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.