Graficzna interpretacja
i zastosowanie
równania Bernoulli,ego
Józef Wojnarowski
Daniel Bernoulli
• Daniel Bernoulli (ur. 9 lutego 1700 r. –
zm. 17 marca 1782 r.) - szwajcarski
matematyk i fizyk.
• Był profesorem uniwersytetów w Bazylei i
Petersburgu. Twórca podwalin mechaniki
statystycznej (kinetyczna teoria gazów).
Obszarem jego zainteresowań były także
medycyna i fizjologia. Jako matematyk
zajmował się rachunkiem
prawdopodobieństwa, równaniami
różniczkowymi i metodami przybliżonymi
rozwiązywania równań. Zdefiniował liczbę
e. Jako fizyk rozwiązał problem struny
drgającej i podał równanie ruchu
stacjonarnego cieczy idealnej zwane
równaniem Bernoulliego.
• Pochodził ze znanej rodziny matematyków
Bernoullich. Jego ojcem był Johann
Bernoulli a wujem Jakob Bernoulli.
Równanie Bernoulliego
Równanie Bernoulliego opisuje parametry płynu
doskonałego płynącego w rurze (niekoniecznie
materialnie istniejącej) o zmiennym przekroju.
Wynika ono wprost z faktu zachowania objętości
cieczy doskonałej (która jest nieściśliwa) i zasady
zachowania energii mechanicznej.
Szczególna postać równania
Założenia:
ciecz jest nieściśliwa
ciecz nie jest lepka
przepływ stacjonarny i bezwirowy
Szczególna postać
równania Bernoulliego
gdzie:
ρ -gęstość cieczy
v - prędkość cieczy w
rozpatrywanym miescu
h - wysokość w
układzie odniesienia w
którym liczymy energię
potencjalną
g - przyspieszenie
grawitacyjne
p - ciśnienie cieczy w
rozpatrywanym miejscu
• Poszczególne człony to: energia kinetyczna,
energia potencjalna przyciągania
ziemskiego, energia ciśnienia.
• Energia jest stała tylko wówczas, kiedy
element porusza się wzdłuż linii prądu.
Istnienie lepkości lub przepływu wirowego
rozprasza energię, ściśliwość zmienia
zależność prędkości przepływu od ciśnienia.
Niestacjonarność przepływu wiąże się z
dodatkowym ciśnieniem rozpędzającym lub
hamującym ciecz.
Ogólna postać równania
Bernoulliego
Równanie Bernoulliego
może z pewną
dokładnością stosowane
też dla cieczy
ściśliwych. Opracowano
także wersję równania
dla płynów
uwzględniającą zmianę
energii wewnętrznej
płynu w wyniku różnych
czynników. Równanie to
ma postać:
Gdzie:
Φ - energia potencjalna jednostki
masy, której w warunkach
ziemskich odpowiada Φ = gh
w - energia ciśnienia (ε - energia
wewnętrzna płynu).
Uwzględniając właściwości gazów
można przekształcić to równanie
tak, by było spełnione też dla
gazów. Choć pierwotne równanie
Bernoulliego nie jest spełnione dla
gazów, to ogólne wnioski płynące z
niego mogą być stosowane też dla
gazów.
Praktyczne
wykorzystanie równania
Bernulliego
Z równania Bernuliego dla sytuacji przedstawionej na rysunku
zachodzi prawidłowość:
Jeżeli zaniedbać zmianę wysokości odcinków rury to wzór
upraszcza się do:
W rurze o mniejszym przekroju ciecz płynie szybciej (v
1
> v
2
),
w związku z tym panuje w niej mniejsze ciśnienie niż w
rurze o większym przekroju.
Ciecz płynąc w rurze o zmieniającym się przekroju ma
mniejsze ciśnienie na odcinku gdzie przekrój jest
mniejszy.
Podana wyżej własność cieczy była znana przed
sformułowaniem równania przez Bernoulliego i nie
potrafiono jej wytłumaczyć, stwierdzenie to i obecnie kłóci
się ze "zdrowym rozsądkiem" wielu ludzi i dlatego znane jest
pod nazwą paradoks hydrodynamiczny.
Zastosowanie równania
Bernoulliego
Z równania Bernoulliego wynika wiele na co dzień
obserwowanych zjawisk, zależności, a także
zasad działania licznych urządzeń technicznych:
paradoks hydrodynamiczny
zjawisko zrywania dachów gdy wieje silny
wiatr
zasada działania sondy Pitota
zasada działania sondy Prandla
zasada działania sondy Venturiego
pośrednio zasady powstawania siły nośnej
w skrzydle samolotu
Graficzna interpretacja
równania Bernoulliego
Najczęściej równanie Bernoulliego jest przedstawiane w
postaci:
Ponieważ każdy ze składników tego równania ma wymiar
długości, noszą one odpowiednio nazwę wysokości
prędkości, wysokości ciśnienia i wysokości
położenia. Sumę wspomnianych wysokości nazywamy
wysokością rozporządzalną.
Na rysunku przedstawiono wykres obrazujący zmianę każdej
wysokości w strudze o zmiennym przekroju. Wykres ten
składa się z trzech linii:
*oś strugi leżąca na wysokości z ponad poziomem
odniesienia,
*linia ciśnień leżąca o p/g ponad osią strugi,
*linia energii leżąca o v
2
/2g ponad linią ciśnień.
Równanie Bernoulliego odniesione do dwu przekrojów poprzecznych jednej i tej samej strugi
ma postać:
stosowaną najczęściej do rozwiązywania konkretnych zadań.
Równanie Bernoulliego jest szczególnym przypadkiem zasady zachowania energii w
przepływie płynu nielepkiego. Mimo wyraźnej rozbieżności tego twierdzenia z
doświadczeniem, stwierdzającym powstawanie strat energetycznych podczas
przepływów płynów rzeczywistych, w zagadnieniach praktycznych, gdy odległość
między przekrojami strugi jest niewielka i nie ma znacznego rozpraszania energii
na drodze przepływu, pojawiające się rozbieżności między wynikami
teoretycznymi i doświadczalnymi korygujemy, wprowadzając odpowiednie
współczynniki.
Wiele tych zagadnień wymaga równoczesnego zastosowania równania Bernoulliego
i równania ciągłości, które w odniesieniu do jednowymiarowych ustalonych
przepływów płynów ma następujące postacie:
w przypadku płynu ściśliwego VA=const.
w przypadku płynu nieściśliwego VA=const.
Zastosowanie równania
Bernoulliego w
zagadnieniach pomiaru
prędkości i strumienia
objętości.
Pomiar prędkości
miejscowej
W obszarze przepływu mogą znajdować się
punkty, w których prędkość przepływu v= 0,
nazywane punktami spiętrzenia (stagnacji),
gdzie ciśnienie statyczne przybiera wartości
ciśnienia całkowitego, zwanego ciśnieniem
spiętrzenia. Jeżeli płyn poruszający się ruchem
jednostajnym z prędkością v pod ciśnieniem p
napotyka na przeszkodę w postaci ciała
zanurzonego, to przed przeszkodą następuje
spiętrzenie w punkcie S oraz opływ
rozdzielonych strug dookoła tej przeszkody.
Równanie Bernoulliego dla poziomej linii prądu
przechodzącej przez ten punkt ma postać:
Sumę ciśnienia statycznego p i ciśnienia dynamicznego
nazywamy ciśnieniem całkowitym. Wynika stąd, że ciśnienie
spiętrzenia jest równe ciśnieniu całkowitemu w przepływie
niezakłóconym. Wyznaczenie prędkości miejscowej
(lokalnej) można zatem sprowadzić do zagadnienia pomiaru
ciśnienia spiętrzenia oraz ciśnienia statycznego w obszarze
przepływu niezakłóconego lub różnicy tych ciśnień,
ponieważ z powyższego wzoru wynika:
Pomiar prędkości
średniej i strumienia
objętości metodą
prędkościomierzową
W przepływach przez prosto osiowe rury o kołowym
przekroju (o promieniu R) strumień objętości
gdzie: v (r) – miejscowa prędkość przepływu
prostopadła do elementu dA = 2. r dr przekroju
poprzecznego przewodu w odległości r od osi.
W prostoosiowym kanale prostokątnym o polu powierzchni A
strumień objętości
gdzie: v – prędkość miejscowa w polu elementarnym dA =
2.dr przekroju hydrometrycznego
A ( prostopadła do dA).
Prędkość średnia w tych przekrojach jest ilorazem
strumienia objętości i pola przekroju poprzecznego
W praktyce bryłę prędkości wyznaczamy
następująco: dzielimy przekrój
hydrometryczny na równe pola cząstkowe,
mierzymy za pomocą prędkościomierzy (np.
rurek piętrzących) miejscowe prędkości
przepływu w odpowiednich miejscach tych
pól
v = v (x, y), a następnie wyznaczamy metodą
rachunkową lub wykreślną prędkość średnią i
strumień przepływu.
Na rysunku pokazano schemat pomiaru rozkładu
prędkości w przewodzie o przekroju
prostokątnym (np. wentylacyjnym) za pomocą
rurki Prandtla.
Pomiar strumienia
objętości metodą
zwężkową
Dla ustalonego ruchu płynu w poziomej rurze, w której
pewien odcinek zastąpiono przewężeniem – zwężką,
równanie Bernoulliego dla przekrojów 1. i 2. ma postać
Z równania ciągłości wiadomo, że Stosunek średnicy
otworu
( gardzieli) zwężki (d) do średnicy wewnętrznej rurociągu
(D) nazywamy przewężeniem:
ß = d/D.
Po rozwiązaniu układu równań względem v
2
, otrzymamy:
a zatem:
miarą średniej prędkości przepływu przez zwężkę
jest spadek ciśnienia (p = p
1
– p
2
) między jej
przekrojami mierniczymi, zwany ciśnieniem
różnicowym.
Wypływ ustalony przez
mały otwór
Rozpatrzmy przepływ cieczy przez mały
otwór, znajdujący się w pionowej ścianie
oddzielającej dwa zbiorniki wypełnione
cieczami o gęstościach i oraz j przy
wysokościach cieczy hi oraz hj. Nad
cieczami znajdują się gazy o ciśnieniach
odpowiednio pi oraz pj.
Zakładamy, że przepływ jest ustalony, tzn.
wysokości hi oraz hj i ciśnienia pi oraz pj –
podczas przepływu nie ulegają zmianie.
Po przyjęciu poziomu odniesienia w osi otworu,
równanie Bernoulliego ma postać
W przypadku otworu małego (A0 >> A1) (A1/A0) 0 v0
0, prędkość wypływu (przepływu) ze zbiornika (i) określa
zależność:
Jeżeli wprowadzimy oznaczenia gdzie Hi oraz Hj nazywamy
wysokościami rozporządzalnymi, wzór przyjmie postać:
a zatem prędkość przepływu (wypływu) cieczy nielepkiej
zależy od różnicy wysokości rozporządzalnych w obu
zbiornikach.
Szczególne przypadki
wypływów:
v=2gh - zależność ta jest zwana wzorem
Torricellego
Wypływ ustalony przez
duży otwór
Jeżeli wymiary otworu (wymiar pionowy) są
wielkościami tego samego rzędu co głębokość
zanurzenia jego środka, to prędkości wypływu
strug na różnych głębokościach są rozmaite.
Niech A oznacza pole otworu (o dowolnym
konturze) znajdującego się w płaskiej ścianie
nachylonej do poziomu pod kątem .
Prędkość wypływu przez powierzchnię elementarną dA na
głębokości z wynosi:
zaś pole powierzchni elementarnej dA = b(z) dy = b(z) , a
zatem elementarny strumień objętości:
Całkowity rzeczywisty strumień objętości:
W otworze prostokątnym umieszczonym w ścianie
pionowej:
a zatem strumień objętości wypływającej cieczy zależy od
wysokości jej spiętrzenia nad dolną krawędzią otworu.
Gdy powierzchnia swobodna cieczy znajduje się poniżej
górnej krawędzi otworu, otwór staje się przelewem.
Przelewy są stosowane jako przyrządy do pomiaru
strumienia objętości wody w przewodach otwartych.
Przelew mierniczy
prostokątny ze
zwężeniem bocznym
Przelew mierniczy prostokątny ze zwężeniem bocznym
Dla każdego przelewu może być sporządzona krzywa
określająca zależność strumienia objętości od wysokości
spiętrzenia qV = f (h), zwana charakterystyką przepływu.