background image

1. Cel i zakres doświadczenia 

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z rodzajami ruchu występującymi w przewodach 
ciśnieniowych, rozpoznawanie różnic pomiędzy ruchem  laminarnym a turbulentnym oraz 
wyznaczenie górnej i dolnej wartości liczby Reynoldsa poprzez zaprojektowanie 
doświadczenia i wykonanie stosownych obliczeń.  

 

2. Opis analizowanego zjawiska 

Badanie wykonywane przez  Osborne’a Reynoldsa w roku 1883 wykazały istnienie dwóch 
rodzajów ruchu płynu: laminarnego oraz turbulentnego. 

O ruchu laminarnym możemy mówić, gdy cząsteczki cieczy poruszają się prostoliniowo, 
równolegle do osi podłużnej przewodu. Oznacza to, że kolejne warstwy płynu nie ulegają 
mieszaniu. Ruch laminarny występuje przy niewielkich prędkościach przepływu. 

Ruchem turbulentnym nazywamy przepływ, w którym cząstki cieczy poruszają się w różnych 
kierunkach , ich ruch jest nieuporządkowany a wektory prędkości można rozłożyć na dwa 
kierunki- równoległy i prostopadły do osi przewodu. Zjawisko to jest wywołane faktem, iż 
cząstki wykonują zarówno ruch postępowy, jak i wsteczny, co doprowadza do ich zderzania 
się i mieszania. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 1 Ilustracja zjawiska przepływu laminarnego i turbulentnego 

 

Z przeprowadzonych przez Reynoldsa badań wynikało, że dane rodzaje ruchu nie występują 
losowo, lecz pojawiają się w pewnych granicach wartości liczby Re, którą nazywamy liczbą 
Reynoldsa. Jest to wartość bezwymiarowa . 

przepływ 

laminarny 

przepływ 

turbulentny 

background image

Liczba Reynoldsa powinna się zawierać w granicach 

2320 < Re < 50000 

3. Idea przeprowadzenia doświadczenia 

 

Poprawnie wykonane doświadczenie potwierdzające teorię Reynoldsa powinno składać się z 
dwóch części: 

-obserwacja zachodzących zjawisk oraz wykonanie odpowiednich pomiarów przy 
przechodzeniu z ruchu laminarnego w turbulentny 

- obserwacja zachodzących zjawisk oraz wykonanie odpowiednich pomiarów przy 
przechodzeniu z ruchu turbulentnego w laminarny. 

Najprostszym sposobem na wyznaczenie liczby Reynoldsa w warunkach laboratoryjnych jest 
korzystanie ze wzoru (1) wykorzystującego prędkość przepływu cieczy i średnice wewnętrzną 
rury: 
 

 =

 · 



 

(1) 

gdzie: 

V - objętość zmierzonej cieczy [m

3

D - średnica rury [m] 
t - czas  [s] 

 - kinetyczny współczynnik lepkości 

 

Rozpoczynając pomiary od ruchu laminarnego należy stopniowo zwiększać przepływ, 
równolegle dodając barwnika. Ważnym jest, aby barwnik był dodawany równomiernie, by 
zaburzenie ilości barwnika, o większej gęstości niż woda, nie powodowało wrażenia 
wchodzenia w fazę ruchu turbulentnego. W momencie zaobserwowania na wysokości ok 30D 
od źródła barwnika zjawiska rozpraszania cząstek barwnika w wodzie należy wykonać 
pomiar dowolnie pobranej objętości oraz czasu, który jej odpowiadał. Pomiary należy 
wykonywać w seriach, w celu uśrednienia wartości prędkości przepływu. W celu eliminacji 
wyników znacznie odchylających się od normy serii należy wykonać przynajmniej 4. 

W przypadku pomiarów  przy przechodzeniu z ruchu turbulentnego w laminarny należy 
zaobserwować moment, w którym cząsteczki z ruchu chaotycznego zaczynają poruszać się 
prostoliniowo, równomiernie. W tym momencie również należy wykonać przynajmniej 4 
serie pomiarów. Wyniki zapisać. 

background image

SCHEMAT URZĄDZENIA – Załącznik nr 1 

4. Opis przebiegu doświadczenia 

 

1.  Sprawdzono poprawność działania i szczelność instalacji. 
2.  Odkręcono główne zawory doprowadzające  wodę. 

 

3.  Wykonywano pomiary: 

a)  Przepływ laminarny: 

- odkręcano zawór (2) wywołując niski przepływ cieczy 
- równolegle z zaworem (2) odkręcano pokrętło (1) wywołujące wypływ barwnika 
do cieczy 
- stosunkowo zwiększano przepływ cieczy za pomocą zaworu (2) aż do momentu  
zaobserwowania stopniowego rozpływania się  barwnika w cieczy na wysokości 
30 D (60 cm) 

b) Przepływ turbulentny:  

- odkręcano zawór (2) wywołując wysoki przepływ cieczy 
- równolegle z zaworem (2) odkręcano pokrętło (1) wywołujące wypływ barwnika 
do cieczy 
- stosunkowo zmniejszano przepływ cieczy za pomocą zaworu (2) aż do momentu  
zaobserwowania stopniowego zanikania drgania barwnika w cieczy na wysokości 
30 D (60 cm) 

4.Nie zmieniając wartości przepływu pobierano dowolną objętość cieczy do cylindra 

miarowego, jednocześnie mierząc czas wykonywanych działań na stoperze. Dla 
danego przepływu pomiaru dokonywano dwa razy (2 pomiary w 1 serii). 

5. Wyniki zapisywano w protokole. 

6. Wykonano 4 serie pomiarów. 

7. Spisano dokładności używanych przyrządów 

 

 

 

 

 

 

background image

5. Przebieg doświadczenia 

Dane: 
Temperatura wody:  
t = 15

⁰C → T = 288 K 

Odczytano wartość kinematycznego współczynnika lepkości wody z tablic

1

 na podstawie 

zmierzonej temperatury wody: 

 = 1,142·10

-6 

 

Dokładności używanego sprzętu: 
 
cylinder miarowy 
∆V = 1 [cm

3

] = 0,01

3

 [m

3

 
termometr 
 ∆t

temp 

= 1 [

o

C] 

∆T = 1 [K] 
 
stoper 
∆t

czas 

= 0,01 [s] 

 
rura 
∆D = 0 [m] – przyjmujemy, że średnica rury została podana 
 

Określenie dolnej krytycznej liczby Reynoldsa 

 

 
Objętości mierzonej cieczy i uzyskane czasy im odpowiadające przedstawiono w tabeli nr 1. 

Średnica przewodu: 20 mm = 20·10

-3

 m 

Przejście z ruchu turbulentnego w laminarny 

Nr serii 

pomiarowej 

Nr pomiaru w 

serii 

Objętość  

[cm

3

Objętość V 

[m

3

Czas t 

[s] 

96 

0,000096 

6,24 

94 

0,000094 

7,42 

144 

0,000144 

11,27 

96 

0,000096 

7,3 

60 

0,00006 

5,11 

108 

0,000108 

9,2 

82 

0,000082 

6,94 

138 

0,000138 

11,9 

Tabela nr 1: Pomiary wykonane dla przejścia z ruchu turbulentnego w laminarny. 

 

background image

Korzystając z powyższych danych wykonano obliczenia przy użyciu poniższych wzorów 
(obliczenia wykonywane są dla pomiaru 1 w serii 1): 

 =





 

Gdzie: 

Q – natężenie przepływu cieczy mierzone w 



  

V – objętość cieczy mierzona w [m

3

 t – czas mierzony w [s] 
 

 =

,

,

=  0,00001538 



 

Korzystając ze wzoru na Q wyliczono prędkość przepływu wody 

: 

 

 =

 ∙ 



4 · 

 

 

 =

1 ∙ 

 ∙ 



 

 

!" =

1 ∙ #

$

%

1 ∙ #



#

 

 
Gdzie: 
D - średnica przewodu mierzona w [m] 
 

 =

4 ∙ 0,00001538

 ∙ (20 ∙ 10

($

)



=  0,04897  

#

 

 
Jako że strumień wody w poszczególnych seriach podczas mierzenia nie ulegał zmianom, 
obie prędkości powinny być do siebie zbliżone. Wyliczono teraz prędkość średnią dla 
pierwszej serii korzystając ze wzoru na średnią arytmetyczną: 

ῡ =

∑ υi

0

123

 

ῡ =

0,04897 + 0,04033

2

= 0,04465  

#

 

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 

1

 - "Tablice i wykresy do obliczeń z mechaniki płynów"  W. Stefański, K. Wyszkowski  

      Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej 1979 

background image

Korzystając ze wzoru na liczbę Reynoldsa jesteśmy w stanie ją wyliczyć: 

 =

 · 



 

!" =

7

8

7

8

= !−"  

 =

0,04897 ∙ 20 · 10

($

1,142 ∙ 10

(

= 857,66 !−" 

 

Korzystając ze średniej arytmetycznej określono dolną krytyczną liczbę Reynoldsa: 
 

 =

∑ Rei

0

123

n

 

 =

857,66 + 706,24 + 712,3 + 733,12 + 654,57 + 654,43 + 658,69 + 646,49

8

=  702,94 !−" 

 

 Wszelkie wyniki obliczeń znajdą się w tabeli nr 2. 

Tabela nr 2: Wyniki wszystkich dokonanych obliczeń zestawione w jednym miejscu. 

 Wyliczono niepewność pomiarową natężenia przepływu cieczy korzystając ze wzoru: 

ΔQ = >

?

?> ∙ ∆ + >

?

? > ∙ ∆ = >

1

> ∙ ∆ + > ∙ A−

1





B> ∙ ∆ 

 

ΔQ = >

1

6,24> ∙ 0,01

$

+ >0,00009600 ∙ A−

1

6,24



B> ∙ ∆0,01 = 0,0000002 C

#

$

% D

 

 

Średnica przewodu: 20·10

-3 

Przejście z ruchu turbulentnego w laminarny 

Nr serii 

pomiarowej 

Nr pomiaru w 

serii 

Objętość V 

[m

3

Czas t 

[s] 



 

 

ῡ 

 

Re 

!−" 

Re 

!−" 

0,000096 

6,24  0,00001538  0,04897 

0,04465 

857,66 

702,94 

0,000094 

7,42  0,00001267  0,04033 

706,24 

0,000144 

11,27  0,00001278  0,04067 

0,04127 

712,30 

0,000096 

7,3 

0,00001315  0,04186 

733,12 

0,00006 

5,11  0,00001174  0,03738 

0,03737 

654,57 

0,000108 

9,2 

0,00001174  0,03737 

654,43 

0,000082 

6,94  0,00001182  0,03761 

0,03726 

658,69 

0,000138 

11,9  0,00001160  0,03691 

646,49 

background image

Wyliczono niepewność pomiarową prędkości korzystając ze wzoru: 

Δ = >

?

?> ∙ ∆ + >

?

?> ∙ ∆ = >

4

 ∙ 



> ∙ ∆ + >

4 ∙ 

 ∙ A−

2



$

B> ∙ ∆ 

 

Δ = >

4

 ∙ 0,02



> ∙ 0,0000002 + >

4 ∙ 0,00001538



∙ A−

2

0,02

$

B> ∙ 0 = 0,0006  

#

 

 
 

Wyliczono niepewność pomiarową liczby Reynoldsa korzystając ze wzoru: 

Δ = >

?

? > ∙ ∆ + >

?

? > ∙ ∆ + >

?

? > ∙ ∆ = >



> ∙ ∆ + > ∙  ∙ A−

1





B> ∙ ∆ + E



E ∙ ∆

 

Δ = >

0,02

1,142 ∙ 10

(

> ∙ 0,0006 + >0,02 ∙ 0,04897 ∙ A−

1

(1,142 ∙ 10

(

)



B> ∙ 0

+ >

0,04897

1,142 ∙ 10

(

> ∙ 0 = 10,31 !−" 

Średnica przewodu: 20·10

-3

 m 

Przejście z ruchu turbulentnego w laminarny 

Nr serii pomiarowej 

Nr pomiaru w serii 

∆Q 



 

 

∆Re 

!−" 

0,0000002 

0,0006 

10,31 

0,0000002 

0,0005 

8,46 

0,0000001 

0,0003 

5,58 

0,0000002 

0,0005 

8,64 

0,0000002 

0,0007 

12,19 

0,0000001 

0,0004 

6,77 

0,0000002 

0,0005 

8,98 

0,0000001 

0,0003 

5,23 

Tabela nr 3: Policzone niepewności pomiarowe dla każdego pomiaru. 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Określenie górnej krytycznej liczby Reynoldsa 

 
Objętości mierzonej cieczy i uzyskane czasy im odpowiadające przedstawiono w tabeli nr 4. 

 

Średnica przewodu: 20 mm = 20·10

-3

 m 

Przejście z ruchu laminarnego w turbulentny 

Nr serii 

pomiarowej 

Nr pomiaru w 

serii 

 Objętość 

[cm

3

Objętość V 

[m

3

Czas t 

[s] 

159 

0,000159 

8,19 

116 

0,000116 

6,34 

66 

0,000066 

4,43 

184 

0,000184 

12,18 

196 

0,000196 

12,32 

68 

0,000068 

4,4 

82 

0,000082 

5,5 

52 

0,000052 

3,54 

Tabela nr 4: Pomiary wykonane dla przejścia z ruchu laminarnego w turbulentny. 

Korzystając z powyższych danych wykonano obliczenia przy użyciu poniższych wzorów 
(obliczenia wykonywane są dla pomiaru 1 w serii 1): 

 =





 

Gdzie: 

Q – natężenie przepływu cieczy mierzone w 



  

V – objętość cieczy mierzona w [m

3

t – czas mierzony w [s] 

 =

,3F

G,3

=  0,00001941 



 

Korzystając ze wzoru na Q wyliczono prędkość przepływu wody 

: 

 

 =

 ∙ 



4 · 

 

 =

4 ∙ 

 ∙ 



 

!" =

1 ∙ #

$

%

1 ∙ #



#

 

Gdzie: 
D - średnica przewodu mierzona w [m] 

background image

 =

4 ∙ 0,00001941

 ∙ (20 ∙ 10

($

)



=  0,06180 

#

 

 
Jako że strumień wody w poszczególnych seriach podczas mierzenia nie ulegał zmianom, 
obie prędkości powinny być do siebie zbliżone. Wyliczono prędkość średnią dla pierwszej 
serii korzystając ze wzoru na średnią arytmetyczną: 

ῡ =

∑ υi

0

123

n

 

ῡ =

0,06180 + 0,05824

2

= 0,06002  

#

 

Korzystając ze wzoru na liczbę Reynoldsa jesteśmy w stanie ją wyliczyć: 

 =

 · 



 

!" =

7

8

∙∙

7

8

= !−"  

 =

0,06180 · 20 · 10

($

1,142 ∙ 10

(

= 1082,28 !−" 

 
 
Korzystając ze średniej arytmetycznej określono górną krytyczną liczbę Reynoldsa: 
 

 =

∑ Rei

0

123

n

 

 =

1082,28 + 1019,99 + 830,55 + 842,17 + 886,89 + 861,56 + 831,15 + 818,89

8

=  896,68 !−" 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Wszelkie wyniki obliczeń znajdą się w tabeli nr 5 

Średnica przewodu: 20·10

-3 

Przejście z ruchu laminarnego w turbulentny 

Nr serii 

pomiarowej 

Nr pomiaru w 

serii 

Objętość V 

[m

3

Czas t 

[s] 



 

 

ῡ 

  Re !−" 

Re 

!−" 

0,000159 

8,19  0,00001941  0,06180 

0,06002 

1082,28 

896,68 

0,000116 

6,34  0,00001830  0,05824 

1019,99 

0,000066 

4,43  0,00001490  0,04742 

0,04776 

830,55 

0,000184 

12,18  0,00001511  0,04809 

842,17 

0,000196 

12,32  0,00001591  0,05064 

0,04992 

886,89 

0,000068 

4,4 

0,00001545  0,04919 

861,56 

0,000082 

5,5 

0,00001491  0,04746 

0,04711 

831,15 

0,000052 

3,54  0,00001469  0,04676 

818,89 

Tabela nr 5: Wyniki wszystkich dokonanych obliczeń zestawione w jednym miejscu. 

 

Wyliczono niepewność pomiarową natężenia przepływu cieczy korzystając ze wzoru: 

ΔQ = >

?

?> ∙ ∆ + >

?

? > ∙ ∆ = >

1

> ∙ ∆ + > ∙ A−

1





B> ∙ ∆ 

 

ΔQ = >

1

8,19> ∙ 0,01

$

+ >0,0001590 ∙ A−

1

8,19



B> ∙ ∆0,01 = 0,0000001 C

#

$

% D

 

 

Wyliczono niepewność pomiarową prędkości korzystając ze wzoru: 

Δ = >

?

?> ∙ ∆ + >

?

?> ∙ ∆ = >

4

 ∙ 



> ∙ ∆ + >

4 ∙ 

 ∙ A−

2



$

B> ∙ ∆ 

 

Δ = >

4

 ∙ 0,02



> ∙ 0,0000001 + >

4 ∙ 0,00001941



∙ A−

2

0,02

$

B> ∙ 0 = 0,0005 

#

 

 
 
 

Wyliczono niepewność pomiarową liczby Reynoldsa korzystając ze wzoru: 

Δ = >

?

? > ∙ ∆ + >

?

? > ∙ ∆ + >

?

? > ∙ ∆ = >



> ∙ ∆ + > ∙  ∙ A−

1





B> ∙ ∆ + E



E ∙ ∆

 

Δ = >

0,02

1,142 ∙ 10

(

> ∙ 0,0005 + >0,02 ∙ 0,06180 ∙ A−

1

(1,142 ∙ 10

(

)



B> ∙ 0

+ >

0,06180

1,142 ∙ 10

(

> ∙ 0 = 8,13 !−" 

background image

Średnica przewodu: 20·10

-3 

Przejście z ruchu laminarnego w turbulentny 

Nr serii pomiarowej 

Nr pomiaru w serii 

∆Q 



 

 

∆Re 

!−" 

0,0000001 

0,0005 

8,13 

0,0000002 

0,0006 

10,40 

0,0000003 

0,0008 

14,46 

0,0000001 

0,0003 

5,27 

0,0000001 

0,0003 

5,24 

0,0000003 

0,0008 

14,63 

0,0000002 

0,0007 

11,65 

0,0000003 

0,0010 

18,06 

Tabela nr 6: Policzone niepewności pomiarowe dla każdego pomiaru. 

 

6. Wnioski 

Uzyskane wartości liczby Reynoldsa nie odpowiadają dokładnie wartościom, które należało 
uzyskać. Dolna wartość Re wynosi w naszym przypadku 702,94 [-], zaś wartość górna 896,68 
[-]. Uzyskanie wartości mieszczących się w granicach (2300-50000

 

[-]) nie były w pełni 

możliwe, gdyż wykonywane pomiary zostały obarczone kilkoma błędami, jak na przykład: 
- niejednoznaczność granicy przechodzenia ruchu turbulentnego w laminarny oraz 
laminarnego w turbulentny; 
- nierównoczesny pomiar czasu i objętości; 
- błędy przyrządów mierniczych; 
- skraplanie się pary wodnej na zimnej rurze pod koniec pomiarów, co utrudniało ocenę 
przepływu; 
- drganie instalacji na skutek dużego przepływu wody do zbiornika oraz pracy pompy; 
- różnica w gęstości barwnika i wody oraz niemożność uzyskania jednakowego strumienia 
barwnika w ciągu przeprowadzania całego doświadczenia, co utrudniało określenie typu 
ruchu ( barwnik opadał szybciej w pewnych miejscach, co powodowało efekt rozmycia); 
- zmiana strumienia przepływu cieczy bez ingerencji osób przeprowadzających 
doświadczenie, zapewne na skutek drgań oraz przepływu cieczy; 

Uzyskane wyniki można poprawić stosując bardzo dużą dokładność osób 
przeprowadzających doświadczenie, jednakże nie zniweluje to błędów mechanicznych 
instalacji, więc pomiary nadal nie będą w pełni oddawały zachodzących zjawisk.