background image

 

Ćwiczenie 2 

 

Stosunek prędkości średniej do maksymalnej 

 

 

I.

 

Celem  ćwiczenia  jest  eksperymentalne  określenie  stosunku  prędkości  średniej  do 

maksymalnej przy przepływie powietrza przez przewód o przekroju kołowym. 

 

II.

 

Wprowadzenie 

Rozważmy  ustalony  przepływ  nieściśliwego  lepkiego  płynu  przez  przewód 

kołowy  o  stałej  średnicy  D 2R

=

.  Pomijamy  siły  masowe  (G 0)

=



.  Do  rozważań 

wybieramy  cylindryczny  układ  współrzędnych  (r,  φ,  z)  związany  z  przewodem  w  taki 

sposób,  że  oś 

z  pokrywa  się  z  geometryczną  osią  rury,  a  jej  zwrot  jest  zgodny  ze 

zwrotem  wektora  prędkości.  Zakładamy,  że  pole  prędkości  przepływu 

v  jest 

symetryczne względem tej osi i jest funkcją promienia 

r.  

Przyjmując,  że  ruch  jest  laminarny,  możemy  taki  przepływ  opisać  równaniem 

Naviera-Stokesa w postaci: 

2

2

1 dp

d v

1 dv

dz

dr

r dr

= ν

+

ρ

 

 

 

 

 

(2.1) 

gdzie: ρ – gęstość płynu (ρ = const), 

 

p – ciśnienie, 

 

ν

 – kinematyczny współczynnik lepkości (ν = const). 

 

Gradient ciśnienia równoległy do osi rury (gdyż 

G 0

=



) jest stały i równy: 

 

dp

p

const

dz

L

= −

=

   

 

 

 

 

(2.2) 

gdzie: ∆p – różnica ciśnień między przekrojami rury odległymi o L. 

 

 

 

 

 

background image

 

 

Rys.2.1.

 Kinematyczny współczynnik lepkości powietrza w funkcji temperatury i ciśnienia 

 

 

 

Zatem 

2

2

1 p

d v

1 dv

L

dr

r dr

= ν

+

ρ

 

Powyższą postać równania możemy przekształcić następująco: 

 

1 p

1 d

dv

r

L

r dr

dr

= ν

ρ

 

Po dwukrotnym scałkowaniu otrzymujemy: 

 

[

]

2

1

2

1 p r

v(r) C ln r C

L 4

= ν

+

+

ρ

 

 

 

 

(2.3) 

Rozwiązanie  (2.3)  musi  być  ze  względów  fizycznych  ograniczone  do  każdego  r,  w 

szczególności  dla  r

0

=

.  Zatem 

1

C

0

=

,  gdyż 

r

0

limln r

= −∞

.  Natomiast  prędkość  płynu 

lepkiego na powierzchni kontaktu z ciałem stałym równa się zeru: 

__

r

R,

0

_

v

=

=

 

Wobec tego zachodzi: 

2

2

pR

C

4L

= −

µ

 

background image

 

Poszukiwaną funkcję v(r) może napisać w postaci 

2

2

2

pR

r

v(r)

1

4 L

R

=

µ

 

 

 

 

(2.4) 

gdzie: µ – dynamiczny współczynnik lepkości. 

 

Profil  prędkości  przedstawiony  zależnością  (2.4)  ma  kształt  paraboloidy  obrotowej. 

Funkcja (2.4) w osi przewodu (r 0)

=

 ma maksimum równe: 

2

max

pR

v

v(r 0)

4 L

=

= =

µ

 

 

 

 

(2.5) 

Całkując  prędkość  (2.4)  po  powierzchni  przekroju  przewodu,  oblicza  się  strumień 

objętości: 

R

R

2

2

4

2

F

0

0

2

pR

r

pR

Q

vdF 2

rv(r)dr

r 1

dr

4 L

R

8 L

π∆

π∆

=

= π

=

=

µ

µ

 

 

(2.6) 

 

Prędkość średnią możemy wyliczyć z definicyjnej zależności: 

4

2

sr

2

Q

pR

pR

v

F

8 L R

8 L

π∆

= =

=

µ π

µ

   

 

 

 

(2.7) 

 

Porównując (2.5) i (2.7) widzimy, że w ruchu laminarnym prędkość średnia równa jest 

połowie prędkości maksymalnej. 

sr

max

1

v

v

2

=

 

 

 

 

 

 

(2.8) 

 

W  przepływie  turbulentnym  profil  prędkości  różni  się  znacznie  od  rozkładu 

prędkości odpowiadającemu ruchowi laminarnemu. Prędkość nieznacznie zmienia się w 

podstawowym  rdzeniu  strumienia  płynu  i  szybko  maleje  w  pobliżu  ścianek. 

Bezpośrednio  przy  ściance  przewodu  znajduje  się  laminarna  warstwa  przyścienna  o 

grubości δ, w której prędkość jest liniową funkcja zmiennej r. 

(

)

0

v

R r

τ

=

µ

   

 

 

 

 

(2.9) 

gdzie: τ

0

 – naprężenie styczne na ściance. 

Natomiast w pozostałej części przekroju profil prędkości w ruchu turbulentnym wyraża 

zależność: 

background image

 

n

max

r

v

v

1

R

=

 

 

 

 

 

(2.10) 

Wzór (2.10) nazywany jest wzorem potęgowym Prandtla.  

 

 

Rys.2.2.

 Rozkład prędkości w warstwie przyściennej i w rdzeniu turbulentnym 

 

 

 

Wartości  współczynnika  n  ustalane  są  na  podstawie  pomiarów.  Jak  wynika  z  tych 

eksperymentów,  wartość  wykładnika  potęgowego  zależy  od  liczby  Reynoldsa  i  maleje 

wraz z jej wzrostem. 

Z zależności (2.10) przy założeniu, że 

R

δ <<

określamy średnią prędkość przepływu 

(

)(

)

n

R

max

sr

max

2

0

2v

Q

1

r

v

v

1

2 rdr

F

R

R

n 1 n 2

= =

π

=

π

+

+

  

 

(2.11) 

Stosunek prędkości średniej do maksymalnej przy przepływie turbulentnym jet więc 

równy 

(

)(

)

sr

max

v

2

k

v

n 1 n 2

=

=

+

+

 

 

 

 

(2.12) 

Dla  liczb  Reynoldsa  z  przedziału  (10

4

÷10

7

)  współczynnik  k  liczony  ze  wzoru  (2.12) 

przyjmuje wartości z zakresu (0,8÷0,9). 

  

III.

 

Pomiar prędkości miejscowych 

Pomiaru  prędkości  miejscowych  dokonuje  się  zwykle  przy  pomocy  rurek 

piętrzących: Pitota i Prandtla. Jeżeli w poruszającym się płynie zostanie zanurzone ciało, 

background image

 

to  nastąpi  spiętrzenie  przepływu  oraz  rozdział  strug  dookoła  tego  ciała.  W  punkcie 

stagnacji S (rys.2.3) znajdującym się w środku obszaru spiętrzania, prędkość przepływu 

jest równa zeru (v = 0).  

 

 

Rys.2.3.

 Punkt stagnacji 

 

Równanie Bernoulliego dla „zatrzymanej” linii prądu ma postać: 

 

v

p

p

2g

g

g

+

=

ρ

ρ

  

 

 

 

(2.13) 

gdzie: v

, p

 - prędkość i ciśnienie w przepływie niezakłóconym, 

 

p – ciśnienie statyczne w punkcie stagnacji. 

Przekształcając równanie (2.13) otrzymujemy: 

2

v

p p

2

ρ

=

+

   

 

 

 

(2.14) 

Ciśnienie p będące sumą ciśnienia statycznego p

 i ciśnienia dynamicznego 

2

v

2

ρ

 

nazywamy  ciśnieniem  całkowitym.  Wynika  stąd,  że  ciśnienie  w  punkcie  stagnacji  jest 

ciśnieniem całkowitym i jeśli tam zostanie wykonany otwór, to wewnątrz niego będzie 

panowało  ciśnienie  całkowite.  Wyznaczenie  prędkości  przepływu  można,  zatem 

sprowadzić do pomiaru ciśnienia spiętrzania oraz pomiaru ciśnienia statycznego. 

 

Taka  metoda  pomiaru  prędkości  realizowana  jest  przy  pomocy  rurki  Pitota. 

Ciśnienie  całkowite  mierzone  jest  w  punkcie  spiętrzania,  a  statyczne  na  ściance 

rurociągu.  Wymaga  to  jednak  założenia,  że  ciśnienie  statyczne  w  całym  przekroju  jest 

stałe. 

background image

 

 

Z  tego  względu  wygodniej  jest  posługiwać  się  rurką  Prandtla,  umożliwiającą 

pomiar  zarówno  ciśnienia  statycznego,  dynamicznego  i  całkowitego.  Schemat  tego 

przyrządu przedstawia rys.2.4.     

 

 

Rys.2.4.

 Rurka Prandtla. 

 

 

Sonda  tego  typu  pozwala  na  pomiar  ciśnienia  różnicowego  całkowitego  i 

statycznego.  Ciśnienie  całkowite  odbierane  jest  w  punkcie  stagnacji  2.  Ciśnienie 

statyczne działa na pobocznicę rurki umieszczonej równolegle do kierunku przepływu. 

Różnica ta jest ciśnieniem dynamicznym. 

 

Jak wynika z równania Bernoulliego, w rozważanym przypadku: 

2

2

1

1

2

2

p

v

p

v

2

2

+

=

+

ρ

ρ

  

 

 

 

(2.15) 

gdzie: p

1

, p

2

, v

1

, v

2

 – ciśnienia i prędkości w punktach 1 i 2 (rys.2.4). 

Prędkość v

2

 = 0 (punkt stagnacji), a zatem mierzona prędkość przepływu wynosi: 

1

d

2

v

v

p

=

=

ρ

 

 

 

 

(2.16) 

gdzie: p

d

 = p

2

 – p

1

 – ciśnienie dynamiczne, 

 

ρ – gęstość płynu. 

Ciśnienie  dynamiczne,  określone  jako  różnice  ciśnienia  całkowitego  i  statycznego, 

mierzymy za pomocą mikromanometru z rurką pochyłą. 

 

 

IV.

 

Zasada pomiaru ciśnienia przy pomocy mikromanometru z rurką pochyłą 

Mikromanometr  z  rurką  pochyłą  stosuje  się  przy  pomiarze  małych  ciśnień 

(rys.2.5). Składa się on ze zbiornika pomiarowego (1) zamocowanego na podstawie (2), 

background image

 

szklanej  rurki  (3)  umieszczonej  na  ramieniu.  Ramię  to  składa  się  z  kątownika  (4), 

uchwytów  (5)  i  prowadnicy  wskaźnika  (6).  Rurka  pomiarowa  połączona  jest  ze 

zbiornikiem  przewodem  metalowym.  Kurek  rozdzielczy  zamocowany  na  pokrywie 

zbiornika  posiada  dwie  końcówki  oznaczone  (+)  i  (-),  które  służą  do  podłączenia 

mikromanometru  z  przestrzenią  pomiarową.  Przy  ustawieniu  kurka  rozdzielczego  w 

pozycji  „Z”  podłącza  się  węże  doprowadzające  ciśnienie,  w  pozycji  „O”  sprawdza  się 

punkt zerowy, w pozycji „P” wykonuje się pomiar. 

 

Rys.2.5. 

Schemat mikromanometru z rurką pochyłą 

1 – zbiornik pomiarowy, 2 – podstawa, 3 – rurka pomiarowa, 4 – kątownik, 5 – uchwyty, 6 – 

prowadnica wskaźnika, 7 – kurek rozdzielczy, 8 – ramię, 9 – śruby, 10 – otwór do napełniania 

zbiornika, 11 – poziomica. 

 

Możliwość  zmiany  nachylenia  ramienia  mikromanometru  pozwala  na 

zwiększenie  dokładności  pomiaru  różnicy  wysokości  cieczy  manometrycznej  w 

zbiorniku i rurce. Przed pomiarem, jeżeli na ciecz w zbiorniczku i rurce działa ciśnienie 

atmosferyczne,  zwierciadło  cieczy  znajduje  się  na  poziomie  0  –  0  (rys.2.6).  Jeżeli  do 

zbiorniczka  doprowadzi  się  ciśnienie  p  >  p

g

  (przez  końcówkę  „+”),  wówczas  poziom 

wody  w  zbiorniczku  obniży  się  o  wartość  h

1

,  a  w  rurce  przesunie  się  na  długości  l. 

Rzeczywista  różnica  wysokości  cieczy  manometrycznej,  równoważąca  mierzone 

ciśnienie wynosi: 

background image

 

=

+

1

2

h

h

h  

   

 

 

 

(2.17) 

Objętość  cieczy,  która  wypłynęła  ze  zbiorniczka  jest  równa  objętości  cieczy,  która 

wpłynęła do rurki, a więc: 

⋅ = ⋅

1

r

F h

F l  

 

 

 

 

(2.18) 

A po przekształceniu 

= ⋅

r

1

F

h

l

F

 

 

 

 

 

(2.19) 

Gdzie  F  oznacza  pole  powierzchni  przekroju  zbiorniczka,  a  F

r

  pole  powierzchni 

przekroju rurki. Wartość h

2

 wynosi 

= ⋅

α

2

h

l sin    

 

 

 

(2.20) 

 

 

 

Rys.2.6. 

Zasada działania mikromanometru z rurką pochyłą 

 

Wstawiając wyrażenia (2.19) i (2.20) do (2.17) uzyskuje się 

= ⋅ + ⋅

α =

+

α = ⋅

r

r

F

F

h

l

l sin

l

sin

l n

F

F

 

 

 

(2.21) 

Gdzie 

= +

α

r

F

n

sin

F

 jest przełożeniem manometru, podanym na ramieniu zmiany 

przełożenia (8), w zależności od nachylenia rurki. 

 

Bezwzględna wartość mierzonego ciśnienia, obliczona w identyczny sposób, jak 

w przypadku U-rurki, wynosi 

=

+ γ ⋅ =

+ ρ ⋅ ⋅ ⋅

a

cm

a

cm

p p

h

p

g l n  

Zaś nadciśnienia 

= ρ ⋅ ⋅ ⋅

n

cm

p

g l n  

 

W przypadku pomiaru podciśnienia, przewód doprowadza się do końcówki (-), a 

kurek  rozdzielczy  ustawia  się  w  położenie  „O”  umożliwiając  kontakt  cieczy  w 

background image

 

zbiorniczku  z  ciśnieniem  atmosferycznym.  Przy  pomiarze  różnicy  ciśnień  wyższe 

ciśnienie doprowadza się do końcówki (+), niższe do końcówki (-). 

 

Przed przystąpieniem do właściwych pomiarów przyrząd należy wypoziomować 

i wyzerować. 

 

 

V.

 

Przebieg ćwiczenia 

Schemat  stanowiska  przedstawiono  na  rys.2.3.  Zestaw  pomiarowy  składa  się 

wentylatora  wywołującego  przepływ  powietrza  przez  odcinek  rurowy,  gazomierza 

turbinowego  (2)  z  korektorem  objętości  (1)  oraz  z  rurki  Prandtla  (3)  połączonej  z 

mikromanometrem  z  rurką  pochyłą  typu  MPR-4.  Pomiar  temperatury  powietrza 

dokonuje się termometrem. 

 

 

Rys.2.7.

 Schemat stanowiska pomiarowego 

 

 

 

 

 

Sposób wykonania ćwiczenia 

1.

 

Przygotować mikromanometr do pomiaru. 

2.

 

Zmierzyć wielkość średnicy rurociągu. 

3.

 

Podłączyć rurkę Pitota-Prandtla do mikromanometru. 

4.

 

Ustalić maksymalny przepływ powietrza. 

5.

 

Dokonać za pomocą rurki Pitota-Prandtla pomiaru ciśnienia dynamicznego 

d

p

6.

 

Zmniejszając stopniowo natężenie przepływu powietrza wykonać 10 pomiarów 

d

p

7.

 

Obliczyć prędkość 

m

v

 i wyniki wpisać do tabeli  - przyjąć ρ = 1,292923 [kg/m

3

 

background image

 

10 

8.

 

Obliczyć prędkość średnią 

sr

v

 oraz jej stosunek do prędkości maksymalnej 

m

v

9.

 

Obliczyć  liczbę  Reynoldsa  Re ,         

sr

v D

Re

=

ν

    -  kinematyczny  współczynnik  lepkości 

odczytujemy z wykresu (rys.2.1). 

10.

 

Wykonać wykres 

( )

Re

=

sr

m

v

v

f

 

 

VI.  Bibliografia 

1.

 

Bohdan  T.,  Charun  H.,  Ewertowska  Z.,  Majka  K.,  Sławecki  J.  „Ćwiczenia 
laboratoryjne  z  mechaniki  płynów”,  Wydawnictwo  Uczelniane  Politechniki 
Koszalińskiej, Koszalin 2001. 

 

2.

 

Filek  K.,  Roszczynialski  W.,  Wacławik  J.  „Laboratorium  mechaniki  płynów  z 
elementami pomiaroznawstwa”, Wydawnictwo AGH, Kraków 1990. 

background image

 

11 

Karta pomiaru stosunku prędkości średniej do maksymalnej 

 

Imię i nazwisko studenta:  1 ………………………………………………………………………….……………. 

 

 

 

 

2 ………………………………………………………………………….……………. 

 

 

 

 

3 ………………………………………………………………….……………………. 

 

 

 

 

4 ……………………………….………………………………………………………. 

Rok studiów: ………………………………………   

Grupa: ……………..………………………………… 

Data: …………………………………………………..   

Godzina: ……………………………………………. 

 

 

Temperatura otoczenia: ……………………...   

Ciśnienie otoczenia: …………………………… 

Rodzaj gazu przepływającej przez przewód rurowy: …..………………………………………………… 

Temperatura gazu: …………………………….. 

Średnica wewnętrzna przewodu rurowego: …………………………………………………………  

Rodzaj cieczy manometrycznej w mikromanometrze: …………………………………………………... 

Gęstość cieczy manometrycznej: ………………………………………………………………………………….. 

 

 

 

 

Tab.1.1. Zestawienie wyników pomiaru 

Pomiar, nr 

10 

Objętościowe natężenie 
przepływu – Q [m

3

/s] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prędkość średnia 
– v

sr

 [m/s] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wysokość ciśnienia 
dynamicznego – l [mm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ciśnienie dynamiczne 
– p

d

 [Pa]  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prędkość  maksymalna 
przepływu – v

m

 [m/s] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Stosunek v

sr

/v

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Liczba Reynoldsa – 

Re