background image

PRZEPŁYW CIECZY W OŚRODKU POROWATYM

PRZEPŁYW CIECZY W OŚRODKU POROWATYM

1. Cel ćwiczenia.

Celem   ćwiczenia   jest   doświadczalne   wyznaczenie 

współczynnika   filtracji   podczas   laminarnego   przepływu   cieczy 

przez warstwę porowatą.

2. Podstawy teoretyczne.

Ośrodek   porowaty   to   ośrodek   przecięty   siecią   porów 

w kształcie   kanalików,   umożliwiających   przesączanie   się   cieczy 

przez warstwę ośrodka. 

Filtracja to ruch płynów w ośrodkach porowatych. Wyróżnia 

się dwa rodzaje przepływów w ośrodkach porowatych.

 laminarny (filtracja laminarna)
 turbulentny (filtracja turbulentna)

Zgodnie   z   teorią   przepływów   laminarnych   ilość   energii 

użytej do pokonania oporów ruchu jest wprost proporcjonalna do 

prędkości.   Jeżeli   za   miarę   strat   energii   przyjmiemy   spadek 

hydrauliczny

I

I

L

/

H

J

=

(1)

to podany warunek wyrazi się wzorem

I

I

I

v

k

1

J

=

 

(2)

gdzie:

k

I

-  współczynnik proporcjonalności.

Rys. 1. Przepływ przez warstwę porowatą

Na  rysunku  1  przedstawiono drogę płynu przy przepływie 

przez   złoże   porowate.   Linią   przerywaną   zaznaczona   jest   droga 

cząstki   płynu   między   ziarnami   materiału   filtracyjnego.   Przekrój 

przepływowy jest zmienny, co powoduje ciągłe zmiany prędkości 

płynu.   Określenie  L

I

  (rzeczywista   droga   płynu   między   porami) 

V

I

 (rzeczywista   prędkość   płynu   w   poszczególnych   miejscach 

przekroju)   oraz   wyznaczenie   współczynnika  k

I

  jest   praktycznie 

niemożliwe.   Dla   usunięcia   tych   trudności   wprowadzono   pojęcie 

ruchu   filtracyjnego,   który   jest   ruchem   w   fikcyjnym   obszarze 

odpowiadającym warstwie filtracyjnej, ale całkowicie wypełnionej 

płynem.   We   wszystkich   punktach   tego   obszaru   ciśnienia 

odpowiadają   ciśnieniom   rzeczywistym,   a   natężenie   przepływu 

przez dowolny przekrój jest równy rzeczywistemu natężeniu przez 

odpowiadający jemu przekrój w ośrodku porowatym.

1

background image

PRZEPŁYW CIECZY W OŚRODKU POROWATYM

Prędkość filtracji definiuje się jako

A

Q

v

=

(3)

a spadek

L

H

J

=

 

(4)

gdzie:

L-   droga   po   linii   prądu   w   umownym   obszarze   filtracji 

(rys 1  linia ciągła)

Korzystając z niezmienności Q i 

H w obu obszarach można 

wyznaczyć   zależność   między   parametrami   ruchu   filtracyjnego 

i ruchu rzeczywistego.

Wprowadźmy pojęcia:

współczynnik wydłużenia drogi 

λ

=L

I

/L,

współczynnik porowatości m= A

p

/A =V

p

/V,

gdzie: 

A

p

 - 

część pola dowolnego przekroju A zajęta przez pory,

V

p

 - 

objętość porów zawartych w objętości warstwy V.

Porównanie   definicji   prędkości   i   spadków   hydraulicznych   w obu 

obszarach pozwala na znalezienie ich współzależności.

,

A

Q

v

=

m

v

A

A

A

Q

A

Q

v

p

p

I

=

=

=

,

,

L

H

J

=

λ

J

L

L

L

H

L

H

J

I

I

I

=

=

=

.

Ponieważ istnieje liniowa zależność między rozpatrywanymi 

wielkościami,   zatem   spadek   hydrauliczny   i prędkość   filtracji, 

podobnie   jak   spadek   hydrauliczny   i   prędkość   rzeczywista, 

spełniają warunek liniowej zależności :

J

*

k

V

=

 

(5)

która   jest   podstawowym   prawem   filtracji,   ustalonym   przez 

Darcy'ego w 1856 r.

Na   podstawie   doświadczeń   ustalono,   że   ruch   filtracyjny 

podlega prawu Darcy’ego w zakresie liczb Reynoldsa

5

m

vd

Re

3

/

1

<

=

ν

(6)

gdzie:

d - 

miarodajna średnica ziaren,

υ

kinematyczny współczynnik lepkości cieczy.

Współczynnik filtracji k, charakteryzujący przepuszczalność 

warstwy filtracyjnej, zależy od rodzaju, kształtu i wielkości ziaren, 

stopnia   niejednorodności   i   porowatości   warstwy   oraz   lepkości 

cieczy.

2

background image

PRZEPŁYW CIECZY W OŚRODKU POROWATYM

Rys. 2. Krzywa przesiewu

Badanie   filtracji   należy   poprzedzić   ustaleniem   fizycznych 

własności   materiału   filtracyjnego   (porowatości   i   składu 

granulometrycznego), wyniki pomiaru składu granulometrycznego 

podaje   się   w   postaci   wykresu   (krzywa   przesiewu) 

przedstawiającego   zależność   procentowego   składu   masowego 

materiału   od   średnicy   ziaren  (rys.   2).  Za   miarodajną   średnicę 

ziaren   przyjmuje   się   średnicę   odpowiadającą   10%   na krzywej 

przesiewu, pod warunkiem, że wskaźnik różnoziarnistości wynosi

5

d

d

w

10

60

r

=

3. Opis stanowiska pomiarowego

Do   laboratoryjnego   badania   współczynnika   filtracji 

używany jest najczęściej przyrząd Darcy’ego, który składa się z:

zbiornika cylindrycznego (ZC),

siatki (S), na której umieszcza się badany materiał,

piezometrów (P

1-3

),

przepływomierza (Q).

Rys. 3. Schemat stanowiska pomiarowego.

4. Program ćwiczenia.

W   trakcie   ćwiczenia   należy   wykonać   pomiary   wysokości 

ciśnień  h  w   przekrojach   pomiarowych   dla   różnych   natężeń 

przepływów Q cieczy przez warstwę filtracyjną o znanym składzie 

granulometrycznym   i   porowatości   a   następnie   wyznaczyć 

współczynnik filtracji oraz sprawdzić słuszność warunku (6).

Aby opracować analizę zjawiska filtracji należy dysponować 

następującymi danymi:

odległościami pomiędzy punktami odbioru ciśnienia  L

1

 i 

L

2

 ,

średnicą wewnętrzna zbiornika D,

średnicą granulatu d,

porowatością złoża m

oraz

natężeniem przepływu płynu Q,

3

background image

PRZEPŁYW CIECZY W OŚRODKU POROWATYM

wysokościami słupów cieczy w piezometrach H

1

,H

2

,H

3

.

Aby   ustalić   natężenie   przepływu   korzystając 

z wbudowanego   w   stanowisko   rotametru   należy   sporządzić 

charakterystykę   wzorcowania   rotametru   wiedząc,   że   wartości 

10 na rotametrze odpowiada natężenie równe 48 cm

3

/s, natomiast 

wartości 100 na rotametrze odpowiada 180 cm

3

/s.

Na   podstawie   prawa   filtracji   wyprowadzić   wzór 

na współczynnik   filtracji   w   funkcji   danych   określonych   podczas 

pomiarów.   Przed   obliczeniami   współczynnika   filtracji   laminarnej 

sprawdzić czy zmierzony ruch płynu podlegał prawu Darcy’ego. 

We wnioskach  opisać  w jaki  sposób można  określić  porowatość 

złoża   i   jakie   cechy   złoża   wpływają   na   przepływ   płynu   przez 

to złoże oraz podać własne przemyślenia dotyczące analizowanego 

w ćwiczeniu zagadnienia.

4

background image

PRZEPŁYW CIECZY W OŚRODKU POROWATYM

KARTA POMIAROWA

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

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

Kierunek

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

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

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

Ćw..........

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

(nr)

(data)

Odległość L

1

 [cm]

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

Odległość L

2

 [cm]

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

Średnica zbiornika [mm]

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

Średnica granulatu [mm] 

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

5

Lp.

Wskazanie na 

rotametrze [-]

Wysokości w piezometrach

h

1

 

[cm]

h

2

 

[cm]

h

3

 

[cm]

1
2
3
4
5