background image

Opływ ciała stałego płynem rzeczywistym 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[7_opis].pdf 

 

Ćwiczenie 7 

 

OPŁYW CIAŁA STAŁEGO PŁYNEM RZECZYWISTYM 

 

7.1.  Siły występujące przy opływie ciała stałego przez płyn rzeczywisty 

Przy  opływie  nieruchomych  ciał  stałych  przez  płyn  rzeczywisty  reakcja  wywierana 

przez to ciało na płyn zależy m.in. od: liczby Reynoldsa, kształtu ciała, gładkości powierzchni 

ciała,  rodzaju  opływającego  płynu,  itp.  Działanie  płynu  na  ciało  stałe  jest  wypadkową  sił 

stycznych  (wywołanych  lepkością),  występujących  na  powierzchni  ciała  i  sił 

powierzchniowych (ciśnienia), skierowanych normalnie do jego powierzchni. 

Składowa,  reakcji,  normalna  do  kierunku  ruchu  względnego  ciała  stałego  i  płynu, 

nazywa  się  siłą  nośną.  Dla  ciał  stałych  mających  oś  symetrii  lub  płaszczyznę  symetrii 

równoległą do kierunku ruchu względnego siła nośna jest równa zeru. 

Składowa reakcji, równoległa do kierunku ruchu względnego nazywa się siłą oporu 

czołowego

 

 

Dla  przypadku  powolnego  opływu  kuli,  zaniedbując  w  równaniach  Naviera  -  Stokesa 

wszystkie  człony  reprezentujące  siły  masowe,  Stokes  uzyskał  układ  równań  liniowych 

w uproszczonej postaci: 

( )

( )

( )

( )

( )

2

x

2

2

y

2

z

p

v

x
p

grad p

v

v

y
p

v

z

ì¶

= h×Ñ

ï¶

ï

ï

= h×Ñ

=

= h×Ñ

í¶

ï

ï¶

= h×Ñ

ï

î

r

 

(7.1) 

Uzupełniając układ równań (7.1) równaniem ciągłości w postaci: 

v

v

v

background image

Opływ ciała stałego płynem rzeczywistym 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[7_opis].pdf 

y

x

z

v

v

v

0

x

y

z

+

+

=

 

(7.2) 

oraz biorąc pod uwagę warunki brzegowe : 

2

2

2

x

y

z

2

2

2

2

x

y

z

v

v ,

v

v

0,

p p dla x

y

z

v

v

v

0 dla x

y

z

R

¥

¥

=

=

=

=

+

+

= ¥

=

=

=

+

+

=

 

(7.3) 

określił Stokes, po rozwiązaniu układu równań (7.1) i (7.2) przy warunkach brzegowych (7.3) 

pole prędkości i ciśnienia w cieczy. Na podstawie uzyskanych wyników otrzymał następujący 

wzór na siłę oporu czołowego, działającego na kulę [l, 2]: 

P 6

v R

¥

= × p×h×

×  

(7.4) 

gdzie: 

h - dynamiczny współczynnik lepkości cieczy, 

v

 - prędkość płynu w obszarze niezakłóconym, 

R - promień kuli. 

Uwzględniając w równaniu definicyjnym współczynnik oporu: 

x

2

2

P

c

v

R

2

¥

=

× p×

 

(7.5) 

wzór (7.4) otrzymujemy teoretyczną postać zależności na współczynnik oporu czołowego: 

x

24

c

Re

=

 

(7.6) 

gdzie: 

v

2R

Re

¥

×r×

=

h

 

Rozważania  Stokesa  słuszne  są  tylko  w  obszarze  bezpośrednio  sąsiadującym 

z opływanym  ciałem.  W  dalszej  odległości  od  ciała  siły  masowe  (inercyjne)  nie  mogą  być 

pominięte,  jako  małe  w  porównaniu  z  siłami  lepkości,  ponieważ  w  rzeczywistości  są  one 

większe od sił lepkości. 

Wyniki doświadczeń wykazują słuszność wzoru Stokesa dla liczb Reynoldsa Re ≤ 0,1 [2]. 

Znacznie  lepsze  wyniki  w  zakresie  powolnych  przepływów,  w  sensie  rozszerzenia 

zakresu  liczb  Reynoldsa,  uzyskać  można  zachowując  w  równaniach  Naviera-Stokesa  te 

składniki całkowitej siły masowej, które w dalszej odległości od ciała są duże w porównaniu 

z pozostałymi. 

background image

Opływ ciała stałego płynem rzeczywistym 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[7_opis].pdf 

Przy  tym  założeniu  oraz  przy  podobnych  warunkach  granicznych  uzyskał  Oseen  po 

rozwiązaniu równania wyjściowego: 

( )

( )

2

dv

v

grad p

v

dx

¥

×

= -

+ h×Ñ

r

r

 

(7.7) 

odpowiadającą (7.6) zależność w postaci: 

x

24

3

c

1

Re ...

Re

16

æ

ö

=

+

+

ç

÷

è

ø

 

(7.8) 

Zależność  (7.8)  zwana  jest  wzorem  Oseena.  Wyniki  doświadczeń  potwierdzają  słuszność 

wzoru Oseena dla wartości liczb Reynoldsa Re ≤ 1 [2]. 

Dla  większych  wartości  liczby  Reynoldsa  Re ≤ 100  proponowana  jest  zależność 

empiryczna w postaci [2]: 

1
2

x

24

3

c

1

Re

Re

16

æ

ö

=

+

ç

÷

è

ø

 

(7.9) 

W  przypadku  dużych  wartości  liczb  Reynoldsa,  jak  również  skomplikowanych 

kształtów opływanych ciał, zaleca się ogólną zależność opisującą opór ciała przy opływie płynem: 

2

x

v

P c

S

2

¥

=

×  

(7.10) 

gdzie: 

S - powierzchnia odniesienia (pole powierzchni największego przekroju ciała w płaszczyźnie 

prostopadłej do kierunku prędkości). 

 

Rys. 7.1. Współczynnik oporu dla ciał dwuwymiarowych 

background image

Opływ ciała stałego płynem rzeczywistym 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[7_opis].pdf 

Zależność  (7.10)  otrzymano  za  pomocą  metody  analizy  wymiarowej.  W  ogólności 

wartość współczynnika oporu c

x

 zależy od wielu czynników, z których najważniejszymi są: 

kształt ciała opływanego, liczba Reynoldsa, liczba Macha, itp. 

Zależność  c

x

 = f(Re)  dla  ciał  dwuwymiarowych  podaje  wykres  przedstawiony  na 

rys. 7.1,  natomiast  ma  rys.  7.2  przedstawiono  zależność  współczynnika  oporu  od  liczby 

Reynoldsa dla małych, osiowo-symetrycznych ciał, takich jak: kula, elipsoida, dysk kołowy. 

 

Rys. 7.2. Współczynnik oporu dla małych osiowo-symetrycznych ciał 

 

Asymetrię  rozkładu  ciśnienia  na  przedniej  i  tylnej  części  opływanego  profilu  łatwo 

przedstawić  na  przykładzie  walca  kołowego  o  nieskończonej  długości.  Walec  o  średnicy  d 

jest usytuowany w ten sposób, aby jego oś była normalna do kierunku przepływu płynu. Dla 

bardzo  małych  wartości  liczby  Reynoldsa  Re < 0.5  siły  bezwładności  są  pomijalnie  małe, 

szczególnie  w  bezpośrednim  sąsiedztwie  opływanego  walca.  Kształt  linii  prądu  w  takim 

przypadku  przedstawiony  jest  na  rys.  7.3a.  Jeżeli  wartość  liczby  Reynoldsa  zawiera  się 

w przedziale  2

¸30,  wówczas  obserwuje  się  oderwanie  warstwy  przyściennej  w  punktach  S, 

rys.7.3b.  Powstają  wówczas  dwa  symetryczne  wiry  posiadające  orientację  przeciwną  do 

kierunku przepływu [ 2], [3]. 

background image

Opływ ciała stałego płynem rzeczywistym 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[7_opis].pdf 

 

Rys. 7.3. Rozwój wirów za opływanym walcem 

W  miarę  wzrostu  wartości  liczby  Reynoldsa  powstałe  wiry  powiększają  swoje 

rozmiary,  rys. 7.3c.  Dla  wartości  liczby  Reynoldsa  Re ≥ 40  powstawanie  coraz  to  nowych 

wirów za opływanym ciałem ma charakter nieustalony. Wiry tworzą się na przemian zarówno 

w  górnej  części  za  opływanym  ciałem,  jak  i  w  dolnej  części  (rys. 7.3d).  Proces  ten  ma 

charakter oscylacyjny [2], [3]. 

O wirach, które tworzą się za opływanym walcem przy wartościach liczby Reynoldsa: 

100 < Re < 2·10

5

 można ogólnie powiedzieć, że odrywają się one okresowo i na przemian to od 

górnej,  to  od  dolnej  części  powierzchni  walca.  Powstający  w  takich  okolicznościach  układ 

wirów zwany jest ścieżką wirów Bernard-Karmana. Wiry te oddalają się od walca z prędkością 

znacznie  mniejszą  od  prędkości  strumienia  napływającego  [2],  [4].  Odległość  między 

tworzącymi się dwoma szeregami wirów szybko zdąża do pewnej stałej wartości h, rys.7.4. 

Karman ustalił w drodze teoretycznej, że jedynym statecznym układem wirów jest taki 

układ, dla którego: 

( )

1

h

1

sin h

l 0.281

l

-

=

× =

p

 

(7.11) 

 

 

Rys. 7.4. Ścieżka wirów 

background image

Opływ ciała stałego płynem rzeczywistym 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[7_opis].pdf 

7.2.  Warstwa przyścienna 

W przypadku dużych wartości liczby Reynoldsa, a więc przepływów charakteryzujących 

się  dużymi  prędkościami,  założenia  polegające  na  pominięciu  członów  konwekcyjnych 

w równaniach  Naviera-Stokesa  są obarczone  dużymi  błędami.  Wynika  stąd, że  uproszczenia, 

które doprowadziły Stokesa do równania (7.1) a Oseena - do równania (7.7), tracą tutaj swoją 

ważność.  Pewną  koncepcję  dotyczącą  opływu  płynem  ciał  stałych  przy  założeniu  dużych 

wartości  liczby  Reynoldsa  przedstawił  Prandtl  (7.1).  W  całkowitym  obszarze  przepływu 

w otoczeniu  ciała  stałego  Prandtl  wyróżnił  dwa  podobszary  (rys.  7.5).  Pierwszy  z  nich  (I) 

znajduje  się  w  bezpośrednim  sąsiedztwie  ścianek  ciała,  które  stanowią  jego  ograniczenie. 

Obszar ten nazwano warstwą przyścienną

W  warstwie  przyściennej  siły  lepkości  są  co  najmniej  tego  samego  rzędu  co  siły 

masowe, a więc mają istotny wpływ na ruch płynu. 

Poza warstwą przyścienną leży obszar drugi (II), w którym siły lepkości są pomijalnie 

małe w porównaniu z siłami masowymi. Ostatnia cecha pozwala traktować płyn rzeczywisty 

w obszarze II jako płyn nielepki. Zjawisko powstawania warstwy przyściennej i kształtowania 

się przepływu w tej warstwie można przedstawić w sposób uproszczony: na skutek zjawiska 

adhezji elementy płynu bezpośrednio stykające się z powierzchnią ciała stałego przylegają do 

tej  powierzchni,  tak  że  ich  prędkość  względna  jest  równa  zeru.  Innymi  słowy  elementy  te 

pozostają w spoczynku lub poruszają się z tą samą prędkością co opływane ciała stałe. 

Przejście do zerowej wartości prędkości względnej na powierzchni opływanego ciała do 

prędkości przepływu  istniejącej w pewnej odległości od tej powierzchni (obszar II) odbywa 

się w sposób ciągły (rys. 7.5). 

 

Rys. 7.5. Obszar przepływu w otoczeniu ciała stałego 

 

Gradient  prędkości 

v
n


  w  warstwie  przyściennej  maleje  ze  wzrostem  odległości  od 

powierzchni  ciała,  tak  że 

2

2

v

0

n

<

.  Odległość  od  powierzchni  ciała,  dla  której 

v

0

n

»

background image

Opływ ciała stałego płynem rzeczywistym 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[7_opis].pdf 

nazywa się grubością warstwy przyściennej. Określenie grubości warstwy przyściennej musi 

pozostać  jednak  umowne,  gdyż  teoretycznie  gradient  prędkości  osiąga  wartość  zerową  dla 

nieskończonej odległości w kierunku n. Często w praktyce zakłada się, że różnica pomiędzy 

wartością  prędkości  na  granicy  warstwy  przyściennej  wynosi  1%  w  stosunku  do  wartości 

prędkości  przepływu  nielepkiego.  Zakładając  stacjonarność  przepływu  oraz  małą  grubość 

laminarnej warstwy przyściennej można dla obszaru warstwy przyściennej zapisać [1], [4]: 

2

2

v

v

v

x

y

r× ×

» h

 

(7.12) 

Dla płaskiej płytki o długości l (jak na rys.7.6) można założyć: 

v

v
x

l

¥

»

 

(7.13) 

Uwzględniając (7.13) w (7.12) siłę bezwładności nożna zapisać w postaci: 

2

2

2

v

v

l

y

¥

» h

 

(7.14) 

Zakładając ponadto, że gradient prędkości w kierunku normalnym ma wielkość rzędu: 

v

v
y

¥

=

d

 

(7.15) 

wyrażenie (7.12) można ostatecznie zapisać: 

2

2

v

v

l

¥

¥

» h

d

 

(7.16) 

Przekształcając (7.16) otrzymamy: 

1

v l

Re

¥

n

d »

»

×

 

(7.17) 

Z (7.17) wynika, że grubość warstwy przyściennej  jest odwrotnie proporcjonalna do 

pierwiastka kwadratowego z liczby Reynoldsa. 

 

 

Rys. 7.6. Schemat przepływu w laminarnej warstwie przyściennej 

background image

Opływ ciała stałego płynem rzeczywistym 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[7_opis].pdf 

7.3.  Oderwanie warstwy przyściennej 

Zjawisko  oderwania  warstwy  przyściennej  wiąże  się  ze  zmianą  rozkładu  prędkości 

wzdłuż  powierzchni  opływanego  ciała  [1],  [2],  [3].  Na  element  płynu  w  warstwie 

przyściennej  działają  siły  styczne  wywołane  lepkością  (wypadkowa  tych  sił  zwrócona  jest 

przeciwnie  do  prędkości)  i  siły  ciśnieniowe,  mające  charakter  przyspieszający  lub 

opóźniający w zależności od tego czy ciśnienie wzdłuż opływanej powierzchni maleje czy też 

wzrasta. 

W przypadku,  jeśli  ciśnienie wzrasta wzdłuż opływanej  powierzchni czyli (p+dp) > p, 

wówczas  wypadkowa  sił  stycznych  T  Jest  skierowana  przeciwnie  do  prędkości  elementu 

płynu, a ruch w ogólności staje się opóźniony. 

Zgodnie  z  powyższym,  rozkład  prędkości  w  warstwie  przyściennej  zmienia  się 

w sposób pokazany na rys. 7.8. 

W  wyniku  takiego  rozkładu  prędkości  powstaje  zjawisko  oderwania  warstwy 

przyściennej. Z rys. 7.8 wynika, że proces odrywania warstwy przyściennej zależy głównie od 

gradientu  ciśnienia  wzdłuż  opływanej  powierzchni.  W  przypadku 

p

0

x

>

  następuje 

przyspieszenie  zjawiska  oderwania,  natomiast 

p

0

x

<

  -  opóźnia  zjawisko  oderwania.  Na 

zjawisko  oderwania  warstwy  przyściennej  ma  również  wpływ  szereg  innych  czynników, 

takich jak: charakter ruchu płynu (laminarny, turbulentny) w warstwie przyściennej, gładkość 

opływanej  powierzchni,  odsysanie  warstwy  przyściennej,  miejscowe  ochładzanie  opływanej 

powierzchni,  dodatkowy  ruch  względny  opływanego  ciała  (np.  ruch  wirowy  walca  wokół 

własnej osi), wprowadzenie tzw. turbulizatorów, itp. 

 

 

Rys. 7.7. Siły działające na element płynu w warstwie przyściennej 

 

background image

Opływ ciała stałego płynem rzeczywistym 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[7_opis].pdf 

 

Rys.7.8. Zmiana prędkości w warstwie przyściennej oraz rozkładu ciśnienia na powierzchni opływanej 

 

Rys. 7.9. Rozkład ciśnienia na powierzchni profilu kołowego: a) teoretyczny, b) rzeczywisty dla 

małych wartości Re, c) rzeczywisty dla dużych wartości Be. 

 

W przypadku  niezakłóconego opływu kuli  lub profilu kołowego  można obserwować 

dwojaki  sposób  oderwania  warstwy  przyściennej,  uwarunkowany  małymi  lub  dużymi 

wartościami liczby Reynoldsa [5]. 

Opływ  przedniej  części  kuli  lub  profilu  kołowego  odbywa  się  w  warunkach  nie 

sprzyjających  oderwaniu  warstwy  przyściennej.  Od  punktu  O,  zwanego  punktem  stagnacji 

(maksymalne  nadciśnienie),  do  punktu  1,  zwanego  punktem  oderwania  (maksymalne 

podciśnienie),  występuje  ujemny  gradient  ciśnienia.  Teoretycznie  punkt  1  jest  przesunięty 

względem punktu O o kąt 90°. W rzeczywistości punkt oderwania 1 występuje wcześniej (np. 

dla walca kołowego, kąt środkowy 

( )

o

o

0,1

70 : 85

=

R

. Jeżeli w punkcie 1 ruch w warstwie 

przyściennej  zachował  jeszcze  charakter  laminarny,  to  przy  dodatnim  gradiencie  ciśnienia 

nastąpi  szybka  zmiana  energii  kinetycznej  na  energię  potencjalną  ciśnienia  i  oderwanie 

background image

10 

Opływ ciała stałego płynem rzeczywistym 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[7_opis].pdf 

w pobliżu punktu 2, kąt środkowy wynosi 

( )

o

0, 2

80

=

R

. Jeżeli w punkcie 1 ruch w warstwie 

przyściennej  jest  już  turbulentny,  to  mimo  dodatniego  gradientu  ciśnienia  w  prawo od tego 

punktu  (rys.  7.9c)  energia  kinetyczna  warstwy  przyściennej  wyczerpuje  się  na  znacznie 

dłuższej  drodze  i  oderwanie  ma  miejsce  w  punkcie  2,  położonym  dalej  na  prawo,  kąt 

środkowy wynosi 

( )

o

o

0, 2

110 : 120

=

R

7.4.  Pomiar  rozkładu  ciśnienia  na  profilu  opływanym  /kula,  walec  osiowo 

symetryczny/ 

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie rozkładu ciśnienia na powierzchni ciała opływanego. 

Na pobocznicy walca znajduje się otwór stanowiący punkt odbioru ciśnienia. Otwór ten jest 

połączony przewodem gumowym z mikromanometrem. Za pomocą mikromanometru można 

zmierzyć  ciśnienie  w  kolejnych  położeniach  kątowych  opływanego  ciała.  Położenie  otworu 

odbioru ciśnienia zmienia się w zakresie od 0° do 100° co 10°, a następnie od 100° do 180°, 

co 20°, przyjmując położenie 0° jako położenie poziomego otworu. Ze względu na symetrię 

walca  prowadzimy  pomiar  tylko  w  zakresie  od  0°  do  180°,  zapisując  odczytane  wartości 

ciśnień dla uprzednio nastawionych położeń kątowych. 

 

Rys. 7.10. Schemat stanowiska pomiarowego: 1 - dmuchawa powietrzna, 2 - prostoosiowa rura 

kołowa, 3 - stabilizator przepływu, 4 - walec opływany, 5 - mikroanemometr różnicowy 

 

 

Rys. 7.11. Ustawienie kątowe otworu stanowiącego punkt odbioru ciśnienia 

background image

Opływ ciała stałego płynem rzeczywistym 

11 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[7_opis].pdf 

7.5.  Wyznaczanie siły oporu 

W  celu  wyznaczenia  wartości  siły  oporu  elementu  opływanego  należy  zmierzyć 

prędkość  v

  płynu  opływającego,  przy  czym  przez  v

  rozumieć  będziemy  tzw.  prędkość 

w nieskończoności,  a  więc  prędkość  niezakłóconego  obecnością  przeszkody  przepływu, 

równoległego  do  osi  rurociągu.  W  następnym  etapie  należy  obliczyć  wartość  liczby 

Reynoldsa  i  w  zależności  od  wartości  Re  skorzystać  z  wzorów  (7.6)  lub  (7.9)  oraz  (7.10). 

W przypadku  dużych  wartości  liczby  Reynoldsa  należy  skorzystać  z  wykresów 

zamieszczonych na rys.7.1 lub 7.2 i odczytać wartość współczynnika c

x

. Ostatecznie wartość 

siły oporu wyznacza się w oparciu o wzór (7.10).] 

 

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1,05

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

1,35

1,4

100

1000

10000

100000

Re

c

x

 

Rys. 7.12. Zależność współczynnika oporu czołowego, dla walca kołowego o nieskończonej długości 

w przedziale 10

2

 < Re < 10

7.6.  Literatura 

[1] Prosnak W. J.: Mechanika płynów. T.I. PWN, Warszawa 1970, s. 526-535. 

[2] Massey  B. S.: Mechanics of Fluids Dynamics, vol. 1, D. Van Nostrand Company LTD, 

1968, s. 245 - 273. 

[3] Curie N., Davies H. J.: Modern Fluids Dynamics, vol. 1, D. Van Nostrand Company LTD, 

1968. 

[4] Troskolański A. T.: Hydromechanika. WNT, Warszawa 1959, s. 462 - 482. 

[5] Bukowski J.: Mechanika płynów. WNT, Warszawa 1972, s. 258 - 288.