background image

BADANIA MODELOWE PRZELEWU MIERNICZEGO

BADANIA MODELOWE PRZELEWU MIERNICZEGO

1.

Cel ćwiczenia

Celem   ćwiczenia   jest   sporządzenie   charakterystyki 

rzeczywistego   mierniczego   przelewu   na   podstawie   pomiarów 

wykonanych na modelu o znanej skali liniowej.

2.

Podstawy teoretyczne

Przelew w jest przegrodą ustawioną w poprzek przewodu 

otwartego i powodującą spiętrzenie swobodnej powierzchni cieczy. 

Wysokość strumienia przelewowego h, mierzoną w odległości 

 

l w 

przekroju,   w   którym   zaczyna   się   silniejszy   spadek   powierzchni 

swobodnej, nazywamy wysokością spiętrzenia (rys. 1 ).

Rys. 1.Przepływ cieczy przez przelew

Rys. 2. Wypływ przez przelew o dowolnym kształcie otworu

Kształt strumienia przelewowego zależy przede wszystkim 

od kształtu   otworu,   a   ponadto   od   stosunku   wysokości  

do wysokości   przelewu   w   oraz   od   warunków   zewnętrznych 

normujących ruch (np. doprowadzenie powietrza pod strumień ).

Rys. 3. Rodzaje przelewów mierniczych: trójkątny, trapezowy, prostokątny

1

background image

BADANIA MODELOWE PRZELEWU MIERNICZEGO

Przelewy,   służące   do   pomiaru   natężenia   przepływu, 

nazywają  się   przelewami   mierniczymi.   Są   to   ostrobrzeżne 

przelewy   niezatopione,   w   których   strumień   przelewowy   opada 

swobodnie,   nie   zwilżając   ściany   przelewu,   położonej   po   stronie 

wody dolnej.

Przelewy miernicze charakteryzują się:

 ostrością krawędzi przelewowej (korony przelewu),
 odrywaniem

  się   strugi   przepływającej 

od przegrody (niezatopieniem przelewu),

 przepływem nad przegrodą całą jej szerokością,
 rozmaitymi kształtami wycięcia przelewu (możliwie 

proste geometrycznie kształty).

Natężenie przepływu przez przelew określamy jako funkcję 

wysokości spiętrzenia h

)

h

(

f

*

Q

µ

=

(1)

gdzie:

µ

 – 

współczynnik   przepływu   doświadczalny,   zależny 

przede   wszystkim   od   kształtu   krawędzi 

przelewowej.

Krzywa   przedstawiająca   tę   zależność   dla   przelewu 

o określonych   kształtach   i   wymiarach   geometrycznych   jest 

nazwana charakterystyk

 

 ą   przelewu

 

 . 

Przebieg funkcji Q=f(h) zależy przede wszystkim od kształtu 

otworu przelewowego.
Elementarne natężenie przepływu ( rys. 2 )

dA

*

v

*

dQ

µ

=

 

(2)

gdzie:

v – prędkość wypływu na głębokości z,

dA – pole elementu powierzchniowego.

Uwzględniając wzór Torricellego

gz

2

v

=

 

(3)

oraz zależność

dz

)

z

(

b

dA

=

 

(4)

otrzymamy

gz

2

)

z

(

b

dQ

µ

=

 

(5)

a zatem całkowite rzeczywiste natężenie wypływu

=

=

A

h

0

dz

z

)

z

(

b

g

2

dQ

Q

µ

µ

 (6)

Na   rysunku   rys.   3   podano   zależność  Q=f(h)  przelewów 

o różnych kształtach wycięcia.

W   przypadku   wykonania   przelewu   o   kształtach 

niespotykanych,   należy   przelew   wywzorcować   korzystając 

z metody   zapewniającej   dokładność   wskazań   większą 

niż dokładność   jaką   ma   on   osiągnąć.   Należy   wykonać   model 

przelewu i przeprowadzić jego badania w laboratorium.

Podobieństwo   dynamiczne   dwu   zjawisk   przepływu   przez 

przelew   zachodzi   wówczas,   gdy   przelewy   są   do   siebie 

geometrycznie   podobne   oraz   gdy   są   spełnione   warunki 

podobieństwa   tych   wszystkich   sił,   które   wpływają  w   sposób 

wyczuwalny na przebieg zjawiska. 

Ponieważ przepływ przez przelew odbywa się pod wpływem 

sił   ciężkości   i   są   one   w   zjawisku   dominujące,   warunkiem 

częściowego   podobieństwa   jest   równość

 liczb   Freude’a 

w

     przepływie

 

  rzeczywistym i modelowym.

2

background image

BADANIA MODELOWE PRZELEWU MIERNICZEGO

Ponieważ Fr=Fr, więc

al

v

gl

v

2

2

=

 (7)

gdzie:

v,v 

– 

prędkości   średnie   przepływu   rzeczywistego 

i modelowego ; 

g,a – 

przyspieszenie; 

l,l – 

charakterystyczny   wymiar   liniowy   obiektu 

rzeczywistego i modelu

1

l

a

2

V

=

ξ

ξ

ξ

 (8)

przy czym odpowiednie skale

v

v

v

=

ξ

a

g

a

=

ξ

(9)

l

l

l

=

ξ

Ponieważ obiekt  rzeczywisty  i  model  znajdują  się  w polu 

przyciągania ziemskiego, więc

1

a

=

ξ

(10)

a zatem liczba Froude’a

2

/

1

l

t

l

2

t

2

l

l

2

v

l

a

2

v

1

/

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

=

=

=

=

 (11)

Stosunek natężeń przepływu

2

/

5

l

t

l

2

l

v

2

l

Q

Av

Av

Q

Q

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

=

=

=

=

=

 (12)

gdzie

A – 

pole przekroju

v – 

prędkość średnia

Tab.  1.  Zależności   opisujące   strumień   objętości   Q   dla   różnych   geometrii 

przelewów

Przelew

Wzór

Krzywa f(Q)

gh

2

bh

3

2

Q

µ

=

gh

2

bh

15

4

Q

µ

=

(

)

α

µ

htg

4

b

5

gh

2

h

15

2

Q

+

=

h

a

Q

=

2

5

2

3

h

C

h

B

Q

+

=

3

background image

BADANIA MODELOWE PRZELEWU MIERNICZEGO

3.

Opis stanowiska pomiarowego

Stanowisko   pomiarowe   przedstawione   schematycznie 

na rys. 4 składa się z następujących elementów:

 układu zasilającego UZ z zaworem regulacyjnym R,
 koryta modelowego K z umieszczonym w nim przelewie 

mierniczym E,

 zbiornika do pomiaru natężenia przepływu Z,

Rys. 4. Schemat stanowiska pomiarowego

Do   pomiaru   rzeczywistego   strumienia   (natężenia) 

przepływu   służy   zbiornik   mierniczy   Z   (rys.   4)   zaopatrzony   w 

linijkę i zawór pływakowy. Czas jest mierzony sekundomierzem. 

Istotą   pomiaru   metodą   objętościową   jest   pomiar   czasu   t 

przepływu określonej objętości V. 

Zbiornik   podczas   pomiaru   zapełnia   się   wodą,   która 

powoduje podnoszenie lustra cieczy z początkowej wysokości do 

końcowej   o różnicę   d

x  

[m].   Podczas   napełniania   zbiornika   wodą 

dokonujemy pomiar czasu t [s].

Rzeczywisty strumień objętościowy 

t

dx

*

b

*

a

Q

rz

=

(13)

4.

Program ćwiczenia

Dla zadanego natężenia przepływu należy:

a) pomierzyć natężenie Q metodą objętościową,

b) zmierzyć wysokość spiętrzenia wody h.

Zadając   różne   prędkości   przepływu   za   pomocą   zaworu 

regulacyjnego sporządzić:

charakterystykę przelewu rzeczywistego Q= f(h),

charakterystykę przelewu modelowego Q = f(h).

Wartości   strumienia   przepływu  Q  określić   na   podstawie 

odpowiedniej   geometrii   przelewu   z   tab.   1.   W   równaniu 

do obliczenia Q przyjąć liczbę μ:

µ

=0.622 h

-0.02

Przedstawić również wnioski z analizowanego zagadnienia.

4

background image

KARTA POMIAROWA

Imię i nazwisko ..............................................................................................................................................................................

Imię i nazwisko ..............................................................................................................................................................................

Kierunek

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

Rok.....................................

Grupa.......................

Ćw..........

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

(nr)

(data)

Szerokość zbiornika [cm]

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

Długość zbiornika [cm]

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

Odległość od dna do dolnej krawędzi przelewu [cm] 

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

Lp.

Poziom cieczy 

przed przelewem

Czas 

napełnienia 

zbiornika cieczą

Poziom cieczy 

w zbiorniku

h

1

 

[mm]

[s]

h

z

 

[cm]

1
2
3
4
5