background image

WYPŁYW PRZEZ MAŁY OTWÓR 

 

WYPŁYW PRZEZ MAŁY OTWÓR 

1.

  Cel ćwiczenia  

 

Celem  ćwiczenia  jest  doświadczalne  zbadanie  zjawiska 

wypływu  cieczy  przez  mały  otwór  ze  zbiornika  i  porównanie 
wyników pomiarów z obliczeniami. 

2.

  Podstawy teoretyczne 

  

Ruchem  swobodnym    cieczy  nazywamy  takie  zjawiska, 

w czasie  których    poddana  badaniu  ciekła  bryła  nie  podlega 
w całej  rozciągłości  wydatniejszemu  oddziaływaniu  ścian  stałych, 
lecz  jest  ograniczona    na  swych  krańcach  częściowo  pozostałymi 
partiami 

płynącej 

cieczy 

częściowo 

zaś 

ośrodkiem 

nie oddziałującym w wyczuwalny sposób na przebieg zjawiska. 

 

Wypływ  cieczy  przez  mały  ostrobrzeżny  otwór  można 

traktować jako ruch swobodny . Zjawiska te można opisywać przy 
pomocy  metod  dynamiki  cieczy  doskonałej  ,  a  przy  przejściu 
do analogicznych  zjawisk  cieczy  rzeczywistych  wprowadzamy 
jedynie  współczynniki  doświadczalne  ,  nie  wpływające  na  postać 
wzorów teoretycznych. 

 

Aby  wypływ  cieczy  ze  zbiornika  przez  mały  otwór  był 

ustalony,  zwierciadło  cieczy  w  zbiorniku  musi  pozostawać 
w niezmiennej wysokości, a ciśnienia na zwierciadło i na strumień 
wypływający z otworu musza być stałe . Aby utrzymać zwierciadło 
na  stałym  poziomie  należy  dostarczać  do  zbiornika  tyle  samo 
cieczy, ile w tym czasie z niego przez otwór wypływa. 

 

 

 

Rys. 1.

 

Wypływ cieczy przez mały otwór w obszernym zbiorniku 

F - 

powierzchnia zwierciadła cieczy w zbiorniku  

f -  

swobodny przekrój przepływowy otworu  

h -   różnica  poziomów  pomiędzy  zwierciadłem  cieczy 

a środkiem geometrycznym otworu 

v -   prędkość wypływu cieczy ze zbiornika 
v

0

-   prędkość  z  jaką  zwierciadło  cieczy  poczęłoby  się 

obniżać,  gdybyśmy  odcięli  dopływ  cieczy  do 
zbiornika 

(w 

przypadku 

wypływu 

ustalonego 

prędkość  v

o

  jest  średnią  prędkością  przepływu 

cieczy przez zbiornik)  

p

, p

b

’-  

ciśnienia atmosferyczne w przekrojach F i f . 

Warunek ciągłości ruchu: 

 

v

*

f

v

*

F

0

=

 

(1) 

Stosując twierdzenie Bernoulliego: 

 

γ

γ

/

b

2

b

2

o

p

g

2

v

p

g

2

v

h

+

=

+

+

 

(2) 

background image

WYPŁYW PRZEZ MAŁY OTWÓR 

 

 

2

b

b

F

f

1

p

p

h

g

2

v





=

γ

 

(3) 

 

Jeżeli otwór jest bardzo mały w porównaniu z powierzchnią 

zwierciadła oraz różnica pomiędzy poziomami otworu i zwierciadła 
cieczy  jest  niewielka,  to  :  (f/F)

2

→0  oraz  p

b

'

-p

b

→0.  Uwzględniając 

te  założenia  równanie  na  prędkość  wypływu  cieczy  ze  zbiornika 
można zapisać następująco: 

 

h

g

2

v

=

 

(4) 

Równanie to nazywamy równaniem Torricelliego. 

 

Natężenie przepływu możemy określić zależnością: 

 

gh

2

f

v

f

Q

=

=

 

(5) 

 

Otworem  swobodnym  nazywamy  otwór,  przez  który 

strumień  cieczy  wypływa  w  powietrze  lub  inny  ośrodek  gazowy. 
W zjawiskach  wypływu  cieczy  rzeczywistych  wskutek  istnienia 
oporów  ruchu  prędkość  wypływu  jest  mniejsza  od  teoretycznej 
prędkości 

wypływu, 

obliczonej 

na 

podstawie 

wzoru 

TORTICELLIEGO.  Uwzględniamy  to  za  pomocą  współczynnika 
doświadczalnego  ϕ,  zwanego  współczynnikiem  prędkości,  którego 
wartość  liczbowa  zależy  głównie  od  lepkości  wypływającej  cieczy, 
a ponadto  od  wielkości  i  kształtu  otworu  oraz  od  wysokości 
napełnienia zbiornika. 

 

Prędkość w przekroju wypływowym otworu 

 

gh

2

v

ϕ

=

  

(6) 

przy  czym  współczynnik  prędkości  dla  wody  i  innych  cieczy  o  tej 
samej lepkości wynosi  

ϕ = 0,97 ÷ 0,98 

 

W  zagadnieniach  technicznych  chodzi  nie  tyle  o  prędkość 

wypływu  co  natężenie  wypływu,  tj.  objętość  cieczy  wypływającej 
przez otwór w jednostce czasu.  

 

Gdyby wypływający strumień cieczy miał ten sam przekrój 

co otwór, wówczas natężenie wypływu Q = f v. 

 

W  rzeczywistości  strumień  wypływający  przez  otwór 

ostrobrzeżny  zwęża  się,  tak  iż  jego  przekrój  f

c

  jest  mniejszy 

od przekroju  otworu  f.  Zjawisko  to  wywołane  jest  niemożnością 
nagłej  zmiany  kierunku  przepływu  cząstek,  poruszających  się 
wzdłuż  ścian  zbiornika  przez  otwór  na  zewnątrz  oraz  dławieniem 
strumienia  wzdłuż  krawędzi  otworu.  Stosunek  przekroju  strugi 
w miejscu 

przewężenia 

do 

przekroju 

otworu 

nazywamy 

współczynnikiem zwężenia (kontrakcji): 

 

f

f

c

=

  

(7) 

 

Rys. 2.

 

Zwężenie strumienia przy wypływie przez mały otwór 

 
 

 

background image

WYPŁYW PRZEZ MAŁY OTWÓR 

 

 

Wartość  liczbowa  współczynnika  zwężenia  dla  otworów 

ostrobrzeżnych o dowolnym konturze zawarta jest w granicach: 

χ = 0,61 ÷ 0,64. 

Rzeczywiste natężenie wypływu: 

 

gH

2

f

gH

2

Q

µ

ϕ

=

=

 

(8) 

Iloczyn 

χϕ=µ zwiemy współczynnikiem wypływu. 

 

Wartość 

współczynnika 

wypływu 

dla 

otworów 

ostrobrzeżnych  µ=0.580-0,63  (wartości  liczbowe  współczynników 
wypływu  dla  otworów  o  różnych  kształtach  można  znaleźć 
w poradnikach technicznych ). 

 

Aby  obliczyć  czas  wypływu  cieczy  ze  zbiornika,  należy 

uwzględnić  zmianę  natężenia  wypływu  podczas  opróżniania  się 
zbiornika.  Ogólna  postać  równania  do  wyznaczenia  czasu 
wypływu: 

dt

*

dQ

dV

=

 

gdzie dV jest zależne od kształtu zbiornika 

( )

dz

z

A

dV

=

 

 

Rys. 3. Schemat wypływu cieczy ze zbiornika w kształcie stożka 

Elementarny czas opróżniania zbiornika wynosi: 

( )

c

d

dz

z

A

4

dt

2

µπ

=

 

w  zależności  czy  wyznaczamy  czas  wypływu  całej  cieczy  ze 
zbiornika, czy też pewnej objętości tej cieczy zmieniają się granice 
całkowania. 

Dla zbiornika w kształcie walca czas wypływu wynosi: 

1

2

h
h

2

2

z

g

2

d

D

2

t

=

 

Dla zbiornika w kształcie stożka czas wypływu wynosi: 

1

2

h
h

5

2

2

2

z

g

2

H

d

D

5

2

t

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

WYPŁYW PRZEZ MAŁY OTWÓR 

 

3.

  Opis stanowiska pomiarowego 

 

Stanowisko  pomiarowe  składa  się  z  następujących 

elementów: 

  zbiorników 

różnym 

kształcie 

otworem 

wykonanym w dnie, 

  przeźroczystej  rurki  pomiarowej  umieszczonej  z 

boku każdego ze zbiorników, 

  zaworu regulującego wypływ. 
 

 

 
Rys. 4. Schemat stanowiska pomiarowego 

4.

  Przebieg ćwiczenia 

 

Celem 

ćwiczenia 

jest 

przeprowadzenie 

analizy 

porównawczej  teoretycznego  i  rzeczywistego  czasu  wypływu 
cieczy ze zbiornika. 

Pomiar wartości niezbędnych do wykonania ćwiczenia obejmuje: 

  jednorazowy pomiar średnicy zbiornika D, średnicy otworu 

wypływowego d oraz wysokości zbiornika H, 

  ustalenie  wysokości  lustra  cieczy  h

1

,  h

2,  ... 

h

10

,  pomiędzy 

którymi będzie mierzony czas wypływu, 

  trzykrotny  pomiar  czasu  wypływu  określonej  ilości  cieczy 

dla  każdego  ze  zbiorników  dla  ustalonych  wcześniej 
punktów odniesienia. 

 

Po  wykonaniu  pomiarów  czasu  należy  wykonać  obliczenia 

teoretycznych 

czasów 

wypływu 

dla 

każdego 

przypadku, 

uwzględniając położenie początkowe i końcowe cieczy w zbiorniku. 
Po  wykonaniu  obliczeń  wartości  teoretyczne  i  zmierzone  czasu 
wypływu  nanieść  na  wykres  t

rz

,  t

t

  =  f(h),  przeprowadzić  analizę 

wyników i sformułować wnioski końcowe. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

 

Temat 

Wypływ przez mały otwór 

Data: 

 

Nazwisko: 

 

Imię: 

 

Opracował 

Rok:

*

 

Kierunek:

**

 

 

Podpis osoby prowadzącej zajęcia 

 

*

 s – stacjonarne, ns – niestacjonarne; ** - IŚ, MiBM, TRiL, 

 

Lp. 

Parametr 

Oznaczenie 

Jednostka 

Wartość 

Kształt zbiornika*** 

 

Wysokość zbiornika 

[cm] 

 

Średnica zbiornika 

[cm] 

 

Średnica otworu 

wypływowego 

[cm] 

 

*** S – stożek, W – walec.  
 
 

UWAGA: w czasie zajęć wypełnić pola szare 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Poziom 

cieczy w 

zbiorniku 

Czas 

wypływu 

cieczy 

Czas 

wypływu 

cieczy 

Czas 

wypływu 

cieczy 

Średni 

zmierzony 

czas 

wypływu 

cieczy 

Czas 

wypływu 

obliczony 

Lp. 

[cm] 

t

1

 

[s] 

t

2

 

[s] 

t

3

 

[s] 

t

rz

 

[s] 

t

t

 

[s] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 

 

 

 

 

 

 

11 

 

 

 

 

 

 

12 

 

 

 

 

 

 

13 

 

 

 

 

 

 

14 

 

 

 

 

 

 

15 

 

 

 

 

 

 

background image

 

 

Zapisz przykładowe obliczenia (UWAGA: napisz równanie oraz podstawiane wartości lub 
podaj źródło, z którego korzystałaś/eś) 
 

I.

  Średni zmierzony czas wypływu porcji cieczy t

rz

 [s] (dla wybranego pomiaru np. 8): 

 
 
 

II.

  Czas wypływu obliczony t

t

 [s] (dla wybranego pomiaru np. 8): 

 
 
 
 
WNIOSKI:.....................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................

................................................................................................................................. 

 Załącznik: 

1.

  Wykres  zależności  t

rz,

t

t

  =  f(h)  (Uwaga:  sporządzając  wykres  należy  sumować 

odpowiednio wartości z wierszy od 6 do 15)