powinien być
otwarty;
2.
otworzyć zawory zrzutowe ze zbiornika sprężonego powietrza i separatora – zawory te
należy zamknąć po opróżnieniu obu zbiorników z wody, następnie należy je zamknąć;
3.
określić współrzędne wylotu z dyszy zbiornika sprężonego powietrza;
4.
odsunąć się z rurką Prandtla jak najdalej od wylotu z dyszy;
5.
załączyć zasilanie elektryczne sprężarki;
6.
otworzyć zawory wodociągowe;
7.
poczekać na ustalenie się wartości ciśnienia w zbiorniku;
8.
zamknąć zawór bezpieczeństwa w manometrze cieczowym;
9.
ustawić wlot rurki Prandtla w zadanym punkcie;
10.
pomierzyć różnicę wskazań na manometrze cieczowym;
11.
przesunąć wlot rurki do kolejnego punktu i ponownie wykonać pomiar – ilość i
rozmieszczenie geometryczne punktów pomiarowych podane są w temacie do
ć
wiczenia;
12.
dla zadanych punktów można pomierzyć temperaturę strumienia umieszczając głowicę
czujnika w zadanym punkcie;
13.
wskazane jest kontrolowanie ciśnienia i temperatury w zbiorniku sprężonego powietrza
dla wszystkich punktów pomiarowych;
Zakład Budownictwa Wodnego i Hydrauliki
Ć
wiczenie 13
Laboratorium z Mechaniki Płynów
Studia Inżynierskie
3 z 4
14.
w przypadku wypełnienia separatora wody do ½ wysokości należy przerwać pomiar,
odsunąć rurkę Prandtla od dyszy, opróżnić separator z wody poprzez czasowe otwarcie
zaworu zrzutowego, po opróżnieniu z wody należy odczekać do ustalenia się warunków
ciśnienia w zbiorniku sprężonego powietrza a następnie kontynuować pomiar zgodnie z
punktami 9 – 11;
15.
po zakończeniu pomiarów należy odsunąć rurkę Prandtla od dyszy, otworzyć zawór
bezpieczeństwa na manometrze, odciąć zawór wodociągowy, a następnie wyłączyć
zasilanie sprężarki.
Analiza wyników pomiarów:
•
Obliczenie teoretycznej wartości prędkości powietrza wypływającego z dyszy wymaga
sprawdzenia warunków wystąpienia prędkości krytycznej (p
1
– ciśnienie na zewnątrz
zbiornika, p
0
– ciśnienie w zbiorniku):
kr
p
p
=
+
ℵ
=
−
ℵ
ℵ
0
1
1
2
β
jeśli
kr
p
p
p
p
>
0
0
1
wtedy nie występują warunki krytyczne i prędkość wypływu z dyszy
wyznaczyć można ze wzoru Saint Venanta-Wantzela:
−
⋅
⋅
⋅
−
ℵ
ℵ
⋅
=
ℵ
−
ℵ
1
0
1
0
1
1
1
2
p
p
T
R
υ
jeśli
kr
p
p
p
p
≤
0
0
1
prędkość jest równa prędkości krytycznej
0
max
1
2
T
R
kr
⋅
⋅
−
ℵ
ℵ
⋅
=
=
υ
υ
•
Temperaturę wypływającego gazu T
1
można określić z równania bilansu energii
strumienia gazu dla przemiany adiabatycznej:
2
1
1
2
1
1
0
υ
+
⋅
⋅
−
ℵ
ℵ
=
⋅
⋅
−
ℵ
ℵ
T
R
T
R
•
Prędkość strumienia powietrza w dowolnym punkcie dana jest zależnością:
ρ
ρ
ρ
ψ
ϕ
υ
′
−
⋅
∆
⋅
⋅
⋅
⋅
=
cm
H
g
2
gdzie współczynnik prędkości dla rurki Prandtla jest równy φ =0,98, natomiast
współczynnik ściśliwości gazu można przyjąć ψ = 1, ∆H jest odczytem z manometru
Zakład Budownictwa Wodnego i Hydrauliki
Ć
wiczenie 13
Laboratorium z Mechaniki Płynów
Studia Inżynierskie
4 z 4
cieczowego, a wartości gęstości opisują ciecz manometryczną – wodę (ρ
cm
) w
temperaturze otoczenia, powietrze w pomieszczeniu (ρ’) oraz powietrze w strumieniu (ρ)
– gęstość należy określić dla temperatury pomierzonej w każdym z punktów.
•
Wydatek strumienia w przekroju poprzecznym oddalonym o odległość L od wylotu z
dyszy dany jest zależnością
∑
=
∆
⋅
≈
n
i
i
r
A
Q
i
1
υ
,
gdzie
i
r
υ
jest prędkością uśrednioną dla danego pierścienia, natomiast
i
A
∆
jest polem i-
tego pierścienia.
•
Przeprowadzić dyskusję błędów pomiarowych z wykorzystaniem metody różniczki
zupełnej;
•
Przedstawić wyniki w formie graficznej;
•
Opracować wnioski.